吸收塔理论板的空间体积和持液量对低浓度杂质吸收效果的影响

2021-01-21

有色冶金节能 2020年6期

(中国恩菲工程技术有限公司，北京 100038)

0 前言

近两年来，多晶硅产品品质开始由太阳能级向电子级转变，对氢气中的杂质含量要求也越来越严格，接近电子气的质量要求。在氢气的净化过程中，通常采用吸收的方法回收氢气中的氯化氢，以及分离氢气中其他微量且难以被活性炭吸附的轻组分物质。

在以往设计吸收塔时，一般使用稳态流程模拟软件，如Aspen、Hysys、PROII、ChamCAD 等，先计算理论板数，再计算吸收塔直径和塔内件水力学。但是，这些稳态流程模拟软件没有考虑理论板的几何尺寸和持液量对吸收效果的影响，以致于设计人员完成塔内件设计后无法校核稳态流程模拟软件的计算结果，因而设计结果会出现偏差。对于这种情况，通常的做法是适量增加塔高或者适当放大吸收液流量。如果对产品纯度要求不高，这种处理方法一般不会出现大问题，但对于电子气(杂质含量要求小于10-6，个别品种甚至小于10-9)的吸收净化过程，可能会出现较大的偏差。

本文借助计算机，通过采用动态模拟的方法对电子气中杂质的吸收过程进行模拟计算，研究了理论板的空间体积、持液量对吸收效果的影响。

1 吸收动态模拟

1.1 吸收动态模拟基本原理

吸收模拟的核心是每级理论板的气液相平衡的计算。要进行完整的相平衡计算，需解一组完整的平衡级分离过程的数学模型，即MESH 方程组[1-5]，包括质量平衡方程(M 方程)、相平衡方程(E 方程)、组分分率归一化方程(S 方程)、热平衡方程(H方程)。

1.1.1 质量平衡方程

组分i的质量平衡方程如下:

式中:dFi——系统内组分i的累积量，kmol；

dt——时间步长，h；

Fi，out、Fi，in——组分i的流出量、流入量，kmol/h。

1.1.2 相平衡方程

根据热力学原理，气液相平衡可以用下式表示[6]:

本文中使用P-R 状态方程表示每种组分的逸度系数[4]，如下所示:

其中p、T、V之间的关系式表达为:

其中:

p——系统压力，kPa；

pc——临界压力，kPa；

TC——临界温度，K；

yi、xi——组分i在气相、液相中的摩尔含量，%；

φ——逸度系数；

ni、nj——组分i、j的摩尔数；

R——普适气体常数；

Z——压缩因子；

V——体积，m3；

T——温度，K；

ω——偏心因子。

1.1.3 组分分率归一化方程

在各相中，各种组分的摩尔含量之和为1。

式中:C——组分数；

xi——组分i的摩尔含量。

1.1.4 热平衡方程

本文利用焓的变化计算系统状态变化前后的能量变化。

焓的计算如下所示，其中p、T、V之间的关系用P-R 方程求解:

式中:E——系统能量变化，kJ/h；

Hin、Hout——进入系统、流出系统的焓，kJ/h；

H0——理想气体焓，kJ/kmol；

R、Z、p、V、T的意义参见式(2)～(4)。

1.2 吸收塔模型

为了便于计算，吸收塔模型中的每级理论板的外形均设置为立式圆柱体，如图1 所示。吸收塔共设31 级理论板，模型如图2 所示。

图1 吸收塔的理论板模型

在图1 中，Vn，in表示进入第n级理论板的气体；Ln，in表示进入第n级理论板的吸收液；Vn，out表示流出第n级理论板的气体；Ln，out表示流出第n级理论板的吸收液。因此，在图2 中，V31，in是从外界进入吸收塔底部的气体，V1，out是从吸收塔塔顶流出的气体，L1，in是从外界流入吸收塔塔顶的吸收液，L31，out是从吸收塔塔底流出的饱和液。其余则是吸收塔内部不同理论板之间的连接物流。

本文使用D/H/L表示不同的理论板模型，如D0.5/H0.5/L0.1 中D0.5 表示理论板圆柱体直径为0.5 m，H0.5 表示理论板圆柱体高度为0.5 m，L0.1 表示持液量——液相高度h与理论板高H的比值为0.1。

