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学习情景三 吸收过程及设备的选择与操作
教学目标
方法与社会能力目标：通过本学习情境中合成氨原料气分离任务的完成，培养学生的信息检索与加工的能力，发现问题、分析问题、解决问题等自我学习与自我提高能力，培养学生的团队合作精神及与人交流沟通的能力。
知识与技能目标：保证学生掌握吸收的基本理论及基本操作技能。了解吸收操作在化工生产中的重要应用，熟悉工程上常见的气体吸收与解吸方案，能根据生产任务选择正确的吸收与解吸方案；掌握吸收与解吸的基本原理，能根据生产任务确定合理吸收操作参数。熟悉吸收与解吸过程中常用设备的结构、性能，会根据任务进行相关设备的选型和简单设计。掌握吸收与解吸装置的操作与控制要点，能熟练操作吸收与解吸装置。
引 言
工程项目 (情境设计)
某合成氨厂原料气脱二氧化碳方案的制定和实施
氨是重要的无机化工产品之一，在国民经济中占有重要地位，世界每年合成氨产量已达到1亿吨以上，其中约有80%的氨用来生产化学肥料，20%作为硝酸等其它化工产品的原料。合成氨的原料是氮氢混合气。原料气中的氢气主要由天然气、石脑油、重质油、煤、焦炭、焦炉气等原料制取。由任何含碳原料制得的原料气，经变换后都含有相当数量的二氧化碳，在合成之前必须清除干净。同时二氧化碳是生产尿素、碳酸氢铵和纯碱的重要原料，还制成干冰用于食品等其它行业。因此二氧化碳可以回收利用。
某合成氨厂变换气经过初脱碳后，原料气中CO2含量为9%（体积，下同），其余主要成分为N2、H2和少量CO，已知该厂年产量为10万吨合成氨（折算原料气量为40000Nm3/h）。现工艺要求必须将原料气中CO2浓度降到0.5%以下，分离出的二氧化碳气体可根据需要送往尿素工段作为原料或送往附近某特气厂生产干冰。请为该企业拟定一个从原料气中分离出二氧化碳的方案。
调查研究：
查阅有关资料了解氨气的性质、用途、安全注意事项、工业生产方法；合成氨原料气中各组分的理化性质。
项目任务分析
前已介绍，非均相混合物系一般用沉降、过滤等方法来分离；那么均相混合物又该如何分离呢？均相混合物系有气态均相混合物和液态均相混合物之分，本任务是一个典型的气体混合物的分离任务，要完成此任务，首先我们必须了解工程上常用的气体混合物分离方法有哪些。
知识链接： 均相气体混合物分离方法简介
均相气体混合物分离方法目前有吸附法和吸收法二种。
吸附法是将多孔性固体物料与气态或液态混合物进行接触，有选择地使流体中的一种或几种组分附着于固体的内外表面，从而使混合物中各组分得以分离方法。用于气相分离时主要目的是分离和纯化气体混合物，如常温空气分离氧氮，酸性气体脱除，从各种气体中分离回收H2、CO、CO2、CH4、C2H4等，但这种方法处理气体的能力有限。对于大量气体混合物的分离则普遍使用吸收法。
吸收是分离气体混合物的最常用的单元操作。它利用混合气体中各组分在所选择的液体中溶解程度的差异，有选择的使混合气体中一种或几种组分溶于此液体而形成溶液，其它未溶解的组分仍保留在气相中，以达到从混合气体中分离出某组分的目的。
吸收在化工生产中应用甚为广泛，主要有以下几个方面：
（1）分离混合气体以获得一个或几个组分。如：从裂化气或天然气的高温裂解气中分离乙炔，从乙醇催化裂解气中分离丁二烯等。
（2）除去有害组分以净化气体。如：合成氨工业中用水或碱液脱除原料气中的二氧化碳，用铜氨液除去原料气中的一氧化碳等。
（3）制取成品。如：用水吸收氯化氢以制取盐酸，用水吸收甲醛以制取福尔马林等。
（4）废气处理、尾气回收。如：磷肥生产中，放出的含氟废气具有强烈的腐蚀性，可采用水及其它盐类经吸收制成有用的氟硅酸钠、冰晶石等，硝酸尾气中含氮的氧化物可以用碱吸收制成硝酸钠等有用物质。
项目任务解决　　合成氨原料气分离方法的选择
吸附法虽然二氧化碳脱除率高，但该方法处理能力较小，有效气体消耗较大并且能耗较高，是精细分离和纯化气体的操作方法。且这种方法操作压力低，所以不适宜用于处理量大且杂质组分浓度高的混合气体的分离。本任务中原料气的处理量大且CO2的含量也高，因此，应选择目前合成氨厂普遍使用的吸收法来脱除原料气中二氧化碳。
吸收法脱除CO2就是选取一种溶剂作为吸收剂，利用原料气中CO2与其它组分在选取的溶剂中溶解度的差异（CO2在其中的溶解度大，而N2、H2在其中几乎不溶），将CO2选择吸收，以达到脱除CO2的目的。
那么什么是吸收？吸收操作是如何进行的？在吸收过程中要解决哪些基本问题？怎样解决这些问题？
任务一 吸收工作过程的认识
学习目标
●掌握吸收操作的基本工作过程及主要术语；
●了解吸收在工业生产中的重要应用及典型的吸收案例；
●理解用吸收方法完成分离任务要解决的共性与个性问题。
一、吸收法的分类
吸收是一个单向传质过程，即仅有气相中的易溶组分由气相向液相转移。在吸收操作过程中，能够溶解于液体中的气体组分称为吸收质（或溶质）；而不能溶解的气体组分称为惰性组分（或载体）；所用的液体称为吸收剂（或溶剂）；吸收操作所得到的液体称为溶液（或吸收液），其主要成分为吸收剂和溶质；被吸收后的气体称为吸收尾气，其主要成分应为惰性气体，还有残余的吸收质。吸收法可分为物理吸收法、化学吸收法、物理─化学吸收法等。
1、物理吸收法
在吸收过程中，如果吸收质与吸收剂之间不发生显著的化学反应，可认为仅是气体溶解于液体的物理过程，则称为物理吸收。物理吸收操作的极限主要决定于当时条件下吸收质在吸收剂中的溶解度。利用二氧化碳能溶于水或者有机溶剂的性质完成，例如水洗法、低温甲醇法、碳酸丙烯脂法等。
2、化学吸收法
在吸收过程中，吸收质与吸收剂之间发生显著的化学反应，则称为化学吸收。化学吸收操作的极限主要决定于当时条件下反应的平衡常数。利用二氧化碳具有酸性特征而与碱性物质反应将其吸收，主要有：
