氯氣處理單元氯氣洗滌塔塔徑的優(yōu)化

徐 華，吳崎兵

（上海華誼工程有限公司，上海200235）

隨著氯氣下游產(chǎn)業(yè)鏈的不斷延伸，氯堿工業(yè)又迎來了新的發(fā)展機(jī)遇，也因此對氯堿裝置的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。 與鹽水精制、電解等單元均成套采用成熟的引進(jìn)工藝不同，氯氣處理等單元需要進(jìn)行獨(dú)立的工程設(shè)計(jì)，因此，氯氣處理單元的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算在大型離子膜燒堿生產(chǎn)裝置的工藝設(shè)計(jì)中舉足輕重。

在確保氯氣處理單元穩(wěn)定運(yùn)行的前提下， 合理優(yōu)化氯氣洗滌塔等關(guān)鍵設(shè)備的尺寸，降低操作成本，節(jié)省設(shè)備投資是工藝設(shè)計(jì)人員的重要任務(wù)。

1 國內(nèi)氯氣洗滌塔塔徑現(xiàn)狀

氯氣洗滌塔是氯氣直接冷卻的裝置， 用冷卻后的含氯洗滌液直接與來自電解槽陽極室的高溫濕氯氣接觸，使其降溫冷卻，并洗滌除去濕氯氣中夾帶的鹽份，在氣液相間進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)作業(yè)。 氣相濕氯氣經(jīng)過氯氣洗滌塔直接冷卻后， 氯氣溫度和濕度大幅降低，以此節(jié)省后續(xù)干燥流程中濃硫酸的消耗量。目前， 國內(nèi)部分運(yùn)行或在建燒堿裝置中氯氣洗滌塔的塔徑見表1。

表1 國內(nèi)燒堿裝置氯氣洗滌塔塔徑

按燒堿裝置理論氯氣生成量和飽和水蒸氣含量折算，表1 中各裝置氯氣洗滌塔的空塔氣速僅為0.5～0.6 m/s，而同類填料水洗塔的推薦氣速約1 m/s[1]。因此，國內(nèi)部分氯氣洗滌塔的塔徑偏大，存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

2 氯氣洗滌塔塔徑優(yōu)化基礎(chǔ)

2.1 濕氯氣工藝條件

世界領(lǐng)先的離子膜燒堿裝置工藝參數(shù)各有不同，以日本旭化成公司的電解槽為例，當(dāng)裝置建于低海拔地區(qū)時(shí)， 氯氣洗滌塔進(jìn)口處濕氯氣的溫度為85 ℃，壓力約為120 kPa，氯氣體積分?jǐn)?shù)約為51.8%，其余為飽和水蒸氣分壓，操作彈性上限取110%。

2.2 填料方案

填料的尺寸、 比表面積和空隙率等參數(shù)對填料塔的壓降和氣液分布性能影響較大。 填料尺寸越小，氣液接觸越充分，但阻力增大，通量變小，填料費(fèi)用也將相應(yīng)增加。 因此，綜合考慮介質(zhì)特性和造價(jià)等因素，可選用DN80 CPVC 階梯環(huán)，其比表面積為89.95 m2/m3，濕填料因子為72/m[2]。 填料高度一般為兩段式各為3 m。

2.3 液相負(fù)荷

氯氣洗滌塔的液相負(fù)荷由洗滌液需移走的熱量和洗滌液進(jìn)出口溫差所確定， 為保證填料充分潤濕， 液相負(fù)荷還需要滿足填料的最低潤濕率，DN80 CPVC 階梯環(huán)的最低潤濕率為0.12 m3/（m·h）[1]。 經(jīng)實(shí)際工業(yè)裝置驗(yàn)證，洗滌液溫升設(shè)定為20 ℃，由此可確定，液氣相體積比為1.00∶0.01。

