　一方、操作線は「装置側の制約」を表す線です。まずは塔全体の物質収支を考えます。気相でのモル濃度を（y）、液相でのモル濃度を（x）、塔頂を（T）、塔底を（B）、ガス流量を（G）、液流量を（L）とします。ガスが液に吸収されることから、ガスから抜けた成分量と液に吸収された成分量は同じです。物質収支式はG（y_B-y_T）=L（x_B-x_T）と表せるため、塔内のどの高さでもガスと液の濃度が傾きL/Gの直線として表現できます。x_Tは供給する吸収液ですので、基本的に濃度を0で考えます。

　操作線の傾きがL/Gで表されるため、吸収液流量を減らすと、塔底の液濃度が平衡に近づいていきます。この下限の液量が最小液流量です。そもそも操作線と気液平衡線の間のズレ（推進力）が大きいほど、ガス吸収は速く進行します。操作線と平衡線の交点においては、推進力が無くなるため、これ以上吸収されなくなります。最小液ガス比での設計において、吸収塔高さは無限に発散してしまいます。実際の設計では最小液ガス比の1.2～2.0倍（参照：改訂6版化学工学便覧 p596）の液ガス比が設定されます。

　液量を増やせば塔は短くて済みますが、ポンプ動力や液処理設備のランニングコストが膨らみます。逆に液量を絞れば塔が高くなり、塔本体や充填物のイニシャルコストが増します。最適点は経済性や設置スペースなどにより決定されます。

図1.平行線と操作線のイメージ［クリックで拡大］

塔径はフラッディングから考える

　次に塔径を決めます。吸収塔では、ガスを下から上へ、液を上から下へ向流で流すのが基本です。塔径を小さくすると、同じガス流量でも塔内のガス流速が高くなります。ガスの上昇流速が高くなりすぎると、下降する液の流れが妨げられ、塔内に液がたまりやすくなります。その結果、圧力損失が急激に増加し、液の偏りや飛沫同伴が起こって、安定した気液接触ができなくなります。この状態をフラッディングと呼びます。

　そのため、塔径はフラッディングが起こる限界ガス流速よりも十分低い流速、例えばフラッディング速度の60～80％程度で運転できるように決めます。決定したガスの流速と体積流量から必要な塔の断面積が求まり、塔径が決まります。

　フラッディング速度「U_s」を求めるために、エッカート線図を利用します（参照：Kister et al.,Kister et al.,“Realistically Predict Capacity and Pressure Drop for Packed Columns,”CEP,July 2007）。事前に準備が必要なパラメータは、LやG以外に次の値が必要です。

ν：液動粘度［cSt（センチストークス）］
ρ_G：ガス密度［kg/m³］
ρ_L：液密度［kg/m³］

　計算式は図2に載せています。F_LVの値に対応するCPの値をエッカート線図から求め、設備に応じた充填率（充填物因子）「Packing Factor（F_p）」の値からC_sを計算します。このC_sの値からU_sが求められます。圧損曲線は、許容したい塔内圧力損失から選ぶ線ですが、明確に設定が無い場合、まずはΔP=0.5～1.0in H₂O/ftを参考値として利用してみてください。また、F_pは「採用する充填物の種類／材質／サイズ」に対応する経験的パラメータです。化学工学便覧などから確認します。