第四章 气体吸收

第四章气体吸收Chapter4 Gas Absorption§4-1多组分吸收和解吸过程分析Analysis of Multicomponent Absorbing and Desorbing Process吸收是化工生产中分离气体混合物的重要方法之一，在化工生产中，无论是原料的精制或产品的分离，常常需要从气体混合物中分出一种或若干种组分，因而吸收的应用十分广泛。

吸收在化工原理中曾接触这个概念，现在不是旧曲重弹，而是赋予新的内容，在原来的基础上更进一步的研究，由原来的单组分吸收，扩展到现在的多组分吸收。

1、吸收和解吸吸收是利用液体处理气体混合物，根据气体混合物中各组分在液体中溶解度的不同，而达到分离目的传质过程。

吸收是一个分离过程，且分离的是气体混合物，分离的介质是某一种液体溶剂称之为吸收剂，被吸收的气体混合物称为溶质。

当吸收过程用于中间产物分离时，离开吸收塔的吸收液需进行解吸操作，其作用是将溶质从吸收液中驱赶出来，并使吸收剂获得再生，所以解吸是吸收的逆过程。

2、工业生产中的吸收过程①净化或精制气体为除去原料气中所含的杂质，吸收是最常用的方法。

如用乙醇胺液脱出石油裂解气或天然气中的硫化氢，乙烯直接氧化制环氧乙烷生产中原料气的脱硫、脱卤化，二氯乙烷生产过程中用水去除氯化氢等。

物，合成甲烷工业中的脱硫、脱CO2②分离气体混合物以上的用以得到目的产物或回收其中一些组分，如石油裂解气的油吸收，将C2组分与甲烷、氢分开；用N－甲基吡咯烷酮作溶剂，将天然气部分氧化所得裂解气中的乙炔分离出来；焦炉气的油吸收以回收苯以及乙烯直接氧化制环氧乙烷生产中用吸收法分离反应气体中的环氧乙烷等。

③将最终气态产品制成溶液或中间产品将气体中需用的组分以指定的溶剂吸收出来，成为液态的产品或半成品，如用水吸收氯化氢气体制成盐酸；在甲醇蒸汽氧化后用水吸收甲醛蒸汽制甲醛溶液；用水吸收丙烯腈作为中间产物等。

④废气治理很多工业废气中含2SO 、x NO （主要是NO 及2NO ），汞蒸汽等有害成分，虽然浓度一般很低，但对人体和环境的危害甚大，而必须进行治理，这类环境保护问题在我国已愈来愈受重视。

选择适当的工艺和溶剂进行吸收，是废气处理中应用较广的方法。

3、吸收过程的分类由于处理的气体混合物的性质不同，所采用的设备不同，吸收可分为许多类，根据讨论问题的方法和着眼点不同，吸收过程可以有许多分类方法：①按组分的相对溶解度的大小⑴单组分吸收气体吸收过程中只有一个组分在吸收剂中具有显著的溶解度，其它组分的溶解度均小到可以忽略不计，如制氢工业中，将空气进行深冷分离前，用碱液脱出其中的二氧化碳以净化空气，这时仅2CO 在碱液中具有显著的溶解度，而空气中的氮、氧、氩等气体的溶解度均可忽略。

⑵多组分吸收气体混合物中具有显著溶解度的组分不止一个，如用油吸收法分离石油裂解气，除氩以外，其它组分都程度不同的从气相溶到吸收剂中。

②吸收过程有无化学反应⑴物理吸收所溶组分与吸收剂不起化学反应，如VCM 生产中的水洗塔。

⑵化学吸收所溶组分与吸收剂起化学反应，如VCM 生产中的碱洗塔。

③吸收过程温度变化是否显著⑴等温吸收气体吸收相当于由气态变液态，所以会产生近于冷凝热的溶解热，在吸收过程中，有溶解热+反应热，其量往往较大，故温度总有上升，所以没有绝对的等温，只有当溶剂用量相对大，温升不明显。

