四位一体多功能吸收解吸培训装置操作规程Word文档格式.docx
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吸收操作所得的溶液称为吸收液或溶液，它是溶质A在溶剂S中的溶液；
被吸收后排除出的气体称为吸收尾气，其主要成分为惰性气体B，但仍含有少量未被吸收的溶质A。
吸收操作在石油化工、天然气化工以及环境工程中有极其广泛的应用，按工程目的可归纳为：
1.净化原料气或精制气体产品；
2.分离气体混合物以获得需要的目的组分；
3.制取气体溶液作为产品或中间产品；
4.治理有害气体的污染、保护环境。
与吸收相反的过程，即溶质从液相中分离出来而转移到气相的过程（用惰性气体吹扫溶液或将溶液加热或将其送入减压容器中使溶质放出），称为解吸或提馏。
吸收与解吸的区别仅仅是过程中物质传递的方向相反，它们所依据的原理一样。
（一）吸收的基本原理
物理吸收和化学吸收
气体中各组分因在溶剂中物理溶解度的不同而被分离的吸收操作称为物理吸收，溶质与溶剂的结合力较弱，解吸比较方便。
但是，一般气体在溶剂中的溶解度不高。
利用适当的化学反应，可大幅度地提高溶剂对气体的吸收能力。
同时，化学反应本身的高度选择性必定赋予吸收操作以高度选择性。
此种利用化学反应而实现吸收的操作称为化学吸收。
1.气体在液体中的溶解度，即气－液平衡关系
在一定条件（系统的温度和总压力）下，气液两相长期或充分接触后，两相趋于平衡。
此时溶质组分在两相中的浓度分布服从相平衡关系。
对气相中的溶质来说，液相中的浓度是它的溶解度；
对液相中的溶质来说，气相分压是它的平衡蒸汽压。
气液平衡是气液两相密切接触后所达到的终极状态。
在判断过程进行的方向（吸收还是解吸），吸收剂用量或是解吸吹扫气体用量，以及设备的尺寸时，气液平衡数据都是不可缺少的。
吸收用的气液平衡关系可用亨利定律表示：
气体在液体中的溶解度与它在气相中的分压成正比。
即
式中，p*——溶质在气相中的平衡分压，KPa
Y*——溶质在气相中的摩尔分率
X——溶质在液相中的摩尔分率
E和m为以不同单位表示的亨利系数，m又称为相平衡常数。
这些常数的数值越小，表明可溶组分的溶解度越大，或者说溶剂的溶解能力越大。
E与m的关系为：
式中，p——总压，KPa
亨利系数随温度而变，压力不大（约5MPa以下）时，随压力而变得很小，可以不计。
不同温度下，二氧化碳的亨利系数如下：
表1不同温度下CO2溶于水的亨利系数
温度（℃）
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
E（MPa）
73.7
88.7
105
124
144
166
188
212
236
260
287
吸收过程涉及两相间的物质传递，它包括三个步骤：
①溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递；
②溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面上发生的溶解过程；
③溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。
一般来说，上述第二步即界面上发生的溶解过程很易进行，其阻力极小。
因此，通常都认为界面上气、液两相的溶质浓度满足相平衡关系，即认为界面上总保持着两相的平衡。
这样，总过程速率将由两个单相即气相与液相内的传质速率所决定。
