韦其兴（广西柳化氯碱有限公司，广西柳州545600）

氯气处理工艺方案的比较及优化

韦其兴（广西柳化氯碱有限公司，广西柳州545600）

通过对不同的高温湿氯气处理（除水分、除杂、干燥和压缩）工艺方案的比较分析，阐明了氯气处理采用优化工艺方案的优越性。

氯气；冷却；干燥；压缩

氯气处理是电解槽稳定操作，安全生产的重要环节。从电解槽出来的湿氯气温度较高（约90℃），并伴有大量的水蒸气及夹带盐雾等杂质。湿氯气对钢材及大多数金属有强烈的腐蚀作用，生产及输送极不方便，但干燥氯气对钢材等常用材料的腐蚀在通常条件下是较小的。氯气处理工序的主要任务是将高温湿氯气进行冷却、干燥和加压输送。

1 氯气处理的基本原理

饱和湿氯气中水蒸气含量与温度有密切联系，温度每下降10℃，湿氯气含水蒸气量降低近一半，例如90℃时水蒸气含量为571 g/kg湿氯气，80℃时则为219 g/kg，10℃时水蒸气含量仅为3.1 g/kg，只相当为90℃时的1/184。由此可见，湿氯气首先需进行冷却，这不仅可除去湿氯气中99.5%左右的水蒸气，而且可大大降低后面硫酸干燥的负荷，减少硫酸与水反应生成的热量，大幅降低硫酸的单耗。

干燥氯气的干燥剂是浓硫酸，浓硫酸具有较高的脱水效率、不与氯气反应、氯气在其中的溶解度低、对钢铁设备和管道腐蚀小、稀硫酸可回收利用及硫酸价廉、易得等优点。氯气的干燥是以硫酸与湿氯气接触后，氯气中的水分被硫酸吸收而实现的。吸收过程是水分以扩散作用从气相转移到液相硫酸中的过程。这个过程的推动力决定于气膜扩散的速率，而被处理气体—氯气中的水含量决定于硫酸水溶液面上方的水蒸气分压。当温度一定时，硫酸浓度愈高，水蒸气分压愈低，而硫酸浓度一定时，温度降低，则水蒸气分压随之降低，从而加大了传质过程的推动力。所以，在操作中选择适当的硫酸浓度和操作温度，会提高氯气干燥效果，并可降低硫酸的消耗。

2 湿氯气冷却工艺过程

氯气冷却可分为直接冷却、间接冷却和直接间接冷却流程。

2.1 直接冷却流程

直接冷却流程是以工业水在填料塔或空塔内直接喷淋洗涤氯气，以降低湿氯气的温度。因水与氯气直接接触传热，冷却水吸收氯气后形成氯水，氯水经蒸汽加热或真空脱氯，部分氯气得以回收，或采用空气吹除氯气用碱吸收制次氯酸钠。直接冷却流程的优点是可以洗除部分盐雾及其他有机油污等杂质。但所形成的氯水若进行蒸汽加热脱氯，则将消耗大量蒸汽；而且使用的冷却水必须不含有铵盐，否则易生成NCl3，它在液氯中积累有发生爆炸的可能，直接冷却流程见图1。

图1 湿氯气直接冷却流程

2.2 间接冷却流程

湿氯气经第1钛管冷却器以工业水冷却至＜40℃后，再进入第2钛冷却器以冷冻盐水或冷冻水冷却至12~15℃，然后经除雾器去除水雾后进入干燥塔。间接冷却法流程简单，氯水废液少，处理方便，氯气损失少，缺点是氯气中的一些杂质不易洗净，氯气中含较多盐雾及杂质，影响后面工序如除水雾及干燥的效率。湿氯气间接冷却流程见图2。

图2 湿氯气间接冷却流程

2.3 直接间接冷却流程

湿氯气经氯水洗涤塔以36℃氯水喷洗后，出口温度为40℃，再进入第2钛冷却器以冷冻盐水或冷冻水冷却至12~15℃，然后，经除雾器去除水雾后进入干燥塔。氯水洗涤塔底的氯水经氯水泵输送至氯水热交换器以工业水冷却后，进入氯水洗涤塔顶循环喷洗冷却进塔湿氯气，洗涤塔底部分氯水（氯中冷凝液）送去真空脱氯回收部分氯气。直接间接冷却流程兼有以上2种流程的优点，既能洗涤氯气，又不增加废液（除氯中冷凝液外），不多消耗氯气，这种流程更适合于离子膜电解配套有真空脱氯的装置，湿氯气直接间接冷却流程见图3。