⑵非等温吸收吸收过程温度变化明显。

④按吸收量的多少⑴贫气吸收吸收量不大，对吸收塔内的吸收剂和气体量影响不大。

⑵富气吸收吸收量大的情况。

⑤按汽液两相接触方式和采用的设备形式⑴喷淋吸收填料塔或空塔：气、液两相都连续。

淋降板塔：气相连续，液相分散。

⑵鼓泡吸收鼓泡塔或泡罩塔：使气相分离在液相中，即液相保持为连续相，气相分离为小气泡通过液层。

⑶降膜吸收降膜式吸收器，使气、液两相均连续，用于吸收热效应大的情况，吸收剂顺着管壁形成一层液膜，由于重力作用而往下流动，原料气以一定的流率逆流向上，两相在管壁中进行传质过程，产生的吸收热通过管壁传给冷凝剂，不断被冷凝剂带走。

每一具体的吸收过程以采用哪一种分类方法为宜，完全视何种分类方法能较准确的反映出该具体过程的特点来衡量，如采用油吸收法分离石油气，在进行吸收计算时，应突出说明它是多组分吸收，在计算进行过程中，应考虑到它是一个非等温吸收，在比较采用何种设备时，应考虑到使用鼓泡吸收还是喷淋吸收或其它等。

4、吸收过程的特点①原理不同。

吸收是根据各组分溶解度不同进行分离的。

精馏利用组分间相对挥发度不同使组分分离。

②塔式不同。

精馏有简单塔和复杂塔。

最简单的吸收为精馏中的复杂精馏，即两股进料，两股出料。

被分离的气体混合物均是从吸收塔的下部进入，在塔内自下而上的运动过程中与从塔顶喷淋下来的液体吸收剂中去，溶解度较低的气体（亦称为惰性气体）不被吸收而从吸收塔顶部排出，吸收剂从塔顶喷入后，在与气体混合物的接触过程中不断吸收易溶解的组分，最后吸收剂与被吸收的易溶组分一起从吸收塔底排出。

③传质形式不同。

吸收是单向传质，精馏是双向传质。

在精馏操作中，汽液两相接触，汽相中的较重组分向液相中传质（冷凝），液相中的较轻组分向汽相中传质（汽化），所以传质过程是在两相中交替进行。

当轻、重组分的分子汽化潜热相近时，塔内可以近似看作恒摩尔流，而不至于引起太大的误差。

而对于吸收系统，一般吸收剂是不易挥发的液体，气相中的某些组分不断溶解到不易挥发的吸收剂中，属于单向传质。

在吸收过程中，气相的量是不断减少，而液相的量在不断的增加，除非是贫气吸收，气液相流量在塔内不能视为常数，不能用恒摩尔流的假设，从而就增加了吸收计算的复杂性。

④温度范围、变化不同。

在精馏过程中沸点范围相对窄，而多组分吸收中，各溶质组分的沸点范围很宽，有的在操作条件下已接近或超过其临界状态（不能冷凝），所以多组分吸收不能视为理想系统来处理。

在精馏过程中，由于气化潜热与冷凝潜热相互利用，在整个塔内的温度变化范围不是很大，而且从塔顶向下，温度逐渐升高。

每块板上由于组成改变而引起的温度变化，可用泡露点方程定出。

而吸收过程由于气相中易溶组分溶解到溶剂中，会放出溶解热，这一热效应会使液相和气相的温度都升高，而温度升高又将影响到溶解的量，而溶解量又与溶质的溶解量有关系，因而气相中各组分沿塔高的溶解量分布不均衡，这就导致了溶解热的大小以至吸收温度变化是不均匀的，所以不能用精馏中常用的泡露点方程来确定吸收塔中温度沿塔高的分布，通常要采用热量衡算来确定温度的分布。

⑤物料的预分布不同。

精馏可按清晰分割和不清晰分割进行物料的预分布。

由于吸收每端既有进料，又有出料。

所以吸收塔的端点条件，即吸收液和尾气的组成温度，比常规的多组分精馏更难分配。

⑥精馏有两个关键组分，吸收只有一个关键组分。

在精馏中，有轻、重两个关键组分，这两个关键组分由分离要求来确定。

这主要是精馏是在两相传质。

而对吸收而言，因为各个组分在同一塔内进行吸收，所有L，但是它们各自的溶解度不组分面临的客观条件都一样，pT,、塔板数、塔高、V同，所以吸收量不同，吸收量的多少由各自的平衡常数决定，而且相互之间存在一定的关系，所以不能对所有的组分规定分离要求，而只能指定某一个组分的分离要求，根据对此组分的分离要求计算出所需的理论板数，然后再根据此理论板数计算出其它组分的分离程度。

