工業廢氣治理中的吸收和吸收塔工藝設計理論及其應用研究

賈唯策

（四川美億強華工程設計有限公司，四川成都 610046）

1 吸收過程的流程圖

吸收過程的基本流程圖如圖1所示。溶劑在吸收塔中吸收待分離的氣體組分，之后再轉到再生塔，在再生塔中處理溶劑，使之能再度用于吸收塔。

圖1 吸收過程的基本流程圖

在吸收塔中，使氣體與液體彼此充分地接觸，以便有可能達到兩相間良好的物質轉變。這時，釋出吸收熱，它常常使吸收塔內的溫度顯著增高。

溶質和溶劑的相互作用可以是物理的和化學的。在第一種情況下，被吸收的物質物理溶解于液體中。在第二種情況下，溶質與液體或液體中含有的試劑起化學反應。

在物理或可逆化學吸收情況下，溶液常常被再生。在大多數情況下，再生需要使用添加劑或補充供給能量。可以使用物理分離法（例如減壓、用惰性氣體解吸、精餾、萃取、吸收、結晶）、化學分離法（例如，逆反應、沉淀、電解）和生物分離法。再生的方法很多，這里不進行逐一進行討論。下面對溶劑的選擇和吸收塔的尺寸作較詳細的研究。

2 溶劑的選擇

如何選擇溶劑是一個極為復雜的問題，而且對于工藝設計具有頭等重要的意義。溶劑應能吸收大量的溶質（高容量），并能有選擇地吸收，而且還要求溶劑能以簡單的方法再生或處理。這些問題的解決取決于下面將要討論的相平衡。

此外，溶劑還必須滿足其他一些要求，例如，可使用性、低價格、安全（不易燃和無毒）、低黏度、低蒸氣壓（溶劑損耗低、凈化氣帶走的溶劑量少）、無腐蝕、熱穩定等。

2.1 相平衡

氣相與液相之間的平衡，用氣體（G）和液體（L）中的等壓力p、等溫度T和等化學勢μ來描述：

現在，已有用物態方程式描述相平衡的成功嘗試。此外，簡單的經驗關系式，對于基本原理的描述仍起著重要的作用。對于氣體在液體中的物理溶解，組分i的分壓正比于活度系數γi、蒸氣壓和物質的量xj：

亨利定律對于超臨界氣體是適用的：

常使用氣液平衡常數Ki：

式中：（Ki為氣液平衡常數；為平衡濃度；p為總壓，pi為分壓，下標i為組分。

在液相中理想性狀情況下，活度系數γi等于1，可應用拉烏爾定律。

在工業實踐中，常使用所謂的本生系數αi或吸收系數λi。以下關系式在pi=1時是正確的：

高容量溶劑的特點是有低的亨利常數Hi、活度系數γi，以及高的本生系數αi或吸收系數λi。

如果系統的壓力p大大低于臨界壓pC，則在低對比壓pr=p/pC情況下，所列舉的方程式才是正確的。如果以逸度f代替壓力p，這些方程式對于高壓仍是正確的。利用真實氣體因數定義Z=V真實p/（RT）和比容Δv（理想和真實性狀時的容量差），則得到下式：

化學活性溶劑在吸收中具有重大的意義。試以1摩爾溶質A與溶劑中的z摩爾

活性組分B起反應，生成s摩爾的產物P。向前反應動力學以速率常數來描述，而逆反應用常數Kc描述：

化學平衡式為：

式中：CA、CB、和Cp是反應物A、B和產物P的物質的量濃度。在高向前反應速率常數值kr和高化學平衡常數值Kc狀態下，反應完全進行到產物P。

根據阿倫尼烏斯定律，速率常數取決于溫度：

式中：kⅠ、kⅡ為高速率常數；R為氣體常數；T為溫度；E為活化能。

這些方程式可通過反應速率外推其他溫度。

對于化學吸收過程，大多數適宜的反應是具有高Ke值（即反應物A、B完全反應為產物P）和高速率常數kⅠ的反應。然而，在這樣情況下，常常較難于回收溶劑。

圖2表明，2，4-二甲基苯胺是比水更好的SO2洗滌劑。只要吸收塔用對SO2用一定過量的堿進行操作，用氫氧化鈉水溶液的化學吸收法甚至更有效。然而，在SO2過量情況下，分壓隨液體而迅速增大。根據圖2，對于吸收CO2，5M一乙醇胺溶液較甲醇更有利得多，而甲醇又比水好。通常，溶解度隨著溫度的降低而增大。常常溶解兩種或兩種以上的物質。

