一、 化學(xué)吸收過程分析
化學(xué)吸收是指吸收過程中吸收質(zhì)與吸收劑有明顯化學(xué)反應(yīng)的吸收過程。對于化學(xué)吸收，溶質(zhì)從氣相主體到氣液界面的傳質(zhì)機(jī)理與物理吸收完全相同，其復(fù)雜之處在于液相內(nèi)的傳質(zhì)。溶質(zhì)在由界面向液相主體擴(kuò)散的過程中，將與吸收劑或液相中的其他活潑組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因此，溶質(zhì)的組成沿擴(kuò)散途徑的變化情況不僅與其自身的擴(kuò)散速率有關(guān)，而且與液相中活潑組分的反向擴(kuò)散速率、化學(xué)反應(yīng)速率以及反應(yīng)產(chǎn)物的擴(kuò)散速率等因素有關(guān)。
由于溶質(zhì)在液相內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，溶質(zhì)在液相中呈現(xiàn)物理溶解態(tài)和化合態(tài)兩種方式，而溶質(zhì)的平衡分壓僅與液相中物理態(tài)的溶質(zhì)有關(guān)。因此，化學(xué)反應(yīng)消耗了進(jìn)入液相中的吸收質(zhì)，使吸收質(zhì)的有效溶解度顯著增加而平衡分壓降低，從而增大了吸收過程的推動力；同時，由于部分溶質(zhì)在液膜內(nèi)擴(kuò)散的途中即因化學(xué)反應(yīng)而消耗，使過程阻力減小，吸收系數(shù)增大。所以，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)總會使吸收速率得到不同程度的提高。
工業(yè)吸收操作多數(shù)是化學(xué)吸收，這是因為：
?、倩瘜W(xué)反應(yīng)提高了吸收的選擇性；
?、诩涌煳账俾?，從而減少設(shè)備容積；
?、鄯磻?yīng)增加了溶質(zhì)在液相的溶解度，減少吸收劑用量；
④反應(yīng)降低了溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，可較徹底地除去氣相中很少量的有害氣體。
如圖11—9所示的是合成氨原料氣(含C0230％左右)的凈化過程，精制過程要除去C02，而得到的CO：氣體又是制取尿素、碳酸氫銨和干冰的原料，為此，采用醇胺法的吸收與解吸聯(lián)合流程。將合成氨原料氣從底部進(jìn)入吸收塔，塔頂噴乙醇胺液體，乙醇胺吸收了COz后從塔底排出，從塔頂排出的氣體中含C02可降到o．2％一0．5％。將吸收塔底排出的含乙醇胺溶液用泵送至加熱器，加熱(130°C左右)后從解吸塔頂噴淋下來，塔底通入水蒸氣，乙醇在高溫、低壓(約300kPa)下自溶液中解吸。從解吸塔頂排出的氣體經(jīng)冷卻、冷凝后得到可用的COz。解吸塔底排出的溶液經(jīng)冷卻降溫(約50°C)、加壓(約1800kPa)后仍作為吸收劑。這樣吸收劑可循環(huán)使用，溶質(zhì)氣體得到回收。
二、 高含量氣體吸收
當(dāng)進(jìn)塔混合氣體中吸收質(zhì)含量高于10％時，工程上常稱為高含量氣體吸收。由于吸收質(zhì)的含量較高，在吸收過程中吸收質(zhì)從氣相向液相的轉(zhuǎn)移量較大，因此，高含量氣體吸收有自己的特點。
(1)氣液兩相的摩爾流量沿塔高有較大的變化 吸收過程中，塔內(nèi)不同截面處混合氣摩爾流量和吸收劑摩爾流量是不相同的，沿塔高有顯著變化，不能再視為常數(shù)。但惰性氣摩爾流量沿塔高基本不變，若不考慮吸收劑的揮發(fā)性，純吸收劑的摩爾流量亦為常數(shù)。
(2)吸收過程有顯著的熱效應(yīng) 由于被吸收的溶質(zhì)較多，產(chǎn)生的溶解熱也較多。若吸收過程的液氣比較小或者是吸收塔的散熱效果不好，將會使吸收液溫度明顯地升高，此時氣體吸收為非等溫吸收。但若溶質(zhì)的溶解熱不大、吸收的液氣比較大或吸收塔的散熱效果較好，此時氣體吸收仍可視為等溫吸收。
(3)吸收系數(shù)不是常數(shù) 由于受氣速的影響，吸收系數(shù)從塔底至塔頂是逐漸減小的。但當(dāng)塔內(nèi)不同截面氣液相摩爾流量的變化不超過10時，吸收系數(shù)可取塔頂與塔底吸收系統(tǒng)的平均值，并視為常數(shù)進(jìn)行有關(guān)計算。
