第三章 吸收
第一节 吸收机理
一、吸收和解吸
吸收是化工生产中分离气体混合物的重要方法之一。其基本原理是利用气体混合物中各组分，在某一液体吸收剂中的溶解度不同，使易溶解的组分与难溶解的组分分开，从而达到气体混合物分离的目的。
解吸过程是吸收过程的逆过程，是使溶解于液相中的气体从液相中释放出来的过程（用惰性气流吹扫溶液，将溶液加热或将其送入减压容器中使溶质放出）。吸收与解吸的区别是过程中生产目的与物质传递的方向不同。吸收与解吸的目的与传质方向的比较见表3-1。
表3-1 吸收与解吸的比较
气体吸收过程是溶质由气相向液相转移的过程，该过程属于两相间的传质过程。溶质从气相向液相传递分成以下三个步骤：（1）溶质由气相主体向相界面传递，即在气相内进行物质传递；（2）溶质在气液相界面上的溶解，由气相转入液相，即在相界面上发生溶解；（3）溶质自气液相界面向液相主体传递，即在液相内进行物质传递。
化工生产中使用吸收操作的主要目的是：（1）从气体混合物中将一种或若干种组分分离出来作为产品，或作为进一步加工的原料；（2）将气流中一种或多种无用或有害的组分除去，以免影响产品质量、腐蚀设备或排放后污染环境；（3）使纯气体溶解于溶剂中成为溶液产品，也可视为吸收，也属于传质过程，但不算是分离过程。解吸或提馏常常是用于从吸收操作所得到的溶液中，将气体溶质以比较纯或浓的状态分离出来，并将溶剂回收以便重新使用。
二、物理吸收和化学吸收
吸收过程按气液组分间是否发生化学反应可分为物理吸收和化学吸收。
（一）物理吸收
物理吸收是指气体溶质与液体溶剂之间不发生明显的化学反应，可当作单纯的气体溶解于液相中的物理过程。例如用水吸收CO2，用水吸收乙醇或丙酮蒸气，用液态烃吸收气态烃。
物理吸收主要应考虑在操作温度下，溶质在吸收剂中的溶解度，吸收的速率主要取决于气相或液相与界面上溶质的浓度差，以及溶质从气相向液相传递的扩散速率。物理吸收所形成的溶液中，若所含溶质浓度为某一数值，在一定条件下（温度、总压），平衡蒸汽中溶质的蒸气压也为一定值。吸收的推动力是气相中溶质的实际分压与溶液中溶质的平衡蒸气压之差。
（二）化学吸收
化学吸收是指气体溶质进入液相之后与溶剂或预先溶解在溶剂里的其他物质进行化学反应的吸收。例如用稀硫酸吸收氨，用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收CO2、SO2或H2S。化学吸收过程，不仅要考虑气体溶于吸收剂的速率，还要考虑化学反应速率。因此，化学吸收过程远比物理吸收过程复杂。
工业吸收操作多数是化学吸收。这是由于化学反应提高了吸收的选择性；化学反应能加快吸收速率，从而减小设备容积；在反应过程中增加了溶质在液相中的溶解度，因此能有效地减少吸收剂用量；同时由于工业吸收中存在化学反应，能降低溶质在气相中的平衡分压，能够较为彻底地除去气相中很少量的有害气体。
在化学吸收中，进入溶液的气体溶质一部分或全部转变为其他化合物，此溶质的平衡蒸气压便有所降低，甚至可以降到零。这样就使吸收推动力提高，从而提高吸收速率，并且使一定量溶剂能吸收的溶质量也有所增加。
三、吸收过程的机理——双膜理论
吸收操作是气相组分在气液两相间的对流传质过程，其过程是非常复杂的，其中惠特曼（Whitman）在20世纪20年代提出的双膜理论一直占有重要地位。该理论是基于：气、液相界面两侧各存在一层静止的或作层流流动的气膜和液膜，气相或液相主体内由于流体高度湍动混合均匀，不存在浓度差，所有浓度差集中于有效气膜和液膜内。故气相和液相的传质阻力也全部集中于该两层有效膜内；在静止或层流有效膜中的传质是定态的分子扩散。
