氯氣處理工藝方案的比較及優(yōu)化

韋其興（廣西柳化氯堿有限公司，廣西柳州545600）

氯氣處理工藝方案的比較及優(yōu)化

韋其興（廣西柳化氯堿有限公司，廣西柳州545600）

通過對不同的高溫濕氯氣處理（除水分、除雜、干燥和壓縮）工藝方案的比較分析，闡明了氯氣處理采用優(yōu)化工藝方案的優(yōu)越性。

氯氣；冷卻；干燥；壓縮

氯氣處理是電解槽穩(wěn)定操作，安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。從電解槽出來的濕氯氣溫度較高（約90℃），并伴有大量的水蒸氣及夾帶鹽霧等雜質(zhì)。濕氯氣對鋼材及大多數(shù)金屬有強(qiáng)烈的腐蝕作用，生產(chǎn)及輸送極不方便，但干燥氯氣對鋼材等常用材料的腐蝕在通常條件下是較小的。氯氣處理工序的主要任務(wù)是將高溫濕氯氣進(jìn)行冷卻、干燥和加壓輸送。

1 氯氣處理的基本原理

飽和濕氯氣中水蒸氣含量與溫度有密切聯(lián)系，溫度每下降10℃，濕氯氣含水蒸氣量降低近一半，例如90℃時(shí)水蒸氣含量為571 g/kg濕氯氣，80℃時(shí)則為219 g/kg，10℃時(shí)水蒸氣含量僅為3.1 g/kg，只相當(dāng)為90℃時(shí)的1/184。由此可見，濕氯氣首先需進(jìn)行冷卻，這不僅可除去濕氯氣中99.5%左右的水蒸氣，而且可大大降低后面硫酸干燥的負(fù)荷，減少硫酸與水反應(yīng)生成的熱量，大幅降低硫酸的單耗。

干燥氯氣的干燥劑是濃硫酸，濃硫酸具有較高的脫水效率、不與氯氣反應(yīng)、氯氣在其中的溶解度低、對鋼鐵設(shè)備和管道腐蝕小、稀硫酸可回收利用及硫酸價(jià)廉、易得等優(yōu)點(diǎn)。氯氣的干燥是以硫酸與濕氯氣接觸后，氯氣中的水分被硫酸吸收而實(shí)現(xiàn)的。吸收過程是水分以擴(kuò)散作用從氣相轉(zhuǎn)移到液相硫酸中的過程。這個(gè)過程的推動力決定于氣膜擴(kuò)散的速率，而被處理氣體—氯氣中的水含量決定于硫酸水溶液面上方的水蒸氣分壓。當(dāng)溫度一定時(shí)，硫酸濃度愈高，水蒸氣分壓愈低，而硫酸濃度一定時(shí)，溫度降低，則水蒸氣分壓隨之降低，從而加大了傳質(zhì)過程的推動力。所以，在操作中選擇適當(dāng)?shù)牧蛩釢舛群筒僮鳒囟龋瑫岣呗葰飧稍镄Ч⒖山档土蛩岬南摹?/p>

2 濕氯氣冷卻工藝過程

氯氣冷卻可分為直接冷卻、間接冷卻和直接間接冷卻流程。

2.1 直接冷卻流程

直接冷卻流程是以工業(yè)水在填料塔或空塔內(nèi)直接噴淋洗滌氯氣，以降低濕氯氣的溫度。因水與氯氣直接接觸傳熱，冷卻水吸收氯氣后形成氯水，氯水經(jīng)蒸汽加熱或真空脫氯，部分氯氣得以回收，或采用空氣吹除氯氣用堿吸收制次氯酸鈉。直接冷卻流程的優(yōu)點(diǎn)是可以洗除部分鹽霧及其他有機(jī)油污等雜質(zhì)。但所形成的氯水若進(jìn)行蒸汽加熱脫氯，則將消耗大量蒸汽；而且使用的冷卻水必須不含有銨鹽，否則易生成NCl3，它在液氯中積累有發(fā)生爆炸的可能，直接冷卻流程見圖1。

圖1 濕氯氣直接冷卻流程

2.2 間接冷卻流程

濕氯氣經(jīng)第1鈦管冷卻器以工業(yè)水冷卻至＜40℃后，再進(jìn)入第2鈦冷卻器以冷凍鹽水或冷凍水冷卻至12~15℃，然后經(jīng)除霧器去除水霧后進(jìn)入干燥塔。間接冷卻法流程簡單，氯水廢液少，處理方便，氯氣損失少，缺點(diǎn)是氯氣中的一些雜質(zhì)不易洗凈，氯氣中含較多鹽霧及雜質(zhì)，影響后面工序如除水霧及干燥的效率。濕氯氣間接冷卻流程見圖2。

