四氟化碳噴淋水洗塔的設計計算與應用＊

2013-09-19 10:44:18崔學文

低溫與特氣 2013年2期

王筠，崔學文

(核工業理化工程研究院，天津 300180)

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

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

1 設計基礎

1.1 設計噴淋水洗塔的已知條件

設計流量為150 t/a。生產出的四氟化碳粗產品組成為 (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為單位時間內通過吸收塔的氣體量，kmol(B)/s;L為單位時間內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組分的摩爾比，kmol(A)/kmol(S)。

(注:塔底截面以下標“1”代表，塔頂截面以下標 “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。

為節約成本，使用循環水作為洗滌劑。設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］。

根據吸收塔傳質理論:

查得HF-H2O平衡關系數據，見表1，可以做出平衡關系圖，見圖2。

表1 HF-H2O平衡關系數據［3］Table1 The data of equilibrium relationship for HF-H2O

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

根據生產實踐經驗，一般情況下:

式中，ωv為混合氣體的質量流量，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聯圖法計算泛點氣速uF

根據產品組成，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

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

由?？颂赝ㄓ藐P聯圖［4］可查出，橫標為0.03時的縱標數值為0.2，即:

根據生產規模，選用常用Φ25 mm塑料鮑爾環為填料。查填料特性數據表，可知:Φ25 mm塑料鮑爾環 (亂堆)的填料因子Φ=320 m－1;液體密度校正系數循環水的粘度 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，更適宜工業化生產。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，須再計算循環水的最小質量流量: