淡鹽水脫氯真空度提升及運行分析

康文國，張軍鋒，孫龍彬，方沛霖

（陜西北元化工集團股份有限公司，陜西 榆林719319）

陜西北元化工集團股份有限公司 （以下簡稱“北元化工”）化工分公司氯堿分廠脫氯裝置當(dāng)電解槽運行電流超過15 kA 時， 脫氯真空度在同等操作條件下有上升趨勢，特別是電流提至16 kA 以上時，真空度超標，且難以控制，崗位人員通過補加純水置換真空泵的工作液降低工作液溫度來維持真空度，不僅造成純水的浪費，且易導(dǎo)致淡鹽水游離氯超標，亞硫酸鈉消耗增加，給后序系統(tǒng)造成一系列的操作難度，現(xiàn)就真空度高的情況進行研究分析。

1 脫氯工藝流程[1]

由電解崗位陽極液泵送來的淡鹽水進入陽極液酸化罐中，經(jīng)加鹽酸調(diào)節(jié)pH 值為1.0～1.8，使淡鹽水中的部分次氯酸和溶解的氯氣解析出來進入氯氣總管，絕大部分淡鹽水進入脫氯塔，淡鹽水在脫氯塔中急劇沸騰， 鹽水中的游離氯經(jīng)冷卻至規(guī)定溫度（50 ℃）后被真空泵以-65 kPa 左右的抽力經(jīng)真空泵氯水冷卻器進一步冷卻分離后以0.01～0.10 MPa的壓力送到氯氣總管，冷凝水（氯水）排入陽極液罐。淡鹽水進入淡鹽水接收罐，在淡鹽水泵的入口處通過加入燒堿調(diào)節(jié)pH 值到規(guī)定值 （9.0～10.5）。 加入8%的亞硫酸鈉溶液除去剩余的游離氯，再經(jīng)淡鹽水泵送到一次鹽水工序。 另一部分未脫氯淡鹽水進入陽極液鹽酸混合器經(jīng)鹽酸調(diào)節(jié)pH 值為1 后進入氯酸鹽分解槽，隨著蒸汽的加入在高溫下使游離氯解析出來，氯氣送到氯氣總管，分解后的淡鹽水送入陽極液酸化罐中，加酸調(diào)節(jié)pH 值后進入陽極液槽，由陽極液泵送入脫氯塔進行脫氯。 脫氯工藝流程示意圖見圖1。

圖1 脫氯工藝流程圖

2 脫氯原理[2]

2.1 物理脫氯

氯氣在液相中的溶解量與氯氣在氣相中的分壓成正比。 當(dāng)氯氣在氣相中的分壓降低后，其在液相中的溶解量也將下降。 真空脫氯就是利用這一原理，在減壓條件下降低氯氣在氣相中的分壓，從而使氯氣在淡鹽水中脫析出來。

2.2 化學(xué)脫氯

化學(xué)脫氯是利用氯氣在鹽水中可逆平衡反應(yīng)，在系統(tǒng)中加入鹽酸，使得化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向進行。

Cl2+H2O?HClO+HCl

經(jīng)過以上兩種脫氯的淡鹽水中還含有HClO、H+和一小部分Cl2（溶解氯）， 加入NaOH 可使以HClO、ClO-形式存在的游離氯轉(zhuǎn)化為NaClO， 再用還原性的化學(xué)試劑Na2SO3加以去除。

HClO+NaOH=NaClO+H2O

NaClO+Na2SO3=Na2SO4+NaCl

Cl2+2NaOH+Na2SO3=Na2SO4+2NaCl+H2O

圖2氯在水中平衡與pH值的關(guān)系

在這3 種形式中只有Cl2是以氣體形式溶于水中，因此淡鹽水的pH 值應(yīng)小于1.8。 Na2SO3的加入量用氧化還原電位計監(jiān)測，正常ORP 值≤500 mV。氯在水中有3 種形式：Cl2、HClO、ClO-， 這取決于pH值。氯在水中平衡與pH 值的關(guān)系見圖2。