氨水法： CO2+NH3H2O ←→（NH4）HCO3
乙醇胺法（改良乙醇胺法）：
CO2+H2O+（HOCH2CH2）2NCH3 ←→ （HOCH2CH2）2CH3NH+ +HCO3-
热钾减法（热的碳酸钾水溶液）：
CO2 + H2O +K2CO3 ←→ KHCO3
3、物理─化学吸收法
吸收过程既具有物理吸收过程也具有化学吸收过程。例如环丁砜法和多胺法。
不管物理吸收还是化学吸收如果在吸收过程中，混合气体中只有一个组分进入吸收剂，其余组分皆可认为不溶解于吸收剂，这样的吸收过程称为单组分吸收。如果混合气体中有两个或更多个组分进入液相，则称为多组分吸收，如用热钾碱法中碳酸钾溶液吸收CO2的同时也会对混合气体中的H2S进行吸收，这就是典型的多组分吸收。
吸收质溶解于吸收剂时，有时会释放出相当大的溶解热或反应热，结果使液相温度逐渐升高。如果放热量很小或被吸收的组分在气相中浓度很低，而吸收剂的用量相对很大时，温度变化并不明显，则称为等温吸收。若放热量较大，所形成的溶液浓度又高，温度变化很剧烈，这样的吸收过程称为非等温吸收。通常物理吸收放出热量是由溶解热引起的，化学吸收热量主要是由反应热引起的，化学吸收热效应要比物理吸收大。
知识链接： 物理吸收过程的机理
（1）传质的基本方式
吸收操作是吸收质从气相转移到液相的传质过程，其中包括吸收质由气相主体向气液相界面的传递，及由相界面向液相主体的传递。因此，讨论吸收过程的机理，首先说明物质在单相（气相或液相）中的传递规律。
物质在单一相（气相或液相）中的传递是靠扩散作用，发生在流体中的扩散有分子扩散与涡流扩散两种。
①流体中的分子扩散
如将一滴红墨水滴在一杯水中，会看见红色慢慢向四周扩散，最终整杯水变红了，这就是分子扩散。分子扩散是物质在一相内有浓度差异的条件下，由流体分子的无规则热运动而引起的物质传递现象。习惯上常把分子扩散称为扩散。这种扩散发生在静止或滞流流体中相邻流体层的传质中。
分子扩散的速率主要决定于扩散物质和流体温度以及某些物理性质。根据菲克定律，当物质A在介质B中发生分子扩散时，分子扩散速率与其在扩散方向上的浓度梯度成正比。参照图3-4所示，这一关系可表达为：
NA= （3-1）
式中：NA —— 组分A的分子扩散速率 kmol/（m2·s）；
图3-1 分子扩散示意图
CA —— 组分A的浓度 kmol/m3；
Z —— 沿扩散方向的距离 m；
D —— 扩散系数，表示组分A在介质B中的扩散能力 m2/s。
式中负号表示扩散方向与浓度梯度相反。
分子扩散系数D是物质的物理性质之一。扩散系数大，表示分子扩散快。对不太大的分子而言，在气相中的扩散系数值约为0.1—1 cm2/s的量级；在液体中约为在气体中的104—105分之一。这主要是因为液体的密度比气体的密度大的多，其分子间距小，故分子在液体中扩散速率要慢的多。扩散系数之值须由实验方法求取，有时也可由物质本身的基础物性数据及状态参数估算。气体的液体扩散系数可查阅有关手册。
②流体中的涡流扩散
如果在把红墨水滴入杯子中的同时，用玻璃棒进行搅拌，杯子中的水瞬间就变红了。这就是涡流扩散。在湍流流体中，流体质点在湍流中产生漩涡，引起各部分流体间的剧烈混合，在有浓度差的条件下，物质便朝其浓度降低的方向进行扩散。这种凭藉流体质点的湍动和漩涡来传递物质的现象，称为涡流扩散。涡流扩散速率决定于流体的湍动程度。实际上，在湍流流体中，由于分子运动而产生的分子扩散是与涡流扩散同时发挥着作用。但涡流扩散速率比分子扩散速率大得多，因此涡流扩散的效果应占主要地位。此时，通过一个湍流流体的扩散速率可以下式表达，即
NA= －（D+De） （3-2）
式中：NA —— 组分A的扩散速率 kmol/（m2·s）；
CA —— 组分A的浓度 kmol/m3；
Z —— 沿扩散方向的距离 m；
D —— 分子扩散系数m2/s；
De—— 涡流扩散系数 m2/s。
对流扩散。它与传热过程中的对流传热类似，由于对流扩散过程极为复杂，影响其因素很多，所以对流扩散速率，一般难以解析求出，而是采用类似解决对流传热的处理方法依靠试验测定。
（2）吸收过程的机理
吸收过程中，吸收质除了要分别在气相和液相中进行单一相的传递外，还必须通过气液接触界面才能由气相进入液相，但气液两相流动状态不同，界面状态就不同，流体流动状态不仅决定于流体的物性、流速等参数，还与设备的几何尺寸密切相关，由此可知吸收过程的机理是复杂的，人们已对其进行了长期的深入的研究。曾提出多种不同的关于吸收这样的相际传质过程的机理的理论，其中应用最广泛的是刘易斯和惠特曼在本世纪二十年代提出的双膜理论。
双膜理论的基本论点如下：
1、在气液两流体相接触处，有一稳定的分界面，叫相界面。在相界面的两侧附近各有一层稳定的作滞流流动的薄膜层，在气相一侧的叫气膜、液相一侧的叫液膜。吸收质以分子扩散方式通过这两个薄膜层。
2、两膜层以外的气、液两相分别称为气相主体与液相主体。在气、液两相的主体中，由于流体的充分湍动，吸收质的浓度基本上是均匀的，即两相主体内浓度梯度皆为零，全部浓度变化集中在这两个膜层中，即阻力集中在两膜层之中。
3、无论气、液两相主体中吸收质的浓度是否达到平衡，而在相界面处，吸收质在气、液两相中的浓度关系却已达于平衡。即认为界面上没有阻力。
通过以上假设，就把吸收这个相际传质的复杂过程，简化为吸收质只是经由气、液两膜层的分子扩散过程。提高吸收质在膜内的分子扩散速率就能有效地提高吸收速率，因而两膜层也就成为吸收过程的两个基本阻力，双膜理论又称为双阻力理论。在两相主体浓度一定的情况下，两膜层的阻力便决定了传质速率的大小。由于膜内阻力与膜的厚度成正比，根据流体力学原理，流速越大，则膜的厚度越薄，因此增大气液两流体的相对运动，使流体内产生强烈的搅动，都能减小膜的厚度，从而降低吸收阻力，增大吸收传质系数，提高吸收速率。双膜理论的假想模型，如图3-2所示。

