氯碱生产氯气干燥工艺研究

2014-08-15严成武

科技视界 2014年29期

严成武仲霞

（江苏成达化工工程设计有限公司，江苏淮安 223003）

0 引言

氯碱工业作为基础化工原料，产品广泛应用于国民经济各个部门，经过几十年的发展，已经有了较为雄厚的基础。近年来在企业做大做强思想指导下，振兴东北老工业基地及西部开发战略实施及大量下游氯产品民营企业投资氯碱行业，将在国内引起又一次氯碱建设和发展高潮。

由于电解生成的氯气含有大量的水蒸气，很容易生产盐酸和次氯酸。而次氯酸又很不稳定，容易分解生成盐酸和初生态氧。次氯酸还会分解：

HClO→H++ClO-

次氯酸，次氯酸根，初生态氧的强烈氧化作用，再加上盐酸的作用，使湿氯气具有较强的腐蚀性。因此，必须设法尽量将氯气的多余水分移去，一般氯中含水在0.04%～0.06%以下，后序耗氯工段一般需要99.9%以上的氯气，因此，电解出来的氯气必须经过干燥以去除杂质。

1 氯气干燥机理

用硫酸来干燥氯气，可以理解为传质的单元操作—吸收过程（其中也伴随着传热过程）。氯气中的水蒸气和硫酸一定条件下接触，而使水蒸气溶解于硫酸中的操作称为吸收操作，能溶解于硫酸中的水蒸气称为吸收质，所用的硫酸称为吸收剂，不能溶解的氯气叫做惰性气体。

吸收过程主要是被吸收的水从气相—氯气中的水蒸气转移到液相—硫酸中去的扩散过程，也称为传质过程。硫酸对水分的吸收不伴有显著的化学反应，可以看作为单纯的物理过程。

氯气的冷却：

根据对氯气冷却的方式不同，可分为直接冷却，间接冷却和氯水循环冷却三种流程。

1）直接冷却流程

从电解槽出来的湿氯气通过耐腐蚀管道输到氯气处理的工序，沿途散热降温，进冷却塔时约80℃左右冷却塔内。氯气自下而上与由上往下的冷却水直接喷淋接触，将氯气冷却到20℃左右，由顶部导出。由于氯气微溶于水，所以从冷却塔排出的污水中含有氯气。

2）间接冷却流程

从电解来的湿氯气进入钛（或玻璃）冷却器，与冷却水进行热交换后，氯气被冷却到15～20℃。在水温较高的情况下，为了获得较低温度的氯气，可以采用两段冷却。第一段用生产上水将氯气冷却至40℃左右；第二段用5～10℃的冷冻水将氯气冷却到15℃左右。

3）氯水循环冷却流程

这种流程是氯水用水直接冷却，冷却后的氯水进入氯水槽经间接冷却后，在系统里循环使用。定期排出的氯水去脱氯塔脱氯后排往下水道。此流程具有前两种流程优点：冷却效率高，操作费用于大大低于直接冷却法，而稍高于间接冷却法，投资比前者高而稍低于后者。

4）闭路循环氯水直接冷却流程

这是目前最常用的方案，湿氯气在第一冷却塔内温室的氯水喷淋，使氯气温度冷却至40℃左右，在进入第二冷却塔，在冷冻的氯水喷淋冷却，使氯气继续冷却至10℃左右。第二冷却塔塔底的部分氯水，由泵进入热交换器，经冷冻盐水冷却后循环使用，多余的氯水则进入第一冷却塔的底部，第一冷却内的氯水，经泵送至热交换器经工业上水冷却后循环使用，多余氯水则溢出另行处理。