3 脫氯真空度超標導(dǎo)致的后果及原因分析

3.1 脫氯真空度超標導(dǎo)致的后果

淡鹽水脫氯真空度控制指標為-38～-30 kPa，超標后會導(dǎo)致：（1） 脫氯效果差， 淡鹽水含以HClO、ClO-形式存在的游離氯（指標要求為0），對后續(xù)裝置管道進行腐蝕；（2）亞硫酸鈉消耗增加；（3）真空泵負荷增加，純水消耗增加。

3.2 影響脫氯真空的因素

（1）主要原因為電解電流負荷高，導(dǎo)致整體淡鹽水流量大，淡鹽水溫度高，后續(xù)設(shè)備能力表現(xiàn)不足。

（2）次要原因為氯水換熱器換熱能力不足，原設(shè)計運行電流為14.5 kA（總負荷87 kA）時可滿足換熱要求，當(dāng)電流負荷提到16 kA（總負荷96 kA）時，導(dǎo)致指標超標，無法滿足換熱要求。

（3）真空泵及板換換熱能力不足，導(dǎo)致真空泵在高負荷情況下抽力不足。

4 現(xiàn)狀分析及核算

（1）真空度（式1）等于氣體中水蒸氣的分壓和氯氣分壓之和，因此需降低真空度時則需降低水蒸氣分壓或氯氣分壓。

（2）由理想氣體狀態(tài)方程式得知（式2），需降低氣體壓力時，當(dāng)其他參數(shù)不變，則必須使氣體溫度降低[3]。

（3）由顯熱法傳熱（式3）可知：

式中：Q—熱負荷，W；

qm熱、qm冷—熱、冷流體的質(zhì)量流量，kg/s；

c熱、c冷—熱、冷流體的平均定壓比熱容，J/（kg·℃）；

T1、T2—氯水進、出口溫度，℃；

t1、t2—循環(huán)水進、出口溫度，℃。

當(dāng)溫度差△T↑時，則對應(yīng)的熱負荷Q↑增大。

（4）由傳熱速率方程（式4）得知，為使Q 增大，可以選擇增大換熱面積A， 或者降低循環(huán)水溫度的方式實現(xiàn)。

式中：K—換熱系數(shù)；

A—換熱面積，m2；

△Tm—平均溫差，℃。

經(jīng)測量離子膜電解A 線氯水換熱器物料進口溫度為54.3 ℃， 出口溫度41.1 ℃。 循環(huán)水流量為0.0617 m3/s，循環(huán)水進口溫度為21.6 ℃，出口溫度為26.6 ℃，換熱面積為129.1 m2。 由于真空泵功率一定，其經(jīng)過氯水換熱器氣體質(zhì)量流量一定，則qm熱、c熱固定不變[3]。

由式（5）得知：

傳熱過程平均溫差計算公式如下：

通過循環(huán)水帶走的熱量用公式（6）、（7）可計算出

根據(jù)現(xiàn)場操作經(jīng)驗和實際數(shù)據(jù)檢測得知，當(dāng)真空泵進口溫度為40 ℃左右時， 才能滿足指標要求。當(dāng)電解槽電流負荷提升至16.5 kA 后， 槽溫可升至85～88 ℃，脫氯塔氯氣溫度最高為80 ℃（夏季）。

則提升負荷后，按照脫氯塔氯氣最高溫度80 ℃計算，帶入公式（5）計算得知：

按照公式（7）計算得知△Tm提=19.88（℃）

則A提=1.288， 提負荷后氯水換熱器換熱面積為166 m2時能夠滿足工藝需求，或根據(jù)以上公式計算將循環(huán)水溫差提高到15 ℃，即降低循環(huán)水溫度即可實現(xiàn)。

5 改進措施

通過章節(jié)4 的核算結(jié)果得知，增大氯水換熱器換熱面積則可提升真空度的運行。 現(xiàn)有氯水換熱器換熱面積為129.1 m2， 另新增一臺同樣換熱面積的氯水換熱器，并聯(lián)安裝并入系統(tǒng)，現(xiàn)運行穩(wěn)定，解決了真空度超標的問題，確保系統(tǒng)在高負荷運行情況下的穩(wěn)定性。