实际浓度分布线 虚拟浓度分布线
图3-2双膜理论的假想模型示意图
对于具有固定相界面的系统以及流动速度不高的两流体间的传质，双膜理论与实际情况是相当符合的，根据这一理论的基本概念所确定的吸收过程的传质速率关系，至今仍是吸收设备设计的主要依据，这一理论对于生产实际具有重要的指导意义。但是对于具有自由相界面的系统，尤其是高度湍动的两流体间的传质，双膜理论表现出它的局限性。因为在这种情况下，相界面已不再是稳定的、而是处于不断更新的过程中，此时界面两侧存在稳定的滞流膜层及物质以分子扩散方式通过此两膜层的假设都很难成立。
针对双膜理论的局限性，后来相继提出了一些新的理论，如溶质渗透理论、表面更新理论、界面动力状态理论等。这些理论对于相际传质过程中的界面状况及流体力学因素的影响等方面的研究和描述都有所前进，但目前尚不足据以进行传质设备的计算或解决其它实际问题。

二、吸收解吸收方案的认识
在循环吸收法中，为了得到较纯净的吸收质或回收吸收剂循环使用，常常需要将吸收质从吸收剂中分离出来。使溶解于液相中的气体释放出来的操作称为解吸或脱吸。解吸是吸收的相反过程，通常是使溶液与惰性气体或水蒸汽在解吸装置中接触，气体溶质则逐渐从溶液中释放出来。在实际生产中往往采用吸收与解吸的联合流程，吸收后即进行解吸，在操作中两者相互影响和制约。应该注意的是对于化学吸收，如果吸收过程中发生了不可逆的化学反应，解吸就不能发生。
案例一 洗油回收煤气中苯
图3-3是一个回收煤气中苯的吸收-解吸联合装置流程示意图。
在焦炉煤气的生产过程中，由于煤气中含有少量的苯和甲苯类低碳氢化合物的蒸汽，应予以回收。所用吸收剂是煤焦油的精制品（煤焦油中230～300℃的馏分），称为洗油。