2 氯气干燥工艺

在湿氯气经过冷却除沫之后，气流中所含的水蒸汽含量已经减少到不足2%。依据“先冷却、后干燥”的工艺原理，干燥脱水是氯气处理的主要单元操作，也是氯气处理工艺成功的关键。干燥脱水采用成熟的 H2O—H2SO4系统的气体吸收传质操作方式，是采用气、液相在一个或若干个容器中，气相所含的水蒸汽与不同浓度的硫酸溶液互相接触，来完成气相中的水蒸汽被硫酸所吸收的脱水任务。干燥脱水后，气相最终的含水分量往往取决于最后一个接触容器中硫酸液面上的水蒸汽分压，就是说取决于进入最后一个传质吸收容器的干燥剂硫酸的浓度和温度，才能使氯气中含水分量达到工艺要求。经过干燥脱水氯气中的最终含水分0.01%以下。

纵观干燥脱水流程，大致可以分成两大类，即以填料塔为主的多台干燥塔串接流程和强化型的板式塔流程。下面详细介绍这两类流程：

2.1 强化型板式塔流程

强化型的板式塔完全克服了传统泡沫塔的缺点，使其在先进的干燥脱水技术中占据一席之地。强化型的板式塔（下称“强化塔”）与填料塔的容积之比为1∶12～20，两者的体积相差甚大；而气流的“空塔速度”却是填料塔的1倍左右，在填料塔中需要48秒钟完成的干燥操作，在强化塔内只需数秒钟即可完成，这就是强化塔的优点。另外，在强制硫酸干燥的循环上加大了力度：由传统的硫酸“小液流”改成“大液流”、由硫酸自上而下“内溢流”改成硫酸的“外溢流”、由硫酸上进下出不循环改为上下两段硫酸大循环、由传统的“小液气比”改成“大液气比”、由传统的绝热干燥吸收改为等温干燥吸收。

2.2 多台干燥塔串接

常见的多台干燥塔串接流程，一般有数台填料干燥塔串接流程或填料塔与板式塔的组合型双塔流程。

三台或四台填料塔串联在一起对氯气进行干燥脱水，应该说冷却后的湿氯气分别经历多台填料塔的不同浓度硫酸溶液的传质吸收，出填料塔组合的氯气含水分可以降低到15ppm以下。而不同浓度的硫酸重复在前一个塔中循环使用，因此硫酸的单耗十分低。

采取填料塔与板式塔双塔组合对氯气进行干燥脱水，其优点在于：操作互补性强，充分发挥这两种不同类型的干燥设备优点。操作平稳，氯气处理量大；尤其适用于大流量氯气进行干燥脱水的要求。

采取填料干燥塔组对氯气进行干燥脱水，其优点在于：操作平稳简单、操作弹性较大、生产管理方便；对于气相流量并没有要求，尤其适用于低流量的氯气进行干燥作业，其干燥效果不随气体流量负荷的变化而变化。这样就特别适应电解负荷经常波动（西部地区）、频繁实施开停车作业的要求。

2.2.1 填料塔特点

填料塔为连续接触式的气、液传质设备。填料塔与板式塔相比，不仅结构简单，而且具有生产能力大、分离效率高、持液量小、操作弹性大、压强降低等特点。通过填料材质的选择，可处理腐蚀性的物料。尤其对于压强降较低的真空精馏操作，填料塔更显示出其优越性。但是，填料塔的造价通常高于板式塔，对于含有悬浮物的料液，易聚合的物系则不能适用。而且对于有侧线出料的场合等也不大适宜。

2.2.2 填料选择

在填料塔内，气体由填料间的空隙流过，液体在填料表面形成的液膜并沿填料间的空隙而下流。气、液两相间的传质过程在润湿的填料表面上进行。因此，填料塔的生产能力和传质速率均与填料特性密切相关。

填料性能的优劣通常根据通量、效率及压降三要素来衡量。表示填料性能的几何参数有以下三项：（1）比表面积；（2）空隙率；（3）填料因子。

在选择填料时，一般要求比表面积及空隙率要大，填料的润湿性能好，单位体积填料的质量轻，造价低，并有足够的力学强度。填料的种类很多，大致可分为实体填料与网体填料两大类。实体填料有环形填料和鞍形填料以及栅板、波纹板填料。网体填料主要是由金属丝网制成的各种填料。