无论气相或液相，物质传递的机理包括以下两种：
①分子扩散分子扩散类似于传热中热传导，是分子微观运动的宏观统计结果。
混合物中存在温度梯度、压强梯度及浓度梯度都会产生分子扩散。
吸收过程中常见的是因浓度差而造成的分子扩散速率。
②对流传质在流动的流体中不仅有分子扩散，而且流体的宏观流动也将导致物质的传递，这种现象称为对流传质。
对流传质与对流传热相类似，且通常是指流体与某一界面（如气液界面）之间的传质。
常见的解吸方法有升温、减压、吹气，其中升温与吹气最为常见。
溶剂在吸收与解吸设备之间循环，其间的加热与冷却、泄压与加压必消耗较多的能量。
如果溶剂的溶解能力差，离开吸收设备的溶剂中溶质浓度较低，则所需的溶剂循环量必大，再生时的能量消耗也大。
同样，若溶剂的溶解能力对温度变化不敏感，所需解吸温度较高，溶剂再生的能耗也将增大。
2.流体力学性能
填料塔是一种应用很广泛的气液传质设备，它具有结构简单、压降低、填料易用耐腐蚀材料制造等优点。
在填料塔内液膜所流经的填料表面是许多填料堆积而成的，形状极不规则。
这种不规则的填料表面有助于液膜的湍动。
特别是当液体自一个填料通过接触点流至下一个填料时，原来在液膜内层的液体可能转而处于表面，而原来处于表面的液体可能转入内层，由此产生所谓表面更新现象。
这有力地加快液相内部的物质传递，是填料塔内气液传质中的有利因素。
但是，也应该看到，在乱堆填料层中可能存在某些液流所不及的死角。
这些死角虽然是湿润的，但液体基本上处于静止状态，对两相传质贡献不大。
液体在乱堆填料层内流动所经历的路径是随机的。
当液体集中在某点进入填料层并沿填料流下，液体将成锥形逐渐散开。
这表明乱堆填料是具有一定的分散液体的能力。
因此，乱堆填料对液体预分布没有苛刻的要求。
另一方面，在填料表面流动的液体部分地汇集成小沟，形成沟流，使部分填料表面未能润湿。
综上述两方面的因素，液体在流经足够高的一段填料层之后，将形成一个发展了的液体分布，称为填料的特征分布。
特征分布是填料的特性，规整填料的特征分布优于散装填料。
在同一填料塔中，喷淋液量越大，特征分布越均匀。
在填料塔中流动的液体占有一定的体积，操作时单位填充体积所具有的液体量称为持液量（m3/m3）。
持液量与填料表面的液膜厚度有关。
液体喷淋量大，液膜增厚，持液量也加大。
在一般填料塔操作的气速范围内，由于气体上升对液膜流下造成的阻力可以忽略，气体流量对液膜厚度及持液量的影响不大。
图1填料塔压降与空塔速度的关系
在填料层内，由于气体的流动通道较大，因而一般处于湍流状态。
气体通过干填料层的压降与流速的关系如右图所示，其斜率为1.8~2.0。
当气液两相逆流流动时，液膜占去了一部分气体流动的空间。
在相同的气体流量下，填料空隙间的实际气速有所增加，压降也相应增大。
同理，在气体流量相同的情况下，液体流量越大，液膜越厚，压降也越大。
已知在干填料层内，气体流量的增大，将使压降按1.8~2.0次方增长。
当填料层内存在两相逆流流动（液体流量不变）时，压强随气体流量增加的趋势要比干填料层大。
这是因为气体流量的增大，使液膜增厚，塔内自由界面减少，气体的实际流速更大，从而造成附加的压降增高的缘故。
低气速操作时，膜厚随气速变化不大，液膜增厚所造成的附加压降增高并不明显。
如图1所示，此时压降曲线基本上与干填料层的压降曲线平行。
高气速操作时，气速增大引起的液膜增厚对压降有显著影响，此时压降曲线变陡，其斜率可远大于2。
