石墨聚丙烯降膜吸收器設(shè)計(jì)要點(diǎn)淺析

邱偉平* 王 輝 王 偉

（杭州新安江工業(yè)泵有限公司）

0 引言

在醫(yī)藥、化工等行業(yè)的單元操作中，各種工藝設(shè)備的排氣口會產(chǎn)生大量高濃度的HCl 強(qiáng)腐蝕性氣體?，F(xiàn)常采用吸收塔來進(jìn)行中和處理，由于吸收反應(yīng)會產(chǎn)生大量的熱量，因此導(dǎo)致廢水量大、吸收效率低、設(shè)備運(yùn)行成本高等問題。

1 石墨聚丙烯降膜吸收器概述

采用石墨聚丙烯降膜吸收器，不但能回收HCl，還能解決放熱量大、吸收效率低、運(yùn)行成本高等問題，是目前回收HCl 非常有效的設(shè)備。

圖1 所示為石墨聚丙烯降膜吸收器常見結(jié)構(gòu)，其原理是HCl 氣體從上部進(jìn)氣口A 進(jìn)入氣液混合段，然后進(jìn)入吸收段的石墨聚丙烯列管。而清水吸收液從進(jìn)液口C 進(jìn)入氣液混合段，通過“V”型降液分配器進(jìn)入石墨聚丙烯列管。氣液兩相在管內(nèi)充分混合吸收，之后兩相同時流入下部的氣液分離段。氣液分離段中的氣體從出氣口B 排出，進(jìn)入下一級吸收裝置。在氣液分離段中的吸收液從出液口D 進(jìn)入下部儲罐。

圖1 石墨聚丙烯降膜吸收器常見結(jié)構(gòu)

氣液兩相同時在管程進(jìn)行混合吸收的工藝過程中，因HCl 的溫度降低會產(chǎn)生相變熱，同時HCl 溶于水會產(chǎn)生極高的溶解熱，兩種熱量會迅速提高管內(nèi)介質(zhì)的溫度。冷卻水從吸收段的E 口進(jìn)入，吸收熱量后從F 口流出，從而起到降溫的效果，并使循環(huán)槽吸收液濃度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并實(shí)現(xiàn)廢氣回收利用。

石墨聚丙烯降膜吸收器中的關(guān)鍵零部件是吸收列管（管程吸收，殼程換熱）。其材質(zhì)為石墨和聚丙烯按一定比列混合制成。將40%比例的石墨作為聚丙烯的填充料，從而有效提升聚丙烯的換熱性能。其抗拉強(qiáng)度為23.3 MPa，焊接強(qiáng)度為9.5 MPa，材料導(dǎo)熱系數(shù)為1.65 W/（m·K），具有較高傳熱系數(shù)，石墨聚丙烯管的總傳熱系數(shù)K=150～250 K/（m2·h·℃），石墨聚丙烯管常見規(guī)格為 18 mm×1.5 mm、 25 mm×2.0 mm。

2 設(shè)計(jì)選型的計(jì)算要求

石墨聚丙烯降膜吸收器的設(shè)計(jì)選型是保證其吸收處理效果的關(guān)鍵。先計(jì)算吸收過程的總熱量，再根據(jù)總熱量進(jìn)行換熱面積的核算，從而確定石墨聚丙烯吸收管的數(shù)量n（如圖2 所示）和長度H（如圖1所示），最后進(jìn)行相關(guān)管口尺寸的核算。

圖2 石墨聚丙烯吸收管數(shù)量

2.1 吸收過程產(chǎn)生熱量的計(jì)算

在整個氣體吸收過程中，溫度是關(guān)鍵因素，故先要計(jì)算出總產(chǎn)生的熱量Q，即相變熱量Q1和溶解熱Q2之和，Q=Q1+Q2。相變熱量Q1為氣體溫度在兩相變化降溫產(chǎn)生的熱量，溶解熱Q2為氣體溶解到吸收液里的熱量。

2.2 換熱面積計(jì)算

根據(jù)傳熱基本方程Q=KA △T[3]，計(jì)算出A=Q/K△T，A為換熱面積，△T為溫差，K為總傳熱系數(shù)。

2.3 石墨聚丙烯列管的選型

根據(jù)計(jì)算出來的換熱面積，按表1 選用常用規(guī)格尺寸（表1 中列管規(guī)格為 18 mm×1.5 mm）。

表1 吸收面積與直管規(guī)格常用尺寸

2.4 管程氣速和殼程流速的核算

對管程氣體通道的氣速和殼程冷卻水通道的流速需要進(jìn)行驗(yàn)證和核算，其流速必須滿足工藝條件的需求，以便更好的發(fā)揮其性能。計(jì)算公式為[4]：管程氣體流速u一般控制在1.0 m/s 以內(nèi)，殼程冷卻水通道的流速u一般控制在0.5 m/s 以內(nèi)。

2.5 設(shè)備管口進(jìn)出口尺寸的確定

根據(jù)式（2）來確定管程氣體流速和殼程液體流速，常見流速可見表2。

表2 管程氣體流速和殼程液體流速

最后按照計(jì)算數(shù)值，畫出設(shè)備圖紙。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算案例

杭州灣精細(xì)化工園區(qū)某藥業(yè)公司SFXL 項(xiàng)目中間體制備過程中使用氯化亞砜進(jìn)行?；磻?yīng)會產(chǎn)生氯化氫氣體。每小時產(chǎn)量為100 kg，組分為純氯化氫，純度為99.5%（以下按100%計(jì)算），溫度為50 ℃，要求用水吸收產(chǎn)生鹽酸，濃度達(dá)到30%。