圖2 SO2和CO2在不同溶劑上的平衡分壓

2.2 吸收熱

吸收過程中釋放出的熱量使得吸收塔中的溫度顯著增高。吸收熱Qi可以根據亨利系數Hi與溫度T之間關系來計算：

吸收熱通常隨著溫度的升高而減小。如果溶質在低于其臨界點以下被吸收，則Qi可以根據活度系數與溫度間的關系、溶質的冷凝熱來計算。

式中：ΔHi為混合熱。

在化學吸收情況下，除吸收熱以外，還有反應熱釋出。反應熱函可以根據有效的生成熱來計算。

2.3 溶劑需要量

吸收所需的溶劑量可以利用溶解組分的物質平衡來計算。對于物理吸收：

當適于亨利定律時，最低液體流速為：

吸收所需的溶劑量正比于氣體流速G，而與氣體的濃度無關。因此，適宜的相平衡和高的總壓力是有利的。在工業實際中，吸收塔常常是以過量30%～50%的溶劑進行操作。在化學吸收中，液體中的溶質量與溶劑量之間存在化學計量關系。因此，在給定濃度情況下，所需的溶劑量正比于溶質量。

根據這些不同的關系，物理吸收過程對于由原料氣脫除大量雜質是更合適的。此外，化學吸收過程更適宜于精細化的煙氣洗滌和脫除。

3 理論板數或傳遞單位數的計算

分離的困難可以用理論板數或傳遞單位的概念來闡述。下面說明計算理論板數的步驟。傳遞單位數NOG用以下方程式確定：

氣體濃度的微量變化dy除以濃度差作為質量傳遞的推動力。工作線和平衡線愈靠近，所需的傳遞單位數NOG就愈大。當理論板數大時，塔的精確計算十分困難。使用計算機是解決這一問題唯一合適的方法。由理論板概念得出一組代數方程式，而對于傳遞單位（γi=1）概念，求得每一組分的微分方程式：

對塔底部氣相和塔頂部液相給出了求解所需的邊界條件。這樣的邊界值問題只能用迭代法解。由于缺乏精確的迭代方法，常常難以求得適當的收斂。有關塔的計算文件，在化工設備設計資料中可以查詢。

實際上，對于溶質和理論板數或由此計算的傳遞單位數，測定了平衡曲線和操作線。在只選擇吸收一種組分以及過程是等溫時，這一方法是可用的。如果在吸收過程中釋放出大量熱量，則可以假設，這種熱量只引起液相的溫度增高。在這種情況下，根據設計圖，簡單地計算也是可能的。當同時吸收幾種組分時，或如果有大量溶劑蒸發，則必須使用不同的方法。在物理吸收塔中完全分離各組分，常常要求大的理論板數。相反，在化學吸收時，只需要幾塊板。在很快的和不可逆的化學反應情況下，只一塊板就足夠了。吸收可以在一段吸收塔中進行。

4 吸收塔的選擇

對于氣液接觸，可以使用各種各樣的吸收塔，例如填料塔、板式吸收塔、降膜式吸收塔、噴淋塔、泡罩塔、攪拌槽、文丘里洗滌塔、噴射洗滌塔、噴嘴管反應器和特種填料塔。還可以使用機械裝置做吸收塔。在液體活塞式旋轉鼓風機中，氣體可以壓縮，并可進行有效的吸收。

填料塔常用于洗滌過程。填料塔以經濟的方式提供較大的理論板數。其壓力降是較低的，約為0.02～0.05 kPa/m。可以在較寬的范圍內改變表面氣流速度。低液流速度是不合適的。 另外，由于溢流，液流速度應有上限。

在板式吸收塔中，也可以獲得較大的理論板數。其壓力降稍高于填料塔。液流速度可以在較寬的范圍內變動，直到很低的值。氣流速度不能超過上限（過量帶出）或低于下限（液體滲出點）。

降膜吸收塔適用于伴之釋出必須排出的大量熱量的吸收過程。吸收氯化氫以生產高濃度酸即是一例。在降膜吸收塔中，氣體和液體常是并流流動。為了獲得十分純的惰性氣體，在這套裝置內有一座對流塔是合適的。

