采用溶剂循环回路是为了减少溶剂消耗，并保持吸收塔运行稳定。在气体吸收中试装置中，溶剂沿填料塔或板式塔向下流动，而气体向上流动，使可溶性污染物转移至液相。富溶剂出口通常经过再生后返回吸收塔，同时用新鲜补充溶剂替代因排放、夹带、蒸发或取样而损失的溶剂。
物料衡算的关键原则是区分内部循环流和外部流。循环物流会出现在各个单元的衡算中，但由于它没有跨越整个工艺边界，因此会在总体工艺衡算中相互抵消。
吸收中试装置循环溶剂的原因
减少原料消耗
循环回路使大部分溶剂能够在塔内反复循环，而不是通过一次后就被弃置。
当溶剂成本高、有危险性或在处置前需要处理时，这一点尤其重要。中试装置通过循环利用来近似大型工业过程中的溶剂经济性。
维持受控的溶剂浓度
吸收性能取决于溶剂的组成和流量。返回再生后的溶剂有助于维持塔内相对恒定的操作条件。
如果不进行循环，除非提供大量新鲜溶剂，否则溶剂组成和存量会持续变化。这会使稳定评价塔的性能变得更加困难。
支持溶剂再生
在许多系统中，离开吸收塔的液体含有被捕集的污染物。下游再生步骤，例如汽提、蒸馏或其他分离操作，会去除大部分污染物，并生成适合返回吸收塔的溶剂。
例如，某种溶剂可以在塔内吸收硫化氢或氨，然后在再生过程中将其释放出来。再生后的液体即成为循环物流。
改善中试规模的经济性
中试装置并不总是具备商业化设施相同的规模经济性。循环利用可减少新鲜溶剂需求、废物产生量和运行成本，同时使装置能够使用有限的溶剂存量进行长时间实验。
该回路还可提供有关溶剂回收、补充需求、杂质积累和稳态运行的实际经验。
如何定义物料衡算边界
吸收塔边界
对于单独的吸收塔，将入口气体和入口液体定义为进入物流，将净化气体和富液定义为离开物流。
总衡算为：
[ G_{\text{in}}+L_{\text{in}}
G_{\text{out}}+L_{\text{out}} ]
其中，(G) 和 (L) 分别表示气相和液相物流的流量，且必须采用一致的质量或摩尔基准。
污染物衡算
对于被吸收的组分 (A)，组分衡算为：
[ G_{\text{in}}y_{A,\text{in}} + L_{\text{in}}x_{A,\text{in}}
G_{\text{out}}y_{A,\text{out}} + L_{\text{out}}x_{A,\text{out}} ]
这里，(y_A) 是 (A) 在气相中的分率，(x_A) 是其在液相中的分率。两者必须统一定义为摩尔分数或质量分数。
被液体吸收的量通常表示为：
[ \dot n_{A,\text{absorbed}}
\dot n_{A,\text{gas,in}}
\dot n_{A,\text{gas,out}} ]
当液体进料中含有可忽略不计的 (A) 时，可采用上述表达式。如果溶剂中原本已经含有 (A)，则还必须包括液体入口项。
溶剂衡算
对于非反应性溶剂 (S)，吸收塔衡算为：
[ \dot m_{S,\text{in}}
\dot m_{S,\text{out}} ]
前提是吸收塔内不存在溶剂蒸发、夹带、反应或其他损失。
在实际中试装置中，这些损失可能大到需要设置补充溶剂物流。
循环在工艺衡算中的体现
混合器衡算
新鲜补充溶剂和再生循环溶剂在进入吸收塔之前混合：
[ L_{\text{makeup}}+L_{\text{recycle}}
L_{\text{absorber,in}} ]
对于溶剂组分 (S)：
[ L_{\text{makeup}}x_{S,\text{makeup}} + L_{\text{recycle}}x_{S,\text{recycle}}
L_{\text{absorber,in}}x_{S,\text{in}} ]
该方程用于确定进入塔内的溶剂流量和组成。
再生衡算
离开吸收塔的富液进入再生段。简化的总衡算为：
[ L_{\text{rich}}
L_{\text{regenerated}} + L_{\text{regenerator losses}} + L_{\text{purge}} ]
相应的污染物衡算包括在再生塔顶物流或汽提物流中去除的污染物：
[ \dot n_{A,\text{rich}}
\dot n_{A,\text{regenerated}} + \dot n_{A,\text{overhead}} + \dot n_{A,\text{losses}} ]
具体项取决于再生步骤是按汽提塔、蒸馏塔、闪蒸器还是其他单元进行建模。
总体工艺边界
当边界包围吸收塔、再生单元、混合器和循环管道时，循环物流属于内部物流。它以相等的衡算项进入和离开边界，因此会相互抵消。
总体稳态衡算仅基于外部物流：
[ \text{外部输入}
\text{外部输出} ]
对于污染物，这通常意味着：
[ \text{随进料气体进入的污染物} + \text{随补充溶剂进入的污染物}
\text{净化气体带出的污染物} + \text{回收或排放的污染物} + \text{其他损失中的污染物} ]