图3-3 用洗油回收煤气中苯的吸收与解吸流程
含苯煤气在常温下由吸收塔底部进入塔内，温度为27～30℃洗油从塔顶淋下，气液两相逆流流动，并在塔内填充物（木栅等物）上接触，进行传质，使苯等转溶到洗油中，含苯量降到规定要求（煤气中苯族烃含量为2g/m3）的脱苯煤气由塔顶排出。吸收苯的洗油（含苯量约2.5％，称为富油）从塔底进入富油贮槽。为了分离出富油中溶解的苯等，需对吸收剂进行解吸，目的是回收苯及使洗油循环使用（亦称吸收剂的再生）。解吸过程在解吸塔中进行，即将富油用泵从贮槽中抽出，经富油加热器加热至规定温度后，从顶部进入解吸塔，与从解吸塔底部通入的过热水蒸汽接触，则富油中的苯等在高温下解吸出被水蒸汽带走，经冷凝后进入分层槽，由于苯的密度比水小，故在上层，水在下层，将水除去即可得到苯类液体。富油脱苯后（亦称贫油）从塔底进入洗油贮槽，用泵抽出经冷却器冷却至规定温度，即可作为循环使用的吸收剂再次送入吸收塔中。
案例二 碱性栲胶-钒酸盐水溶液脱除H2S
如图3-4所示的是利用碱性栲胶钒酸盐水溶液脱除半水煤气中的硫化氢工艺方案。栲胶是酚类物质（丹宁）作为载氧体可焦钒酸钠氧化成偏钒酸钠，再生时可由空气将还原态栲胶氧化。脱硫原理如下：（TQ------氧化型栲胶； THQ----还原型栲胶）
NaCO3+H2S→NaHS+ NaHCO3
2NaHS+4NaVO3+H2O→Na2V4O9+4NaOH+2S
Na2V4O9+TQ+NaOH+H2O=NaVO3+THQ
THQ+O2→TH+H2O
NaHCO3+NaOH→Na2CO3+H2O
从电除尘来的半水煤气进接力风机进口水封，由接力风机升压至1000mmH2O左右进入各风机的出口水封，然后气体从脱硫塔底部进、塔顶出，在塔内与从塔顶向下洒的栲胶碱溶液在填料的润湿表面充分接触，吸收并脱除H2S，从脱硫塔顶出来的气体中含H2S应＜15毫克/标准米3，分别经两个除沫器，再经两个旋流板除去碱沫后，送往压缩机一段。
一定组份的栲胶溶液（也称贫液）自循环槽经贫液泵升压0.6Mpa左右送往脱硫塔顶，溶液自塔顶流向塔底，充分润湿填料表面与气体接触，吸收半水煤气中的H2S气体，吸收H2S后的溶（富液）从脱硫塔底流到反应槽内，进入反应槽内的液体再经富液泵加压0.6Mpa左右。经溶液加热器加热进入喷射再生器，自吸空气，富液与空气在喉管处混合后进再生槽，再生后的溶液经液位调节器全部回到循环槽，以后照此反复循环使用。硫泡沫在再生槽内浮洗分离，溢流至硫泡沫槽，在硫泡沫槽用蒸汽加热至70~90℃搅拌沉硫，再经分离放入熔硫釜，回收固体硫磺，釜内清液靠虹吸作用流至虹吸罐，罐内沉渣回釜，清液去循环槽。

