四氟化碳喷淋水洗塔的设计计算与应用＊

王 筠，崔学文

(核工业理化工程研究院，天津 300180)

为满足年产100 t四氟化碳项目去除四氟化碳中氟化氢杂质的需求，对水洗塔进行设计。目前工艺采用鼓泡水洗塔去除混合气体中的氟化氢杂质。但其存在换水操作较复杂，容易引起系统压力波动及处理能力小等缺点。因此现有鼓泡水洗塔不适合四氟化碳工业化生产，须对水洗塔重新进行设计。

由于喷淋水洗塔可使气液相连续接触，具有操作方便，工艺稳定等优点。因此，选用喷淋水洗塔除去混合气中的氟化氢杂质。

1 设计基础

1.1 设计喷淋水洗塔的已知条件

设计流量为150 t/a。生产出的四氟化碳粗产品组成为 (mol/mol):CF4-80%，Air-10%，其它氟碳化合物10%。

使用喷淋水洗塔的最终目的是使氟化氢杂质的含量 (mol/mol)由5%降至100×10－6。

1.2 喷淋水洗塔的工艺流程

图1 喷淋水洗塔的洗涤过程Fig.1 Washing process of spray washed tower

利用气体混合物各组分在液体溶剂中溶解度的差异来分离吸收，喷淋水洗流程可用图1表示，则:

式中，V为单位时间内通过吸收塔的气体量，kmol(B)/s;L为单位时间内通过吸收塔的溶剂量，kmol(S)/s;y1、y2分别为进塔及出塔气体中溶质组分的摩尔比，kmol(A)/kmol(B);x1、x2分别为出塔及进塔液体中溶质组分的摩尔比，kmol(A)/kmol(S)。

(注:塔底截面以下标“1”代表，塔顶截面以下标 “2”代表)［1］。

1.3 计算思路

喷淋水洗塔的工艺计算，首先是在选定洗涤剂的基础上确定洗涤剂用量，继而计算塔的主要工艺尺寸，包括塔径和塔的填料层高度。

为节约成本，使用循环水作为洗涤剂。设定进水中氟化氢最大允许浓度为30%。

2 喷淋水洗塔的工艺计算

2.1 流体流量计算

由于氟化氢易溶于水中，故此吸收过程属于气膜控制，且吸收氟化氢的浓度在10%以下，故属于低浓度气体吸收［2］。

根据吸收塔传质理论:

查得HF-H2O平衡关系数据，见表1，可以做出平衡关系图，见图2。

表1 HF-H2O平衡关系数据［3］Table1 The data of equilibrium relationship for HF-H2O

图2 HF-H2O平衡关系图Fig.2 The chart of equilibrium relationship for HF-H2O

根据生产实践经验，一般情况下:

式中，ωv为混合气体的质量流量，kg/h。

已知混合气体流量为150 t/a(21 kg/h)计算。20℃时，混合气的摩尔流量为:

2.2 塔径计算

2.2.1 采用埃克特通用关联图法计算泛点气速uF

根据产品组成，计算平均分子量M为88.18。混合气的体积流量为:

式中，vv为混合气的体积流量，m3/h。计算得

使用循环水为洗涤剂，查得含30%氟化氢循环水的密度ρL=1140 kg/m3，则

由埃克特通用关联图［4］可查出，横标为0.03时的纵标数值为0.2，即:

根据生产规模，选用常用Φ25 mm塑料鲍尔环为填料。查填料特性数据表，可知:Φ25 mm塑料鲍尔环 (乱堆)的填料因子Φ=320 m－1;液体密度校正系数循环水的粘度 μL≈1 mPa·s。可计算出泛点气速为:

2.2.2 实际空塔气速u一般取空塔气速为泛点气速的50% ～85%。选择较小的气速，压强降小，动力消耗少，操作弹性大，更适宜工业化生产。因此实际气速取泛点气速的50%，即