（一）双膜理论的基本论点
双膜理论的模型如图3-1所示，它含有以下三个基本假定。
图3-1 双膜理论示意图
（1）相互接触的气液两相间存在一个稳定的分界面——相界面，相界面的两侧各有一个很薄的层流膜，气相一侧的称为“气膜”，液相一侧的称为“液膜”，吸收质以分子扩散方式通过气膜和液膜；
（2）在相界面处，气液两相处于相平衡，即界面上没有阻力；
（3）在气液两相主体中，由于流体充分湍动混合，吸收质浓度均匀，传质推动力为零，因而没有传质阻力或扩散阻力，浓度差全部集中在两个膜层中，即阻力集中在两膜层中。
传质的速率取决于双膜中的扩散速率，其中扩散速率与双膜的厚度成反比。流速加快，双膜变薄，更新加快，也就是说，提高流速由于流体带动滞流层变薄和不断更新，有利于传质。
（二）传质过程的强化
根据双膜理论，在我们的实际生产中可以从以下几个方面强化其传质过程：
（1）提高气液流动速度，使气膜和液膜变薄，更新加快，以利于传质过程的进行。但要注意流速过大，流速阻力随之增大，而且还会出现乳化或液泛现象（液泛现象：当气速增大，使气、液间的摩擦阻力增大至足以阻止液体下流，致使液体充满填料层空隙，先是塔顶部积液，继而蔓延全塔，液体被气流带出塔顶，吸收操作完全被破坏）。
（2）增大气液接触面积。一方面要选择表面积大、流体力学性能好的填料，如将拉西环改为矩鞍环、阶梯环等；另一方面要注意改进设备结构（因气液有稳定的界面，气液间接触面积的大小主要由设备结构所决定）。
（3）增加喷淋密度和改善喷淋状况，提高填料的润湿率，增加有效的接触面积。不但要注意防止由此引起的阻力过大和带沫现象，更要注意不能发生液泛现象。
四、吸收过程的相平衡关系
（一）气体在液体中的溶解度
在恒定的温度和压力下，当一定量的吸收剂与气体混合物在密闭的容器内接触时，气相中的溶质组分便不断地向液相吸收剂中转移，同时已被溶解的溶质分子有一部分返回到气相，刚开始溶质分子进入液相的多而离开液相的少，液相中溶质的含量将越来越高。随着传质过程的进行，当进入液相中的溶质分子数与从液相逸出的溶质分子数恰好相等时，溶液的浓度也就不再变化，这种状态称为相际动态平衡，简称相平衡或平衡。平衡时的状态称为平衡状态。平衡状态下气相中的溶质分压称为平衡分压或饱和分压，液相中的溶质浓度称为平衡浓度或饱和浓度、平衡组成。
气体在液体中的溶解度是指在一定条件下气体在液体中的平衡组成。习惯上以单位质量或单位体积的吸收剂中所含溶质的质量来表示，单位为kg溶质/kg吸收剂或kg溶质/m3吸收剂，也可以用摩尔分数或摩尔比表示，气体的溶解度也表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。
（二）亨利定律
对于实际生产中的大多数吸收过程，溶质在气体中的含量不高，溶解后形成的溶液浓度一般也不会太高，为稀溶液，而稀溶液的气液相平衡关系可用亨利定律来描述。
当总压不太高（小于500kPa）时，一定温度下稀溶液上方溶质的平衡分压与该溶质在液相中的摩尔分数成正比，其比例系数称为亨利系数。即：
或 
或 y*=mx
式中 
——溶质在气相中的平衡分压，kPa；
x——液相中溶质的摩尔分数；
c——液相中溶质的物质的量浓度，kmol/m3；
