第二章　吸收-解吸操作技术

第一节　概　　述

气体吸收是典型的化工单元操作过程，其原理是根据气体混合物中各组分在选定液体吸收剂中物理溶解度或化学反应活性的不同而实现气体组分分离的传质单元操作。前者称物理吸收，后者称化学吸收。吸收操作所用的液体溶剂称为吸收剂，以S表示；混合气体中，能够显著溶解于吸收剂的组分称为吸收物质或溶质，以A表示；而几乎不被溶解的组分统称为惰性组分或载体，以B表示。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被称为化学吸收。

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气压。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

　　        （2-1）

式中　p*——溶质在气相中的平衡分压，kPa；

Y*——溶质在气相中的平衡摩尔分数；

X——溶质在液相中的摩尔分数。

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：

　　        （2-2）

式中　p——总压，kPa。

亨利系数随温度而变，压力不大（约5MPa以下）时，随压力变得很小，可以不计。不同温度下，二氧化碳溶于水的亨利系数如表2-1所示。

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容易进行，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。

（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，一方面，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，液体喷淋量越大，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。

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图2-1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2-1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2-1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2-1所示的B1、B2、B3）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，每一个气体流量对应一个膜厚，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，气体流量稍有增加，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，尽管气体流量维持不变，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。

对于所得吸收液浓度不高的情况，可认为气-液平衡关系服从亨利定律，可用方程式Y*=mX表示。常压操作下，相平衡常数m值仅是温度的函数。NOG、HOG、KYa、φA可依下列公式进行计算：

　　        （2-3）

　　        （2-4）

　　        （2-5）

　　        （2-6）

　　        （2-7）

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1；

Y1，Y2——进、出口气体中溶质组分（A与B）的摩尔比，摩尔分数；

ΔYm——所测填料层两端面上气相推动力的平均值；

ΔY2，ΔY1——填料层上、下两端面上气相推动力，ΔY1=Y1-mX1，ΔY2=Y2-mX2；

X2，X1 ——进、出口液体中溶质组分（A与S）的摩尔分数；

m——相平衡常数，量纲为1；

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，；

φA——混合气中二氧化碳被吸收的百分率（吸收率），量纲为1。

二、主要物料的平衡及流向

图2-2是一典型的吸收-解吸工艺及设备流程图，其操作物料为水-二氧化碳体系，以此为例介绍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并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。