氯氣處理工藝及關鍵點控制綜述

楊國穩

（廣西柳化氯堿有限公司，廣西柳州545600）

氯氣處理工藝及關鍵點控制綜述

楊國穩

（廣西柳化氯堿有限公司，廣西柳州545600）

介紹了氯氣處理系統的工藝流程、設備性能及操作參數，總結了工藝技術特點。

氯氣；處理工藝；洗滌冷卻；干燥

廣西柳化氯堿有限公司(以下簡稱“柳化氯堿”) 20萬t/a離子膜燒堿項目一期工程10萬t/a有極距離子膜燒堿于2010年1月建成投產。隨著市場需求量增大，柳化氯堿順勢推進擴大產能建設，于2012年8月成功擴建5萬t/a零極距離子膜燒堿項目，目前，離子膜法燒堿生產能力為15萬t/a。配套的氯氣處理系統處理能力達17.8 t/a，該處理系統工藝簡單，設備先進，布局合理，節能效果明顯。采用DCS控制，到目前為止，該裝置操作平穩，氯氣出干燥塔含水低于100×10-6(v/v)，硫酸消耗約14 kg/t。

1 氯氣處理的任務及原理

1.1 氯氣處理的任務

將電解來的高溫濕氯氣冷卻、干燥，并將干燥合格的氯氣壓縮輸送給用戶，穩定和調節電解槽陽極室內的壓力，保證上下工序的安全生產。

1.2 氯氣處理的原理

從電解來的濕氯氣一般溫度約85℃，被蒸汽飽和，并夾帶大量鹽霧。濕氯氣所帶的飽和蒸汽量與溫度有關，不同溫度下濕氯氣中的水蒸氣分壓和飽和含水量見表1。由表1可知，在同一壓力下，溫度越高所帶的水蒸氣量越高，其水蒸氣分壓越高，例如當濕氯氣溫度是85℃時，理論氯氣含水量為338 kg/t。因此，濕氯氣先采用洗滌冷卻，降低濕氯氣溫度，減小飽和濕氯氣的分壓，使濕氯氣中的大部分水蒸氣被冷凝除去，降低濕氯氣的含水量，并除去鹽霧。

為了使氯氣能用鋼鐵材質制成的設備及管道進行輸送或處理，要求氯氣的含水量小于0.01%，因此，必須將氯氣中的水分進一步除去。在工業上，均采用濃硫酸來干燥氯氣，因為濃硫酸具有以下特點：(1)不與氯氣發生化學反應；(2)氯氣在硫酸中的溶解度小；(3)濃硫酸有強烈的吸水性；(4)價廉易得；(5)濃硫酸對鋼鐵設備不腐蝕；(6)稀硫酸可以回收利用等。

用濃硫酸干燥氯氣，其干燥效果決定于硫酸溶液上方的水蒸氣壓力，當溫度一定時，硫酸濃度愈高、其水蒸氣分壓愈低；當硫酸濃度一定時，溫度降低，則水蒸氣分壓也降低。也就是說硫酸的濃度愈高、溫度愈低，硫酸的干燥能力也就愈大，即氯氣干燥后的水分愈少。此外，濃硫酸與濕氯氣的接觸面積和接觸時間也是影響干燥效果的重要因素，因此，氯氣干燥采用干燥塔和泡罩塔串聯二合一的方式，使氯氣和硫酸充分接觸，保證氯氣干燥合格，然后用氯氣壓縮機將干燥氯氣加壓輸送至各用戶。

表1 不同溫度下濕氯氣中的水蒸氣分壓和飽和含水量（101.3 kPa）

2 氯氣處理工藝流程

從電解來的高溫濕氯氣，首先從洗滌塔 (T-501)底部進入(見圖1)，氯水泵(P-501A/B)將氯水送經氯水冷卻器(E-501)，以循環冷卻水間接冷卻后由塔上部送入氯水洗滌塔內，與塔底上來的氯氣逆流接觸，直接將氯氣洗滌冷卻至35～40℃，并除去氯氣中夾帶的鹽霧等雜質。冷卻后氯氣進入鈦管冷卻器(E-502)，用5℃冷凍水間接將氯氣冷卻至12～15℃，鈦管冷卻器中5℃冷凍水的通量由自動閥TV-5303控制，確保氯氣溫度，從鈦管冷卻器出來的氯氣經水霧捕集器(N-501)分離冷凝水及不潔物后去氯氣干燥塔(T-502)進行干燥。

