氯堿企業(yè)控制氯氣微量水分工藝研究

董曉政

（甘肅北方三泰化工有限公司，甘肅 白銀 730900）

氯堿企業(yè)氯氣干燥處理依據(jù)是濕氯氣中飽和水蒸氣含量與溫度的關系，通過冷卻降溫除去濕氯氣中絕大部分的水分，再通過硫酸的脫水性除去剩余水分，達到氯氣干燥的目的。氯氣處理采用“先冷卻后干燥”的工藝流程。

1 氯氣產(chǎn)生及氯氣除水干燥工藝

氯氣產(chǎn)生的工藝流程如下。

由鹽水精制工序送來的精制鹽水通過鹽水高位槽送入每臺電解槽的陽極液進料總管。其流量由每臺電解槽的調(diào)節(jié)閥控制，以保持陽極液的濃度達到規(guī)定值。流量由每臺電解槽的直流電流串級控制。31%的鹽酸在界內(nèi)與純水混合成濃度為17%的鹽酸，用來中和從陰極室通過離子膜滲透過來的OH-離子，并與精制鹽水一起連續(xù)不斷送入陽極室。精制鹽水在陽極室中進行電解、產(chǎn)生氯氣，同時NaCl濃度降低。電解槽進、出口之間的NaCl分解率約為50%。每個陽極液室都有兩個撓性軟管，一個連接進料總管，另一個連接出料總管。電解后產(chǎn)生的氯氣和淡鹽水的混合物通過軟管匯集排入陽極液總管，并在總管中進行氣體和液體分離。氯氣在氯氣主管中進行收集后送入陽極液槽頂部。氯氣中的水分在此被分離，然后氯氣出界區(qū)，部分含有氯氣的淡鹽水送回精制鹽水管線。

氯氣干燥處理工序包括氯氣洗滌、冷卻、干燥和氯氣壓縮輸送等。

由電解槽出來的濕氯氣中含有大量的水分及鹽分，通過氯氣洗滌塔，對氯氣進行洗滌冷卻，除去其中的鹽分。洗滌塔出來的氯氣進入鈦管冷卻器，用5.0～6.0℃冷凍水冷卻，冷卻后的氯氣進入水霧捕集器，除去氯氣中夾帶的水分。水霧捕集器出來的氯氣依次進入填料塔、泡罩塔，用硫酸做干燥劑除去氯氣中的微量水分，然后進入酸霧捕集器，除去氯氣中夾帶的酸霧，送至氯氣壓縮機壓縮后送下一工序。

氯氣除水干燥工藝流程圖見圖1。

圖1 氯氣除水干燥工藝流程圖

2 原有工藝濕氯氣脫水物料平衡計算

濕氯氣溫度和含水量的關系見表1，氯氣在水中的溶解度見表2。由表1可以看出，濕氯氣溫度每下降10℃，水蒸氣的含量大概下降一半。從電解槽來的濕氯氣可以通過降低溫度除去大部分的水分，再用濃硫酸來吸收余下的水分。

表1 濕氯氣溫度和含水量的關系

（1）物料平衡計算依據(jù)

燒堿原有產(chǎn)能10萬t/a，氯氣產(chǎn)能8.875萬t/a，氯氣產(chǎn)量11093.75 kg/h（全年按8000 h計）。

（2）電解槽出口濕氯氣組成（濕氯氣溫度為85℃）

Cl211093.75 kg/h，H2O 4437.5 kg/h（按照表1折算，1 kg Cl2中含水約400 g，以下氯中含水均按照表1進行折算）；含有少量O2和N2等不凝氣體（約為187.5 kg/h），其質(zhì)量變化在整體工藝中可以忽略不計。由上計算出濕氯氣含水為28.2%。

（3）氯水洗滌塔脫水后氯氣含水（溫度為45℃）

45℃時濕氯氣飽和水的水量為11076.15×0.02735=302.93（kg），冷凝下來的水為4134.57 kg/h，其溶解的氯氣約為17.6 kg/h（按照表2進行折算，以下同）。冷卻后氯氣的量為11076.15 kg/h。

表2 氯氣在水中的溶解度

出塔氯氣組成：干基氯氣11076.15 kg/h，其他氣體187.5 kg/h，水分302.93 kg/h；

冷卻后的氯水組成：Cl217.6kg/h，H2O4134.57kg/h。

由上計算出濕氯氣含水為2.6%。

（4）出鈦冷器氯氣含水

進鈦冷器氯氣45℃，出鈦冷器溫度15℃，15℃時濕氯氣飽和水的水量為47.62 kg。冷凝下來的水為255.31 kg/h，其溶解的微量氯氣約為2.17 kg/h。

出鈦冷器氯氣組成：干基氯氣11073.98 kg/h，其他氣體187.5 kg/h，水分47.62 kg/h；

冷卻后的氯水組成：Cl22.17 kg/h，H2O 255.31 kg/h。

由上計算出濕氯氣含水為0.42%。

（5）出填料干燥塔氯氣含水

填料干燥塔進出塔硫酸濃度為進塔92%，出塔80%。出塔氯氣溫度12℃，92%硫酸循環(huán)量為240.5 kg/h，80%硫酸的流量為271.49 kg/h，則除水4.56 kg/h。