图3-4 栲胶法脱除H2S的吸收与再生流程
案例三 乙醇胺法吸收二氧化碳
如图3-5所示的是乙醇胺法吸收二氧化碳的吸收解吸联合流程。

图3-5 乙醇胺法吸收二氧化碳流程
将合成氨原料气从底部进入吸收塔，塔顶喷乙醇胺液体，乙醇胺吸收了CO2后从塔底排出，从塔顶排出的气体中含CO2可降到0.2%-0.5%。将吸收塔底排出的含CO2的乙醇胺溶液用泵送至加热器，加热(130°C左右)后从解吸塔顶喷淋下来，塔底通入水蒸气，乙醇在高温、低压(约300kPa)下自溶液中解吸。从解吸塔顶排出的气体经冷却、冷凝后得到可用的CO2。解吸塔底排出的溶液经冷却降温(约50°C)、加压(约1800kPa)后仍作为吸收剂。这样吸收剂可循环使用，溶质气体得到回收。
交流与探讨 用吸收的方法分离合成氨原料气需要解决的问题
在不同的场合，处理对象不同，分离目的不同，所用吸收剂也不相同，吸收过程所采用的工艺条件更是千变万化。但作为吸收过程本身，其实质都是基本相同的。无论是哪种分离体系，哪一种流程，它们需要解决如下共性问题，完成以下几个任务：
1、选择合理的吸收工艺方案。
2、在已有吸收方案中进一步选择合适的吸收剂并确定其用量。
3、确定性能好经济合理的吸收设备。
4、学会吸收装置的操作与运行。
接下来我们将对这些任务分别探讨。
思考、练习与实践
01． 什么是吸收过程，吸收主要应用于哪些方面，并举例。
02． 案例1中是物理吸收过程还是化学吸收过程？为什么贫油进吸收塔前要经过冷却器降温，在吸收塔和解吸收塔之间的换热器有什么作用？
03． 案例2 中是物理吸收过程还是化学吸收过程？在这一工艺流程中，H2S最终转变成了什么？
04． 案例3中原料液、溶质、惰性组分、吸收剂、溶液和尾气分别是什么？
任务二　吸收剂的选择与吸收剂用量的确定
学习目标
●掌握吸收剂的选择原则，熟悉常见CO2吸收剂的优缺点；
●掌握吸收过程气液流向的选择原则原则；
●掌握温度、压力等操作条件对于物理吸收过程的影响，学会根据气液相平衡关系判明过程进行的方向和限度；
●掌握吸收剂用量的求取方法。

在任务一中，我们已经可以看得出，用于吸收二氧化碳的方案有很多，方案的不同关键就是吸收剂的不同，在吸收操作中，吸收剂性能的优劣，常常是吸收操作好坏的关键。那么吸收操作吸收剂是如何选择的呢？用物理吸收方法来吸收二氧化碳又有哪些吸收剂可用呢？引言里的工作任务中选择什么物质作为吸收剂比较合适呢？
一、吸收剂的选择
如果吸收的目的是制取某种溶液作成品，如用HCl气体生产盐酸，溶剂只能用水，自然没有选择的余地。如果目的在于把一部分气体从混合物中分离出来，便应考虑选择适当的溶剂。
知识链接：
要想选择好合适的吸收剂，我们必须首先掌握吸收剂的选择原则。吸收剂选择的常用原则为：
1、所选用的吸收剂必须有良好的选择性，即吸收剂对吸收质要有较大的溶解度而对其它惰性组分的溶解度要极小或几乎不溶解。这样可以提高吸收效果、减小吸收剂的用量；吸收速率也大、设备的尺寸便小。
2、所选择的吸收剂应在较为合适的条件（温度、压力）下进行吸收操作。
3、吸收剂的挥发度要小，即在操作温度下吸收剂的蒸气压要小。因为离开吸收设备的气体，往往被吸收剂蒸气所饱和，吸收剂的挥发度愈高，其损失便愈大。
另外所选用的吸收剂应尽可能无毒、无腐蚀性、不易燃、不发泡、价廉易得和具有化学稳定性等。
显然完全满足上述各种要求的吸收剂是没有的，实际生产中应从满足工艺要求、符合经济原则的前提出发，根据具体情况全面均衡得失来选择最合适的吸收剂。
工业上的气体吸收大多用水作溶剂，难溶于水的气体才采用特殊溶剂。例如，烃类气体的吸收用液态烃。为了提高气体吸收的效果，也常采用与溶质气体发生化学反应的物质作溶剂。例如，CO2的吸收可以用NaOH溶液、Na2CO3溶液或乙醇胺溶液。表3-1为某些气体选用的部分吸收剂的实例。

