兩種氯氣處理工藝對(duì)比

陳勇江 ，郭占明，顧濤

(新疆圣雄氯堿有限公司，新疆 吐魯番 830024)

在化工生產(chǎn)工藝中，氯氣作為一種重要的化工中間體倍受青睞，主要是依靠氯堿生產(chǎn)工藝中的電解槽電解飽和食鹽水制取[1]。從電解槽出來的濕氯氣溫度在85～90 ℃，含有飽和水蒸氣及水蒸氣中夾帶的鹽霧等雜質(zhì)。氯氣中夾帶的水分及鹽分對(duì)大多數(shù)金屬有強(qiáng)烈的化學(xué)腐蝕與電化腐蝕，給氯氣的壓縮及輸送帶來極大的困難，因?yàn)樵诤笮蚬に囍?，為了提高氯氣純度及減少氣體中的雜質(zhì)，都會(huì)采取一系列工藝措施對(duì)濕氯氣進(jìn)行處理。氯氣處理工序的主要任務(wù)是將高溫濕氯氣進(jìn)行冷卻、干燥和加壓輸送。筆者就新疆圣雄氯堿有限公司(以下簡(jiǎn)稱“圣雄氯堿”)19萬(wàn)t/a離子膜法燒堿對(duì)應(yīng)的氯氣處理裝置的運(yùn)行情況進(jìn)行分析。

1 工藝介紹

1.1 減少氯氣水含量的先決條件

從克拉伯龍方程式PV=nRT可得知，氣體中飽和水蒸氣的含量及氣體的體積大小，均與氣體的溫度有直接關(guān)系。為了減少濕氯氣中飽和水蒸氣的含量及縮小氣體的體積利于輸送，通常給氣體降溫是一種直接有效的措施[2]。

氯中含水量在100 kPa下的Txy圖如圖1所示，氯中含水系統(tǒng)的PT圖如圖2所示。

圖1 氯中含水量在100 kPa下的Txy圖Fig.1 Txy chart of water content ofchlorine at 100 kPa pressure

圖2 H2O/Cl2系統(tǒng)的PT圖Fig.2 PT chart of H2O/Cl2 system

由水和氯氣的Txy圖和PT圖可知：飽和濕氯氣中水蒸氣含量與溫度有密切聯(lián)系。從圖1可知：溫度每下降10 ℃，濕氯氣含水蒸氣量降低約一半，例如90 ℃時(shí)水蒸氣含量為570 g/(kg·濕氯氣)，80 ℃時(shí)則為220 g/kg，10 ℃時(shí)水蒸氣含量?jī)H為3.0 g/kg，只相當(dāng)于90 ℃時(shí)的1/190。從圖2可知：隨著溫度的降低，不僅飽和蒸汽含量下降，而且飽和蒸汽壓也降低了。

1.2 減少氯氣水含量的物理?xiàng)l件

濃硫酸具有天然干燥劑的特性：①有較高的脫水效率；②不與氯氣反應(yīng)；③氯氣在其中的溶解度低；④高濃度時(shí)對(duì)鋼鐵設(shè)備和管道腐蝕小；⑤濃硫酸價(jià)格低廉、易得；⑥稀硫酸可回收利用，因此是氯堿生產(chǎn)工藝中干燥氯氣的干燥劑首選[3]。

氯氣的干燥是以硫酸與濕氯氣接觸后，氯氣中的水分被硫酸吸收而實(shí)現(xiàn)的[4]。當(dāng)溫度一定時(shí)，硫酸濃度愈高，水蒸氣分壓愈低；而硫酸濃度一定時(shí)，溫度降低，則水蒸氣分壓隨之降低，從而加大了傳質(zhì)過程的推動(dòng)力。所以，在干燥工藝過程中選擇適當(dāng)?shù)牧蛩釢舛群筒僮鳒囟?，不但?huì)降低氯氣中的水含量，還可降低硫酸的消耗。

由上可見，濕氯氣首先需進(jìn)行冷卻降溫，不僅可除去濕氯氣中99.5%左右的水蒸氣，同時(shí)也可以大大降低后面硫酸干燥的負(fù)荷，減少硫酸與水反應(yīng)生成的熱量，防止設(shè)備損壞，還可以大幅降低硫酸的單耗。