圖2 濕氯氣間接冷卻流程

2.3 直接間接冷卻流程

濕氯氣經(jīng)氯水洗滌塔以36℃氯水噴洗后，出口溫度為40℃，再進(jìn)入第2鈦冷卻器以冷凍鹽水或冷凍水冷卻至12~15℃，然后，經(jīng)除霧器去除水霧后進(jìn)入干燥塔。氯水洗滌塔底的氯水經(jīng)氯水泵輸送至氯水熱交換器以工業(yè)水冷卻后，進(jìn)入氯水洗滌塔頂循環(huán)噴洗冷卻進(jìn)塔濕氯氣，洗滌塔底部分氯水（氯中冷凝液）送去真空脫氯回收部分氯氣。直接間接冷卻流程兼有以上2種流程的優(yōu)點(diǎn)，既能洗滌氯氣，又不增加廢液（除氯中冷凝液外），不多消耗氯氣，這種流程更適合于離子膜電解配套有真空脫氯的裝置，濕氯氣直接間接冷卻流程見圖3。

圖3 濕氯氣直接間接冷卻流程

3 氯氣干燥工藝過程

氯氣干燥大致可分為2大類，即采用填料塔的多塔制流程和強(qiáng)化組合塔流程。

3.1 填料塔干燥流程

一般有3塔串聯(lián)和4塔串聯(lián)2種。4塔串聯(lián)的干燥氯氣的含水量和硫酸單耗可更低些，但投資及動力費(fèi)用等比3塔串聯(lián)高。

圖4 填料塔干燥流程圖

如圖4所示，濕氯氣冷卻后進(jìn)入第1干燥塔底,通過填料層與75%硫酸逆流接觸，除去部分水后，經(jīng)除霧器除酸霧，進(jìn)入第2干燥塔底，在填料層與比第1干燥塔略濃的硫酸逆流接觸，再除去部分水分后進(jìn)入第3干燥塔底，在填料層與濃硫酸逆流接觸，又除去部分水分，再經(jīng)除霧器除酸霧后去氯氣壓縮機(jī)。96%硫酸進(jìn)入第3干燥塔底，再用泵輸送經(jīng)冷卻器入塔頂噴淋，吸水后流至塔底，塔底多余的硫酸溢流進(jìn)入第2干燥塔底，用泵輸送經(jīng)冷卻器入第2干燥塔頂噴淋，吸水后流至塔底，塔底多余的稀硫酸溢流到第1干燥塔塔底，用泵輸送經(jīng)冷卻器入一塔塔頂噴淋，吸水后流至塔底，塔底多余的稀硫酸溢流至廢硫酸儲槽。

3.2 強(qiáng)化塔型的組合塔干燥流程

強(qiáng)化塔有泡沫塔、泡罩塔等形式，并有在塔底設(shè)置填料塔或噴霧塔的混合塔組。這些塔操作的空塔速度一般是填料塔的一倍左右，而強(qiáng)化塔與填料塔的體積之比卻為1∶12~1∶20，兩者體積相差甚大。在填料塔內(nèi)，需用48 s完成的干燥操作，在強(qiáng)化塔內(nèi)只需數(shù)秒即可完成，可見強(qiáng)化塔的優(yōu)越性。

如圖5所示，冷卻后的濕氯氣進(jìn)入組合塔底部，通過填料層與循環(huán)噴淋稀硫酸逆流接觸，除去大部分水分后，繼續(xù)往上通過5層泡罩塔板與濃硫酸逆流接觸，又除去部分水分后從塔頂排出，經(jīng)除霧器除酸霧后去氯氣透平壓縮機(jī)。95~98%硫酸由硫酸高位槽進(jìn)入到干燥塔頂部的泡罩塔板上，并經(jīng)降液管逐級溢流而下吸收氯氣中的微量水分后，匯集到填料層的循環(huán)酸中繼續(xù)吸收水分，最后流到塔底。塔板上設(shè)有冷卻盤管，通冷卻水移走硫酸在吸收水分時(shí)產(chǎn)生的熱量,塔底的循環(huán)酸用泵輸送經(jīng)冷卻器冷卻后入干燥塔的填料層，循環(huán)吸收氯氣中的水分，塔底多余的稀硫酸輸送到罐區(qū)。

