吸收

在化學工業中，經常需將氣體混合物中的各個組分加以分離，其目的是：

①回收或捕獲氣體混合物中的有用物質，以製取產品；

②除去工藝氣體中的有害成分，使氣體淨化，以便進一步加工處理；或除去工業放空尾氣中的有害物，以免污染大氣。

實際過程往往同時兼有淨化與回收雙重目的。

氣體混合物的分離，總是根據混合物中各組分間某種物理和化學性質的差異而進行的。根據不同性質上的差異，可以開發出不同的分離方法。吸收操作僅為其中之一，它根據混合物各組分在某種溶劑中溶解度的不同而達到分離的目的。

如圖3所示。

A+B混合氣即吸收尾氣

S溶劑

A+S叫吸收液

A溶質

B叫惰性氣體（化工術語，注意與初等化學中的概念區分）或叫惰性成分

今以煤氣脱苯為例，説明吸收操作的流程（圖4）。在煉焦及製取城市煤氣的生產過程中，焦爐煤氣內含有少量的苯、甲苯類低烴的蒸氣（約35克/立方米）應予以分離回收。所用的吸收溶劑為該工藝生產過程的副產物，即煤焦油的精製品稱為洗油。

回收苯系物質的流程包括吸收和解吸兩大部分。含苯煤氣在常温下由底部進入吸收塔，洗油從塔頂淋入，塔內裝有木柵等填充物。在煤氣與洗油的接觸過程中，煤氣中的苯蒸氣溶於洗油，使塔頂離去的煤氣苯含量降至某允許值（〈2克/立方米），而溶有較多苯系溶質的洗油（稱富油）由吸收塔底排出。為取出富油中的苯並使洗油能夠再次使用（稱溶劑的再生），在另一個稱為解吸塔的設備中進行與吸收相反的操作：解析。為此，可先將富油預熱至170℃左右由解吸塔頂淋下，塔底通入過熱水蒸氣。洗油中的苯在高温下逸出而被水蒸氣帶走，經冷凝分層將水除去，最終可得苯類液體（粗苯），而脱除溶質的洗油（稱貧油）經冷卻後可作為吸收溶劑再次送入吸收塔循環使用。

由此可見，採用吸收操作實現氣體混合物的分離必須解決下列問題：

①選擇合適的溶劑，使能選擇性的溶解某個（或某些）被分離組分；

②提供適當的傳質設備以實現氣液兩相的接觸，使被分離組分得以自氣相轉移至液相（吸收）或相反（解吸）；

③溶劑的再生，即脱除溶解於其中的被分離組分以便循環使用。

總之，一個完整的吸收分離過程一般包括吸收和解吸兩個組成部分。

吸收操作是氣液兩相之間的接觸傳質過程，吸收操作的成功與否在很大程度上決定於溶劑的性質，特別是溶劑與氣體混合物之間的相平衡關係。根據物理化學中有關相平衡的知識可知，評價溶劑優劣的主要依據應包括以下幾點。

（1）溶劑應對混合氣中被分離組分（下稱溶質）有較大的溶解度，或者説在一定的温度與濃度下，溶質的平衡分壓要低。這樣，從平衡角度來説，處理一定量混合氣體所需的溶劑量較少，氣體中溶質的極限殘餘濃度亦可降低；就過程速率而言，溶質平衡分壓低，過程推動力大，傳質速率快，所需設備的尺寸小。

（2）溶劑對混合氣體中其他組分的溶解度要小，即溶劑應具有較高的選擇性。如果溶劑的選擇性不高，它將同時吸收氣體混合物中的其他組分，這樣的吸收操作只能實現組分間某種程度的增濃而不能實現較為完全的分離。

（3）溶質在溶劑中的溶解度應對温度的變化比較敏感，即不僅在低温下溶解度要大，平衡分壓要小，而且隨温度升高，溶解度應迅速下降，平衡分壓應迅速上升。這樣，被吸收的氣體容易解吸，溶劑再生方便。

