第三章　吸收

第一節　吸收機理

一、吸收和解吸

吸收是化工生產中分離氣體混合物的重要方法之一。其基本原理是利用氣體混合物中各組分，在某一液體吸收劑中的溶解度不同，使易溶解的組分與難溶解的組分分開，從而達到氣體混合物分離的目的。

解吸過程是吸收過程的逆過程，是使溶解于液相中的氣體從液相中釋放出來的過程（用惰性氣流吹掃溶液，將溶液加熱或將其送入減壓容器中使溶質放出）。吸收與解吸的區別是過程中生產目的與物質傳遞的方向不同。吸收與解吸的目的與傳質方向的比較見表3-1。

氣體吸收過程是溶質由氣相向液相轉移的過程，該過程屬于兩相間的傳質過程。溶質從氣相向液相傳遞分成以下三個步驟：（1）溶質由氣相主體向相界面傳遞，即在氣相內進行物質傳遞；（2）溶質在氣液相界面上的溶解，由氣相轉入液相，即在相界面上發生溶解；（3）溶質自氣液相界面向液相主體傳遞，即在液相內進行物質傳遞。

化工生產中使用吸收操作的主要目的是：（1）從氣體混合物中將一種或若干種組分分離出來作為產品，或作為進一步加工的原料；（2）將氣流中一種或多種無用或有害的組分除去，以免影響產品質量、腐蝕設備或排放后污染環境；（3）使純氣體溶解于溶劑中成為溶液產品，也可視為吸收，也屬于傳質過程，但不算是分離過程。解吸或提餾常常是用于從吸收操作所得到的溶液中，將氣體溶質以比較純或濃的狀態分離出來，并將溶劑回收以便重新使用。

二、物理吸收和化學吸收

吸收過程按氣液組分間是否發生化學反應可分為物理吸收和化學吸收。

（一）物理吸收

物理吸收是指氣體溶質與液體溶劑之間不發生明顯的化學反應，可當作單純的氣體溶解于液相中的物理過程。例如用水吸收CO₂，用水吸收乙醇或丙酮蒸氣，用液態烴吸收氣態烴。

物理吸收主要應考慮在操作溫度下，溶質在吸收劑中的溶解度，吸收的速率主要取決于氣相或液相與界面上溶質的濃度差，以及溶質從氣相向液相傳遞的擴散速率。物理吸收所形成的溶液中，若所含溶質濃度為某一數值，在一定條件下（溫度、總壓），平衡蒸汽中溶質的蒸氣壓也為一定值。吸收的推動力是氣相中溶質的實際分壓與溶液中溶質的平衡蒸氣壓之差。

（二）化學吸收

化學吸收是指氣體溶質進入液相之后與溶劑或預先溶解在溶劑里的其他物質進行化學反應的吸收。例如用稀硫酸吸收氨，用氫氧化鈉或碳酸鈉溶液吸收CO₂、SO₂或H₂S。化學吸收過程，不僅要考慮氣體溶于吸收劑的速率，還要考慮化學反應速率。因此，化學吸收過程遠比物理吸收過程復雜。

工業吸收操作多數是化學吸收。這是由于化學反應提高了吸收的選擇性；化學反應能加快吸收速率，從而減小設備容積；在反應過程中增加了溶質在液相中的溶解度，因此能有效地減少吸收劑用量；同時由于工業吸收中存在化學反應，能降低溶質在氣相中的平衡分壓，能夠較為徹底地除去氣相中很少量的有害氣體。

在化學吸收中，進入溶液的氣體溶質一部分或全部轉變為其他化合物，此溶質的平衡蒸氣壓便有所降低，甚至可以降到零。這樣就使吸收推動力提高，從而提高吸收速率，并且使一定量溶劑能吸收的溶質量也有所增加。

三、吸收過程的機理——雙膜理論

吸收操作是氣相組分在氣液兩相間的對流傳質過程，其過程是非常復雜的，其中惠特曼（Whitman）在20世紀20年代提出的雙膜理論一直占有重要地位。該理論是基于：氣、液相界面兩側各存在一層靜止的或作層流流動的氣膜和液膜，氣相或液相主體內由于流體高度湍動混合均勻，不存在濃度差，所有濃度差集中于有效氣膜和液膜內。故氣相和液相的傳質阻力也全部集中于該兩層有效膜內；在靜止或層流有效膜中的傳質是定態的分子擴散。