图1中A1、A2、A3等点表示在不同液体流量下，气液两相流动的交互影响开始变得比较显著。
这些点称为载点。
不难看出，载点的位置不是十分明确，但它提示人们，自载点开始，气液两相流动的交互影响已不容忽视。
自载点以后，气液两相的交互作用越来越强烈。
当气液流量达到某一定值时，两相的交互作用恶性发展。
将出现液泛现象，在压降曲线上，出现液泛现象的标志是压降曲线近于垂直。
压降曲线明显变为垂直的转折点（如图1所示的B1、B2、B3等）称为泛点。
前已述及，在一定液体流量下，气体流量越大，液膜所受的阻力亦随之增大，液膜平均流速减小而液膜增厚。
在泛点之前，平均流速减小可由膜厚增加而抵消，进入和流出填料层的液量可重新达到平衡。
因此，在泛点之前，每一个气量对应一个膜厚，此时，液膜可能很厚，但气体仍保持为连续相。
但是，当气速增大至泛点时，出现了恶性的循环。
此时，气量稍有增加，液膜将增厚，实际气速将进一步增加；
实际气速的增大反过来促使液膜进一步增厚。
泛点时，尽管气量维持不变，如此相互作用终不能达到新的平衡，塔内持液量将迅速增加。
最后，液相转为连续相，而气相转而成为分散相，以气泡形式穿过液层。
泛点对应于上述转相点，此时，塔内充满液体，压降剧增，塔内液体返混和气体的液沫夹带现象严重，传质效果极差。
3.传质性能
吸收系数是决定吸收过程速率高低的重要参数，而实验测定是获取吸收系数的根本途径。
对于相同的物系及一定的设备（填料类型与尺寸），吸收系数将随着操作条件及气液接触状况的不同而变化。
虽然本实验所用气体混合物中二氧化碳的组成较高，所得吸收液的浓度却不高。
可认为气-液平衡关系服从亨利定律，可用方程式Y*=mX表示。
又因是常压操作，相平衡常数m值仅是温度的函数。
（1）NOG、HOG、KYa、φA可依下列公式进行计算
式中：
Z—填料层的高度，m；
HOG—气相总传质单元高度，m；
NOG—气相总传质单元数，量纲为一；
Y1、Y2—进、出口气体中溶质组分（A与B）的摩尔比，
；
Ym—所测填料层两端面上气相推动力的平均值；
Y2、Y1—分别为填料层上、下两端面上气相推动力；
Y1=Y1-mX1；
Y2=Y2-mX2
X2、X1—进、出口液体中溶质组分（A与S）的摩尔比，
m—相平衡常数，量纲为一；
KYa—气相总体积吸收系数，kmol/（m3·
h）；
qn,V—空气（B）的摩尔流量，kmol/h；
Ω—填料塔截面积，m2；
。
—混合气中二氧化碳被吸收的百分率（吸收率），量纲为一。
（2）操作条件下液体喷淋密度的计算
最小喷淋密度经验值
为0.2m3/（m2·
h）
（二）主要物料的平衡及流向
空气（载体）由空气压缩机提供，二氧化碳（溶质）由钢瓶提供，二者混合后从吸收塔的底部进入吸收塔向上流动通过吸收塔，与下降的吸收剂逆流接触吸收，吸收尾气一部分进入二氧化碳气体分析仪，大部分排空；
吸收剂（解吸液）存储于解吸液储槽，经解吸液泵输送至吸收塔的顶端向下流动经过吸收塔，与上升的气体逆流接触吸收其中的溶质（二氧化碳），吸收液从吸收塔底部进入吸收液储槽。
空气（解吸惰性气体）由旋涡气泵机提供，从解吸塔的底部进入解吸塔向上流动通过解吸塔，与下降的吸收液逆流接触进行解吸，解吸尾气一部分进入二氧化碳气体分析仪，大部分排空；
吸收液存储于吸收液储槽，经吸收液泵输送至解吸塔的顶端向下流动经过解吸塔，与上升的气体逆流接触解吸其中的溶质（二氧化碳），解吸液从解吸塔底部进入解吸液储槽。
