四氟化碳噴淋水洗塔的設(shè)計計算與應(yīng)用＊

王 筠，崔學(xué)文

(核工業(yè)理化工程研究院，天津 300180)

為滿足年產(chǎn)100 t四氟化碳項目去除四氟化碳中氟化氫雜質(zhì)的需求，對水洗塔進行設(shè)計。目前工藝采用鼓泡水洗塔去除混合氣體中的氟化氫雜質(zhì)。但其存在換水操作較復(fù)雜，容易引起系統(tǒng)壓力波動及處理能力小等缺點。因此現(xiàn)有鼓泡水洗塔不適合四氟化碳工業(yè)化生產(chǎn)，須對水洗塔重新進行設(shè)計。

由于噴淋水洗塔可使氣液相連續(xù)接觸，具有操作方便，工藝穩(wěn)定等優(yōu)點。因此，選用噴淋水洗塔除去混合氣中的氟化氫雜質(zhì)。

1 設(shè)計基礎(chǔ)

1.1 設(shè)計噴淋水洗塔的已知條件

設(shè)計流量為150 t/a。生產(chǎn)出的四氟化碳粗產(chǎn)品組成為 (mol/mol):CF4-80%，Air-10%，其它氟碳化合物10%。

使用噴淋水洗塔的最終目的是使氟化氫雜質(zhì)的含量 (mol/mol)由5%降至100×10－6。

1.2 噴淋水洗塔的工藝流程

圖1 噴淋水洗塔的洗滌過程Fig.1 Washing process of spray washed tower

利用氣體混合物各組分在液體溶劑中溶解度的差異來分離吸收，噴淋水洗流程可用圖1表示，則:

式中，V為單位時間內(nèi)通過吸收塔的氣體量，kmol(B)/s;L為單位時間內(nèi)通過吸收塔的溶劑量，kmol(S)/s;y1、y2分別為進塔及出塔氣體中溶質(zhì)組分的摩爾比，kmol(A)/kmol(B);x1、x2分別為出塔及進塔液體中溶質(zhì)組分的摩爾比，kmol(A)/kmol(S)。

(注:塔底截面以下標(biāo)“1”代表，塔頂截面以下標(biāo) “2”代表)［1］。

1.3 計算思路

噴淋水洗塔的工藝計算，首先是在選定洗滌劑的基礎(chǔ)上確定洗滌劑用量，繼而計算塔的主要工藝尺寸，包括塔徑和塔的填料層高度。

為節(jié)約成本，使用循環(huán)水作為洗滌劑。設(shè)定進水中氟化氫最大允許濃度為30%。

2 噴淋水洗塔的工藝計算

2.1 流體流量計算

由于氟化氫易溶于水中，故此吸收過程屬于氣膜控制，且吸收氟化氫的濃度在10%以下，故屬于低濃度氣體吸收［2］。

根據(jù)吸收塔傳質(zhì)理論:

查得HF-H2O平衡關(guān)系數(shù)據(jù)，見表1，可以做出平衡關(guān)系圖，見圖2。

表1 HF-H2O平衡關(guān)系數(shù)據(jù)［3］Table1 The data of equilibrium relationship for HF-H2O

圖2 HF-H2O平衡關(guān)系圖Fig.2 The chart of equilibrium relationship for HF-H2O

根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，一般情況下:

式中，ωv為混合氣體的質(zhì)量流量，kg/h。

已知混合氣體流量為150 t/a(21 kg/h)計算。20℃時，混合氣的摩爾流量為:

2.2 塔徑計算

2.2.1 采用?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖法計算泛點氣速uF

根據(jù)產(chǎn)品組成，計算平均分子量M為88.18?；旌蠚獾捏w積流量為:

式中，vv為混合氣的體積流量，m3/h。計算得

使用循環(huán)水為洗滌劑，查得含30%氟化氫循環(huán)水的密度ρL=1140 kg/m3，則

由?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖［4］可查出，橫標(biāo)為0.03時的縱標(biāo)數(shù)值為0.2，即:

根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模，選用常用Φ25 mm塑料鮑爾環(huán)為填料。查填料特性數(shù)據(jù)表，可知:Φ25 mm塑料鮑爾環(huán) (亂堆)的填料因子Φ=320 m－1;液體密度校正系數(shù)循環(huán)水的粘度 μL≈1 mPa·s?？捎嬎愠龇狐c氣速為:

2.2.2 實際空塔氣速u一般取空塔氣速為泛點氣速的50% ～85%。選擇較小的氣速，壓強降小，動力消耗少，操作彈性大，更適宜工業(yè)化生產(chǎn)。因此實際氣速取泛點氣速的50%，即

