4.1　吸收過程

吸收過程是溶質由氣相轉移至液相的相際傳質過程，通常在吸收塔中進行，圖4-1所示為洗油脫除煤氣中粗苯的吸收、解吸聯合操作的流程圖。在煉焦及制取城市煤氣的生產過程中，焦爐煤氣內含有少量的苯、甲苯類低烴類化合物蒸氣約35g/m³，應予以分離回收。回收苯系物質的流程包括吸收和解吸兩大部分。含苯煤氣在常溫下由底部進入吸收塔，洗油從塔頂淋入，塔內裝有木柵填充物。在煤氣與洗油逆流接觸中，煤氣中的苯蒸氣溶解于洗油，使塔頂離去的煤氣苯含量降至某允許值（<2g/m³），而溶有較多苯系溶質的洗油（稱富油）由吸收塔底排出。為取出富油中的苯并使洗油能夠再次使用（稱溶劑再生），在另一個稱為解吸塔的設備中進行與吸收相反的操作——解吸。解吸是將富油（吸收中的完成液）預熱至170℃由解吸塔淋下，塔底通入過熱水蒸氣。洗油中的苯在高溫下逸出而被水蒸氣帶走達到解吸的目的。吸收劑可循環使用。

由此可見，采用吸收操作實現氣體混合物的分離必須解決下列問題。

①選擇合適的溶劑，使其能選擇性地溶解某個（或某些）被分離組分。

②選擇適當的傳質設備以實現氣液兩相接觸，使被分離組分得以自氣相轉移到液相（吸收）或相反（解吸）。

③溶劑的再生，即脫除溶解于其中的被分離組分（吸收質）以循環使用。

吸收操作中，原料氣中可溶解于液體的組分叫吸收質（B），用于溶解氣體的液體叫吸收劑（S），吸收劑溶解了吸收質離開吸收塔叫吸收液，也叫完成液。

4.1.1　吸收劑的選擇

吸收過程是氣體中的溶質溶解于吸收劑中，即兩相之間的接觸傳質實現的。吸收操作的成功與否很大程度上取決于吸收劑性能的優劣。評價吸收劑優劣主要依據以下幾點。

（1）溶解度

吸收劑應對混合氣中被分離組分（吸收質）有很大的溶解度，或者說在一定的溫度與濃度下，吸收劑的平衡分壓要低。這樣從平衡角度來說，處理一定量混合氣體所需的溶劑量較少，氣體中吸收質的極限殘余亦可降低。

（2）選擇性

混合氣體中其他組分在吸收劑中的溶解度要小，即吸收劑具有較高的選擇性。

（3）揮發性

在操作溫度下吸收劑的蒸氣壓要低，因為吸收尾氣往往為吸收劑蒸氣所飽和，吸收劑揮發度越高，其損失量越大。

（4）黏度

吸收劑在操作溫度下黏度越低，其在塔內的流動性越好，有利于傳質和傳熱。

（5）再生性

吸收質在吸收劑中的溶解度應對溫度的變化比較敏感，即不僅在低溫下溶解度要大，平衡分壓要小，而且隨溫度升高，溶解度應迅速下降，平衡分壓迅速上升。

（6）穩定性

化學穩定性好，以免在使用過程中發生變質。

（7）經濟性

價廉、易得、無毒、不易燃燒、冰點低。

4.1.2　物理吸收和化學吸收

在吸收過程中，如果氣體中的溶質與吸收劑之間不發生顯著的化學反應，可以看作是氣體單純地溶解于液相的物理過程，稱為物理吸收。上述煤氣脫苯即為一例。在物理吸收中溶質與溶劑的結合力較弱，解吸比較方便。物理吸收操作的極限主要取決于當時條件下吸收質在吸收劑中的溶解度。吸收速率則決定于氣、液兩相中吸收質的濃度差，以及吸收質從氣相傳遞到液相中的擴散速率，加壓和降溫可以增大吸收質的溶解度，有利于吸收。物理吸收是可逆的，熱效應小。

但是，一般氣體在溶劑中的溶解度不高。利用適當的反應，可大幅度地提高吸收劑對氣體的吸收能力。例如，CO₂在水中溶解度甚低，但若以K₂CO₃水溶液吸收CO₂時，則在液相中發生下列反應：