污染物被吸收后并不会凭空消失。它只是从气相转移到了溶剂中，最终必须通过再生产品、排放物流、废物流、净化气体或积累存量离开系统。
补充物流和排放物流的重要性
补充物流替代不可避免的损失
加入新鲜溶剂是为了补偿通过液体排放、气体夹带、蒸发、设备排液、取样或再生损失离开系统的溶剂。
在稳态下，补充流量大致替代溶剂的净损失：
[ L_{\text{makeup}} \approx L_{\text{purge}} + L_{\text{evaporation}} + L_{\text{entrainment}} + L_{\text{other losses}} ]
如果溶剂还通过其他工艺物流进入或离开系统，则可能需要对等式进行调整。
排放物流防止杂质积累
封闭的溶剂回路可能积累非挥发性杂质、降解产物或再生不充分的污染物。如果这些物质没有离开系统，其存量就会随时间增加。
排放物流会移除循环液体中受控的一部分。随后通过补充溶剂恢复所需的总流量和组成。
稳态要求无净积累
对于任意组分 (i)，一般衡算为：
[ \text{输入}_i-\text{输出}_i
\text{积累}_i ]
在稳态下：
[ \text{积累}_i=0 ]
这一条件对杂质尤其重要。如果计算得到的输入量超过输出量，则回路并未达到稳态；即使主要溶剂流量看似恒定，该组分仍在积累。
实用的衡算步骤
从测量流量开始
测量或估算气体流量、溶剂流量、补充流量、循环流量、排放流量以及相关出口物流。全过程应统一使用质量流量或统一使用摩尔流量。
在未进行换算的情况下混用质量分数和摩尔分数，是常见的误差来源。
进行吸收塔衡算
首先计算从气体转移到液体中的污染物：
[ \dot n_{A,\text{absorbed}}
\dot n_{A,\text{in}}
\dot n_{A,\text{out}} ]
然后将该数值与液体物流所携带污染物的增加量进行比较。
进行再生段衡算
确定有多少被吸收的污染物通过再生塔顶物流或产品物流离开，以及有多少仍留在循环溶剂中。
再生后的溶剂中可能仍含有一定量的污染物，因此假设循环物流完全纯净可能会导致不现实的结果。
进行混合器衡算
利用补充物流和循环物流计算进入吸收塔的组成。该步骤将溶剂损失计算与实际塔操作条件联系起来。
检查完整回路
最后，绘制外部工艺边界，并从总体衡算中移除所有内部循环项。外部衡算应在预期的测量不确定度范围内闭合。
如果每个单元的衡算都能闭合，但总体衡算无法闭合，通常表明遗漏了排放物流、存在未测量损失、采用了不一致的基准或物流组成不正确。
了解权衡关系
较高的循环率可减少溶剂使用，但会增加回路复杂性
较高的循环率可降低新鲜溶剂需求，但需要泵、再生设备、控制仪表和额外管道。
它还可能增加停留时间，并使过程对杂质逐渐积累更加敏感。
循环并不能保证溶剂质量恒定
溶剂组成取决于再生效果、排放率、污染物负荷和溶剂降解情况。循环受污染的物流可能会逐渐降低吸收能力。
因此，循环物流应根据组成进行表征，而不能只关注流量。
排放可改善杂质控制，但会浪费有用物料
较大的排放量可以更有效地去除杂质，但同时也会带走溶剂以及原本可以回收的已吸收污染物。
因此，排放率是在溶剂回收、杂质控制和运行稳定性之间的折中。
启动期间可能不适用稳态假设
在启动、停车或操作条件发生变化期间，溶剂和污染物存量都在变化。此时不能将积累项设为零。
必须进行瞬态衡算，直到回路达到稳定的操作状态。
根据目标做出正确选择
根据所研究的问题，采用相应的衡算结构。
- 如果主要关注溶剂消耗：将整个循环系统纳入边界，并根据排放、蒸发、夹带和其他溶剂损失计算新鲜补充量。
- 如果主要关注吸收塔性能：单独对吸收塔进行衡算，并比较进入气体中的污染物与气相和液相物流带出的污染物。
- 如果主要关注溶剂质量：对污染物、溶剂和非挥发性杂质进行组分衡算，同时纳入任何排放物流。
- 如果主要关注放大：同时跟踪单程吸收和总体回收率，并认识到循环会改变溶剂组成和有效工艺操作条件。
- 如果主要关注数据验证：先进行单元级衡算，然后在抵消内部循环物流后，验证总体工艺衡算是否闭合。
理解循环回路的最佳方式，不是将其视为额外的源或汇，而是将其视为内部循环路径；通过准确定义的组分衡算，可以清楚了解其作用和损失。
总结表：
| 主题 | 要点 |
|---|---|
| 溶剂循环 | 减少新鲜溶剂消耗，并支持吸收塔稳定运行 |
| 吸收塔衡算 | 考虑气体和液体的进出口物流，包括污染物转移 |
| 内部循环 | 出现在各个单元的衡算中，但会在总体工艺衡算中抵消 |
| 补充溶剂 | 替代通过排放、蒸发、夹带、排液和取样损失的溶剂 |
| 排放物流 | 控制溶剂回路中的杂质和降解产物积累 |
| 再生 | 去除被吸收的污染物，并将可用溶剂返回吸收塔 |
| 稳态检查 | 确认每个组分的净积累为零 |
| 最佳实践 | 先对各个单元进行衡算，然后验证完整的外部物流衡算 |
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