出填料干燥塔氯氣組成（因微量水溶解氯氣極微，所以氯氣總量視為不變）：干基氯氣11073.98 kg/h，其他氣體187.5 kg/h，水分16.63 kg/h；由上計算出80%硫酸為271.49 kg/h；氯氣含水為0.15%。

（6）出泡罩干燥塔氯氣含水

泡罩干燥塔進出塔硫酸濃度為進塔98%，出塔92%。出塔氯氣溫度12℃，98%硫酸流量18 kg/t，硫酸循環(huán)量為225 kg/h，92%硫酸流量為240.5 kg/h，則除水0.47 kg/h。

出填料干燥塔氯氣組成：干基氯氣11073.98 kg/h，其他氣體187.5 kg/h，水分1.13 kg/h；

由上計算出氯氣含水為0.01%；

92%硫酸為240.5 kg/h。

最終，氯氣中含水控制在100×10-6以下，滿足透平機氯氣含水標準。

氯氣及水平衡圖見圖2。

圖2 氯氣及水平衡圖

3 濕氯氣脫水干燥工藝改進

隨著企業(yè)發(fā)展，產(chǎn)能不斷增加，氯氣產(chǎn)量也隨之增加，但原有的管線管徑?jīng)]變，氯氣中的含水隨之升高。為將氯氣含水控制在指標內(nèi)，需要對工藝、設備進行優(yōu)化改進。將濕氯氣中的大量水分在除水工藝流程前半段截留下來是整個工藝改進重點，另外，對微量水的控制重點也是盡可能地在進填料塔利用硫酸干燥前將水分進一步降低，具體工藝流程如下。從電解槽出來的濕氯氣溫度較高（85℃左右），經(jīng)過陽極液槽氣液分離，除去氯氣中一部分水分。在輸送氯氣至氯氣洗滌塔之間增加一臺氯氣和一次鹽水熱交換設備，將高溫氯氣降溫至70℃左右，進一步去除氯氣中的大量水分，既能降低氯氣溫度又能夠提高一次鹽水的溫度，使用氯氣的熱量替代改造前一次鹽水升溫的蒸汽，減少了蒸汽用量，節(jié)約了能源。當氯氣進入洗滌塔時，由于氯氣量增大，洗滌降溫的氯水溫度難以下降，在一臺氯水換熱器基礎上并聯(lián)安裝一套氯水換熱器，使氯水換熱器的熱負荷減少一半，從而使氯水溫度滿足工藝要求。改進后的氯氣除水工藝流程圖見圖3。

圖3 改進后的氯氣除水工藝流程圖

當使用硫酸吸收氯氣中的微量水分時，會有少量硫酸隨著氯氣進入到后續(xù)工藝，為了滿足氯氣透平機對氯氣中含水、含酸的要求，采用酸霧捕集器過濾氯氣中的酸和雜質(zhì)，確保氯氣的質(zhì)量。

4 工藝改進后的氯氣含水物料平衡計算

（1）燒堿產(chǎn)能14萬t/a，氯氣產(chǎn)能12.425萬t/a，氯氣產(chǎn)量15531.25 kg/h（全年按8000 h計）。

（2）電解槽出口濕氯氣組成計算

電解槽出口濕氯氣溫度85℃。

濕氯氣組成：Cl215531.25 kg/h，H2O 6212.5 kg/h（按表1進行折算，以下同，1 kg Cl2中含水約400 g）；少量O2和N2（約為262.5 kg/h）。

計算出濕氯氣含水為28.2%。

（3）氯水鹽水換熱器后氯氣含水

氯水鹽水換熱器后濕氯氣溫度為70℃。

70℃時濕氯氣飽和水的水量為1738.1 kg，冷凝下來的水為4474.4 kg/h，其溶解的微量氯氣約為12.5 kg/h，冷卻后氯氣的量為15518.75 kg/h。

出塔氯氣、氯水組成：干基氯氣15518.75 kg/h，其他氣體262.5 kg/h、水分1738.1 kg/h；

冷卻后的氯水組成：Cl212.5kg/h，H2O4474.4kg/h。

計算出濕氯氣含水為9.9%。

（3）洗滌塔脫水前后氯氣含水

氯水洗滌塔氯氣出塔溫度為45℃。

45℃時濕氯氣飽和水的水量為424.28 kg，冷凝下來的水為1313.82 kg/h，其溶解的微量氯氣約為5.6 kg/h。冷卻后氯氣的量為15513.15 kg/h。