水霧捕集器分離的冷凝水同鈦管冷卻器冷凝下來的氯水一起進入氯水洗滌塔循環使用，洗滌塔中的氯水因不斷冷凝濕氯氣中的水蒸氣而增多，為了保持洗滌塔的安全液位而由氯水泵排除一部分去離子膜電解脫氯系統，與離子膜的淡鹽水一起經過脫氯，然后送往一次鹽水化鹽使用。氯氣水封槽(V-501、V-502)的液封水來自洗滌塔底氯水或者生產水，控制液封高度，其溢流氯水進入洗滌塔底部，洗滌塔氯水液面高度由自動閥LV-5301控制。

經捕集器除水霧后的氯氣進入氯氣干燥塔(T-502)下部填料段，稀硫酸用稀硫酸循環泵(P-502A/B)輸送經稀硫酸冷卻器(E-503)用5℃冷凍水間接冷卻降溫后自填料段上部進入干燥塔，與氯氣逆流接觸，除去大部分水分。填料段的稀硫酸濃度控制在78%～90%，經填料段干燥后的氯氣繼續上升，逐層通過泡罩塔段，被98%的濃硫酸逆流接觸干燥，98%的濃硫酸由濃硫酸高位槽 (V-504)供給進入第一層塔板，經降液管然后逐步溢流至其他層塔板和填料段，各層塔板內產生的熱量由冷卻盤管通5℃冷凍水間接吸收帶走。從干燥塔頂部出來的氯氣接著去酸霧捕集器(N-502)除去氯氣夾帶的酸霧。

捕集器捕集的酸霧匯集進入干燥塔底部，干燥塔中的硫酸由于不斷吸收氯氣中的水分而被稀釋，液位不斷增高，為了保證干燥塔底保持安全液位而由稀硫酸循環泵排除一部分稀硫酸去成品罐區稀硫酸貯罐待售，干燥塔底部酸液面高度由自動閥LV-5302控制。

氯氣經酸霧捕集器(N-502)將酸霧和不潔物去除后，進入氯氣壓縮機(C-501)，經壓縮機一級葉輪壓縮后進入中間冷卻器(V-507)，冷卻器以循環冷卻水間接冷卻，再進入壓縮機二級葉輪壓縮后進入后冷卻器(V-508)，冷卻器以循環冷卻水間接冷卻，然后通過氯氣分配臺(V-506)分別送往合成及液氯工序。

3 主要設備結構性能及控制要求

3.1 氯氣水封槽

氯氣正壓水封槽(V-501)原理：利用水的液壓來防止氯氣泄漏。當氯氣總管壓力大于水壓時，形成液封的水壓被沖破，大量的氯氣進入事故氯吸收塔。一般插入管插入液面高度是根據氯氣總管壓力上限設定的。

氯氣負壓水封槽(V-502)原理：利用水的液壓來防止氯氣泄漏，當氯氣抽力達到一定值時，即大于水壓時，形成液封的水壓被抽走，大量的空氣進入系統中，以平衡系統壓力。空氣插入管的高度是根據氯氣總管壓力下限設定的。水封高度由壓差通過h= Δp/ρg來計算。

3.2 氯氣洗滌冷卻塔

圖1 氯氣處理工藝流程圖

洗滌冷卻塔的作用是將高溫濕氯氣洗滌、冷卻，降低氯氣含水量，去除各種雜質，使80%以上的飽和水蒸氣及其所夾帶的鹽、堿等化學雜質冷凝溶解到氯水中，避免隨氯氣流入后段的管線和設備，吸附聚集在冷卻器的管壁上。當這些雜質聚集到一定厚度時，冷卻效果變差，氯氣溫度上升，干燥時氯氣消耗大量濃硫酸；另外，氯氣洗滌塔中的氯水隨著使用時間的延長，氯水中所含的鹽及雜質的濃度不斷增加，鹽濃度增加到一定程度，達到其在氯水中的飽和溶解度后就不再溶解，就失去除鹽除雜質作用，因此要定期更換補加洗滌塔里的水，但是不宜過于頻繁加入水更換，這樣水中溶解的氯氣量增加，造成浪費氯氣，也大大增加了脫氯塔的工作負荷。E-501板式換熱器，冷卻洗滌塔中氯水，及時移走氯水吸收的熱量，控制出塔的氯氣溫度指標小于40℃，根據表1可以算出，1 t濕氯氣從85℃經洗滌冷卻降溫到40℃時，理論上約有318 kg水蒸氣被冷凝除掉，有效降低濕氯氣中飽和蒸汽含量。