噴淋塔常用于化學洗滌過程，因為只需要少數的理論板。其壓力降是很低的，約為0.001 kPa。在噴射吸收塔內，可以利用噴射分散的液體進行氣體的吸收。

泡罩塔內的壓力降較高，只允許低的表面氣流速度，但是液體的停留時間卻十分長。泡罩塔特別適用于伴有十分緩慢的化學反應的吸收。

攪拌槽具有類似的用途。在使用自吸式攪拌槽時，氣體的壓力降可能低得多。

在文丘里洗滌塔中，液體是利用造成較高壓力降的氣體分散。氣體與液體間的接觸是非常充分的。這種裝置還適用于由氣體同時除去粉塵。

5 吸收塔的設計

5.1 填料塔

已發表了計算填料塔內最大容許通過量的幾種經驗或半經驗溢流圖。根據米曼圖，得出工業填料塔內液體的最大對流速度，導出了如下關系式：

常數Kw考慮了穿過填料的單相端流的壓力降。填料塔設計保守，只允許在溢流點70%的通過量。填料塔通常是在加負荷點下操作。超過這一點，液流明顯地受氣流的影響。

對于一個傳遞單位的填料高度，可通過下式求出（塔的高度ZK）：

為了達到計算的目的，每單位體積的界面面積α和二相中的傳質系數β應是已知的。根據現在發表的資料，下列關系式對于陶瓷填料是適用的：

資料中給出了進一步的相互關系。

5.2 板式塔

流體動力學中觀點來看，有大量設計板式吸收塔的相關經驗式。可以推導出最大容許表面氣流速度的理論方程式：

這一方程式只適用于0.4 m以上的板間間隔。板上的物質傳遞，根據文獻[3]用氣側點效率進行描述：

應給出各種類型裝置的α值和hs值。

對于易溶組分（例如平衡曲線的小梯度m），點效率通常在60%～70%之間。對于微溶氣體，點效率明顯降低。

5.3 噴淋塔

從流體動力學觀點來看，噴淋塔的設計（無論是兩相并流還是對流）是困難的，因要考慮裝置的不同幾何形狀。在文獻資料中可以看到，在靠近塔壁無明顯液體遷移的吸收塔中，相對速度、液滴保留量和每單位體積的界面面積a的計算的報道。如果液體分散成液滴，則氣體傳質系數可以根據公式計算。

式中：wrel是液滴與氣體之間的相對速度。根據文獻資料給出的液滴內的傳質系數，有

這一方程式用于液-液系統已得到證實。

5.4 泡罩塔

單個氣泡的上升速度wE決定泡罩塔的流體動力學。對于在0.3＜d2Δρg/σ＜9范圍內的氣泡直徑，根據文獻資料給出的速度，有

以上方程式對于氣體和液體中的液滴也是適用的。每單位體積的界面面積a用下式表示：

圖3示出氣體保留量與無因次表面氣流速度的關系曲線。對于直徑d的氣泡，液側傳質系數可以根據下式計算：

圖3 泡罩塔中相對氣體保留量

現在的研究表明，氣泡群的傳質系數，可以用與單個氣泡相同的方式進行計算。泡罩塔常在0.1＜vG/wE＜1范圍內操作。在較高表面氣流速度情況下，存在隨快速上升氣泡附聚物由均相流向多相流的過渡。根據米曼公式，泡罩塔中相對氣體保留量見圖3。

5.5 氣體分散的攪拌槽

有6塊葉片和直徑比為0.3的葉片攪拌器適用于分散氣體。這類攪拌器的特點是有高的流動阻力，因而能產生相當大的剪切應力。在給定攪拌器速度情況下，僅在達到一定的氣體流速以前，氣體充分地分散；高于該速度，攪拌器則產生溢流。對于有6塊葉片的攪拌器，最大允許氣流速度可以根據下式估算：

有12塊葉片的攪拌器是較為適用的。其他攪拌器，特別是低流動阻力的攪拌器，是不太適用的。

每單位體積的界面面積取決于單位功率輸入，可以利用下式計算：

在高功率輸入攪拌器中，可以得到較泡罩塔更大的每單位體積的界面面積。

5.6 噴射洗滌塔

在噴嘴管反應器中，氣體是利用兩個同心液體噴嘴間的剪應力來分散的。從而產生十分小的氣泡。吸收塔可以按文丘里洗滌器（氣體供給能量）和噴射洗滌塔（液體供給能量）操作。噴射洗滌塔中的壓力降，大致正比于氣流速度的平方，隨著氣體密度、液體保留量和幾何比（ZK/DK）而增大。可以得出下式：

在這一方程式中，HL是分散液體與總液體之比。指數u和w與幾何學有關

每單位體積界面面積與功率輸入間的關系和攪拌槽的情況類似，這是可能的。而且，每單位體積界面面積a隨液體保留量的增大而增大。a可根據下式計算：

6 結束語

通過上述工藝設計和計算，得出不同的吸收過程和吸收塔可用于解決不同的問題。選擇更好的溶劑和開發更便宜的再生方法，可以改進工業廢氣的吸收和再生過程。此外，新的過程要求新的吸收塔的設計，這樣可以獲得更好的效率和更低的壓力降。