图3 湿氯气直接间接冷却流程

3 氯气干燥工艺过程

氯气干燥大致可分为2大类，即采用填料塔的多塔制流程和强化组合塔流程。

3.1 填料塔干燥流程

一般有3塔串联和4塔串联2种。4塔串联的干燥氯气的含水量和硫酸单耗可更低些，但投资及动力费用等比3塔串联高。

图4 填料塔干燥流程图

如图4所示，湿氯气冷却后进入第1干燥塔底,通过填料层与75%硫酸逆流接触，除去部分水后，经除雾器除酸雾，进入第2干燥塔底，在填料层与比第1干燥塔略浓的硫酸逆流接触，再除去部分水分后进入第3干燥塔底，在填料层与浓硫酸逆流接触，又除去部分水分，再经除雾器除酸雾后去氯气压缩机。96%硫酸进入第3干燥塔底，再用泵输送经冷却器入塔顶喷淋，吸水后流至塔底，塔底多余的硫酸溢流进入第2干燥塔底，用泵输送经冷却器入第2干燥塔顶喷淋，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，用泵输送经冷却器入一塔塔顶喷淋，吸水后流至塔底，塔底多余的稀硫酸溢流至废硫酸储槽。

3.2 强化塔型的组合塔干燥流程

强化塔有泡沫塔、泡罩塔等形式，并有在塔底设置填料塔或喷雾塔的混合塔组。这些塔操作的空塔速度一般是填料塔的一倍左右，而强化塔与填料塔的体积之比却为1∶12~1∶20，两者体积相差甚大。在填料塔内，需用48 s完成的干燥操作，在强化塔内只需数秒即可完成，可见强化塔的优越性。

如图5所示，冷却后的湿氯气进入组合塔底部，通过填料层与循环喷淋稀硫酸逆流接触，除去大部分水分后，继续往上通过5层泡罩塔板与浓硫酸逆流接触，又除去部分水分后从塔顶排出，经除雾器除酸雾后去氯气透平压缩机。95~98%硫酸由硫酸高位槽进入到干燥塔顶部的泡罩塔板上，并经降液管逐级溢流而下吸收氯气中的微量水分后，汇集到填料层的循环酸中继续吸收水分，最后流到塔底。塔板上设有冷却盘管，通冷却水移走硫酸在吸收水分时产生的热量,塔底的循环酸用泵输送经冷却器冷却后入干燥塔的填料层，循环吸收氯气中的水分，塔底多余的稀硫酸输送到罐区。

图5 组合干燥塔流程图

3.3 氯气干燥流程评述

填料塔流程的操作平稳，弹性较大，特别是在刚开车氯气流量小时，它几乎同满负荷操作一样，能达到对水分要求的指标。泡沫塔流程在氯气负荷过小时，水分达不到要求的指标，因此，在操作中不得不开启回路管线，使一部分氯气由压缩机出口再回流至干燥塔进口或电解槽氯气总管。

填料塔占地面积大、投资多，虽然平时操作方便，但大修时清理检修条件极差，即费工又费时。泡沫塔和泡罩塔设备小，产量大、投资省、占地少、易操作、易清理，并且动转稳定，维护方便，但阻力降较填料塔大，增加氯气压缩机的动力消耗。

干燥用3或4塔串联的填料塔，各塔的硫酸操作浓度不同，各自循环冷却喷淋，倒酸靠溢流或泵输送，因此，只需控制硫酸的浓度及冷却后的温度就可以直接得到氯气干燥效果。日本与中国小型厂多数采用此法，中国大型厂多采用泡沫塔或组合塔，干燥过程是在泡沫塔（或泡罩塔）中用不同浓度的硫酸进行操作，填料塔可以大流量硫酸循环、冷却、硫酸稀释时放出的热量能及时移出，使硫酸上方水蒸气压降低，有利于降低硫酸的消耗及提高干燥效果。

