工業(yè)廢氣治理中的吸收和吸收塔工藝設(shè)計理論及其應(yīng)用研究

賈唯策

（四川美億強(qiáng)華工程設(shè)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(zhuǎn)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(dá)到兩相間良好的物質(zhì)轉(zhuǎn)變。這時，釋出吸收熱，它常常使吸收塔內(nèi)的溫度顯著增高。

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

在物理或可逆化學(xué)吸收情況下，溶液常常被再生。在大多數(shù)情況下，再生需要使用添加劑或補(bǔ)充供給能量?？梢允褂梦锢矸蛛x法（例如減壓、用惰性氣體解吸、精餾、萃取、吸收、結(jié)晶）、化學(xué)分離法（例如，逆反應(yīng)、沉淀、電解）和生物分離法。再生的方法很多，這里不進(jìn)行逐一進(jìn)行討論。下面對溶劑的選擇和吸收塔的尺寸作較詳細(xì)的研究。

2 溶劑的選擇

如何選擇溶劑是一個極為復(fù)雜的問題，而且對于工藝設(shè)計具有頭等重要的意義。溶劑應(yīng)能吸收大量的溶質(zhì)（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(wěn)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(xué)勢μ來描述：

現(xiàn)在，已有用物態(tài)方程式描述相平衡的成功嘗試。此外，簡單的經(jīng)驗關(guān)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(shù)γi、蒸氣壓和物質(zhì)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(shù)Ki：

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

在液相中理想性狀情況下，活度系數(shù)γi等于1，可應(yīng)用拉烏爾定律。

在工業(yè)實(shí)踐中，常使用所謂的本生系數(shù)αi或吸收系數(shù)λi。以下關(guān)系式在pi=1時是正確的：

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

如果系統(tǒng)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(shí)氣體因數(shù)定義Z=V真實(shí)p/（RT）和比容Δv（理想和真實(shí)性狀時的容量差），則得到下式：

化學(xué)活性溶劑在吸收中具有重大的意義。試以1摩爾溶質(zhì)A與溶劑中的z摩爾

活性組分B起反應(yīng)，生成s摩爾的產(chǎn)物P。向前反應(yīng)動力學(xué)以速率常數(shù)來描述，而逆反應(yīng)用常數(shù)Kc描述：

化學(xué)平衡式為：

式中：CA、CB、和Cp是反應(yīng)物A、B和產(chǎn)物P的物質(zhì)的量濃度。在高向前反應(yīng)速率常數(shù)值kr和高化學(xué)平衡常數(shù)值Kc狀態(tài)下，反應(yīng)完全進(jìn)行到產(chǎn)物P。

根據(jù)阿倫尼烏斯定律，速率常數(shù)取決于溫度：

式中：kⅠ、kⅡ為高速率常數(shù)；R為氣體常數(shù)；T為溫度；E為活化能。

這些方程式可通過反應(yīng)速率外推其他溫度。

對于化學(xué)吸收過程，大多數(shù)適宜的反應(yīng)是具有高Ke值（即反應(yīng)物A、B完全反應(yīng)為產(chǎn)物P）和高速率常數(shù)kⅠ的反應(yīng)。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(jìn)行操作，用氫氧化鈉水溶液的化學(xué)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(jù)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(zhì)。

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(jù)亨利系數(shù)Hi與溫度T之間關(guān)系來計算：

吸收熱通常隨著溫度的升高而減小。如果溶質(zhì)在低于其臨界點(diǎn)以下被吸收，則Qi可以根據(jù)活度系數(shù)與溫度間的關(guān)系、溶質(zhì)的冷凝熱來計算。

式中：ΔHi為混合熱。

在化學(xué)吸收情況下，除吸收熱以外，還有反應(yīng)熱釋出。反應(yīng)熱函可以根據(jù)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(zhì)平衡來計算。對于物理吸收：

當(dāng)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(guān)。因此，適宜的相平衡和高的總壓力是有利的。在工業(yè)實(shí)際中，吸收塔常常是以過量30%～50%的溶劑進(jìn)行操作。在化學(xué)吸收中，液體中的溶質(zhì)量與溶劑量之間存在化學(xué)計量關(guān)系。因此，在給定濃度情況下，所需的溶劑量正比于溶質(zhì)量。

根據(jù)這些不同的關(guān)系，物理吸收過程對于由原料氣脫除大量雜質(zhì)是更合適的。此外，化學(xué)吸收過程更適宜于精細(xì)化的煙氣洗滌和脫除。

3 理論板數(shù)或傳遞單位數(shù)的計算

分離的困難可以用理論板數(shù)或傳遞單位的概念來闡述。下面說明計算理論板數(shù)的步驟。傳遞單位數(shù)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(zhì)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(shù)NOG就愈大。當(dāng)理論板數(shù)大時，塔的精確計算十分困難。使用計算機(jī)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(shù)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(dāng)?shù)氖諗俊Ｓ嘘P(guān)塔的計算文件，在化工設(shè)備設(shè)計資料中可以查詢。