（三）带有控制点的工艺及设备流程图
图2二氧化碳吸收-解吸实训装置流程图
三、生产控制技术
在化工生产中，对各工艺变量有一定的控制要求。
有些工艺变量对产品的数量和质量起着决定性的作用。
例如，对吸收剂流量的控制可以直接影响到吸收液中二氧化碳的含量；
而对吸收剂储槽液位的控制可以保证实验得以顺利进行。
为了实现控制要求，可以有两种方式，一是人工控制，二是自动控制。
自动控制是在人工控制的基础上发展起来的，使用了自动化仪表等控制装置来代替人的观察、判断、决策和操作。
先进控制策略在化工生产过程的推广应用，能够有效提高生产过程的平稳性和产品质量的合格率，对于降低生产成本、节能减排降耗、提升企业的经济效益具有重要意义。
（一）各项工艺操作指标
1．操作压力
二氧化碳钢瓶压力≥0.5MPa
压缩空气压力≤0.3MPa
吸收塔压差0~1.0KPa
解吸塔压差0~1.0KPa
加压吸收操作压力≤0.5MPa
2.流量控制
吸收剂流量：
200~400L/h
解吸剂流量：
解吸气泵流量：
4.0~10.0m3/h
CO2气体流量：
4.0~10.0L/min
压缩空气流量：
15~40L/min
3.温度控制
吸收塔进、出口温度：
室温
解吸塔进、出口温度：
各电机温升≤65℃
4.孔板流量计孔径：
5.0mm，孔流系数C0=0.60
5.吸收液储槽液位：
200~300mm
解吸液储槽液位1/3~3/4
（二）主要控制点的控制方法和仪表控制
吸收剂（解吸液）流量控制：
图3吸收剂流量控制方块图
吸收液储槽液位控制：
图4吸收液储槽液位控制方块图
解吸惰性气体流量控制：
图5解吸惰性气体流量控制方块图
四、物耗能耗指标
本实训装置的物质消耗为：
二氧化碳，吸收剂（水）
本实训装置的能量消耗为：
吸收泵、解析泵和旋涡气泵耗电
表2物耗能耗一览表
名称
耗量
额定功率
水
循环使用
二氧化碳
可调节
吸收液泵
550W
解吸液泵
旋涡气泵
370W
总计
80L
600L/min
1.5KW
五、安全生产技术
（一）生产事故及处理预案
1.吸收塔出口气体二氧化碳含量升高
造成吸收塔出口气体二氧化碳含量升高的原因主要有入口混合气中二氧化碳含量的增加、混合气流量增大、吸收剂流量减小、吸收贫液中二氧化碳含量增加和塔性能的变化（填料堵塞、气液分布不均等）。
处理的措施依次有：
（1）检查二氧化碳的流量，如发生变化，调回原值。
（2）检查入吸收塔的空气流量FIC02，如发生变化，调回原值。
（3）检查入吸收塔的吸收剂流量FIC04，如发生变化，调回原值。
（4）打开阀门V112，取样分析吸收贫液中二氧化碳含量，如二氧化碳含量升高，增加解吸塔空气流量FIC01。
（5）如上述过程未发现异常，在不发生液泛的前提下，加大吸收剂流量FIC04，增加解吸塔空气流量FIC01，使吸收塔出口气体中二氧化碳含量回到原值，同时向指导教师报告，观测吸收塔内的气液流动情况，查找塔性能的恶化的原因。
待操作稳定后，记录实验数据；
继续进行其它实验。
2.解吸塔出口吸收贫液中二氧化碳含量升高
造成吸收贫液中二氧化碳含量升高的原因主要有解吸空气流量不够、塔性能的变化（填料堵塞、气液分布不均等）。
处理的措施有：
（1）检查入解吸塔的空气流量FIC01，如发生变化，调回原值。
（2）检查解吸塔塔底的液封，如液封被破坏要恢复，或增加液封高度，防止解吸空气泄露。