圖5 組合干燥塔流程圖

3.3 氯氣干燥流程評述

填料塔流程的操作平穩(wěn)，彈性較大，特別是在剛開車氯氣流量小時(shí)，它幾乎同滿負(fù)荷操作一樣，能達(dá)到對水分要求的指標(biāo)。泡沫塔流程在氯氣負(fù)荷過小時(shí)，水分達(dá)不到要求的指標(biāo)，因此，在操作中不得不開啟回路管線，使一部分氯氣由壓縮機(jī)出口再回流至干燥塔進(jìn)口或電解槽氯氣總管。

填料塔占地面積大、投資多，雖然平時(shí)操作方便，但大修時(shí)清理檢修條件極差，即費(fèi)工又費(fèi)時(shí)。泡沫塔和泡罩塔設(shè)備小，產(chǎn)量大、投資省、占地少、易操作、易清理，并且動轉(zhuǎn)穩(wěn)定，維護(hù)方便，但阻力降較填料塔大，增加氯氣壓縮機(jī)的動力消耗。

干燥用3或4塔串聯(lián)的填料塔，各塔的硫酸操作濃度不同，各自循環(huán)冷卻噴淋，倒酸靠溢流或泵輸送，因此，只需控制硫酸的濃度及冷卻后的溫度就可以直接得到氯氣干燥效果。日本與中國小型廠多數(shù)采用此法，中國大型廠多采用泡沫塔或組合塔，干燥過程是在泡沫塔（或泡罩塔）中用不同濃度的硫酸進(jìn)行操作，填料塔可以大流量硫酸循環(huán)、冷卻、硫酸稀釋時(shí)放出的熱量能及時(shí)移出，使硫酸上方水蒸氣壓降低，有利于降低硫酸的消耗及提高干燥效果。

4 氯氣的壓縮輸送

氯氣的壓縮輸送可采用單級鼓風(fēng)機(jī)，液環(huán)式壓縮機(jī)，往復(fù)式壓縮機(jī)、透平機(jī)或螺桿壓縮機(jī)等。氯堿廠常用的是納氏泵和透平壓縮機(jī)2種。

4.1 納氏泵系統(tǒng)

納氏泵流程的最大特點(diǎn)是利用硫酸進(jìn)行冷卻循環(huán)，以排除氯氣受壓時(shí)產(chǎn)生的熱量。因納氏泵工作壓力不高，壓縮產(chǎn)生的熱量大部分被硫酸帶走，而硫酸又有冷卻器進(jìn)行冷卻，一般氯氣出口溫度不超過80℃，對碳鋼材質(zhì)的使用是安全的，所以，納氏泵流程中不設(shè)氯氣冷卻器。納氏泵壓縮流程如圖6所示，干燥氯氣進(jìn)入納氏泵，壓縮至0.15~0.30 MPa(表壓),并依次經(jīng)過硫酸分離器、硫酸除霧器，將夾帶的硫酸及酸霧分離掉，然后送往各需氯部門。98%硫酸經(jīng)硫酸高位槽在啟動泵前由其進(jìn)口加到納氏泵中，泵啟動后，硫酸隨氯氣一起壓出進(jìn)入硫酸分離器，在分離器內(nèi)，硫酸與氯氣分離，然后在硫酸冷卻器中進(jìn)行冷卻，經(jīng)冷卻的硫酸返回納氏泵入口。

圖6 納氏泵壓縮流程示意圖

在納氏泵中，要求硫酸中的H2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92%以上，以減少泵在高溫下的腐蝕。由于氯氣經(jīng)干燥塔后尚含少量水，在泵內(nèi)部分被硫酸吸收，硫酸濃度會降低，需要用98%硫酸取代被稀釋了的泵內(nèi)硫酸。

4.2 透平壓縮機(jī)系統(tǒng)