y*——与液相形成平衡的气相中溶质的摩尔分数；
E——亨利系数，kPa；
H——溶解度系数，kmol/（m3·kPa）；
m——相平衡常数，无量纲。
（三）相平衡关系在吸收操作中的应用
1.判断过程方向
当不平衡的气液两相接触时，溶质是被吸收，还是被解吸，取决于相平衡关系。设气液两相组成分别用Y和X（摩尔比）表示，与液相组成X成平衡的气相组成为Y*。吸收、解吸及平衡状态时，气、液组成关系曲线如图3-2所示。
图3-2 传质方向及推动力示意图
在图3-2中，（a）所示的状态点A，由于Y＞Y*。则过程进行的方向为溶质由气相转入液相，为吸收过程；（b）所示的状态点B，由于Y＜Y*，则过程进行的方向为溶质从液相解吸进入气相，为解吸过程；（c）所示的状态点C，因Y=Y*，宏观传质过程停止，即气液两相处于相平衡状态。
2.确定吸收过程的推动力
在吸收过程中，通常以实际的气、液相组成与其平衡组成的偏离程度来表示吸收推动力。对如图3-2（a）所示的状态点A，该点位于相平衡线的上方，这是吸收过程进行的必要条件，过程的推动力可用气相组成差（Y?Y*）来表示，也可用液相组成差（X*?X）来表示。状态点组成偏离平衡组成愈远，过程推动力愈大，过程速率也愈快，吸收也容易进行；反之，吸收越难进行。
五、低浓度气体吸收过程物料衡算
进塔混合气中的溶质含量低于5％～10％（体积分数），或者被处理气体的溶质含量较高，但在塔内被吸收的数量不大时，可以按低浓度气体吸收过程处理。
（一）低浓度气体吸收的特点
（1）吸收过程中气液相在塔内的摩尔流率近似不变，可视为常量；
（2）吸收过程中塔内温度变化不大，可按等温吸收过程处理；
（3）传质系数为常量。
（二）物料衡算
作逆流吸收塔操作曲线，如图3-3所示。同时，对全塔进行物料衡算，如图3-4所示。
图3-3 逆流吸收塔的操作线
图3-4 逆流吸收塔的物料衡算
由逆流吸收塔的操作线以及物料衡算示意图，可得以下方程式：
操作线方程式：
全塔物料衡算式：G（y1?y2）=L（x1?x2）
式中 L——单位时间内通过吸收塔的溶剂量，kmol/s；
G——单位时间内通过吸收塔的气体量，kmol/s；
x1，x2——出塔和进塔液体中溶质组分的摩尔比；
y1，y2——进塔和出塔气体中溶质组分的摩尔比。
由上述方程式简化可得
，其中
称为液气比，即气体吸收操作中液体流率与气体流率之比，也是操作线的斜率，它可影响吸收过程的质量和吸收操作的成本，它既是一个技术指标，又是一个经济指标。
（三）影响吸收过程因素的分析
按照传递过程的一般规律，吸收过程的速率为吸收的推动力与阻力之比，因此，生产中可从以下两方面来强化吸收过程。
1.增加吸收过程推动力
（1）增大吸收剂用量L或增大液气比L/G，这样操作线位置上移，吸收操作的平均推动力增大；
（2）改变相平衡关系，可通过降低吸收剂温度、提高操作压强或将吸收剂改性，使相平衡常数m减小，这样平衡线位置下移，吸收操作平均推动力也增大；
（3）降低吸收剂入口组成x2，这样液相进口处推动力增大，全塔平均推动力也随之增大。
2.减小吸收过程阻力（即提高传质系数）
（1）开发和采用新型填料，使填料的比表面积增加；
（2）改变操作条件，对气相阻力控制的物系，宜增大气速和增强气相湍动；对液相阻力控制的物系，宜增大液速和液相湍动。此外吸收温度不能过低，否则分子扩散系数减小，黏度增大，致使吸收阻力增加。