出塔氯氣、氯水組成：干基氯氣15513.15 kg/h，其他氣體262.5 kg/h，水分424.28 kg/h；

冷卻后的氯水組成：Cl25.6kg/h，H2O1313.82kg/h。

計算出濕氯氣含水為2.6%。

（5）出鈦冷器氯氣含水

進鈦冷器氯氣45℃，出鈦冷器溫度15℃，15℃時濕氯氣飽和水的水量為66.69 kg。冷凝下來的水為357.59 kg/h，其溶解的微量氯氣約為3.04 kg/h。

出鈦冷器氯氣、氯水組成：干基氯氣15510.11 kg/h，其他氣體262.5 kg/h，水分66.69 kg/h；

冷卻后的氯水組成：Cl23.04 kg/h，H2O 357.59 kg/h。

計算出濕氯氣含水為0.42%。

（6）出填料干燥塔氯氣含水

填料干燥塔進出塔硫酸濃度為進塔92%，出塔80%。出塔氯氣溫度12℃，92%硫酸用量為336.7 kg/h，除水43.41 kg/h。

出填料干燥塔氯氣組成：干基氯氣15510.11kg/h，其他氣體262.5 kg/h，水分23.28 kg/h；

計算出80%硫酸的量為380.11 kg/h；氯氣含水為0.15%。

（7）出泡罩干燥塔氯氣含水

泡罩干燥塔進出塔硫酸濃度：進塔98%，出塔92%。出塔氯氣溫度12℃，98%硫酸流量18 kg/t NaOH，98%硫酸流量為315 kg/h，則除水21.7 kg/h。

出填料干燥塔氯氣組成：干基氯氣，15510.11kg/h，其他氣體262.5 kg/h，水分1.58 kg/h；

計算出92%硫酸的量為336.7 kg/h；氯氣含水為0.01%。

最終，基本滿足正常工藝條件的情況下氯氣中含水控制在100×10-6以下。產(chǎn)能提高后的氯氣及水平衡圖見圖4。

圖4 產(chǎn)能提高后的氯氣及水平衡圖

5 進一步優(yōu)化工藝

通過計算，生產(chǎn)產(chǎn)能提高到14萬t/a燒堿時，氯氣除水系統(tǒng)負荷也會增加1.4倍，利用原有管線設備，當夏季高溫天氣時，循環(huán)水水溫較高導致氯氣除水系統(tǒng)溫度降不下來，氯氣中含水接近指標上限。

為此，需要在系統(tǒng)的局部進一步改進工藝，滿足洗滌塔氯水溫度指標（≤45℃），改進工藝如下。

（1）將氯水洗滌塔循環(huán)氯水溫度降溫，在原有1臺板式換熱器的基礎上，并聯(lián)安裝1臺板式換熱器，在夏季高溫時2臺并聯(lián)的換熱器同時開啟；冬季時或檢修時2臺只開1臺，另外1臺作為備用或者進行維修。

（2）硫酸的溫度是影響氯氣含水量的重要因素之一。硫酸溫度過高，則硫酸液體表面上的蒸汽分壓升高，壓差減少，干燥效率差，氯氣含水量升高。但硫酸的溫度也不能控制得太低，不同濃度的硫酸在下降到一定溫度時會產(chǎn)生結(jié)晶現(xiàn)象。98%硫酸在溫度為10℃時產(chǎn)生結(jié)晶，75%硫酸在0.1℃時會結(jié)晶。因此，一般情況下，稀硫酸冷卻溫度控制不應低于2℃，濃硫酸冷卻溫度不應低于10℃。

改進方法：自濃硫酸高位槽至泡罩干燥塔的濃硫酸管道增加一套冷卻裝置，采用板式換熱器，用泡罩塔第一層塔板低溫水與濃硫酸換熱，在濃硫酸管道上增加轉(zhuǎn)子流量計以控制硫酸加入量，確保氯中含水能夠滿足工藝指標。

（3）氯氣流量的高低也會影響氯氣含水量（干燥效率）。氯氣流量偏低時，會發(fā)生漏液，超出操作彈性范圍；氯氣流量偏高時，則會發(fā)生液泛及液沫夾帶，使操作出現(xiàn)異常，導致干燥效率下降，氯中含水量升高。當干燥塔空塔氣速在1.0～1.5 m/s時，越是接近1.5 m/s，氯中含水量將會越少。因此，控制空塔氣速在1.5～2.0 m/s為宜，能獲得較好的干燥效率。

6 結(jié)語

當生產(chǎn)線產(chǎn)能增加后，利用原有設備、管線會造成系統(tǒng)負荷增加、溫度升高，必須改進工藝、設備，才能滿足指標要求。通過氯氣、水分物料平衡圖可以看出，改進工藝的關鍵工序是降溫環(huán)節(jié)，即采用氯氣鹽水換熱器、氯水洗滌塔增加板換來降低氯氣溫度，以及進一步從濃硫酸換熱降溫、控制氯氣流量等環(huán)節(jié)入手，使得氯氣除水系統(tǒng)即使在夏季高溫時段也能滿足工藝指標，從而為生產(chǎn)線增加產(chǎn)能奠定扎實的基礎。