透平壓縮機(jī)是一種具有蝸輪的離心式壓縮機(jī)，借葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使氣體壓縮，其作用與液體輸送所用的離心泵或離心式風(fēng)機(jī)相似。因?yàn)闅怏w的壓縮消耗機(jī)械能并轉(zhuǎn)化為熱能，所以，在透平機(jī)的每一段壓縮比不能過大，并在級間設(shè)有中間冷卻器以移去熱量，使氣體體積減小，以利于壓縮過程的逐級進(jìn)行。如圖7所示,含水＜100×10-6，不含鹽霧、硫酸液滴、有機(jī)雜質(zhì)，含氯約95%（體積分?jǐn)?shù)）的干燥氯氣，壓力不低于0.085 MPa（絕壓），進(jìn)入氯氣透平壓縮機(jī)一級入口，經(jīng)一級葉輪壓縮后，氯氣進(jìn)入中間冷卻器，冷卻后，氯氣進(jìn)入壓縮機(jī)二級入口，經(jīng)二級葉輪壓縮后，再由后冷卻器冷卻，出后冷卻器的氯氣壓力達(dá)到0.17 MPa（表壓）左右，通過分配臺至各用氯工段。為防止壓縮機(jī)發(fā)生喘振及倒吸現(xiàn)象，將壓縮后的部分氯氣回流到壓縮機(jī)一級入口或干燥塔進(jìn)口，以保證氯氣連續(xù)壓送,也可以通過調(diào)節(jié)回流量來控制干燥塔進(jìn)口或氯氣總管的壓力。

圖7 透平壓縮機(jī)流程示意圖

透平壓縮機(jī)還配有潤濕油、密封氣、儀表、電氣等系統(tǒng)。透平壓縮機(jī)主機(jī)的前后軸承和增速器采用潤濕油無間斷地潤濕，以保證機(jī)組安全正常運(yùn)行；密封氣（干燥空氣或氮?dú)猓┯煽諌赫咎峁┩钙綁嚎s機(jī)的密封腔和隔離腔密封充氣用，以防止氯氣自缸內(nèi)溢出，污染環(huán)境或污染潤滑油；儀表系統(tǒng)主要是全面監(jiān)測壓縮機(jī)軸承溫度、進(jìn)出口和各級之間氯氣溫度、壓力值，掌握壓縮機(jī)及中間冷卻器運(yùn)轉(zhuǎn)情況，自動調(diào)節(jié)壓縮機(jī)出口至進(jìn)口氯氣回流量,以穩(wěn)定氯氣干燥系統(tǒng)的壓力以及壓縮機(jī)可能發(fā)生喘振，提供密封所需壓力平穩(wěn)的密封氣；用軸位移指示儀指示壓縮機(jī)軸承縱向位移值。

4.3 氯氣壓縮機(jī)的比較

納氏泵是中小型氯堿廠最為常用的氯氣壓縮機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，強(qiáng)度大又實(shí)用，但效率不高。另外，它不但壓縮氯氣還輸送濃硫酸，因而，消耗功率高。又由于用硫酸作介質(zhì)，酸霧較多，會污染液化器和液氯。

透平壓縮機(jī)是大型氯堿廠最為適宜的氯氣輸送設(shè)備，其能耗低，按每年10萬t氫氧化鈉規(guī)模,透平壓縮機(jī)比納氏泵每年可節(jié)電400 kW·h以上。它的檢修周期長，一般在1 a以上，運(yùn)行費(fèi)用也低。但因?yàn)樵趬嚎s過程中氯氣溫度較高，機(jī)械精度也比較高，所以，對氯氣含水及其他雜質(zhì)的含量要求相應(yīng)提高，一般要求氯氣含水量在100×10-6以下，還要有高效的除沫器等裝置。

5 結(jié)束語

廣西柳化氯堿有限公司的燒堿項(xiàng)目一期工程年產(chǎn)10萬t燒堿和10萬t PVC于2010年初開車成功，并順利投產(chǎn)。燒堿生產(chǎn)采用離子膜電解工藝技術(shù)，并配套有真空脫氯裝置。氯氣處理采用直接和間接兼有的冷卻流程，洗滌冷卻氯氣所產(chǎn)生的氯水送往電解脫氯，氯氣干燥采用填料+泡罩組合塔，采用美國孟莫克除霧器除水霧和酸霧，氯氣壓縮采用德國西門子（原德國KK&K公司）透平機(jī)。生產(chǎn)裝置按照高效、節(jié)能、安全、環(huán)保及高質(zhì)量的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了技術(shù)水平先進(jìn)，原料消耗低，產(chǎn)品質(zhì)量好。

Comparison and optimization of chlorine treatment process

WEI Qi-xing
（Guangxi Liuzhou Chemical Co.,Ltd.,Liuzhou 545600，China）

Through compare and analyze different high temperature wet chlorine treatment process(except water,cleaning,drying and compression),the superiority of optimized solution of chlorine treatment was illustrated.

chlorine;cooling;drying;compression

TQ124.4+16

B

1009－1785(2011)02-0015-04

2010-10-21