2.4 泛點(diǎn)氣速關(guān)聯(lián)方法

泛點(diǎn)氣速是確定填料塔直接的基本依據(jù)，是操作氣速的上限。 ?？颂乜偨Y(jié)的通用泛點(diǎn)氣速關(guān)聯(lián)圖較為可靠，適用于亂堆的3in 階梯環(huán)填料的泛點(diǎn)計(jì)算。

在缺乏成熟可靠的填料塔水力學(xué)計(jì)算軟件時(shí)，進(jìn)行填料塔設(shè)計(jì)，一般均先計(jì)算泛點(diǎn)速度，然后乘以負(fù)荷系數(shù)（通常為0.6～0.8）作為適宜的操作速度，以確保填料塔正常操作[3]。 氯-水體系不易起泡、液相黏度小、氣液相密度差大，負(fù)荷系數(shù)可取0.7。

2.5 經(jīng)濟(jì)氣速

除泛點(diǎn)氣速外， 還需要從經(jīng)濟(jì)因素的角度考慮塔的操作氣速。 操作氣速越小，塔徑越大，則塔的造價(jià)和折舊費(fèi)等固定費(fèi)用越高；但由于壓降較小，動(dòng)力費(fèi)用較低。 因此，總操作成本存在一個(gè)最小值，而相應(yīng)的操作氣速即為經(jīng)濟(jì)氣速。DN80 CPVC 階梯環(huán)的經(jīng)濟(jì)氣速范圍為0.7～1.2 m/s[1]。 近年來，氯氣洗滌塔逐漸轉(zhuǎn)向全鈦化[4]，一次投資在總操作成本中的比重增大，氣速宜適當(dāng)提高。

3 氯氣洗滌塔塔徑核算

根據(jù)上述優(yōu)化基礎(chǔ)， 按照現(xiàn)階段國內(nèi)大型離子膜燒堿生產(chǎn)裝置的通用規(guī)模， 分別核算年產(chǎn)10 萬t、15 萬t、20 萬t和30 萬t燒堿裝置所配套的氯氣洗滌塔塔徑，結(jié)果見表2。 由于最大氣相負(fù)荷出現(xiàn)在填料塔的底部，因此，表2 中所示結(jié)果是對應(yīng)填料床層最底部的計(jì)算結(jié)果。

表2 氯氣洗滌塔塔徑核算

分析表2 可知， 實(shí)際氣速小于泛點(diǎn)氣速的0.7 m/s， 表明按相應(yīng)圓整塔徑設(shè)計(jì)的氯氣洗滌塔在生產(chǎn)負(fù)荷提高或上游原料小幅波動(dòng)的情況下，仍能平穩(wěn)運(yùn)行。 由實(shí)際氣速均在所選填料的經(jīng)濟(jì)氣速范圍內(nèi)可知， 所設(shè)計(jì)的氯氣洗滌塔的總操作成本較低，經(jīng)濟(jì)性合理。

圖1 為Glitsch 的3in CPVC 階梯環(huán)實(shí)測性能曲線。 當(dāng)噴淋密度為45 m3/（m2·h）時(shí)，泛點(diǎn)處的動(dòng)能因子約為2.7，因此，表2 的操作工況是較為穩(wěn)定的。

綜合以上分析可知， 按表2 中參數(shù)所設(shè)計(jì)的氯氣洗滌塔的可靠性和經(jīng)濟(jì)性明顯。 而進(jìn)一步比較表1 和表2 可知， 同等規(guī)格的氯氣洗滌塔塔徑可以比已建裝置減少25%以上， 有效節(jié)省設(shè)備投資，提高企業(yè)競爭力。

表3 進(jìn)一步根據(jù)已建裝置氯氣洗滌塔的尺寸核算了其所能達(dá)到的最大處理量。

表3 已建氯氣洗滌塔擴(kuò)能空間

計(jì)算結(jié)果表明， 已建裝置的實(shí)際氣速低于經(jīng)濟(jì)氣速，且始終在較低的負(fù)荷下運(yùn)行。雖然能完成對濕氯氣降溫減濕的任務(wù)，但裝置經(jīng)濟(jì)性差，當(dāng)燒堿裝置擴(kuò)產(chǎn)時(shí)， 可按表3 中的最大處理量來確定氯氣洗滌塔是否需要擴(kuò)徑改造。