（一）雙膜理論的基本論點

雙膜理論的模型如圖3-1所示，它含有以下三個基本假定。

（1）相互接觸的氣液兩相間存在一個穩定的分界面——相界面，相界面的兩側各有一個很薄的層流膜，氣相一側的稱為“氣膜”，液相一側的稱為“液膜”，吸收質以分子擴散方式通過氣膜和液膜；

（2）在相界面處，氣液兩相處于相平衡，即界面上沒有阻力；

（3）在氣液兩相主體中，由于流體充分湍動混合，吸收質濃度均勻，傳質推動力為零，因而沒有傳質阻力或擴散阻力，濃度差全部集中在兩個膜層中，即阻力集中在兩膜層中。

傳質的速率取決于雙膜中的擴散速率，其中擴散速率與雙膜的厚度成反比。流速加快，雙膜變薄，更新加快，也就是說，提高流速由于流體帶動滯流層變薄和不斷更新，有利于傳質。

（二）傳質過程的強化

根據雙膜理論，在我們的實際生產中可以從以下幾個方面強化其傳質過程：

（1）提高氣液流動速度，使氣膜和液膜變薄，更新加快，以利于傳質過程的進行。但要注意流速過大，流速阻力隨之增大，而且還會出現乳化或液泛現象（液泛現象：當氣速增大，使氣、液間的摩擦阻力增大至足以阻止液體下流，致使液體充滿填料層空隙，先是塔頂部積液，繼而蔓延全塔，液體被氣流帶出塔頂，吸收操作完全被破壞）。

（2）增大氣液接觸面積。一方面要選擇表面積大、流體力學性能好的填料，如將拉西環改為矩鞍環、階梯環等；另一方面要注意改進設備結構（因氣液有穩定的界面，氣液間接觸面積的大小主要由設備結構所決定）。

（3）增加噴淋密度和改善噴淋狀況，提高填料的潤濕率，增加有效的接觸面積。不但要注意防止由此引起的阻力過大和帶沫現象，更要注意不能發生液泛現象。

四、吸收過程的相平衡關系

（一）氣體在液體中的溶解度

在恒定的溫度和壓力下，當一定量的吸收劑與氣體混合物在密閉的容器內接觸時，氣相中的溶質組分便不斷地向液相吸收劑中轉移，同時已被溶解的溶質分子有一部分返回到氣相，剛開始溶質分子進入液相的多而離開液相的少，液相中溶質的含量將越來越高。隨著傳質過程的進行，當進入液相中的溶質分子數與從液相逸出的溶質分子數恰好相等時，溶液的濃度也就不再變化，這種狀態稱為相際動態平衡，簡稱相平衡或平衡。平衡時的狀態稱為平衡狀態。平衡狀態下氣相中的溶質分壓稱為平衡分壓或飽和分壓，液相中的溶質濃度稱為平衡濃度或飽和濃度、平衡組成。

氣體在液體中的溶解度是指在一定條件下氣體在液體中的平衡組成。習慣上以單位質量或單位體積的吸收劑中所含溶質的質量來表示，單位為kg溶質/kg吸收劑或kg溶質/m³吸收劑，也可以用摩爾分數或摩爾比表示，氣體的溶解度也表明一定條件下吸收過程可能達到的極限程度。