（3）如上述过程未发现异常，在不发生液泛的前提下，加大解吸空气流量FIC01，使吸收贫液中二氧化碳含量回到原值，同时向指导教师报告，观察塔内气液两相的流动状况，查找塔性能的恶化的原因。
（二）工业卫生和劳动保护
化工单元实训基地的老师和学生进入化工单元实训基地后必须穿戴劳防用品：
在指定区域正确戴上安全帽，穿上安全鞋，在进入任何作业过程中佩戴安全防护眼镜，在任何作业过程中佩戴合适的防护手套。
无关人员不得进入化工单元实训基地。
1.用电安全
（1）进行实训之前必须了解室内总电源开关与分电源开关的位置，以便出现用电事故时及时切断电源。
（2）在启动仪表柜电源前，必须弄清楚每个开关的作用。
（3）启动电机，上电前先用手转动一下电机的轴，通电后，立即查看电机是否已转动；
若不转动，应立即断电，否则电机很容易烧毁。
（4）在实训过程中，如果发生停电现象，必须切断电闸。
以防操作人员离开现场后，因突然供电而导致电器设备在无人看管下运行。
（5）不要打开仪表控制柜的后盖和强电桥架盖，电器发生故障时应请专业人员进行电器的维修。
2.高压钢瓶的安全知识
本实训装置要使用高压二氧化碳钢瓶。
（1）使用高压钢瓶的主要危险是钢瓶可能爆炸和漏气。
若钢瓶受日光直晒或靠近热源，瓶内气体受热膨胀，以致压力超过钢瓶的耐压强度时，容易引起钢瓶爆炸。
（2）搬运钢瓶时，钢瓶上要有钢瓶帽和橡胶安全圈，并严防钢瓶摔倒或受到撞击，以免发生意外爆炸事故。
使用钢瓶时，必须牢靠地固定在架子上、墙上或实训台旁。
（3）绝不可把油或其它易燃性有机物粘附在钢瓶上（特别是出口和气压表处）；
也不可用麻、棉等物堵漏，以防燃烧引起事故。
（4）使用钢瓶时，一定要用气压表，而且各种气压表一般不能混用。
一般可燃性气体的钢瓶气门螺纹是反扣的（如H2，C2H2），不燃性或助燃性气体的钢瓶气门螺纹是正扣的（如N2，O2）。
（5）使用钢瓶时必须连接减压阀或高压调节阀，不经这些部件让系统直接与钢瓶连接是十分危险的。
（6）开启钢瓶阀门及调压时，人不要站在气体出口的前方，头不要在瓶口之上，而应在瓶之侧面，以防万一钢瓶的总阀门或气压表被冲出伤人。
（7）当钢瓶使用到瓶内压力为0.5MPa时，应停止使用。
压力过低会给充气带来不安全因素，当钢瓶内压力与外界压力相同时，会造成空气的进入。
3.使用梯子
不能使用有缺陷的，登梯前必须确保梯子支撑稳固，上下梯子应面向梯子并且双手扶梯，一人登高时要有同伴护稳梯子
4.环保
不得随意丢弃化学品，不得随意乱扔垃圾，避免水、能源和其他资源的浪费，保持实训基地的环境卫生。
本实训装置无三废产生。
在实训过程中，要注意，不能发生物料的跑、冒、滴、漏。
5.行为规范
（1）不准吸烟
（2）使用楼梯时应用手护栏杆
（3）保持实训环境的整洁
（4）不准从高处乱扔杂物
（5）不准随意坐在灭火器箱、地板和教室外的凳子上
（6）非紧急情况下不得随意使用消防器材（训练除外）
（7）不得靠在实训装置上
（8）在实训过程中、在教室里不得打骂和嬉闹
（9）使用后的清洁用具按规定放置整齐
六、实训操作步骤
（一）开车前准备
1.了解吸收和解吸传质过程的基本原理；
2.了解填料塔的基本构造，熟悉工艺流程和主要设备；
3.熟悉各取样点及温度和压力测量与控制点的位置；
4.熟悉用转子流量计，孔板流量计和涡轮流量计测量流量；
5.检查公用工程（水、电）是否处于正常供应状态；
6.设备上电，检查流程中各设备、仪表是否处于正常开车状态，动设备试车。
7.了解本实训所用物系。
