大型高效單塔在氯氣干燥中的應用

王學虎，毛 飛，陳 浙，沈來友，杜 強，孫熊杰

（杭州電化集團有限公司，浙江 杭州 311228）

氯氣處理是氯堿生產(chǎn)中的一個重要工序， 通過洗滌、冷卻、冷凝、吸收等方法，去除濕氯氣中夾帶的鹽霧等雜質(zhì)，獲得純度高、含水量達標的工業(yè)氯氣。氯氣處理效果與系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行密切相關(guān)，若氯氣處理效果不好（尤其是氯氣的干燥效果），不僅會降低氯氣和氯產(chǎn)品的質(zhì)量，嚴重時還會引起管道、設(shè)備的腐蝕，甚至損壞氯壓機，造成難以估量的損失。因此，氯氣干燥作為氯氣處理裝置的核心，干燥工藝的選擇至關(guān)重要。

1 氯氣干燥工藝

干燥脫水是氯氣處理的主要操作單元， 利用氯氣在濃硫酸中的溶解度很小及濃硫酸的強吸水特性來實現(xiàn)。 經(jīng)過干燥脫水后的氯氣含水量在50×10-6以下，可滿足氯氣壓縮機的要求。

氯氣干燥工藝經(jīng)過多年的發(fā)展和實踐， 目前國內(nèi)氯堿生產(chǎn)企業(yè)常用的氯氣干燥工藝主要有3 種，分別為多級填料塔串聯(lián)工藝、 填料塔與填料泡罩組合塔串聯(lián)工藝和二合一高效干燥塔工藝。

1.1 多級填料塔串聯(lián)工藝[1]

采用3 臺或4 臺填料塔串聯(lián)， 每臺填料塔配有硫酸泵、換熱器，末塔的硫酸濃度最高，依次往前濃度逐步降低。 首塔的硫酸濃度最低， 當濃度低于75%時，作為廢酸送出，中間塔的硫酸由高濃度硫酸泵依次打入或后塔的硫酸通過塔間溢流進入， 進行補換酸，末塔則直接補充98%的濃硫酸。 硫酸循環(huán)及硫酸在氯氣脫水過程產(chǎn)生的熱量由換熱器帶出。該工藝的4 臺填料塔串聯(lián)流程簡圖見圖1。

圖1 多級填料塔串聯(lián)干燥工藝流程簡圖

多級填料塔串聯(lián)干燥工藝的系統(tǒng)壓降較小，對氯氣負荷波動的適應性較好，但設(shè)備相對較多、現(xiàn)場管道較復雜，設(shè)備投資和運維成本較高，氯氣水分含量與其他工藝相比略高。 目前國內(nèi)氯堿企業(yè)采用該工藝的相對較少。

1.2 填料塔與填料泡罩組合塔串聯(lián)工藝[1]

填料塔與泡罩塔組合流程是目前國內(nèi)氯堿企業(yè)常用的干燥工藝。 根據(jù)各企業(yè)情況，可選用兩種工藝， 分別為2 臺填料塔+1 臺填料泡罩組合塔串聯(lián)（簡稱三塔工藝），或1 臺填料塔+1 臺填料泡罩組合塔串聯(lián)（簡稱兩塔工藝）。 工藝流程簡圖見圖2及圖3。

圖2 三塔工藝流程簡圖

圖3 兩塔工藝流程簡圖

該工藝的操作彈性較大， 氣相負荷的變化對干燥效果影響不大，濃硫酸消耗相對較少，但是壓降較大，容易造成漏液。

1.3 二合一高效干燥塔工藝

二合一高效干燥塔工藝可簡稱為單塔工藝，干燥流程采用填料和泡罩二合一的單臺氯氣干燥塔。有資料顯示， 該工藝最早由一家歐洲公司開發(fā)和使用[2]，采用一種新型高效的氯氣干燥設(shè)備，具有其他干燥設(shè)備不可比擬的優(yōu)點。

早期的二合一高效干燥塔分為3 段，下部為2.5 m高的填料段，中間為兩層泡罩，上部為五層泡罩，整臺干燥塔的高度為12～15 m。

早期的單塔工藝，氯氣從干燥塔下部進入，先通過填料段，用冷卻到15 ℃的70%硫酸干燥，硫酸吸水產(chǎn)生的稀釋熱通過塔外的冷卻器移走。 氯氣繼續(xù)上升，被15 ℃的88%硫酸干燥，稀釋熱再度被移走。氯氣最后通過塔上部的五層泡罩，被15 ℃的98%硫酸干燥后進入酸霧捕集器除霧后去壓縮。 98%濃硫酸經(jīng)過冷卻后用計量泵定量送入干燥塔的泡罩層最上部。 從干燥塔底流出的稀酸濃度為70%，部分溢流去稀酸槽，大部分經(jīng)過冷卻后循環(huán)使用。相應的工藝流程簡圖見圖4。

圖4 二合一高效干燥塔工藝流程簡圖

該技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展， 已優(yōu)化改進為單回路硫酸循環(huán)冷卻， 能耗進一步下降， 操作控制也有所簡化。 工藝流程簡圖見圖5[2]。