2 裝置基本情況

圣雄氯堿有2套氯氣處理裝置(以下簡(jiǎn)稱1#裝置與2#裝置)：處理能力均對(duì)應(yīng)于19萬(wàn)t/a離子膜法燒堿，為成達(dá)設(shè)計(jì)院工藝包，均采用冷卻器、捕集器、填料塔、泡罩塔串聯(lián)及透平氯壓機(jī)輸送工藝。但第2期項(xiàng)目在第1期生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了工藝的改進(jìn)。

2.1 1#裝置氯氣工藝流程簡(jiǎn)述

1#裝置氯氣工藝流程如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)氯氣工藝流程圖Fig.3 Traditional process flow for chorine handling

從電解工序來的80～90 ℃高溫濕氯氣進(jìn)入一段鈦冷卻器，用一段循環(huán)水冷卻至40 ℃左右，再進(jìn)入二段鈦冷卻器，然后用7 ℃水冷卻至12～15 ℃。冷卻后的氯氣經(jīng)水霧捕集器除去氯氣中水霧后，進(jìn)入泡沫干燥塔用濃硫酸干燥，干燥后的氯氣用氯氣壓縮機(jī)加壓后分別送至液氯工序和氯化氫合成工序。

氯水洗滌、冷卻冷凝下來的溶解有氯氣的氯水，在氯氣洗滌塔液位控制系統(tǒng)自動(dòng)控制下，由氯水循環(huán)泵送至電解工段的淡鹽水脫氯工序[5]。

經(jīng)過水霧捕集器過濾的12～15 ℃ 氯氣進(jìn)入填料干燥塔下部，循環(huán)酸由硫酸循環(huán)泵送出，進(jìn)入填料干燥塔上部，與氯氣逆流接觸除去氯氣中的水分。出填料干燥塔的氯氣再進(jìn)入泡罩干燥塔下部，與由濃硫酸高位槽流入的濃硫酸經(jīng)泡罩錯(cuò)流接觸，進(jìn)一步得到干燥，從泡罩干燥塔出來的氯氣經(jīng)過酸霧捕集器，再經(jīng)透平氯氣壓縮機(jī)壓縮后，進(jìn)入分配臺(tái)送至其他工序使用[6]。

2.2 2#裝置氯氣工藝流程簡(jiǎn)述

2#裝置氯氣處理工藝流程如圖4所示。

圖4 新氯氣處理工藝流程圖Fig.4 New process flow for chorine handling

由電解工序來的約85 ℃的濕氯氣進(jìn)入氯氣洗滌塔底部，與約37 ℃的循環(huán)氯水直接逆流接觸，將氯氣冷卻到約45 ℃，氯氣中85%～90%的水分被冷凝，并除去了氯氣中夾帶的鹽霧。出塔氯氣進(jìn)入兩段鈦管冷卻器，分別與循環(huán)水和5 ℃水間接換熱，控制出二段鈦管冷卻器氯氣出口溫度在12～15 ℃。冷卻后的氯氣經(jīng)水霧捕集器過濾后，進(jìn)入干燥系統(tǒng)。后續(xù)工藝處理同傳統(tǒng)流程。

3 兩套氯氣處理工藝比較

3.1 氯氣冷卻及氯水處理

來自電解工序的氯氣溫度較高，幾乎為水蒸氣所飽和。濕氯氣夾帶的水蒸氣與溫度有關(guān)，溫度越高所帶的水蒸氣量越大，溫度越低所帶的水蒸氣量則越小。因此，可以通過冷卻降溫措施降低濕氯氣的溫度，減小飽和水蒸氣分壓，進(jìn)而降低濕氯氣的水含量[7]。

傳統(tǒng)工藝沒有氯氣洗滌設(shè)備，高溫濕氯氣直接進(jìn)入鈦管冷卻器進(jìn)行間接冷卻，這樣的工藝系統(tǒng)容易造成氯氣中鹽等雜質(zhì)含量高，堵塞后續(xù)設(shè)備并影響干燥效果。同時(shí)，高溫濕氯氣遇到的第一個(gè)冷卻器為鈦管冷卻器，這就造成在鈦管冷卻器中產(chǎn)生大量的氯水。氯氣在水中的溶解度較大，這部分氯水溶解有大量的氯氣。