图2 吸收塔模型

模拟吸收塔时，整体上采用序贯模块法[2]，从上到下逐级、循环地进行等温计算(令dt=0.5 s)。模拟开始前，每层理论板中均不含任何物质。模拟开始后，L1，in开始不断进入理论板1 中，同时V31，in也不断进入理论板31 中。随着时间的增加，理论板1 中产生的液体累积到一定量后进入理论板2 中，理论板31 中产生的气体累积到一定量后进入理论板30中，如此按照顺序不断循环模拟吸收塔实际生产中的运行状态，直到V1，out和L31，out的状态变化幅度均满足要求时，认为吸收塔的状态达到平衡，然后读取V1，out中氯化氢的体积分率作为计算结果。接着分别改变理论板直径D、高度H和持液量L，依次研究各个参数对吸收效果的影响。

1.3 模拟计算的条件

吸收塔的进料条件见表1。

表1 吸收塔的进料条件

对于本文所研究的低浓度杂质吸收过程，由于气液相之间的物质交换很少，整个吸收塔的温度变化也很小，如图3 所示，因此本文采用等温(223.65 K)的方式对全塔气液相平衡进行计算。

另外，吸收塔的塔顶压力为1 500 kPa，全塔压降为20 kPa。

2 吸收效果影响因素分析

在本文中，D0.0001/H0.0001/L0 表示体积非常小的几何空间模型，用该模型近似代替既没有几何空间也不含持液量的理论板模型。常用的稳态流程模拟软件都是采用没有几何空间的理论板模型。

图3 吸收塔的温度分布

2.1 理论板空间体积的影响

2.1.1 持液量为0 时空间体积的影响

当理论板的持液量为0 时，不同的理论板空间体积对气相中氯化氢体积分率的影响如图4 所示。

图4 无持液量时理论板空间体积对气相中氯化氢体积分率的影响

在图4 中，D0.0001/H0.0001/L0、D0.1/H0.1/L0、D0.2/H0.2/L0、D0.5/H0.5/L0 的曲线重合。因此，当理论板持液量为0 时，理论板的空间体积对气相中氯化氢的体积分率几乎没有影响，V1，out中氯化氢体积分率相同。这表明，不考虑持液量时，采用常规的稳态流程软件模拟计算的结果与考虑几何空间体积的动态流程模拟法的计算结果几乎相同。

2.1.2 持液量为0.05 时空间体积的影响

当理论板的持液量为0.05 时，不同的理论板空间体积对气相中氯化氢体积分率的影响如图5 所示。

在图5 中，D0.0001/H0.0001/L0、D0.1/H0.1/L0.05、D0.2/H0.2/L0.05 的曲线重合；随着理论板空间体积的增大，吸收塔中部气相中的氯化氢体积分率逐渐增大，但V1，out中氯化氢的体积分率变化不大。

2.1.3 当持液量为0.1 时空间体积的影响

当理论板的持液量为0.1 时，不同的理论板空间体积对气相中氯化氢体积分率的影响如图6所示。

图5 持液量为0.05 时理论板空间体积对气相中氯化氢体积分率的影响

图6 持液量为0.1 时理论板空间体积对气相中氯化氢体积分率的影响

在图6 中，D0.0001/H0.0001/L0、D0.1/H0.1/L0.1、D0.2/H0.2/L0.1 的曲线重合；随着理论板空间体积的增大，气相中氯化氢的体积分率逐渐增大，而且V1，out中的氯化氢体积分率已经发生明显变化。

2.1.4 持液量为0.2 时空间体积的影响

当理论板的持液量为0.2 时，不同的理论板空间体积对气相中氯化氢体积分率的影响如图7 所示。

图7 持液量为0.2 时理论板空间体积对气相中氯化氢体积分率的影响

在图7 中，D0.0001/H0.0001/L0、D0.1/H0.1/L0.2、D0.2/H0.2/L0.2 的曲线重合；随着理论板空间体积的增大，吸收塔上部气相中氯化氢的体积分率逐渐增大；当吸收塔直径大于0.2 m 时，塔中各级理论板气相中氯化氢的体积分率已经显著升高，而且V1，out中的氯化氢体积分率已经发生明显变化。

2.1.5 持液量为0.5 时空间体积的影响

当理论板的持液量为0.5 时，不同的理论板空间体积对气相中氯化氢体积分率的影响如图8 所示。

图8 持液量为0.5 时理论板空间体积对气相中氯化氢体积分率的影响

在图8 中，D0.0001/H0.0001/L0 与D0.1/H0.1/L0.5 的曲线重合。随着理论板空间体积的增大，塔上部气相中氯化氢的体积分率逐渐增大；当吸收塔直径为0.1 m 时，塔内气相空间中的氯化氢体积分率几乎没有变化；当吸收塔直径大于0.2 m 时，塔中各级理论板气相中氯化氢的体积分率已经显著升高，而且V1，out中的氯化氢体积分率已经发生明显变化。