K₂CO₃+CO₂+H₂O 2KHCO₃　　 （4-1）

又如用硫酸吸收氨：

H₂SO₄+NH₃ NH₄HSO₄　　 （4-2）

用酸或堿吸收氣體中的溶質而實現的吸收操作稱為化學吸收。化學吸收提高了吸收質的溶解能力和吸收操作的高度選擇性。化學吸收的化學反應應滿足以下條件。

（1）可逆性

如果該反應不可逆，溶劑將難以再生和循環使用，例如，用NaOH吸收CO₂時，因為生成Na₂CO₃而不易再生，勢必消耗大量的NaOH。因此，只有當氣體中CO₂含量甚低，而又必須徹底加以清除或Na₂CO₃為目標產品時才使用。

（2）較高的反應速率

若吸收采用的化學反應速率較慢，則應考慮加入適當的催化劑，加快反應速率。

化學吸收操作的極限主要決定于當時條件下反應的平衡常數。吸收速率則決定于吸收質的擴散速率或化學反應速率。化學吸收常伴有熱效應，需要及時移走反應熱。

4.1.3　氣體吸收的工業應用

吸收操作廣泛地應用于混合氣體的分離，具體應用有以下幾種。

（1）凈化或精制氣體

混合氣中去除雜質，常采用吸收方法，如用水吸收黃鐵礦焙燒產物，除去爐氣中的HF等氣體；用丙酮脫除石油裂解氣中的乙炔等。

（2）制取某種氣體的液態產品

如用水吸收二氧化氮制取硝酸；用水吸收氯化氫氣體制取鹽酸；用水吸收甲醛以制取福爾馬林等。

（3）分離混合氣體以回收所需組分

如用硫酸處理焦爐氣以回收其中的氨；從煙道氣中回收二氧化硫等。

（4）工業廢氣的治理

在工業廢氣中常含有SO₂、NO、NO₂、HF等有害氣體，直接排入大氣對環境危害很大，可通過吸收凈化排空氣體。

4.1.4　吸收操作的經濟性

吸收的操作費用主要包括以下幾方面。

①氣、液兩相流經吸收設備的能量消耗。

②溶劑的揮發損失和變質損失。

③溶劑的再生費用。

吸收的操作費用主要是吸收劑的再生。常用吸收劑再生方法有升溫、減壓、吹氣，其中升溫與吹氣，特別是升溫與吹氣同時使用最為常見。溶劑在吸收與解吸設備之間循環，其間的加熱與冷卻、減壓與加壓，必須消耗較多的能量。如果溶解能力差，則吸收劑循環量大，再生能耗也大；同樣若吸收劑的溶解能力對溫度變化不敏感，所需解吸溫度高，再生能耗也大。最好是吸收液（完成液）可作為產品，不需要吸收劑再生，這種吸收流程的經濟性最好。

4.1.5　吸收與蒸餾操作的區別

吸收與蒸餾操作同樣是涉及兩個相（氣相和液相）間的質量傳遞，但吸收與蒸餾的傳遞不同。蒸餾不僅有氣相中重組分進入液相，而且同時有液相中輕組分轉入氣相的傳質，屬雙向傳質；吸收則只進行氣相中溶質向液相中傳質，為單向傳質過程。

蒸餾操作中有恒摩爾流假設，而吸收操作中也有恒摩爾流假設，當氣體混合物中只有一個組分溶于吸收劑，其余組分在吸收劑中的溶解度極低而可忽略不計時，可視為一個惰性組分，惰性組分的流量在吸收塔中是恒定的。

由于吸收在較低的溫度下進行，吸收劑的蒸汽壓很低，其揮發損失不計，視吸收劑流量是恒定的。

4.1.6　吸收塔設備類型

吸收設備有多種形式，但以塔式最為常用。圖4-2為吸收塔示意。

在圖4-2（a）所示的板式吸收塔中，氣體與液體逆流接觸。氣體自下而上通過板上的小孔而逐板上升，在每一板上與吸收劑接觸而進行吸收質溶解過程，隨著塔內氣體上升，溶質濃度下降，吸收劑中自上而下吸收質濃度逐漸上升。

在圖4-2（b）所示設備中，液體呈膜狀沿壁流下，此為濕壁塔或降膜塔。更常見的是在塔內充以如瓷環之類的填料，液體自塔頂均勻淋下并沿填料表面流下，氣體通過填料間的空隙上升與液體作連續的逆流接觸，氣體中的可溶組分不斷地被吸收。工業生產中常用填料塔來完成吸收操作。