新工藝采用洗滌塔直接洗滌冷卻與鈦管冷卻器間接冷卻的串聯(lián)方法處理高溫濕氯氣。氯水經(jīng)氯水泵在氯氣洗滌塔內(nèi)與高溫濕氯氣逆流接觸，不僅能使高溫濕氯氣冷卻降溫，還能較好地去除氯氣中的鹽霧等雜質(zhì)。鈦管冷卻器中的冷卻氯水進(jìn)入洗滌塔供洗滌塔冷卻使用，同時(shí)洗滌塔內(nèi)產(chǎn)生的多余氯水經(jīng)自控閥送入離子膜電解工序進(jìn)行真空脫氯，脫氯后的氯水進(jìn)入次氯酸鈉生產(chǎn)裝置，氯水全部回收利用，且經(jīng)脫氯工序產(chǎn)生的純度較高的氯氣并入氯氣系統(tǒng)，這樣不僅解決了氯水排放產(chǎn)生的環(huán)境污染問題，還取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

2018年8月20日，質(zhì)量檢測(cè)中心每隔4 h，分別在傳統(tǒng)工藝與新工藝的水霧捕集器出口測(cè)量氯水中的含鹽量。傳統(tǒng)工藝的數(shù)據(jù)分別為：22 120，21 236，23 235，21 142，20 836和22 834 mg/L。

新工藝的數(shù)據(jù)分別為：2 698，2 872，3 399，3 184，2 657和3 234 mg/L。

1#裝置與2#裝置氯水中的鹽含量如圖5所示。

圖5 1#裝置與2#裝置氯水中的鹽含量Fig.5 Salt content of chlorine water in 1# and 2# facilities

3.2 氯氣干燥除霧工藝

氯氣干燥是氯氣處理至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，干燥后的氯氣如果水含量超標(biāo)，將加劇氯氣輸送等后續(xù)工序管道和設(shè)備的腐蝕，給整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的后果。傳統(tǒng)干燥工藝流程，氯氣干燥效果較差，干燥后的氯氣含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.02%。氯氣在進(jìn)入泡沫干燥塔前先經(jīng)過水霧捕集器，捕集器所使用的是含氟硅油玻璃棉，這種設(shè)備僅能除去粒徑大于3 μm的霧粒，還有許多夾帶在氯氣當(dāng)中的水霧沒有被除去，需要消耗大量的濃硫酸來干燥氯氣，增加了消耗。

新工藝采用孟莫克水霧捕集器、填料塔與泡罩塔串聯(lián)的流程，可100%除去粒徑大于3 m的霧粒[8]，99.3%除去粒徑小于3 μm的的霧粒。使用此水霧捕集器使進(jìn)入后續(xù)填料塔和泡罩塔的水霧大量減少，進(jìn)而降低了氯氣干燥劑硫酸的消耗，提高了氯氣干燥工藝的運(yùn)行質(zhì)量。泡罩塔的塔板上留有一定厚度的硫酸層，氯氣經(jīng)過鐘罩型泡罩流經(jīng)硫酸層時(shí)，氣液兩相可以充分接觸，通過濃硫酸的吸水性可以很好地吸收氯氣中的水。當(dāng)氯氣中含水量大或者氯氣流量大時(shí)，可以通過增大酸量的方法減少氯氣中的水分，此流程具有氯氣處理量大、操作彈性大、操作靈活等特點(diǎn)。填料塔和泡罩塔的組合流程能很好地適應(yīng)氣體流量的變化，具有優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、干燥效率高等特點(diǎn) 。經(jīng)過2年的運(yùn)行，裝置進(jìn)透平氯壓機(jī)的氯氣中含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)一直低于0.01%。

1#和2#裝置氯氣工藝流程運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

表1 1#和2#裝置氯氣工藝流程運(yùn)行參數(shù)Table 1 Process operation parameters of chlorine handling in 1# and 2# facilities

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，圣雄氯堿2套裝置工藝區(qū)別明顯，2#裝置干燥系統(tǒng)在節(jié)能、環(huán)保、自動(dòng)化、運(yùn)行維護(hù)等方面都優(yōu)于1#裝置，效果顯著，因此圣雄氯堿擇機(jī)對(duì)一期工藝進(jìn)行改造，改造后設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，干燥系統(tǒng)操作穩(wěn)定，氯氣干燥達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，為后續(xù)的工序提供了穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的干燥氯氣。