表3-1 吸收剂选用实例
吸收质
可选用吸收剂
吸收质
选用吸收剂
水汽
浓硫酸
H2S
亚砷酸钠溶液
CO2
水
H2S
偏钒酸钠的碱性溶液
CO2
碳酸丙烯酯
NH3
水
CO2
碱液
HCl
水
CO2
乙醇胺
HF
水
SO2
浓硫酸
CO
铜氨液
SO2
水
丁二烯
乙醇、乙腈
H2S
氨水

项目任务解决　分离合成氨原料气吸收剂的选择
由于二氧化碳在水中和碳酸丙烯酯溶液中的溶解度比原料气中其它组分如N2、H2和CO在其中的物理溶解度大得多，所以水和碳酸丙烯酯对于CO2均具有较好的选择吸收性。水和碳酸丙烯酯均可以作为物理法吸收二氧化碳的吸收剂。考虑到碳酸丙烯酯有腐蚀性且价格较高，而水具有无毒、无腐蚀性、不易燃、不发泡、价廉易得和具有化学稳定性等特点。加上生产任务对分离要求并不太高，因此，我们可暂选用水作为吸收剂，设法让水循环使用。

一、气液体流向的选择
选择完溶剂后就要考虑的是气、液两相的流向问题。
知识链接：
图3-6 是吸收塔内内常见的两种流向示意图。
逆流
贫液
富液
混合气体
净化气

并流
贫液
富液
混合气体
净化气

图3-6 气-液两相逆流和并流接触示意图
吸收塔内，气、液两相可作逆流也可作并流流动。在气、液两相进出口浓度相同的情况下，逆流与并流相比有着显著优点：逆流时，传质平均推动力最大，这样可提高吸收速率、减小设备尺寸；逆流时，塔底引出的溶液在出塔前是与浓度最大的进塔气体接触，使出塔溶液浓度可达最大值，从而降低了吸收剂耗用量；逆流时，塔顶引出的气体出塔前是与纯净的或浓度较低的吸收剂接触，可使出塔气体的浓度能达最低值，这样可大大提高吸收率。但并流操作也有其自身优点：并流操作可以防止逆流操作时的纵向搅动现象；提高气速时不受液泛的限制，不会限制设备的生产能力。一般吸收操作均采用逆流，以使过程具有最大的推动力。特殊情况下，如吸收质极易溶于吸收剂，此时逆流操作的优点并不明显，为提高生产能力，可以考虑采用并流。
项目任务解决　分离合成氨原料气气液流向的选择
考虑到工作任务中二氧化碳在水中溶解度较低，为了加大传质速率，考虑采用逆流接触形式。

三、吸收过程操作条件的确定
工作任务中用水吸收含有9%（体积）CO2的原料气过程中，什么时候会发生吸收现象？吸收过程选择在多少温度，多高压力下进行呢？
知识链接：
1、物理过程吸收的条件
（1）气体在液体中的溶解度
在一定的温度下，使某一定量的可溶性气体溶质与一定量的液体溶剂在密闭的容器内相接触，溶质便向溶剂转移。经过足够长的时间以后，就会发现气体的压力和该气体在溶液中的浓度不再变化。此时并非没有气体分子进入液体，而是由于在任何瞬间内，气体进入液体的分子数与从液体中逸出并返回到气体中的气体分子数相等之故。所以宏观上，过程就像停止一样，这种状况称为相际动平衡，简称相平衡。在此平衡状态下，溶液上方气相中溶质的压力称为当时条件下的平衡压力，而液相中所含溶质气体的浓度即在当时条件下气体在液体中的溶解度。习惯上溶解度是以在一定的温度和溶质气体的平衡压力下，溶解在单位质量的液体溶剂中溶质气体的质量数表示，kg气体溶质/kg液体溶剂。
只有处于不平衡状态的气液相接触，才有可能发生吸收现象。在气液系统中，只要液相中吸收质的实际浓度小于平衡浓度或气相中吸收质的分压大于平衡分压，吸收质就从气相转入液相，吸收过程一直进行到相平衡为止。所以相平衡是物理吸收过程的极限，该极限取决于溶解度。溶解度的大小是随物系、温度和压力而异，通常由实验测定。如图3-7（a）、3-7（b）、3-7（c）分别表示出氨、二氧化硫和氧在水中溶解度与其气相平衡压力之间的关系。图中的关系线称为溶解度曲线。
将图3-7（a）、（b）、（c）进行比较，可以发现：温度、压力一定时，氨的溶解度最大、二氧化硫其次、氧溶解度最小。这说明氨易溶解于水、氧难溶解于水。我们都知道如果要使一种气体在溶液中达到一定的浓度，必须在溶液上方维持较高的平衡压力，由图可见，温度一定时，同样质量的氨、二氧化硫、氧各溶解于一定量的水，氨在其溶液上方的平衡压力最小，二氧化硫的平衡压力居中，氧在其溶液上方的平衡压力最大。

