石墨聚丙烯降膜吸收器设计要点浅析

邱伟平* 王 辉 王 伟

（杭州新安江工业泵有限公司）

0 引言

在医药、化工等行业的单元操作中，各种工艺设备的排气口会产生大量高浓度的HCl 强腐蚀性气体。现常采用吸收塔来进行中和处理，由于吸收反应会产生大量的热量，因此导致废水量大、吸收效率低、设备运行成本高等问题。

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，还能解决放热量大、吸收效率低、运行成本高等问题，是目前回收HCl 非常有效的设备。

图1 所示为石墨聚丙烯降膜吸收器常见结构，其原理是HCl 气体从上部进气口A 进入气液混合段，然后进入吸收段的石墨聚丙烯列管。而清水吸收液从进液口C 进入气液混合段，通过“V”型降液分配器进入石墨聚丙烯列管。气液两相在管内充分混合吸收，之后两相同时流入下部的气液分离段。气液分离段中的气体从出气口B 排出，进入下一级吸收装置。在气液分离段中的吸收液从出液口D 进入下部储罐。

图1 石墨聚丙烯降膜吸收器常见结构

气液两相同时在管程进行混合吸收的工艺过程中，因HCl 的温度降低会产生相变热，同时HCl 溶于水会产生极高的溶解热，两种热量会迅速提高管内介质的温度。冷却水从吸收段的E 口进入，吸收热量后从F 口流出，从而起到降温的效果，并使循环槽吸收液浓度达到设计要求，并实现废气回收利用。

石墨聚丙烯降膜吸收器中的关键零部件是吸收列管（管程吸收，壳程换热）。其材质为石墨和聚丙烯按一定比列混合制成。将40%比例的石墨作为聚丙烯的填充料，从而有效提升聚丙烯的换热性能。其抗拉强度为23.3 MPa，焊接强度为9.5 MPa，材料导热系数为1.65 W/（m·K），具有较高传热系数，石墨聚丙烯管的总传热系数K=150～250 K/（m2·h·℃），石墨聚丙烯管常见规格为 18 mm×1.5 mm、 25 mm×2.0 mm。

2 设计选型的计算要求

石墨聚丙烯降膜吸收器的设计选型是保证其吸收处理效果的关键。先计算吸收过程的总热量，再根据总热量进行换热面积的核算，从而确定石墨聚丙烯吸收管的数量n（如图2 所示）和长度H（如图1所示），最后进行相关管口尺寸的核算。

图2 石墨聚丙烯吸收管数量

2.1 吸收过程产生热量的计算

在整个气体吸收过程中，温度是关键因素，故先要计算出总产生的热量Q，即相变热量Q1和溶解热Q2之和，Q=Q1+Q2。相变热量Q1为气体温度在两相变化降温产生的热量，溶解热Q2为气体溶解到吸收液里的热量。

2.2 换热面积计算

根据传热基本方程Q=KA △T[3]，计算出A=Q/K△T，A为换热面积，△T为温差，K为总传热系数。

2.3 石墨聚丙烯列管的选型

根据计算出来的换热面积，按表1 选用常用规格尺寸（表1 中列管规格为 18 mm×1.5 mm）。

表1 吸收面积与直管规格常用尺寸

2.4 管程气速和壳程流速的核算

对管程气体通道的气速和壳程冷却水通道的流速需要进行验证和核算，其流速必须满足工艺条件的需求，以便更好的发挥其性能。计算公式为[4]：管程气体流速u一般控制在1.0 m/s 以内，壳程冷却水通道的流速u一般控制在0.5 m/s 以内。

2.5 设备管口进出口尺寸的确定

根据式（2）来确定管程气体流速和壳程液体流速，常见流速可见表2。

表2 管程气体流速和壳程液体流速

最后按照计算数值，画出设备图纸。

3 设计计算案例

杭州湾精细化工园区某药业公司SFXL 项目中间体制备过程中使用氯化亚砜进行酰化反应会产生氯化氢气体。每小时产量为100 kg，组分为纯氯化氢，纯度为99.5%（以下按100%计算），温度为50 ℃，要求用水吸收产生盐酸，浓度达到30%。