實(shí)際上，對于溶質(zhì)和理論板數(shù)或由此計算的傳遞單位數(shù)，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(shè)，這種熱量只引起液相的溫度增高。在這種情況下，根據(jù)設(shè)計圖，簡單地計算也是可能的。當(dāng)同時吸收幾種組分時，或如果有大量溶劑蒸發(fā)，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(shù)。相反，在化學(xué)吸收時，只需要幾塊板。在很快的和不可逆的化學(xué)反應(yīng)情況下，只一塊板就足夠了。吸收可以在一段吸收塔中進(jìn)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(yīng)器和特種填料塔。還可以使用機(jī)械裝置做吸收塔。在液體活塞式旋轉(zhuǎn)鼓風(fēng)機(jī)中，氣體可以壓縮，并可進(jìn)行有效的吸收。

填料塔常用于洗滌過程。填料塔以經(jīng)濟(jì)的方式提供較大的理論板數(shù)。其壓力降是較低的，約為0.02～0.05 kPa/m?？梢栽谳^寬的范圍內(nèi)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(yīng)有上限。

在板式吸收塔中，也可以獲得較大的理論板數(shù)。其壓力降稍高于填料塔。液流速度可以在較寬的范圍內(nèi)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(diǎn)）。

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(chǎn)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(nèi)有一座對流塔是合適的。

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

泡罩塔內(nèi)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(xué)反應(yīng)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(shè)計

5.1 填料塔

已發(fā)表了計算填料塔內(nèi)最大容許通過量的幾種經(jīng)驗或半經(jīng)驗溢流圖。根據(jù)米曼圖，得出工業(yè)填料塔內(nèi)液體的最大對流速度，導(dǎo)出了如下關(guān)系式：

常數(shù)Kw考慮了穿過填料的單相端流的壓力降。填料塔設(shè)計保守，只允許在溢流點(diǎn)70%的通過量。填料塔通常是在加負(fù)荷點(diǎn)下操作。超過這一點(diǎn)，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(dá)到計算的目的，每單位體積的界面面積α和二相中的傳質(zhì)系數(shù)β應(yīng)是已知的。根據(jù)現(xiàn)在發(fā)表的資料，下列關(guān)系式對于陶瓷填料是適用的：

資料中給出了進(jìn)一步的相互關(guān)系。

5.2 板式塔

流體動力學(xué)中觀點(diǎn)來看，有大量設(shè)計板式吸收塔的相關(guān)經(jīng)驗式?？梢酝茖?dǎo)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(zhì)傳遞，根據(jù)文獻(xiàn)[3]用氣側(cè)點(diǎn)效率進(jìn)行描述：

應(yīng)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(diǎn)效率通常在60%～70%之間。對于微溶氣體，點(diǎn)效率明顯降低。

5.3 噴淋塔

從流體動力學(xué)觀點(diǎn)來看，噴淋塔的設(shè)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(xiàn)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(zhì)系數(shù)可以根據(jù)公式計算。

式中：wrel是液滴與氣體之間的相對速度。根據(jù)文獻(xiàn)資料給出的液滴內(nèi)的傳質(zhì)系數(shù)，有

這一方程式用于液-液系統(tǒng)已得到證實(shí)。

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(xué)。對于在0.3＜d2Δρg/σ＜9范圍內(nèi)的氣泡直徑，根據(jù)文獻(xiàn)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(guān)系曲線。對于直徑d的氣泡，液側(cè)傳質(zhì)系數(shù)可以根據(jù)下式計算：

圖3 泡罩塔中相對氣體保留量

現(xiàn)在的研究表明，氣泡群的傳質(zhì)系數(shù)，可以用與單個氣泡相同的方式進(jìn)行計算。泡罩塔常在0.1＜vG/wE＜1范圍內(nèi)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(jù)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(diǎn)是有高的流動阻力，因而能產(chǎn)生相當(dāng)大的剪切應(yīng)力。在給定攪拌器速度情況下，僅在達(dá)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(chǎn)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(jù)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(yīng)器中，氣體是利用兩個同心液體噴嘴間的剪應(yīng)力來分散的。從而產(chǎn)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?？梢缘贸鱿率剑?/p>

在這一方程式中，HL是分散液體與總液體之比。指數(shù)u和w與幾何學(xué)有關(guān)

每單位體積界面面積與功率輸入間的關(guān)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(jù)下式計算：

6 結(jié)束語

通過上述工藝設(shè)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(fā)更便宜的再生方法，可以改進(jìn)工業(yè)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(shè)計，這樣可以獲得更好的效率和更低的壓力降。