4 分析與建議

4.1 塔徑偏大原因剖析

表2 和表3 的計(jì)算結(jié)果證實(shí)了國內(nèi)設(shè)計(jì)的大部分氯氣洗滌塔均存在塔徑偏大的問題。 造成理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際裝置有較大偏差的原因可以歸結(jié)如下。

（1）上游濕氯氣原料的波動(dòng)過大。早期燒堿裝置對鹽水精制質(zhì)量不夠重視， 過多的雜質(zhì)附著在離子膜上， 造成生產(chǎn)過程中離子膜電解槽頻繁大幅度波動(dòng)， 使得氯氣洗滌塔的瞬時(shí)處理量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常處理量， 因此， 為確保裝置在最苛刻的條件下仍能運(yùn)行， 氯氣洗滌塔被迫留有足夠的余量。 而設(shè)計(jì)人員偏于保守，在缺乏先例和可靠試驗(yàn)的情況下，不愿過多修改前人的設(shè)計(jì)， 尤其是已能穩(wěn)定運(yùn)行的工藝裝置的設(shè)計(jì)， 使得低操作氣速的觀念在氯氣洗滌塔設(shè)計(jì)中逐漸形成了一種共識(shí)， 大直徑的氯氣洗滌塔因此被不斷復(fù)制。

但隨著鹽水精制質(zhì)量、 離子膜性能的不斷增強(qiáng)，以及控制水平的日益提升，現(xiàn)在的大型離子膜電解槽生產(chǎn)情況已十分平穩(wěn)， 因此無須再考慮該因素。

（2）企業(yè)考慮了今后擴(kuò)充產(chǎn)能的需求，從節(jié)省總投資的角度， 將2 套電解單元對應(yīng)1 套氯氣處理單元。 因此，在二期裝置建成前，氯氣洗滌塔先低負(fù)荷運(yùn)行， 也短暫造成了氯氣洗滌塔實(shí)際所需塔徑大于理論計(jì)算結(jié)果的“假象”。

4.2 實(shí)施建議

綜合以上分析和計(jì)算可知，造成目前國內(nèi)氯氣洗滌塔塔徑偏離理論值的原因多為主觀因素，且泛點(diǎn)氣速的關(guān)聯(lián)方法已較為成熟、可靠，在實(shí)踐中得到了充分驗(yàn)證。 因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該本著仔細(xì)核算和大膽嘗試的態(tài)度， 對氯氣洗滌塔塔徑進(jìn)行合理優(yōu)化。

對于新建裝置，應(yīng)避免再次機(jī)械復(fù)制現(xiàn)有裝置，建議根據(jù)核算結(jié)果， 以等差數(shù)列的形式逐漸減小塔徑，并根據(jù)優(yōu)化后氯氣洗滌塔的實(shí)際運(yùn)行情況，及時(shí)修正參數(shù)，直至趨近表2 所列的優(yōu)化目標(biāo)。

對于已建裝置， 除本身已考慮余量產(chǎn)能的企業(yè)外，可以根據(jù)市場情況，適當(dāng)增加電解槽中的離子膜數(shù)量，充分利用已建氯氣洗滌塔的最大處理量，提高企業(yè)產(chǎn)量。

［1］馮伯華，等．化學(xué)工程手冊．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1989．

［2］吳德榮，等．化工工藝設(shè)計(jì)手冊．第四版．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009．

［3］蔣維鈞，等．化工原理．第二版．北京：清華大學(xué)出版社，2003年．

［4］邢卓．氯氣洗滌塔的制造．化工設(shè)備與管道，2004，41（5）54－56．