3.3 鈦管冷卻器及水霧捕集器

經過氯氣洗滌塔洗滌后出來的氯氣溫度約40℃。根據表1可知，此時理論氯氣含水量為19.8 kg/t，如果直接進入干燥塔干燥，將增大硫酸消耗，氯氣被冷卻的溫度越低，則攜帶的水分就越低，越有利于干燥，消耗的硫酸就越少。因此，出洗滌塔后的氯氣進入鈦管冷卻器，用5℃冷凍水間接將氯氣冷卻降溫至12～15℃，鈦管冷卻器中5℃冷凍水的通量由自動閥TV-5303控制，確保氯氣溫度在指標范圍內。不能把溫度降得太低，因氯氣溫度低于9.6℃時，氯氣與水形成Cl2·8H2O結晶水合物，堵塞鈦列管和后面的管道及設備，從而影響正常生產。

濕氯氣經鈦管冷卻器冷卻后冷凝下來的水一部分在冷凝器管壁上流下，另一部分呈霧滴狀存在于氯氣氣流中，故除水霧也是一項降低硫酸單耗、減少鹽霧夾帶的重要措施。特別是進泡罩塔時，濕氯氣夾帶的鹽霧與硫酸接觸生成硫酸鈉結晶，會堵塞塔板小孔，引起塔板阻力降上升，影響干燥塔操作，同時也會影響酸霧捕集器的使用周期。因此，從鈦管冷卻器出來的氯氣必須經過水霧捕集器進一步除去水霧和鹽霧。由于鹽霧等不潔物粘附在捕集器的濾芯筒上，隨著時間延長，粘附厚度不斷增大，進而會失去除水霧鹽霧效果，因此要定期進行濾芯筒清洗，確保水霧捕集器原本的功能效果。柳化氯堿引進美國孟莫克水霧捕集器，自2010年1月投入使用以來，運行良好。

3.4 氯氣干燥塔

經過洗滌、冷卻、水霧捕集器分離水霧鹽霧后，氯氣進入干燥塔進一步除水干燥。柳化氯堿的干燥塔采用填料塔和泡罩塔串聯二合一的構造方式。氯氣從干燥塔下部填料層的下面進入，與從填料層上面進入的來自泡罩塔和稀酸循環泵送來的濃度約90%的硫酸逆流接觸進行傳質傳熱。塔底區域的硫酸通過泵送入板式鈦冷卻器，用5℃水冷卻后，送入填料塔循環使用，循環硫酸溫度控制在11～15℃，當硫酸質量分數低于78%時送出界區。泡罩塔的作用是將氯氣中所含的水分由濃硫酸吸收至要求的含量以下，保證氯氣水含量不超標，避免腐蝕后序設備管道。泡罩塔由一個圓柱形殼體和按一定間距、水平設置的5層塔板組成，材質為聚氯乙烯/FRP。正常工作時，從高位槽靠位能自動流下的濃度約98%的濃硫酸進入上層塔板，然后從上層塔板的降液管流出，橫向流過帶有泡罩的塔板，翻過溢流堰，進入該層塔板的降液管流向下層塔板；泡罩段的濃硫酸在各板層與往上流的氯氣逆流接觸進行傳質傳熱，各層塔板內產生的熱量由冷卻盤管通5℃冷凍水間接吸收帶走。硫酸的濃度越高、溫度越低，疏酸的干燥能力也就越大，氯氣干燥后的水分越少。但如果硫酸的溫度太低，則硫酸與水能形成結晶水含物而析出，硫酸濃度與結晶溫度之間的關系見表2。例如硫酸濃度在84%時，它的結晶溫度為8℃，所以在操作中，尤其在冬季必須注意控制溫度，一般將濃硫酸H2SO4溫度控制在不低于11℃，以防止冷卻盤管堵塞。泡罩塔出口氯氣溫度應控制小于20℃。

