兩種氯氣處理工藝對比

陳勇江 ，郭占明，顧濤

(新疆圣雄氯堿有限公司，新疆 吐魯番 830024)

在化工生產工藝中，氯氣作為一種重要的化工中間體倍受青睞，主要是依靠氯堿生產工藝中的電解槽電解飽和食鹽水制取[1]。從電解槽出來的濕氯氣溫度在85～90 ℃，含有飽和水蒸氣及水蒸氣中夾帶的鹽霧等雜質。氯氣中夾帶的水分及鹽分對大多數金屬有強烈的化學腐蝕與電化腐蝕，給氯氣的壓縮及輸送帶來極大的困難，因為在后序工藝中，為了提高氯氣純度及減少氣體中的雜質，都會采取一系列工藝措施對濕氯氣進行處理。氯氣處理工序的主要任務是將高溫濕氯氣進行冷卻、干燥和加壓輸送。筆者就新疆圣雄氯堿有限公司(以下簡稱“圣雄氯堿”)19萬t/a離子膜法燒堿對應的氯氣處理裝置的運行情況進行分析。

1 工藝介紹

1.1 減少氯氣水含量的先決條件

從克拉伯龍方程式PV=nRT可得知，氣體中飽和水蒸氣的含量及氣體的體積大小，均與氣體的溫度有直接關系。為了減少濕氯氣中飽和水蒸氣的含量及縮小氣體的體積利于輸送，通常給氣體降溫是一種直接有效的措施[2]。

氯中含水量在100 kPa下的Txy圖如圖1所示，氯中含水系統的PT圖如圖2所示。

圖1 氯中含水量在100 kPa下的Txy圖Fig.1 Txy chart of water content ofchlorine at 100 kPa pressure

圖2 H2O/Cl2系統的PT圖Fig.2 PT chart of H2O/Cl2 system

由水和氯氣的Txy圖和PT圖可知：飽和濕氯氣中水蒸氣含量與溫度有密切聯系。從圖1可知：溫度每下降10 ℃，濕氯氣含水蒸氣量降低約一半，例如90 ℃時水蒸氣含量為570 g/(kg·濕氯氣)，80 ℃時則為220 g/kg，10 ℃時水蒸氣含量僅為3.0 g/kg，只相當于90 ℃時的1/190。從圖2可知：隨著溫度的降低，不僅飽和蒸汽含量下降，而且飽和蒸汽壓也降低了。

1.2 減少氯氣水含量的物理條件

濃硫酸具有天然干燥劑的特性：①有較高的脫水效率；②不與氯氣反應；③氯氣在其中的溶解度低；④高濃度時對鋼鐵設備和管道腐蝕小；⑤濃硫酸價格低廉、易得；⑥稀硫酸可回收利用，因此是氯堿生產工藝中干燥氯氣的干燥劑首選[3]。

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現的[4]。當溫度一定時，硫酸濃度愈高，水蒸氣分壓愈低；而硫酸濃度一定時，溫度降低，則水蒸氣分壓隨之降低，從而加大了傳質過程的推動力。所以，在干燥工藝過程中選擇適當的硫酸濃度和操作溫度，不但會降低氯氣中的水含量，還可降低硫酸的消耗。

由上可見，濕氯氣首先需進行冷卻降溫，不僅可除去濕氯氣中99.5%左右的水蒸氣，同時也可以大大降低后面硫酸干燥的負荷，減少硫酸與水反應生成的熱量，防止設備損壞，還可以大幅降低硫酸的單耗。

2 裝置基本情況

圣雄氯堿有2套氯氣處理裝置(以下簡稱1#裝置與2#裝置)：處理能力均對應于19萬t/a離子膜法燒堿，為成達設計院工藝包，均采用冷卻器、捕集器、填料塔、泡罩塔串聯及透平氯壓機輸送工藝。但第2期項目在第1期生產工藝的基礎上，進行了工藝的改進。

2.1 1#裝置氯氣工藝流程簡述

1#裝置氯氣工藝流程如圖3所示。

圖3 傳統氯氣工藝流程圖Fig.3 Traditional process flow for chorine handling

從電解工序來的80～90 ℃高溫濕氯氣進入一段鈦冷卻器，用一段循環水冷卻至40 ℃左右，再進入二段鈦冷卻器，然后用7 ℃水冷卻至12～15 ℃。冷卻后的氯氣經水霧捕集器除去氯氣中水霧后，進入泡沫干燥塔用濃硫酸干燥，干燥后的氯氣用氯氣壓縮機加壓后分別送至液氯工序和氯化氫合成工序。

氯水洗滌、冷卻冷凝下來的溶解有氯氣的氯水，在氯氣洗滌塔液位控制系統自動控制下，由氯水循環泵送至電解工段的淡鹽水脫氯工序[5]。

經過水霧捕集器過濾的12～15 ℃ 氯氣進入填料干燥塔下部，循環酸由硫酸循環泵送出，進入填料干燥塔上部，與氯氣逆流接觸除去氯氣中的水分。出填料干燥塔的氯氣再進入泡罩干燥塔下部，與由濃硫酸高位槽流入的濃硫酸經泡罩錯流接觸，進一步得到干燥，從泡罩干燥塔出來的氯氣經過酸霧捕集器，再經透平氯氣壓縮機壓縮后，進入分配臺送至其他工序使用[6]。