如圖11—10所示的是用于處理高含量揮發(fā)酚廢水的兩段填料汽提塔。廢水經(jīng)換熱器加熱到100°C后，送到汽提段，由汽提塔頂部淋下，在汽提段內(nèi)與105℃的蒸汽逆流接觸，廢水中的揮發(fā)酚向氣相傳遞，被蒸汽帶到塔外，成為含酚蒸汽。汽提后的廢水含酚濃度可降到400mg／L以下，經(jīng)水封管并經(jīng)換熱器降溫后送到下一處理工序進(jìn)一步處理。含酚蒸汽用鼓風(fēng)機(jī)送到再生段，與102°C的含量10％NaOH溶液進(jìn)行逆流接觸，經(jīng)化學(xué)吸收生成酚鈉鹽回收其中的酚，凈化后的蒸汽進(jìn)入汽提段循環(huán)使用。為了提高酚鈉鹽的含量，循環(huán)堿液往往回流到再生段，待飽和后再回收酚。
三、 多組分吸收
多組分吸收過程中，由于其他組分的存在使得吸收質(zhì)在氣液兩相中的平衡關(guān)系發(fā)生了變化，所以，多組分吸收的計算較單組分吸收過程復(fù)雜。但是，對于噴淋量很大的低含量氣體吸收，可以忽略吸收質(zhì)間的相互干擾，其平衡關(guān)系仍可認(rèn)為服從亨利定律。因而可分別對各吸收質(zhì)組分進(jìn)行單獨計算。不同吸收質(zhì)組分的相平衡常數(shù)不相同，在進(jìn)、出吸收設(shè)備的氣體中各組分的含量也不相同，因此，每一吸收質(zhì)組分都有平衡線和操作線。
關(guān)鍵組分是指在吸收操作中必須首先保證其吸收率達(dá)到預(yù)定指標(biāo)的組分。如處理石油裂解氣中的油吸收塔，其主要目的是回收裂解氣中的乙烯，乙烯即為此過程的關(guān)鍵組分，生產(chǎn)上一般要求乙烯的回收率達(dá)98％一99％，這是必須保證達(dá)到的。因此，此過程雖屬多組分吸收，但在計算時，則可視為用油吸收混合氣中乙烯的單組分吸收過程。
在多組分吸收過程中，為了提高吸收液中溶質(zhì)的含量，可以采用吸收蒸出流程。如圖11—11所示為用油吸收分離裂解氣，該塔的上部是吸收塔，下部是汽提塔，裂解氣由塔的中部進(jìn)入，用C4餾分作吸收液，吸收裂解氣中的Cl—C3餾分，吸收液通過下塔段蒸出甲烷、氫等氣體，使塔釜得到純度較高的C2—C3餾分。塔釜吸收液進(jìn)入C2、C3分離塔，達(dá)到分離目的。
四、 解吸過程
解吸又稱脫吸，是脫除吸收劑中已被吸收的溶質(zhì)，而使溶質(zhì)從液相逸出到氣相的過程。在生產(chǎn)中解吸過程有兩個目的：
?、佾@得所需較純的氣體溶質(zhì)；
②使溶劑得以再生，返回吸收塔循環(huán)使用，經(jīng)濟(jì)上更合理。
在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常采用吸收—解吸聯(lián)合操作。如圖11—12所示的是用Na2CO3水溶液凈化除去氣體中的H2S。從吸收塔底部引出的溶液用泵送人解吸塔，再用空氣進(jìn)行解吸，經(jīng)解吸后的溶液(吸收劑)用泵回送至吸收塔頂部噴淋。此流程中，吸收與解吸均在常溫下進(jìn)行。
解吸是溶質(zhì)從液相轉(zhuǎn)入氣相的過程，因此，解吸的必要條件是氣相溶質(zhì)的實際分壓戶(或y)必須小于液相中溶質(zhì)的平衡分壓P* (或y*)，其差值即為解吸過程的推動力。工業(yè)上常采用的解吸方法有以下幾種。
(1)加熱解吸 加熱溶液升溫或增大溶液中溶質(zhì)的平衡分壓，減小溶質(zhì)的溶解度，則必有部分溶質(zhì)從液相中釋放出來，從而有利于溶質(zhì)與溶劑的分離。如采用“熱力脫氧”法處理鍋爐用水，就是通過加熱使溶解氧從水中逸出。
(2)減壓解吸 若將原來處于較高壓力的溶液進(jìn)行減壓，則因總壓降低后氣相中溶質(zhì)的分壓也相應(yīng)降低，溶質(zhì)從吸收液中釋放出來。溶質(zhì)被解吸的程度取決于解吸的最終壓力和溫度。
(3)在惰性氣體中解吸 將溶液加熱后送至解吸塔頂使與塔底部通入的惰性氣體(或水蒸氣)進(jìn)行逆流接觸，由于人塔惰性氣體中溶質(zhì)的分壓P＝0，有利于解吸過程進(jìn)行。
按逆流方式操作的解吸過程類似于逆流吸收。吸收液從解吸塔的塔頂噴淋而下，惰性氣體(空氣、水蒸氣或其他氣體)從底部通人自下而上流動。氣液兩相在逆流接觸的過程中，溶質(zhì)將不斷地由液相轉(zhuǎn)移到氣相混于惰性氣體中從塔頂送出，經(jīng)解吸后的溶液從塔底引出如圖11—12所示。若溶質(zhì)為不凝性氣體或溶質(zhì)冷凝液不溶于水，則可通過蒸汽冷凝的方法獲得純度較高的溶質(zhì)組分。如用水蒸氣解吸溶解了苯與甲苯的洗油溶液，便可把苯與甲苯從冷凝液中分離出來。解吸塔的濃端在頂部，稀端在底部，正好與吸收相反。
(4)采用精餾方法 溶質(zhì)溶于溶劑中，所得的溶液可通過精餾的方法將溶質(zhì)與溶劑分開，達(dá)到回收溶質(zhì)、又得新鮮的吸收劑循環(huán)使用的目的。