图3-7 氨、二氧化硫、氧在水中的溶解度曲线

显然：对应于同样浓度的气体溶液，易溶气体溶液上方的平衡压力小，而难溶气体溶液上方的平衡压力大。换言之，如欲获得一定浓度的气体溶液，对于易溶气体所需的平衡压力较低，而对于难溶气体所需的平衡压力则很高。
由图3-7还可发现，这三种物质的溶解度曲线表现出同样的变化趋势：当压力一定时，温度越低，溶解度越大；当温度一定时，压力越高，溶解度越大。这说明加大压力和降低温度可以提高溶解度，对吸收操作有利；反之，升温和减小压力则降低溶解度，对吸收操作不利。
溶解度是分析吸收操作过程的基础，关于气体在液体中的溶解度，至今已发表了许多数据，这些实测值载于有关手册之中以供查用。
（2）亨利定律
随着对气液间相平衡关系大量实验数据的积累，人们发现当总压力不高时，在一定温度下，稀溶液上方的气体溶质平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率之间存在着如下的关系：
p*= Ex （3-3）
式中：p* —— 溶质在气相中平衡分压，kN/m2
x —— 溶质在液相中的摩尔分率
E —— 亨利系数，其单位与压力单位一致。
图3-8 二氧化碳、二氧化硫及氨在水中的溶解度
式3-3称为亨利定律。此式表明稀溶液上方的溶质分压与溶质在液相的摩尔分率成正比，比例常数称为亨利系数。E值的大小表示气体溶于液体中的难易程度。由于同一种气体在不同的溶剂中溶解度不同，所以E不同；同样不同气体在同一种溶剂中的溶解度也不同，E也就不同。E值愈大，表示该气体的溶解度越小，即愈难溶，E值随温度的升高而增大。各种气体的E值皆由实验测得，书末附寻中列出若干种气体水溶液的亨利系数值。
亨利定律是一个稀溶液定律，因此它对常压或接近于常压下的难溶气体较为适合，对于易溶气体适用于低浓度的较小范围，如图3-8所示NH3-H2O系统的平衡线的直线部分是很短的，而对于难溶气体如CO2，则在较广的平衡压力范围内符合亨利定律。
在实际生产中被吸收的气体，往往是气体混合物的某组分，而不是单一的纯气体。当混合气体总压力不超过5标准大气压的情况下，被吸收组分在液体中的溶解度，可以认为与总压无关，而只取决于溶质气体的分压和温度。
由于互成平衡的气液两相组成各可采用不同的表示法，因而亨利定律有不同的表达形式。
若溶质在液相和气相中的组成分别用摩尔分率x及y表示，亨利定律可写成如下形式，即：
y* = mx （3-4）
式中 x —— 液相中溶质的摩尔分率
y —— 与该液相成平衡的气相中溶质的摩尔分率
m —— 相平衡常数
若系统的总压为P，则依道尔顿分压定律可知溶质在混合气体中的分压为 p = Py
同理 p* = Py*
将上式代入式3-3中可得 Py* = Ex
将此式与式3-4相比较可知
m = E/P （3-5）
相平衡常数m也是依实验结果计算出来的数值。对于一定物系，它是温度和压力的函数。由m值的大小同样可以比较不同气体溶解度的大小，m值愈大，则表明该气体的溶解度愈小。由式3-5可以看出，温度升高、总压下降则m值增大，不利于吸收操作。
若溶质在液相和气相中的组成分别用比摩尔X及Y表示时，则可知
x = （a）
y = （b）
将式（a）和式（b）代入式（3-4）可得： = m
整理后得
Y* = （3-6）
式中 Y*—— 气、液相平衡时，每kmol惰性组分中含有气体溶质的kmol数
X —— 气、液相平衡时，每kmol吸收剂中含有气体溶质的kmol数
m —— 相平衡常数
式3-6是用比摩尔分率表示亨利定律的一种形式。此式在Y—X直角坐标系中的图形总是通过原点的一条直线，如图3-9所示，此图线称为气、液相平衡线或吸收平衡线。但是，当溶液浓度很低时，式3-6分母趋近于1，于是该式可简化为式3-7是亨利定律又一形式，它表明当液相中溶质溶解度足够低时，气液相平衡关系在Y—X图中，也可近似地表示成通过原点的直线。其斜率为m，如图3-10所示。
Y* = mX （3-7）
若气相组成用分压，液相组成用物质的量浓度时，亨利定律为：
p*= （3-8）
式中： C —— 液相中溶质的物质的量浓度 kmol/m3
H —— 溶解度系数 kmol/（kN·m）
溶解度系数H也是温度的函数，对一定的溶质和吸收剂而言，H值随着温度的升高而减小，易溶性气体H值很大，难溶性气体H值很小。
溶解度系数H与亨利系数E的关系为：
H = （3-9）
式中：ρ—— 溶液的密度 kg/m3
MS —— 吸收剂的摩尔质量 kg/kmol