（二）亨利定律

對于實際生產中的大多數吸收過程，溶質在氣體中的含量不高，溶解后形成的溶液濃度一般也不會太高，為稀溶液，而稀溶液的氣液相平衡關系可用亨利定律來描述。

當總壓不太高（小于500kPa）時，一定溫度下稀溶液上方溶質的平衡分壓與該溶質在液相中的摩爾分數成正比，其比例系數稱為亨利系數。即：

　　 或 　　

或　　y*=mx

式中　——溶質在氣相中的平衡分壓，kPa；

x——液相中溶質的摩爾分數；

c——液相中溶質的物質的量濃度，kmol/m³；

y*——與液相形成平衡的氣相中溶質的摩爾分數；

E——亨利系數，kPa；

H——溶解度系數，kmol/（m³·kPa）；

m——相平衡常數，無量綱。

（三）相平衡關系在吸收操作中的應用

1.判斷過程方向

當不平衡的氣液兩相接觸時，溶質是被吸收，還是被解吸，取決于相平衡關系。設氣液兩相組成分別用Y和X（摩爾比）表示，與液相組成X成平衡的氣相組成為Y*。吸收、解吸及平衡狀態時，氣、液組成關系曲線如圖3-2所示。

在圖3-2中，（a）所示的狀態點A，由于Y＞Y*。則過程進行的方向為溶質由氣相轉入液相，為吸收過程；（b）所示的狀態點B，由于Y＜Y*，則過程進行的方向為溶質從液相解吸進入氣相，為解吸過程；（c）所示的狀態點C，因Y=Y*，宏觀傳質過程停止，即氣液兩相處于相平衡狀態。

2.確定吸收過程的推動力

在吸收過程中，通常以實際的氣、液相組成與其平衡組成的偏離程度來表示吸收推動力。對如圖3-2（a）所示的狀態點A，該點位于相平衡線的上方，這是吸收過程進行的必要條件，過程的推動力可用氣相組成差（Y?Y*）來表示，也可用液相組成差（X*?X）來表示。狀態點組成偏離平衡組成愈遠，過程推動力愈大，過程速率也愈快，吸收也容易進行；反之，吸收越難進行。

五、低濃度氣體吸收過程物料衡算

進塔混合氣中的溶質含量低于5％～10％（體積分數），或者被處理氣體的溶質含量較高，但在塔內被吸收的數量不大時，可以按低濃度氣體吸收過程處理。

（一）低濃度氣體吸收的特點

（1）吸收過程中氣液相在塔內的摩爾流率近似不變，可視為常量；

（2）吸收過程中塔內溫度變化不大，可按等溫吸收過程處理；

（3）傳質系數為常量。

（二）物料衡算

作逆流吸收塔操作曲線，如圖3-3所示。同時，對全塔進行物料衡算，如圖3-4所示。

由逆流吸收塔的操作線以及物料衡算示意圖，可得以下方程式：

操作線方程式：

全塔物料衡算式：G（y₁?y₂）=L（x₁?x₂）

式中　L——單位時間內通過吸收塔的溶劑量，kmol/s；

G——單位時間內通過吸收塔的氣體量，kmol/s；

x₁，x₂——出塔和進塔液體中溶質組分的摩爾比；

y₁，y₂——進塔和出塔氣體中溶質組分的摩爾比。

由上述方程式簡化可得，其中稱為液氣比，即氣體吸收操作中液體流率與氣體流率之比，也是操作線的斜率，它可影響吸收過程的質量和吸收操作的成本，它既是一個技術指標，又是一個經濟指標。

（三）影響吸收過程因素的分析

按照傳遞過程的一般規律，吸收過程的速率為吸收的推動力與阻力之比，因此，生產中可從以下兩方面來強化吸收過程。

1.增加吸收過程推動力

（1）增大吸收劑用量L或增大液氣比L/G，這樣操作線位置上移，吸收操作的平均推動力增大；

（2）改變相平衡關系，可通過降低吸收劑溫度、提高操作壓強或將吸收劑改性，使相平衡常數m減小，這樣平衡線位置下移，吸收操作平均推動力也增大；

（3）降低吸收劑入口組成x₂，這樣液相進口處推動力增大，全塔平均推動力也隨之增大。

2.減小吸收過程阻力（即提高傳質系數）

（1）開發和采用新型填料，使填料的比表面積增加；

（2）改變操作條件，對氣相阻力控制的物系，宜增大氣速和增強氣相湍動；對液相阻力控制的物系，宜增大液速和液相湍動。此外吸收溫度不能過低，否則分子擴散系數減小，黏度增大，致使吸收阻力增加。