这个首先被指定的组分通常是选取在吸收操作中起关键作用的组分，也就是必须控制其分离要求的组分，称之为关键组分。

吸收只有一个关键组分，是因为吸收是单向传质的缘故。

⑦组分分布不同精馏过程，关键组分的浓度分布有极大值，非关键组分在进料板上下形成几乎恒浓的区域。

吸收过程，不同组分和不同塔段的吸收程度是不同的，轻组分（即难溶组分）一般只在靠近塔顶的几级被吸收，而在其余级上变化很小。

重组分（易溶组分）主要在塔底附近的若干级上被吸收，而关键组分才在全塔范围内被吸收。

§4-2吸收和解吸过程流程(Absorbing and Desorbing Process)吸收剂与被吸收的易溶组分一起从吸收塔底排出后一般要把吸收剂与易溶组分分离开，即解吸过程，解吸过程一般可采用的方法有：加热升温；减压闪蒸；精馏解吸。

分离后易溶组分单独作为一种气体产品送出，而吸收剂则再送回吸收塔内循环使用。

一、单纯吸收工艺流程。

二、吸收—解吸法该法用于气体混合物通过吸收方法将其分离为惰性气体和易溶气体两部分的情况。

解吸的常用方法是使溶液升温，以减小气体溶质的溶解度，所以在解吸塔底部没有加热器，可用直接蒸汽和再沸器的形式，通过加热器提供热量使易溶组分蒸出并从解吸塔顶排出，解吸塔底的吸收剂经冷却再送往吸收塔循环使用。

解吸塔也可采用精馏塔，可起到提高蒸出溶质的纯度和回收吸收剂的作用。

三、吸收蒸出塔当吸收尾气中某些组分在吸收剂中有一定的溶解度，为保证关键组分的纯度采用吸收蒸出塔，即将吸收塔与精馏塔的提馏段组合在一起，原料气从塔中部进入，进料口上面为吸收段，下部为蒸出段，当吸收液（含有关键组分和其它组分的溶质）与塔釜再沸器蒸发上来的温度较高的蒸汽相接触，使其它组分从吸收液中蒸出，塔釜的吸收液部分从再沸器中加热蒸发以提供蒸出段必须的热量，大部分则进入蒸出塔内部使易溶组分与吸收剂分离开，吸收剂经冷却后再送入吸收塔循环使用。

一般只适用关键组分为重组分的场合。

§4-3多组分吸收和解吸过程简捷计算4.3 Short-cut Calculation method about multicomponent absorbing and desorbing process一、吸收过程工艺计算的基本概念1、吸收、解吸作用发生的条件根据相平衡的概念，可判断气液接触时吸收和解吸的条件。

吸收：溶质由气相溶于液相 *i i p p >，*i i y y >解吸：溶质由液相转入气相 *i i p p <，*i i y y <2、吸收过程的限度进料气体混合物中易溶组分i 的组成为i F y ,，出塔吸收液中i 组分含量为i N x ,，显然：i i N K y ,1+≥i N x ,。

从塔顶加入的吸收剂中i 组分含量为i x ,0，离开塔顶气相中i 组分的含量为i y ,1，显然：i y ,1≥i i x K ,0。

由此规定了设计吸收塔的限度，i x ,0是解吸过程分离后吸收剂中i 组分的含量，它与i y ,1由密切的关系，在设计时要将吸收和解吸一起考虑。

一般按照规定的分离要求先确定吸收塔的气体组成，根据已知选定的出塔气体组成再考虑气液相平衡数据来确定吸收剂在解吸后易溶组分的含量。

3、吸收过程的理论板吸收过程吸收液沿塔逐板下流时，易溶组分的含量不断升高，气体混合物在沿塔高上升过程中易溶组分的含量不断降低。

在吸收过程中为了计算方便起见，像精馏过程一样引入了理论板的概念。