图3-9 吸收平衡线 图3-10 稀溶液吸收平衡线
上述亨利定律的各种表达式所表示的都是互成平衡的气、液两相组成间的关系，利用它们即可根据液相组成计算平衡的气相组成，同样也可根据气相组成计算平衡的液相组成。从这种意义上讲，上述亨利定律的几种表达形式也可改写如下：
x *=
C* =
x *=
X *=
根据吸收操作的特点，我们常用比摩尔浓度来表示相组成，因此在表示气液相平衡关系时，也就常常采用式3-6或式3-7。
【例3-1】
某矿石焙烧炉送出来的气体，经冷却后将温度降到20℃，然后送入填料吸收塔中用水洗涤以除去其中SO2，已知平均操作压力为1标准大气压，20℃时SO2在水中的平衡溶解度数据如本例附表1

例3-1 附表1
SO2溶解度kgSO2/100kgH2O
0.02
0.05
0.10
0.15
0.2
0.3
0.5
0.7
1.0
1.5
SO2平衡分压kN/m2
0.067
0.16
4.26
0.773
1.13
1.88
3.46
5.2
7.86
12.3
试按以上数据标绘Y*—X曲线。
解：；
现以第1组数据为例计算如下：

各组数据计算结果列于本例附表2

例3-1 附表2
SO2溶液浓度X
气相中SO2平衡浓度Y
SO2溶液浓度X
气相中SO2平衡浓度Y
0.0000562
0.000662
0.00084
0.019
0.00014
0.00158
0.0014
0.035
0.00028
0.0042
0.00197
0.054
0.00042
0.0077
0.0028
0.084
0.00056
0.0113
0.0042
0.138

将以上数据关系标绘于本题附图中，为通过原点O的曲线。

例3-1 附图
（3）相平衡与吸收操作
当不平衡的气液两相接触时，溶质是被吸收，还是被解吸，这要由相平衡关系来决定。人们可以依据物系的气液平衡关系来判明吸收过程进行的方向、限度和难易程度。
①根据气液相平衡关系判明过程进行的方向和限度
在吸收塔的计算中通常以气液两相的实际状态与相应的平衡状态的偏离程度来表示吸收推动力的大小。如果气液两相处于平衡状态，则两相的实际状态与平衡状态无偏离，吸收推动力为0，吸收速率也为0。实际状态与平衡状态偏离越大，则吸收推动力也越大，吸收推动力可用气相浓度差ΔY=Y-Y*表示，也可用液相浓度差ΔX=X*-X表示。若Y>Y*或X*>X，从图3-9或3-10上可看出，实际物系点位于平衡曲线上方，此时溶质由气相向液相传递，这就是吸收。随着吸收过程的进行，气相中被吸收组分的含量不断降低，溶液浓度不断上升，直到Y=Y*或X*=X，此时实际物系点与平衡曲线重合，吸收达到了极限。若Y<Y*或X*<X，从图3-9或3-10上可看出，实际物系点位于平衡曲线下方，此时溶质由气相向液相传递，这就是吸收过程的逆过程——解吸。
当气液相浓度用其它形式表示时推动力也可表示成相应的形式，如：
Δp = p - p*、
Δx = x*- x、Δy = y-y*。
在吸收塔中沿塔高各处的气、液相的浓度是不同的，所对应的平衡浓度就不同，这样吸收推动力也就不同了，因此所表示出来的推动力只能反映出吸收塔中某一个截面的情况。
表3-2吸收过程判据
浓度关系
传递过程
液相浓度
X*-X＞0
吸收
X*-X＜0
解吸
X*-X=0
平衡
气相浓度
Y-Y*>0
吸收
Y-Y*＜0
解吸
Y-Y*=0
平衡
【例3-2】
已知常压、20℃时稀氨水的相平衡关系为Y*=0.94X，今使含氨6%（比摩尔分率）的混合气体与X=0.05的氨水接触，则将发生什么过程呢？
解：Y*=0.94X=0.94×0.05=0.047＜0.06=Y
即Y- Y*=0.06-0.047=0.013＞0
所以发生吸收过程
或者
X*=Y/0.94=0.06/0.94=0.064
X*-X=0.064-0.04=0.014＞0
所以发生吸收过程

②判断吸收操作的难易程度
在一定压强和温度下，对于一定浓度的溶液，被溶解气体在气相中平衡分压的大小，反映了气体溶解度的大