石墨聚丙烯降膜吸收器設計要點淺析

邱偉平* 王 輝 王 偉

（杭州新安江工業泵有限公司）

0 引言

在醫藥、化工等行業的單元操作中，各種工藝設備的排氣口會產生大量高濃度的HCl 強腐蝕性氣體?，F常采用吸收塔來進行中和處理，由于吸收反應會產生大量的熱量，因此導致廢水量大、吸收效率低、設備運行成本高等問題。

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、運行成本高等問題，是目前回收HCl 非常有效的設備。

圖1 所示為石墨聚丙烯降膜吸收器常見結構，其原理是HCl 氣體從上部進氣口A 進入氣液混合段，然后進入吸收段的石墨聚丙烯列管。而清水吸收液從進液口C 進入氣液混合段，通過“V”型降液分配器進入石墨聚丙烯列管。氣液兩相在管內充分混合吸收，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 進入下部儲罐。

圖1 石墨聚丙烯降膜吸收器常見結構

氣液兩相同時在管程進行混合吸收的工藝過程中，因HCl 的溫度降低會產生相變熱，同時HCl 溶于水會產生極高的溶解熱，兩種熱量會迅速提高管內介質的溫度。冷卻水從吸收段的E 口進入，吸收熱量后從F 口流出，從而起到降溫的效果，并使循環槽吸收液濃度達到設計要求，并實現廢氣回收利用。

石墨聚丙烯降膜吸收器中的關鍵零部件是吸收列管（管程吸收，殼程換熱）。其材質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。其抗拉強度為23.3 MPa，焊接強度為9.5 MPa，材料導熱系數為1.65 W/（m·K），具有較高傳熱系數，石墨聚丙烯管的總傳熱系數K=150～250 K/（m2·h·℃），石墨聚丙烯管常見規格為 18 mm×1.5 mm、 25 mm×2.0 mm。

2 設計選型的計算要求

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

圖2 石墨聚丙烯吸收管數量

2.1 吸收過程產生熱量的計算

在整個氣體吸收過程中，溫度是關鍵因素，故先要計算出總產生的熱量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 換熱面積計算

根據傳熱基本方程Q=KA △T[3]，計算出A=Q/K△T，A為換熱面積，△T為溫差，K為總傳熱系數。

2.3 石墨聚丙烯列管的選型

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

表1 吸收面積與直管規格常用尺寸

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行驗證和核算，其流速必須滿足工藝條件的需求，以便更好的發揮其性能。計算公式為[4]：管程氣體流速u一般控制在1.0 m/s 以內，殼程冷卻水通道的流速u一般控制在0.5 m/s 以內。

2.5 設備管口進出口尺寸的確定

根據式（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

最后按照計算數值，畫出設備圖紙。

3 設計計算案例

杭州灣精細化工園區某藥業公司SFXL 項目中間體制備過程中使用氯化亞砜進行?；磻獣a生氯化氫氣體。每小時產量為100 kg，組分為純氯化氫，純度為99.5%（以下按100%計算），溫度為50 ℃，要求用水吸收產生鹽酸，濃度達到30%。

該項目采用石墨聚丙烯降膜吸收器來進行回收鹽酸。根據數據鹽酸溶液上的HCl 蒸汽壓[5]，以及考慮吸收效率，為達到30%鹽酸濃度，需要系統吸收液及整個運行溫度控制≤30 ℃。

3.1 吸收過程產生熱量的計算

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

6.95/36.5×100×20=380.8 kcal/h

查數據可知[5]，氣體氯化氫在30 ℃鹽酸溶液中的溶解熱為126.9 kJ/mol，轉換為827.8 kcal/kg。故每小時100 kg 氯化氫產生的溶解熱為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算

設冷卻液進口溫度0 ℃，出口溫度為5 ℃。已知氯化氫進口溫度為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K,取值為200 kcal/（m2·h·℃），

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

考慮吸收效率和生產的波動，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格為 18 mm ×1.5 mm，管道外徑為 18 mm，壁厚1.5 mm，按照表1進行選擇,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。

根據式（2）可得：

u管=60.97/（0.149×3 600）=0.114 m/s

該結果符合設計標準，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。

根據式（2）可得：

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

該結果符合設計標準，殼程冷卻水流速＜0.5 m/s。

3.5 管口尺寸的核算

根據式（1）和表2 可得，進出氣口流速u取3 m/s，冷卻水流速u取1.0 m/s。

3.5.1 進出氣口尺寸故選擇DN150 mm,規格為 160 mm ×8 mm，該尺寸滿足設計需求。

3.5.2 冷卻水管口尺寸

故選擇DN100 mm 管口，該尺寸滿足設計需求。

3.6 設備關鍵尺寸

筒體規格為DN500 mm，換熱列管為 18.5 mm，長度為3 660 mm，數量為211 根，進出氣口規格為DN150 mm,冷卻水進出口規格為DN100 mm,型號為PSGX-500-40，其表達含義如圖3 所示。

圖3 設備型號具體含義

該設備經安裝運行回收HCl，循環吸收液里的鹽酸濃度達到31.5%，達到設計要求。

4 結語

采用石墨聚丙烯降膜吸收器進行HCl 回收鹽酸，能合理吸收傳質過程中產生的熱量，并達到回收濃度的要求。傳熱降溫是保證整個吸收過程的重點，尤其是進行科學計算來設計整臺降膜吸收器的結構尺寸，使其達到設計要求滿足HCl 回收的目的，且整個系統高效、節能、環保。