表2 硫酸濃度、密度與結晶溫度

濃硫酸消耗的計算。氯氣經過洗滌冷卻后，從鈦管冷卻器出來控制在12～15℃，取平均值的整數13℃，則此時氯氣含水查表得3.8 kg/t，當硫酸質量分數低于78%時送出界區，按出干燥塔酸質量分數為77%，則物料衡算有：98%M1＝(3.8+M1)×77%解得M1＝13.93(kg/t)即每干燥1 t氯氣需要13.93 kg 98%濃硫酸。從物料衡算看，降低塔進口氯中含水量和降低出塔酸濃度都能降低硫酸單耗。

3.5 酸霧捕集器

經干燥塔濃硫酸吸收干燥后的氯氣氣流中夾帶著酸霧，進入酸霧捕集器。酸霧捕集器的作用是以氟硅油浸漬處理的玻璃纖維用作截留、捕集、過濾形式除去氣流中的酸霧，確保進入氯氣壓縮機的氯氣潔凈，從而滿足輸送氣體負荷適應生產的需要，延長氯壓機的使用壽命，捕集器匯集的酸霧集中流到干燥塔底部。干燥后形成的硫酸霧粒直徑小于5 μm，且有一定的黏度，一般的捕集設備很難高效捕除。捕集的硫酸有黏性，易黏附在含氟玻璃纖維上，使用一段時間后，阻力上升，需要定期清洗過濾元件，才能確保捕集效果。柳化氯堿引進美國孟山都公司酸霧捕集器的核心部件-玻璃纖維除霧筒，運行六年多來效果良好。經過干燥后，從酸捕集器出來的氯氣含水量控制小于100×10-6(v/v)。

3.6 氯氣壓縮機

經過的洗滌、冷卻、干燥、除酸霧后的氯氣進入壓縮機，經加壓送往下道工序。柳化氯堿的氯氣壓縮機是引進德國西門子的透平壓縮機，壓縮機組由帶有中間冷卻的2級離心壓縮機、1個渦輪-行星齒輪系統、1臺驅動電機、1個壓縮機、齒輪箱、驅動電機的共用底座、1臺帶有連接管線的中間冷卻器和后冷卻器、1個潤滑油系統、1個密封氣體系統及需要的測量和控制設備組成。透平壓縮機最大吸入狀態體積流量為8 210 Nm3/h，進口側最大壓力是100 kPa(a)，進口側最大溫度是30℃，出口側最大壓力是274 kPa(a)，最大轉速是10 405 r/min。正常工作時，干燥氯氣經一級壓縮后到一級冷卻器，然后進入二級壓縮，再經二級冷卻器冷卻后送往氯氣分配臺。2臺冷卻器分別由冷卻循環水來冷卻換熱，并嚴格控制冷卻水壓力小于氯氣壓力，避免換熱器列管泄露時水漏到氯氣側中而腐蝕設備及管道，若漏只能氯氣漏到水中，為此，在冷卻水出管道設有ORP值檢測器在線監測氯含量。二級冷卻出來后有一旁路返回一級壓縮進口 (一般稱此為小回流)，其目的是調節壓縮機進出口狀態以防喘振。透平壓縮機組出來后氯氣送去分配臺，由于氯壓機自身的回流量較小，為了保證電解在低負荷時，電解和氯氣洗滌冷卻干燥系統的氯氣總管壓力穩定，在分配臺出來設計安裝帶有自動調節閥(HV-5301B)的回流路(一般稱此為大回流)，回到干燥塔的氯氣進口處與水霧捕集器來的氯氣一并進入干燥塔，調節透平壓縮機組的輸送能力，使之與電解氯氣產量相適應。氯壓機進口氯氣壓力工藝指標控制在-5～5 kPa。

4 結語

柳化氯堿的17.8萬t/a氯氣處理裝置經過六年多來的運行結果表明，裝置工藝控制穩定，氯氣吸力平穩，能耗小，干燥后氯氣中水含量低，生產出合格的氯氣，完全能滿足氯壓機和后序工藝的要求，有效保證了氯堿系統安全、穩定、經濟運行。

Review on the process of chlorine treatment and the control of key points

YANG Guo-wen
（Guangxi Liuhua Chlor-alkali Co.,Ltd.,Liuzhou 545600，China）

This paper introduces the process flow，equipment performance and operation parameters of chlorine gas treatment system，and summarizes the characteristics of the technology.

：chlorine gas；treatment technology；washing and cooling；drying

TQ124.4+16

：B

：1009-1785(2016)10-0011-04

2016-08-14