该项目采用石墨聚丙烯降膜吸收器来进行回收盐酸。根据数据盐酸溶液上的HCl 蒸汽压[5]，以及考虑吸收效率，为达到30%盐酸浓度，需要系统吸收液及整个运行温度控制≤30 ℃。

3.1 吸收过程产生热量的计算

温度从50 ℃降到30 ℃，温差为20 ℃。查数据可知[5]，气体氯化氢在26.85 ℃时的比热容Cp=6.95 cal/（mol·℃），故100 kg 氯化氢相变产生的热量为Q1：

6.95/36.5×100×20=380.8 kcal/h

查数据可知[5]，气体氯化氢在30 ℃盐酸溶液中的溶解热为126.9 kJ/mol，转换为827.8 kcal/kg。故每小时100 kg 氯化氢产生的溶解热为Q2：

827.8×100=82 780 kcal/h

总热量为Q=Q1+Q2

380.8+82 780=83 160.8 kcal

3.2 石墨降膜器的换热面积计算

设冷却液进口温度0 ℃，出口温度为5 ℃。已知氯化氢进口温度为50 ℃，盐酸溶液温度为30 ℃，则平均温差△T为（△T1为热流体的平均温度，△T2为冷流体的平均温度）：

△T1=（T1-T2）= 50-30=20 ℃

△T2=（T4-T3）= 5-0=5 ℃

△T1=（△T1+△T2）/2=25/2=12.5

石墨聚丙烯管的总传热系数K,取值为200 kcal/（m2·h·℃），

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

考虑吸收效率和生产的波动，选择40 m2的石墨聚丙烯降膜吸收器。

3.3 聚丙烯石墨管的选型

本次选用聚丙烯石墨管的规格为 18 mm ×1.5 mm，管道外径为 18 mm，壁厚1.5 mm，按照表1进行选择,壳程尺寸为DN500 mm。

列管采用正三角排列，间距为18×1.5=27 mm，选用28 mm。管板排列数量为211 根,长度H为：

40=3.14×（18-1.5）/1 000×211×H

可得H=3 659 mm，取3 660 mm。

3.4 管程气速和壳程流速的核算

3.4.1 管程气速的核算

每小时产量为100 kg，换算成体积为100/1.64=60.97 m3。

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

根据式（2）可得：

u管=60.97/（0.149×3 600）=0.114 m/s

该结果符合设计标准，管程气体流速＜1.0m/s。

3.4.2 壳程流速的核算

壳程需要的冷却水量可按下式计算：

式中：M——冷却水用量，m3/h；

Pv——水的比热，4.2×103J/kg。

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

壳程通道面积为3.14×（450-20）/2 000×（450-20）/2 000-0.128=0.017 2 m2。

根据式（2）可得：

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

该结果符合设计标准，壳程冷却水流速＜0.5 m/s。

3.5 管口尺寸的核算

根据式（1）和表2 可得，进出气口流速u取3 m/s，冷却水流速u取1.0 m/s。

3.5.1 进出气口尺寸故选择DN150 mm,规格为 160 mm ×8 mm，该尺寸满足设计需求。

3.5.2 冷却水管口尺寸

故选择DN100 mm 管口，该尺寸满足设计需求。

3.6 设备关键尺寸

筒体规格为DN500 mm，换热列管为 18.5 mm，长度为3 660 mm，数量为211 根，进出气口规格为DN150 mm,冷却水进出口规格为DN100 mm,型号为PSGX-500-40，其表达含义如图3 所示。

图3 设备型号具体含义

该设备经安装运行回收HCl，循环吸收液里的盐酸浓度达到31.5%，达到设计要求。

4 结语

采用石墨聚丙烯降膜吸收器进行HCl 回收盐酸，能合理吸收传质过程中产生的热量，并达到回收浓度的要求。传热降温是保证整个吸收过程的重点，尤其是进行科学计算来设计整台降膜吸收器的结构尺寸，使其达到设计要求满足HCl 回收的目的，且整个系统高效、节能、环保。