2.2.3 塔径D

因塔径与填料尺寸之比须大于10。故D须大于 250 mm，取塔径 D=0.3 m［5］。

2.2.4 再计算实际空塔气速u

2.2.5 喷淋密度校核

式中，σ为填料的比表面积，m2/m3;Umin为最小喷淋密度，m3/(m2·s);(Lw)min为最小润湿速率，m3/(m·s)。因填料尺寸小于75 mm，故取(Lw)min=0.08 m3/(m·h)，查Φ25 mm塑料鲍尔环填料特性，得σ=194 m2/m3，则Umin=15.52 m3/(m2·h)。

为保证填料表面能被液体充分润湿，须再计算循环水的最小质量流量:

2.3 填料层高度计算

填料层高度可用下式计算:

式中，Z为填料层高度，m;H为传质单元高度，m;N为传质单元数。

用水吸收氟化氢属于易溶气体的吸收，此种气体的吸收主要阻力在气膜中，因此:

式中，HG、NG分别表示气相传质单元高度和气相传质单元数。

2.3.1 传质单元数的确定

由图1可知，HF-H2O平衡关系为曲线，因此使用数值积分法。气相传质单元数可依照辛普森公式计算:

喷淋水洗塔的操作线方程可表示为:

表2 y取各种值时相应x值Table2 The corresponding x value when y take various values

又根据平衡关系数据可得，平衡关系式:

故传质单元数为10.66。

2.3.2 传质单元高度的确定

式中，HG为气相传质单元高度，m;G为气体质量速度，W为液体质量速度，ScG为气体的施密特准数，无因次;α、β、γ为填料特性常数，查得α=0.557，β=0.32，γ=－0.51;因

式中，μ为混合气体的粘度，5×10－5Pa·s;ρv为混合气体密度，3.66 kg/m3;DG为气体扩散系数，取6.0×10－6m2/s;计算得=2.28，代入式 (21)，得传质单元高度HG=0.17 m。

2.3.3 填料层高度

按式 (16)和 (17)，得填料层高度

取实际吸收填料的传质效率为50%，则实际填料层高度Z实际=1.8/50%=3.6 m，采用两级水洗串联形式。

2.4 填料层压强降计算

每米填料层的压强降可按以下方法计算:根据式 (7)，得

根据以上两数值在埃克特通用关联图中确定塔的操作点，此点位于400 Pa/m两条等压线之间。用内插法估值可求得每米填料层压强降约为320 Pa。

3.6 m填料层压降为1152 Pa。与管道和阀门阻力相比较可忽略不计。

3 实际应用及结果

目前喷淋水洗塔已用于年产100 t四氟化碳生产线。

在对喷淋水洗塔进行了连续30 d的运行考核期间，共生产出四氟化碳粗产品14.8 t。水洗塔运行稳定，系统状态良好。对应粗产品中酸度 (以HF计)的分析结果见表3。该项指标均低于100×10－6，抽样合格率100%。

表3 粗产品酸度分析结果Table3 The analysis results of the crude product acidity

4 结论

通过本项工作，可以得到以下结论:1.喷淋水洗塔可以满足四氟化碳生产的需要，保证了产品的酸度。酸度抽样分析合格率100%。2.喷淋水洗塔可实现连续运行，系统稳定，适用于工业化生产。3.喷淋水洗塔是目前较为先进的工艺，具有良好的应用前景。

［1］姚玉英.化工原理:下册［M］.天津:天津科学技术出版社，1992.

［2］柴诚敬，刘国维，李阿娜.化工原理课程设计 ［M］.天津:天津科学技术出版社，1994.

［3］冯伯华.化学工程手册3［G］.北京:化学工业出版社，1989.

［4］冷士良.化工单元过程及操作 ［M］.北京:化学工业出版社，2001.

［5］周志安.化工设备设计基础［M］.北京:化学工业出版社，1996.