4.1　吸收过程

吸收过程是溶质由气相转移至液相的相际传质过程，通常在吸收塔中进行，图4-1所示为洗油脱除煤气中粗苯的吸收、解吸联合操作的流程图。在炼焦及制取城市煤气的生产过程中，焦炉煤气内含有少量的苯、甲苯类低烃类化合物蒸气约35g/m³，应予以分离回收。回收苯系物质的流程包括吸收和解吸两大部分。含苯煤气在常温下由底部进入吸收塔，洗油从塔顶淋入，塔内装有木栅填充物。在煤气与洗油逆流接触中，煤气中的苯蒸气溶解于洗油，使塔顶离去的煤气苯含量降至某允许值（<2g/m³），而溶有较多苯系溶质的洗油（称富油）由吸收塔底排出。为取出富油中的苯并使洗油能够再次使用（称溶剂再生），在另一个称为解吸塔的设备中进行与吸收相反的操作——解吸。解吸是将富油（吸收中的完成液）预热至170℃由解吸塔淋下，塔底通入过热水蒸气。洗油中的苯在高温下逸出而被水蒸气带走达到解吸的目的。吸收剂可循环使用。

由此可见，采用吸收操作实现气体混合物的分离必须解决下列问题。

①选择合适的溶剂，使其能选择性地溶解某个（或某些）被分离组分。

②选择适当的传质设备以实现气液两相接触，使被分离组分得以自气相转移到液相（吸收）或相反（解吸）。

③溶剂的再生，即脱除溶解于其中的被分离组分（吸收质）以循环使用。

吸收操作中，原料气中可溶解于液体的组分叫吸收质（B），用于溶解气体的液体叫吸收剂（S），吸收剂溶解了吸收质离开吸收塔叫吸收液，也叫完成液。

4.1.1　吸收剂的选择

吸收过程是气体中的溶质溶解于吸收剂中，即两相之间的接触传质实现的。吸收操作的成功与否很大程度上取决于吸收剂性能的优劣。评价吸收剂优劣主要依据以下几点。

（1）溶解度

吸收剂应对混合气中被分离组分（吸收质）有很大的溶解度，或者说在一定的温度与浓度下，吸收剂的平衡分压要低。这样从平衡角度来说，处理一定量混合气体所需的溶剂量较少，气体中吸收质的极限残余亦可降低。

（2）选择性

混合气体中其他组分在吸收剂中的溶解度要小，即吸收剂具有较高的选择性。

（3）挥发性

在操作温度下吸收剂的蒸气压要低，因为吸收尾气往往为吸收剂蒸气所饱和，吸收剂挥发度越高，其损失量越大。

（4）黏度

吸收剂在操作温度下黏度越低，其在塔内的流动性越好，有利于传质和传热。

（5）再生性

吸收质在吸收剂中的溶解度应对温度的变化比较敏感，即不仅在低温下溶解度要大，平衡分压要小，而且随温度升高，溶解度应迅速下降，平衡分压迅速上升。

（6）稳定性

化学稳定性好，以免在使用过程中发生变质。

（7）经济性

价廉、易得、无毒、不易燃烧、冰点低。

4.1.2　物理吸收和化学吸收

在吸收过程中，如果气体中的溶质与吸收剂之间不发生显著的化学反应，可以看作是气体单纯地溶解于液相的物理过程，称为物理吸收。上述煤气脱苯即为一例。在物理吸收中溶质与溶剂的结合力较弱，解吸比较方便。物理吸收操作的极限主要取决于当时条件下吸收质在吸收剂中的溶解度。吸收速率则决定于气、液两相中吸收质的浓度差，以及吸收质从气相传递到液相中的扩散速率，加压和降温可以增大吸收质的溶解度，有利于吸收。物理吸收是可逆的，热效应小。

但是，一般气体在溶剂中的溶解度不高。利用适当的反应，可大幅度地提高吸收剂对气体的吸收能力。例如，CO₂在水中溶解度甚低，但若以K₂CO₃水溶液吸收CO₂时，则在液相中发生下列反应：