2.2.3 塔徑D

因塔徑與填料尺寸之比須大于10。故D須大于 250 mm，取塔徑 D=0.3 m［5］。

2.2.4 再計算實際空塔氣速u

2.2.5 噴淋密度校核

式中，σ為填料的比表面積，m2/m3;Umin為最小噴淋密度，m3/(m2·s);(Lw)min為最小潤濕速率，m3/(m·s)。因填料尺寸小于75 mm，故取(Lw)min=0.08 m3/(m·h)，查Φ25 mm塑料鮑爾環(huán)填料特性，得σ=194 m2/m3，則Umin=15.52 m3/(m2·h)。

為保證填料表面能被液體充分潤濕，須再計算循環(huán)水的最小質(zhì)量流量:

2.3 填料層高度計算

填料層高度可用下式計算:

式中，Z為填料層高度，m;H為傳質(zhì)單元高度，m;N為傳質(zhì)單元數(shù)。

用水吸收氟化氫屬于易溶氣體的吸收，此種氣體的吸收主要阻力在氣膜中，因此:

式中，HG、NG分別表示氣相傳質(zhì)單元高度和氣相傳質(zhì)單元數(shù)。

2.3.1 傳質(zhì)單元數(shù)的確定

由圖1可知，HF-H2O平衡關(guān)系為曲線，因此使用數(shù)值積分法。氣相傳質(zhì)單元數(shù)可依照辛普森公式計算:

噴淋水洗塔的操作線方程可表示為:

表2 y取各種值時相應(yīng)x值Table2 The corresponding x value when y take various values

又根據(jù)平衡關(guān)系數(shù)據(jù)可得，平衡關(guān)系式:

故傳質(zhì)單元數(shù)為10.66。

2.3.2 傳質(zhì)單元高度的確定

式中，HG為氣相傳質(zhì)單元高度，m;G為氣體質(zhì)量速度，W為液體質(zhì)量速度，ScG為氣體的施密特準(zhǔn)數(shù)，無因次;α、β、γ為填料特性常數(shù)，查得α=0.557，β=0.32，γ=－0.51;因

式中，μ為混合氣體的粘度，5×10－5Pa·s;ρv為混合氣體密度，3.66 kg/m3;DG為氣體擴散系數(shù)，取6.0×10－6m2/s;計算得=2.28，代入式 (21)，得傳質(zhì)單元高度HG=0.17 m。

2.3.3 填料層高度

按式 (16)和 (17)，得填料層高度

取實際吸收填料的傳質(zhì)效率為50%，則實際填料層高度Z實際=1.8/50%=3.6 m，采用兩級水洗串聯(lián)形式。

2.4 填料層壓強降計算

每米填料層的壓強降可按以下方法計算:根據(jù)式 (7)，得

根據(jù)以上兩數(shù)值在?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖中確定塔的操作點，此點位于400 Pa/m兩條等壓線之間。用內(nèi)插法估值可求得每米填料層壓強降約為320 Pa。

3.6 m填料層壓降為1152 Pa。與管道和閥門阻力相比較可忽略不計。

3 實際應(yīng)用及結(jié)果

目前噴淋水洗塔已用于年產(chǎn)100 t四氟化碳生產(chǎn)線。

在對噴淋水洗塔進行了連續(xù)30 d的運行考核期間，共生產(chǎn)出四氟化碳粗產(chǎn)品14.8 t。水洗塔運行穩(wěn)定，系統(tǒng)狀態(tài)良好。對應(yīng)粗產(chǎn)品中酸度 (以HF計)的分析結(jié)果見表3。該項指標(biāo)均低于100×10－6，抽樣合格率100%。

表3 粗產(chǎn)品酸度分析結(jié)果Table3 The analysis results of the crude product acidity

4 結(jié)論

通過本項工作，可以得到以下結(jié)論:1.噴淋水洗塔可以滿足四氟化碳生產(chǎn)的需要，保證了產(chǎn)品的酸度。酸度抽樣分析合格率100%。2.噴淋水洗塔可實現(xiàn)連續(xù)運行，系統(tǒng)穩(wěn)定，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。3.噴淋水洗塔是目前較為先進的工藝，具有良好的應(yīng)用前景。

［1］姚玉英.化工原理:下冊［M］.天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社，1992.

［2］柴誠敬，劉國維，李阿娜.化工原理課程設(shè)計 ［M］.天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社，1994.

［3］馮伯華.化學(xué)工程手冊3［G］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1989.

［4］冷士良.化工單元過程及操作 ［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

［5］周志安.化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1996.