（4）溶劑的蒸氣壓要低，以減少吸收和再生過程中溶劑的揮發損失。

（5）溶劑應有較好的化學穩定性，以免使用過程中發生變質。

（6）溶劑應有較低的粘度，且在吸收過程中不易產生泡沫，以實現吸收塔內良好的氣液接觸和塔頂的氣液分離。必要時，可在溶劑中加入少量消泡劑。

（7）溶劑應儘可能滿足價廉、易得、無毒、不易燃燒等經濟和安全條件。

實際上很難找到一個理想的溶劑能夠滿足所有這些要求，因此，應對可供選用的溶劑作全面的評價，以便作出經濟、合理的選擇。

氣體中各組分因在溶劑中物理溶解度的不同而被分離的吸收操作稱為物理吸收，上述煤氣脱苯即為一例。在物理吸收中的溶質與溶劑的結合力較弱，解吸比較方便。

但是，一般氣體在溶劑中的溶解度不高。利用適當的化學反應，可大幅度地提高溶劑對氣體的吸收能力。例如，二氧化碳在水中的溶解度甚低，但若以碳酸鉀水溶液吸收二氧化碳時，則在液相中發生碳酸鉀、二氧化碳和水生成碳酸氫鉀的化合反應從而使碳酸鉀水溶液具有較高的吸收二氧化碳的能力。同時，化學反應本身的高度選擇性必定賦予吸收操作以高度選擇性。可見，利用化學反應大大擴展了吸收操作的應用範圍，此種利用化學反應而實現吸收的操作稱為化學吸收。

作為化學吸收可被利用的化學反應一般應滿足以下條件。

（1）可逆性　如果該反應不可逆，溶劑將難以再生和循環使用。例如，用氫氧化鈉吸收二氧化碳時，因生成碳酸鈉而不易再生，勢必消耗大量氫氧化鈉。自然，若反應產物本身即為過程的產品時又另當別論。

（2）較高的反應速率　若所用的化學反應其速度較慢，則應研究加入適當的催化劑以加快反應速率。

吸收測量

吸收率是物體吸收入多少射光的量化 (不是所有的光子都被吸收，有些是被反射或折射所取代)。這與物質的一些性質有關，可以經由比爾-朗伯定律推算。

精確的度量在各種不同波長的吸收量，憑藉著吸收光譜學可以鑑定物質的特性，讓光線從樣品的一側射入，並在所有的方向上測量離開樣品的光的強度。像是紫外-可見光譜、紅外光譜、和X光吸收光譜，是在頻譜的不同部分，一些吸收光譜的例子。

吸收的操作費用主要包括：

①氣、液兩相流經吸收設備的能量消耗；

②溶劑的揮發損失和變質損失；

③溶劑的再生費用，即解吸操作費。

此三者中猶其以再生費用所佔的比例最大。

常用的解吸方法有升温、減壓、吹氣，其中升温與吹氣特別是兩者同時使用最為常見。溶劑在吸收與解吸設備之間循環，其間的加熱與冷卻、泄壓與加壓必消耗較多的能量。如果溶劑的溶解能力差，離開吸收設備的溶劑中溶質濃度低，則所需的溶劑循環量必大，再生時的能量消耗也大。同樣，若溶劑的溶解能力對温度變化不敏感，所需解吸温度較高，溶劑再生的能耗也將增大。

若吸收了溶質以後的溶液是過程的產品，此時不再需要溶劑的再生，這種吸收過程自然是最經濟的。

吸收設備有多種形式，但以塔式最常用。按器、液兩相接觸方式的不同可將吸收設備分為級式接觸與微分接觸兩大類。圖5為這兩類設備中典型的吸收塔示意圖。在圖5a所示的板式吸收塔中，氣體與液體為逐級逆流接觸。氣體自下而上通過板上小孔逐版上升，在每一板上與溶劑接觸，其中可溶組分被部分的溶解。在此類設備中，氣體每上升一塊塔板，其可溶組分的濃度階躍式地降低；溶劑逐板下降，其可溶組分的濃度則階躍式地升高。但，在級式接觸過程中所進行的吸收過程仍可不隨時間而變，為定態連續過程。

在圖5b所示設備中，液體呈膜狀沿壁流下，此為濕壁塔或降膜塔。更常見的是在塔內充以諸如瓷環之類的填料，液體自塔頂均勻淋下並沿填料表面下流，氣體通過填料間的空隙上升與液體作連續的逆流接觸。在這種設備中，氣體中的可溶組分不斷地被吸收，其濃度自下而上連續地降低；液體則相反，其中可溶組分的濃度則由上而下連續地增高，此乃微分接觸式的吸收設備。

級式與微分接觸兩類設備不僅用於氣體吸收，同樣也用於液體精餾、萃取等其它傳質單元操作。兩類設備可採用完全不同的計算方法。

定態和非定態操作

上述兩種不同接觸方式的傳質設備中所進行的吸收或其它傳質過程可以是定態的連續過程，即設備內的過程參數都不隨時間而變；也可以是非定態的，即間歇操作或脈衝式的操作。