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Aspen吸收塔的设计

SO2吸收塔的设计计算
矿石焙烧炉送出的气体冷却到25℃后送入填料塔中，用20℃清水洗涤以除去其中的SO2。入塔的炉气流量为2400，其中SO2摩尔分率为0.05，要求SO2的吸收率为95%。吸收塔为常压操作。
试设计该填料吸收塔。
解 （1）设计方案的确定
用水吸收SO2属于中等溶解度的吸收过程，为提高传质效率，选用逆流吸收过程。因用水作为吸收剂，且SO2不作为产品，故采用纯溶剂。
（2）填料的选择
对于水吸收SO2的过程，操作过程及操作压力较低，工业上通常选用塑料散装填料。在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故此选用聚丙烯阶梯环填料。
（3）工艺参数的计算
步骤1：全局性参数设置。计算类型为“Flowsheet”，选择计量单位制，设置输出格式。
单击“Next”，进入组分输入窗口，假设炉气由空气（AIR）和SO2组成。在“Component ID”中依次输入H2O，AIR，SO2。
步骤2：选择物性方法。选择NRTL方程。
步骤3：画流程图。选用“RadFrac”严格计算模块里面的“ABSBR1”模型，连接好物料线。结果如图3-1所示。

图3-1 水吸收SO2流程图
步骤4：设置流股信息。按题目要求输入进料物料信息。初始用水量设定为400kmol/h。
步骤5：吸收塔参数的输入。在“Blocks|B1|Setup”栏目，输入吸收塔参数。吸收塔初始模块参数如表3-1所示。其中塔底气相GASIN由第14块板上方进料，相当于第10块板下方。
Calculation type
Equilibrium
Number of stages
13
Condenser
None
Reboiler
None
Valid phases
Vapor-Liquid
Convergence
Standard
Feed stage
WATER
1
GASIN
14
Pressure(kPa)
Stage 1
101.325
表3-1 吸收塔初始参数
至此，在不考虑分离要求的情况下，本流程模拟信息初步设定完毕，运行计算，结果如图3-2所示。此时SO2 吸收率为。

图3-2 初步计算结果
步骤6：分离要求的设定，塔板数固定时，吸收剂用量的求解。
运用 “Design Specifications”功能进行计算，在“Blocks|B1|Design Spec”下，建立分离要求“1”。
在“Blocks|B1|Design Spec|1| Specifications”页面，定义分离目标。按题目要求进行设定。结果如图3-3所示。在“Blocks|B1|Design Spec|1|Components”页面，选定 “SO2”为目标组分；在“Feed/Product Streams”页面，选择“LOUT”为参考物流。

图3-3 Design Spec-1的定义 图3-4 Vary-1的定义
在“Blocks|B1|Vary”下，定义变量“1”。在“Blocks|B1|Vary|1|Specifications”页面，设定进料流量“Feed rate”为变量，上下限分别为5、1000。结果如图3-4所示。
至此，分离要求已设置完毕，运行计算，结果如图3-5所示。当塔板数为13时，要达到95%的吸收率，需用水386.44kmol/h。

图3-5 吸收剂用量计算结果
步骤6：吸收塔的优化，吸收剂用量对塔板数灵敏度分析。
使用“Sensitivity”功能进行分析。在“Modle Analysis Tools|Sensitivity”目录，创建一个灵敏度分析文件“S-1”。在“S-1|Input|Define”页面，定义因变量“FLOW”，用于记录进塔水流量，结果如图3-6所示。

图3-6 定义灵敏度分析参数
在“S-1|Input|Vary”页面，设置自变量及其变化范围，这里假设塔板数变化，如图3-7所示。
在“S-1|Input|Tabulate”页面，设置输出格式。设置“FLOW”为输出变量。

图3-7 设置自变量变化范围
本题为吸收塔，在塔板数变化的同时，塔底气体的进料位置也随之改变。运用Calculator功能，来实现这一过程。在“Flowsheeting Options|Calculator”目录，创建一个计算器文件“C-1”。在“C-1|Input|Define”页面，定义2个变量，如图3-8所示。其中，“FEED”记录塔底气体进料位置，“NS”记录吸收塔塔板数。

图3-8 定义计算器变量
在“C-1|Input|Calculate”页面，编写塔底气体进料位置的Fortran语言计算语句，如图3-9所示。

图3-9 编写Fortran计算语句
在“C-1|Input|Sequence”页面，定义计算器计算顺序，如图3-10所示。在塔B1前计算。

图3-10 定义计算器顺序
至此，吸收塔灵敏度分析计算所需要的信息已经全部设置完毕，运行计算，结果如图3-11、图3-12所示。图3-12为利用Aspen内Plot功能，吸收剂用量对塔板数作图结果。

图3-11 灵敏度分析计算结果图 图3-12 同塔板数所需吸收剂用量
步骤7：吸收塔的工艺参数。由图3-12可得，当塔板数为大于10时，随着塔板数的增加，吸收剂用量减少不太明显，因此选择塔板数为10。在“Blocks|B1|Setup”栏目，将塔板数改为10，塔底气体进料位置为11，隐藏“C-1”和“S-1”，运行计算。结果如图3-13所示。此时，水用量为399.75kmol/h，7200kg/h。

图3-13 填料塔最终工艺计算结果
（4）填料塔设计
首先进行塔径计算。在“Blocks|B1|Pack Sizing”文件夹中，建立一个填料计算文件“1”。在“Pack Sizing|1|Specifications”页面，填写填料位置、选用的填料型号、等板高度等信息，如图3-14所示。其中填料为塑料阶梯环（PLASTIC CMR），等板高度设定为0.45m。
KOCH公司的塑料阶梯环，在Aspen Plus7.2数据中有三种尺寸1A，2A，3A。由于填料尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用也增多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。因此初始选择2A型号，其湿填料因子为103.36（1/m）。
运行计算，结果如图3-15所示。

图3-14 填料塔信息设置

图3-15 填料塔计算结果
由图3-15可知，填料塔塔径为752mm，最大液相负荷分率0.62，最大负荷因子0.0537m/s，塔压降0.0093bar，平均压降1.73mmHg/m，液体最大表观流速0.0046m/s，比表面积为164㎡/m³。
本例题填料塔初步计算塔径为752mm，此时最大负荷分率为0.62，相对保守，可以用塔径700mm进一步核核算。
在“Blocks|B1|Pack Rating”文件夹下，建立一个填料核算文件“1”， 在“Pack Rating|1|Specifications”页面，填写填料位置、选用的填料型号、等板高度等信息，如图3-16所示。运行计算，结果如图3-17所示。

图3-16 填料塔核算参数设置

图3-17 填料塔核算参数设置
由图3-17可知，当填料塔塔径为0.7m，最大液相负荷分率0.716，在0.6~0.8之间，最大负荷因子0.062m/s，塔压降0.0142bar，平均压降2.63mmHg/m，液体最大表观流速0.00535m/s。
因为一般填料塔的操作空塔气速低于泛点气速，对于一般不易发泡物系，液泛率为60%~80%，因此塔径选择0.7m是合理的。