4 氯气的压缩输送

氯气的压缩输送可采用单级鼓风机，液环式压缩机，往复式压缩机、透平机或螺杆压缩机等。氯碱厂常用的是纳氏泵和透平压缩机2种。

4.1 纳氏泵系统

纳氏泵流程的最大特点是利用硫酸进行冷却循环，以排除氯气受压时产生的热量。因纳氏泵工作压力不高，压缩产生的热量大部分被硫酸带走，而硫酸又有冷却器进行冷却，一般氯气出口温度不超过80℃，对碳钢材质的使用是安全的，所以，纳氏泵流程中不设氯气冷却器。纳氏泵压缩流程如图6所示，干燥氯气进入纳氏泵，压缩至0.15~0.30 MPa(表压),并依次经过硫酸分离器、硫酸除雾器，将夹带的硫酸及酸雾分离掉，然后送往各需氯部门。98%硫酸经硫酸高位槽在启动泵前由其进口加到纳氏泵中，泵启动后，硫酸随氯气一起压出进入硫酸分离器，在分离器内，硫酸与氯气分离，然后在硫酸冷却器中进行冷却，经冷却的硫酸返回纳氏泵入口。

图6 纳氏泵压缩流程示意图

在纳氏泵中，要求硫酸中的H2SO4质量分数为92%以上，以减少泵在高温下的腐蚀。由于氯气经干燥塔后尚含少量水，在泵内部分被硫酸吸收，硫酸浓度会降低，需要用98%硫酸取代被稀释了的泵内硫酸。

4.2 透平压缩机系统

透平压缩机是一种具有蜗轮的离心式压缩机，借叶轮高速旋转产生的离心力使气体压缩，其作用与液体输送所用的离心泵或离心式风机相似。因为气体的压缩消耗机械能并转化为热能，所以，在透平机的每一段压缩比不能过大，并在级间设有中间冷却器以移去热量，使气体体积减小，以利于压缩过程的逐级进行。如图7所示,含水＜100×10-6，不含盐雾、硫酸液滴、有机杂质，含氯约95%（体积分数）的干燥氯气，压力不低于0.085 MPa（绝压），进入氯气透平压缩机一级入口，经一级叶轮压缩后，氯气进入中间冷却器，冷却后，氯气进入压缩机二级入口，经二级叶轮压缩后，再由后冷却器冷却，出后冷却器的氯气压力达到0.17 MPa（表压）左右，通过分配台至各用氯工段。为防止压缩机发生喘振及倒吸现象，将压缩后的部分氯气回流到压缩机一级入口或干燥塔进口，以保证氯气连续压送,也可以通过调节回流量来控制干燥塔进口或氯气总管的压力。

图7 透平压缩机流程示意图

透平压缩机还配有润湿油、密封气、仪表、电气等系统。透平压缩机主机的前后轴承和增速器采用润湿油无间断地润湿，以保证机组安全正常运行；密封气（干燥空气或氮气）由空压站提供，供透平压缩机的密封腔和隔离腔密封充气用，以防止氯气自缸内溢出，污染环境或污染润滑油；仪表系统主要是全面监测压缩机轴承温度、进出口和各级之间氯气温度、压力值，掌握压缩机及中间冷却器运转情况，自动调节压缩机出口至进口氯气回流量,以稳定氯气干燥系统的压力以及压缩机可能发生喘振，提供密封所需压力平稳的密封气；用轴位移指示仪指示压缩机轴承纵向位移值。

4.3 氯气压缩机的比较

纳氏泵是中小型氯碱厂最为常用的氯气压缩机，其优点是结构简单，强度大又实用，但效率不高。另外，它不但压缩氯气还输送浓硫酸，因而，消耗功率高。又由于用硫酸作介质，酸雾较多，会污染液化器和液氯。

透平压缩机是大型氯碱厂最为适宜的氯气输送设备，其能耗低，按每年10万t氢氧化钠规模,透平压缩机比纳氏泵每年可节电400 kW·h以上。它的检修周期长，一般在1 a以上，运行费用也低。但因为在压缩过程中氯气温度较高，机械精度也比较高，所以，对氯气含水及其他杂质的含量要求相应提高，一般要求氯气含水量在100×10-6以下，还要有高效的除沫器等装置。

5 结束语

广西柳化氯碱有限公司的烧碱项目一期工程年产10万t烧碱和10万t PVC于2010年初开车成功，并顺利投产。烧碱生产采用离子膜电解工艺技术，并配套有真空脱氯装置。氯气处理采用直接和间接兼有的冷却流程，洗涤冷却氯气所产生的氯水送往电解脱氯，氯气干燥采用填料+泡罩组合塔，采用美国孟莫克除雾器除水雾和酸雾，氯气压缩采用德国西门子（原德国KK&K公司）透平机。生产装置按照高效、节能、安全、环保及高质量的要求进行设计，体现了技术水平先进，原料消耗低，产品质量好。

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