該項(xiàng)目采用石墨聚丙烯降膜吸收器來進(jìn)行回收鹽酸。根據(jù)數(shù)據(jù)鹽酸溶液上的HCl 蒸汽壓[5]，以及考慮吸收效率，為達(dá)到30%鹽酸濃度，需要系統(tǒng)吸收液及整個運(yùn)行溫度控制≤30 ℃。

3.1 吸收過程產(chǎn)生熱量的計(jì)算

溫度從50 ℃降到30 ℃，溫差為20 ℃。查數(shù)據(jù)可知[5]，氣體氯化氫在26.85 ℃時的比熱容Cp=6.95 cal/（mol·℃），故100 kg 氯化氫相變產(chǎn)生的熱量為Q1：

6.95/36.5×100×20=380.8 kcal/h

查數(shù)據(jù)可知[5]，氣體氯化氫在30 ℃鹽酸溶液中的溶解熱為126.9 kJ/mol，轉(zhuǎn)換為827.8 kcal/kg。故每小時100 kg 氯化氫產(chǎn)生的溶解熱為Q2：

827.8×100=82 780 kcal/h

總熱量為Q=Q1+Q2

380.8+82 780=83 160.8 kcal

3.2 石墨降膜器的換熱面積計(jì)算

設(shè)冷卻液進(jìn)口溫度0 ℃，出口溫度為5 ℃。已知氯化氫進(jìn)口溫度為50 ℃，鹽酸溶液溫度為30 ℃，則平均溫差△T為（△T1為熱流體的平均溫度，△T2為冷流體的平均溫度）：

△T1=（T1-T2）= 50-30=20 ℃

△T2=（T4-T3）= 5-0=5 ℃

△T1=（△T1+△T2）/2=25/2=12.5

石墨聚丙烯管的總傳熱系數(shù)K,取值為200 kcal/（m2·h·℃），

根據(jù)A=Q/(△T×K)=83 160.8/200/12.5=33.26 m2

考慮吸收效率和生產(chǎn)的波動，選擇40 m2的石墨聚丙烯降膜吸收器。

3.3 聚丙烯石墨管的選型

本次選用聚丙烯石墨管的規(guī)格為 18 mm ×1.5 mm，管道外徑為 18 mm，壁厚1.5 mm，按照表1進(jìn)行選擇,殼程尺寸為DN500 mm。

列管采用正三角排列，間距為18×1.5=27 mm，選用28 mm。管板排列數(shù)量為211 根,長度H為：

40=3.14×（18-1.5）/1 000×211×H

可得H=3 659 mm，取3 660 mm。

3.4 管程氣速和殼程流速的核算

3.4.1 管程氣速的核算

每小時產(chǎn)量為100 kg，換算成體積為100/1.64=60.97 m3。

通道面積為3.14×（18-1.5×2）/2 000×（18-1.5×2）/2 000×211=0.149 m2。

根據(jù)式（2）可得：

u管=60.97/（0.149×3 600）=0.114 m/s

該結(jié)果符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，管程氣體流速＜1.0m/s。

3.4.2 殼程流速的核算

殼程需要的冷卻水量可按下式計(jì)算：

式中：M——冷卻水用量，m3/h；

Pv——水的比熱，4.2×103J/kg。

M=83 160.8/（1 000×5）=16 632 kg/h ≈17 m3/h

殼程通道面積為3.14×（450-20）/2 000×（450-20）/2 000-0.128=0.017 2 m2。

根據(jù)式（2）可得：

u殼=16 632/1 000/（0.017 2×3 600）=0.27 m/s

該結(jié)果符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，殼程冷卻水流速＜0.5 m/s。

3.5 管口尺寸的核算

根據(jù)式（1）和表2 可得，進(jìn)出氣口流速u取3 m/s，冷卻水流速u取1.0 m/s。

3.5.1 進(jìn)出氣口尺寸故選擇DN150 mm,規(guī)格為 160 mm ×8 mm，該尺寸滿足設(shè)計(jì)需求。

3.5.2 冷卻水管口尺寸

故選擇DN100 mm 管口，該尺寸滿足設(shè)計(jì)需求。

3.6 設(shè)備關(guān)鍵尺寸

筒體規(guī)格為DN500 mm，換熱列管為 18.5 mm，長度為3 660 mm，數(shù)量為211 根，進(jìn)出氣口規(guī)格為DN150 mm,冷卻水進(jìn)出口規(guī)格為DN100 mm,型號為PSGX-500-40，其表達(dá)含義如圖3 所示。

圖3 設(shè)備型號具體含義

該設(shè)備經(jīng)安裝運(yùn)行回收HCl，循環(huán)吸收液里的鹽酸濃度達(dá)到31.5%，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

采用石墨聚丙烯降膜吸收器進(jìn)行HCl 回收鹽酸，能合理吸收傳質(zhì)過程中產(chǎn)生的熱量，并達(dá)到回收濃度的要求。傳熱降溫是保證整個吸收過程的重點(diǎn)，尤其是進(jìn)行科學(xué)計(jì)算來設(shè)計(jì)整臺降膜吸收器的結(jié)構(gòu)尺寸，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求滿足HCl 回收的目的，且整個系統(tǒng)高效、節(jié)能、環(huán)保。