8.检查吸收液储槽，是否有足够空间储存实训过程的吸收液。
9.检查解吸液储槽，是否有足够解吸液供实训使用。
10.检查二氧化碳钢瓶储量，是否有足够二氧化碳供实训使用。
11.检查流程中各阀门是否处于正常开车状态：
阀门VA101、VA103、VA104、VA105、VA106、VA107、VA108、VA110、A111、VA112、VA113、VA114、VA115、VA116关闭；
阀门VA109、VA117、VA118全开。
12.按照要求制定操作方案
发现异常情况，必须及时报告指导教师进行处理。
（二）正常开车
（1）确认阀门VA111处于关闭状态，启动解吸液泵P201,逐渐打开阀门VA111，吸收剂（解吸液）通过孔板流量计FIC04从顶部进入吸收塔。
（2）将吸收剂流量设定为规定值（200～400L/h），观测孔板流量计FIC03显示和解吸液入口压力PI03显示。
（3）当吸收塔底的液位LI01达到规定值时，启动空气压缩机,将空气流量设定为规定值（1.4～1.8m3/h），通过质量流量计积算仪使空气流量达到此值。
（4）观测吸收液储槽的液位LIC03，待其大于规定液位高度（200～300mm）后，启动旋涡气泵P202,将空气流量设定为规定值（4.0～18m3/h），调节空气流量FIC01到此规定值（若长时间无法达到规定值，可适当减小阀门VA118的开度）。
（注：
新装置首次开车时，解吸塔要先通入液体润湿填料，再通入惰性气体）
（5）确认阀门VA112处于关闭状态，启动吸收液泵P101,观测泵出口压力PI02（如PI02没有示值，关泵，必须及时报告指导教师进行处理）打开阀门VA112，解吸液通过孔板流量计FI04从顶部进入解吸塔，通过解吸液泵变频器调节解吸液流量，直至LIC03保持稳定，观测孔板流量计FI04显示。
（6）观测空气由底部进入解吸塔和解吸塔内气液接触情况，空气入口温度由TI03显示。
（7）将阀门VA118逐渐关小至半开，观察空气流量FIC01的示值。
气液两相被引入吸收塔后，开始正常操作。
（三）正常操作
（1）打开二氧化碳钢瓶阀门，调节二氧化碳流量到规定值，打开二氧化碳减压阀保温电源。
（2）二氧化碳和空气混合后制成实训用混合气从塔底进入吸收塔。
（3）注意观察二氧化碳流量变化情况，及时调整到规定值。
（4）操作稳定20分钟后，分析吸收塔顶放空气体（AI03）、解吸塔顶放空气体（AI05）。
（5）气体在线分析方法：
二氧化碳传感器检测吸收塔顶放空气体（AI03）、解吸塔顶放空气体（AI05）中的二氧化碳体积浓度，传感器将采集到的信号传输到显示仪表中，在显示仪表AI03和AI05上读取数据。
本实训可以改变下列工艺条件
（1）吸收塔混合气流量和组成。
（2）解吸液流量和组成。
（3）解吸塔空气流量。
（4）吸收液流量和组成。
在操作过程中，可以改变一个操作条件，也可以同时改变几个操作条件。
需要注意的是，每次改变操作条件，必须及时记录实训数据，操作稳定后及时取样分析和记录。
操作过程中发现异常情况，必须及时报告指导教师进行处理。
（四）正常停车
（1）关闭二氧化碳钢瓶总阀门，关闭二氧化碳减压阀保温电源。
（2）10分钟后，关闭吸收液泵P201电源，关闭空气压缩机电源。
（3）吸收液流量变为零后，关闭解吸液泵P101电源。
（4）5分钟后，关闭旋涡气泵P20
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