K₂CO₃+CO₂+H₂O 2KHCO₃　　 （4-1）

又如用硫酸吸收氨：

H₂SO₄+NH₃ NH₄HSO₄　　 （4-2）

用酸或碱吸收气体中的溶质而实现的吸收操作称为化学吸收。化学吸收提高了吸收质的溶解能力和吸收操作的高度选择性。化学吸收的化学反应应满足以下条件。

（1）可逆性

如果该反应不可逆，溶剂将难以再生和循环使用，例如，用NaOH吸收CO₂时，因为生成Na₂CO₃而不易再生，势必消耗大量的NaOH。因此，只有当气体中CO₂含量甚低，而又必须彻底加以清除或Na₂CO₃为目标产品时才使用。

（2）较高的反应速率

若吸收采用的化学反应速率较慢，则应考虑加入适当的催化剂，加快反应速率。

化学吸收操作的极限主要决定于当时条件下反应的平衡常数。吸收速率则决定于吸收质的扩散速率或化学反应速率。化学吸收常伴有热效应，需要及时移走反应热。

4.1.3　气体吸收的工业应用

吸收操作广泛地应用于混合气体的分离，具体应用有以下几种。

（1）净化或精制气体

混合气中去除杂质，常采用吸收方法，如用水吸收黄铁矿焙烧产物，除去炉气中的HF等气体；用丙酮脱除石油裂解气中的乙炔等。

（2）制取某种气体的液态产品

如用水吸收二氧化氮制取硝酸；用水吸收氯化氢气体制取盐酸；用水吸收甲醛以制取福尔马林等。

（3）分离混合气体以回收所需组分

如用硫酸处理焦炉气以回收其中的氨；从烟道气中回收二氧化硫等。

（4）工业废气的治理

在工业废气中常含有SO₂、NO、NO₂、HF等有害气体，直接排入大气对环境危害很大，可通过吸收净化排空气体。

4.1.4　吸收操作的经济性

吸收的操作费用主要包括以下几方面。

①气、液两相流经吸收设备的能量消耗。

②溶剂的挥发损失和变质损失。

③溶剂的再生费用。

吸收的操作费用主要是吸收剂的再生。常用吸收剂再生方法有升温、减压、吹气，其中升温与吹气，特别是升温与吹气同时使用最为常见。溶剂在吸收与解吸设备之间循环，其间的加热与冷却、减压与加压，必须消耗较多的能量。如果溶解能力差，则吸收剂循环量大，再生能耗也大；同样若吸收剂的溶解能力对温度变化不敏感，所需解吸温度高，再生能耗也大。最好是吸收液（完成液）可作为产品，不需要吸收剂再生，这种吸收流程的经济性最好。

4.1.5　吸收与蒸馏操作的区别

吸收与蒸馏操作同样是涉及两个相（气相和液相）间的质量传递，但吸收与蒸馏的传递不同。蒸馏不仅有气相中重组分进入液相，而且同时有液相中轻组分转入气相的传质，属双向传质；吸收则只进行气相中溶质向液相中传质，为单向传质过程。

蒸馏操作中有恒摩尔流假设，而吸收操作中也有恒摩尔流假设，当气体混合物中只有一个组分溶于吸收剂，其余组分在吸收剂中的溶解度极低而可忽略不计时，可视为一个惰性组分，惰性组分的流量在吸收塔中是恒定的。

由于吸收在较低的温度下进行，吸收剂的蒸汽压很低，其挥发损失不计，视吸收剂流量是恒定的。

4.1.6　吸收塔设备类型

吸收设备有多种形式，但以塔式最为常用。图4-2为吸收塔示意。

在图4-2（a）所示的板式吸收塔中，气体与液体逆流接触。气体自下而上通过板上的小孔而逐板上升，在每一板上与吸收剂接触而进行吸收质溶解过程，随着塔内气体上升，溶质浓度下降，吸收剂中自上而下吸收质浓度逐渐上升。

在图4-2（b）所示设备中，液体呈膜状沿壁流下，此为湿壁塔或降膜塔。更常见的是在塔内充以如瓷环之类的填料，液体自塔顶均匀淋下并沿填料表面流下，气体通过填料间的空隙上升与液体作连续的逆流接触，气体中的可溶组分不断地被吸收。工业生产中常用填料塔来完成吸收操作。