2.2 2#裝置氯氣工藝流程簡述

2#裝置氯氣處理工藝流程如圖4所示。

圖4 新氯氣處理工藝流程圖Fig.4 New process flow for chorine handling

由電解工序來的約85 ℃的濕氯氣進入氯氣洗滌塔底部，與約37 ℃的循環氯水直接逆流接觸，將氯氣冷卻到約45 ℃，氯氣中85%～90%的水分被冷凝，并除去了氯氣中夾帶的鹽霧。出塔氯氣進入兩段鈦管冷卻器，分別與循環水和5 ℃水間接換熱，控制出二段鈦管冷卻器氯氣出口溫度在12～15 ℃。冷卻后的氯氣經水霧捕集器過濾后，進入干燥系統。后續工藝處理同傳統流程。

3 兩套氯氣處理工藝比較

3.1 氯氣冷卻及氯水處理

來自電解工序的氯氣溫度較高，幾乎為水蒸氣所飽和。濕氯氣夾帶的水蒸氣與溫度有關，溫度越高所帶的水蒸氣量越大，溫度越低所帶的水蒸氣量則越小。因此，可以通過冷卻降溫措施降低濕氯氣的溫度，減小飽和水蒸氣分壓，進而降低濕氯氣的水含量[7]。

傳統工藝沒有氯氣洗滌設備，高溫濕氯氣直接進入鈦管冷卻器進行間接冷卻，這樣的工藝系統容易造成氯氣中鹽等雜質含量高，堵塞后續設備并影響干燥效果。同時，高溫濕氯氣遇到的第一個冷卻器為鈦管冷卻器，這就造成在鈦管冷卻器中產生大量的氯水。氯氣在水中的溶解度較大，這部分氯水溶解有大量的氯氣。

新工藝采用洗滌塔直接洗滌冷卻與鈦管冷卻器間接冷卻的串聯方法處理高溫濕氯氣。氯水經氯水泵在氯氣洗滌塔內與高溫濕氯氣逆流接觸，不僅能使高溫濕氯氣冷卻降溫，還能較好地去除氯氣中的鹽霧等雜質。鈦管冷卻器中的冷卻氯水進入洗滌塔供洗滌塔冷卻使用，同時洗滌塔內產生的多余氯水經自控閥送入離子膜電解工序進行真空脫氯，脫氯后的氯水進入次氯酸鈉生產裝置，氯水全部回收利用，且經脫氯工序產生的純度較高的氯氣并入氯氣系統，這樣不僅解決了氯水排放產生的環境污染問題，還取得了較好的經濟和社會效益。

2018年8月20日，質量檢測中心每隔4 h，分別在傳統工藝與新工藝的水霧捕集器出口測量氯水中的含鹽量。傳統工藝的數據分別為：22 120，21 236，23 235，21 142，20 836和22 834 mg/L。

新工藝的數據分別為：2 698，2 872，3 399，3 184，2 657和3 234 mg/L。

1#裝置與2#裝置氯水中的鹽含量如圖5所示。

圖5 1#裝置與2#裝置氯水中的鹽含量Fig.5 Salt content of chlorine water in 1# and 2# facilities

3.2 氯氣干燥除霧工藝

氯氣干燥是氯氣處理至關重要的環節，干燥后的氯氣如果水含量超標，將加劇氯氣輸送等后續工序管道和設備的腐蝕，給整個生產系統帶來嚴重的后果。傳統干燥工藝流程，氯氣干燥效果較差，干燥后的氯氣含水質量分數約0.02%。氯氣在進入泡沫干燥塔前先經過水霧捕集器，捕集器所使用的是含氟硅油玻璃棉，這種設備僅能除去粒徑大于3 μm的霧粒，還有許多夾帶在氯氣當中的水霧沒有被除去，需要消耗大量的濃硫酸來干燥氯氣，增加了消耗。

新工藝采用孟莫克水霧捕集器、填料塔與泡罩塔串聯的流程，可100%除去粒徑大于3 m的霧粒[8]，99.3%除去粒徑小于3 μm的的霧粒。使用此水霧捕集器使進入后續填料塔和泡罩塔的水霧大量減少，進而降低了氯氣干燥劑硫酸的消耗，提高了氯氣干燥工藝的運行質量。泡罩塔的塔板上留有一定厚度的硫酸層，氯氣經過鐘罩型泡罩流經硫酸層時，氣液兩相可以充分接觸，通過濃硫酸的吸水性可以很好地吸收氯氣中的水。當氯氣中含水量大或者氯氣流量大時，可以通過增大酸量的方法減少氯氣中的水分，此流程具有氯氣處理量大、操作彈性大、操作靈活等特點。填料塔和泡罩塔的組合流程能很好地適應氣體流量的變化，具有優勢互補、干燥效率高等特點 。經過2年的運行，裝置進透平氯壓機的氯氣中含水質量分數一直低于0.01%。

1#和2#裝置氯氣工藝流程運行參數如表1所示。

表1 1#和2#裝置氯氣工藝流程運行參數Table 1 Process operation parameters of chlorine handling in 1# and 2# facilities

4 結語

綜上所述，圣雄氯堿2套裝置工藝區別明顯，2#裝置干燥系統在節能、環保、自動化、運行維護等方面都優于1#裝置，效果顯著，因此圣雄氯堿擇機對一期工藝進行改造，改造后設備運行平穩，干燥系統操作穩定，氯氣干燥達到了預期目標，為后續的工序提供了穩定、優質的干燥氯氣。