圖5 改進后的高效干燥塔工藝流程簡圖

高效氯氣干燥塔作為一種復合塔， 將傳統(tǒng)氯氣干燥工藝中的填料塔和泡罩塔串聯(lián)組合的傳質(zhì)特點集中于一塔， 并通過優(yōu)化填料和泡罩等組件的流體力學、傳質(zhì)性能，實現(xiàn)單塔替代多塔。 干燥效果好且穩(wěn)定，同時縮短了流程、簡化了操作，減少了設(shè)備投資費用和維護費用，降低了能耗，但壓降相對也較大。

1.4 干燥工藝的比較

3 種干燥工藝各有特色， 均可滿足氯氣干燥生產(chǎn)的要求。 由于國內(nèi)企業(yè)多級填料塔串聯(lián)干燥工藝采用較少，在滿足系統(tǒng)生產(chǎn)能力、氯氣含水量、系統(tǒng)允許總壓降的前提下，僅對三塔、兩塔和單塔工藝這3 種氯氣干燥工藝進行簡要比較，見表1。

表1 3種氯氣干燥工藝對比

由上述比較可知， 這3 種常見的氯氣干燥工藝各有優(yōu)劣，其中單塔工藝因為工藝流程短、占地面積小，特別適合于老系統(tǒng)改造。 在確定干燥工藝時， 可根據(jù)實際情況選用最適合本企業(yè)的氯氣干燥工藝。

2 氯氣干燥大型高效單塔

隨著氯堿裝置規(guī)模日益擴大，氯氣干燥設(shè)備也日趨大型化、高效化。 配套燒堿（折百）產(chǎn)能為30 萬t/a的單套干燥裝置近幾年開始逐步在氯堿企業(yè)投用，主要為三塔工藝或兩塔工藝， 而氯氣干燥單塔工藝則未見報道有30 萬t/a 的大型裝置投運，國內(nèi)運行的單塔工藝最大規(guī)模為20 萬t/a。

杭州電化集團有限公司在30 萬t/a 燒堿裝置改造時，結(jié)合裝置現(xiàn)場情況及能耗等因素，選用了結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、能耗相對較低、自動化程度較高的高效單塔工藝。

2.1 大型高效單塔的特點

（1）工藝流程簡化，操作簡便，設(shè)備布置緊湊，占地面積小，土地利用率高，尤其適合老裝置改造。

（2）設(shè)備、管道、儀表的總數(shù)減少，泄漏風險降低，便于管理。 系統(tǒng)基本免維護，運維費用低。

（3）處理能力大，可配套30 萬t/a 的燒堿裝置。系統(tǒng)在30%～115%負荷范圍內(nèi)可靠地工作。 濃硫酸消耗小于15 kg/t 燒堿（折百）。

（4）自動化程度高，通過儀表系統(tǒng)實時掌控干燥塔實際運行情況，便于及時處理隱患，可有效減少停車、降負荷等導致產(chǎn)量損失的不正?，F(xiàn)象。

（5）氯氣干燥后水分含量低，在線分析水分含量可穩(wěn)定控制在10×10-6以下（滿足KK&K 氯壓機的要求），可有效保護氯氣壓縮機。

（6）主體塔器設(shè)計技術(shù)先進，選材合理。 采用專用的高效塔內(nèi)件技術(shù)，傳質(zhì)效率高，能耗低，干燥效果好且穩(wěn)定。

2.2 工藝流程

從電解來的高溫濕氯氣經(jīng)洗滌、冷卻、除霧后，進入氯氣干燥塔底部，自下而上依次經(jīng)過填料段、泡罩段與硫酸逆流接觸， 干燥后的氯氣經(jīng)除沫段除沫和酸霧捕集器除霧后進入氯氣壓縮。 經(jīng)氯氣干燥塔脫水后氯氣的在線分析含水量可達到10×10-6以下，干氯氣經(jīng)氯壓機加壓后送下游工序使用。濃度為98%的濃硫酸由硫酸輸送泵輸送至氯氣干燥塔上部的泡罩段，自上而下依次流過各層塔板上的泡罩，最后與循環(huán)稀硫酸混合流經(jīng)填料段， 從塔底經(jīng)硫酸循環(huán)泵部分循環(huán)回流至填料段干燥氯氣， 部分輸送到稀硫酸儲槽。 濃硫酸在干燥塔內(nèi)吸水過程的稀釋熱及硫酸循環(huán)泵打循環(huán)過程所產(chǎn)生的熱量， 均通過循環(huán)硫酸冷卻器移出。

氯氣干燥高效單塔工藝流程見圖6。

圖6 氯氣干燥高效單塔工藝流程簡圖

2.3 工藝和設(shè)備的優(yōu)化保障措施

公司30 萬t/a 氯氣干燥塔為國內(nèi)首套大型高效單塔裝置，為保證氯氣干燥效果和安全穩(wěn)定運行，技術(shù)商對干燥塔的結(jié)構(gòu)進行了特殊設(shè)計和多重優(yōu)化，并在常規(guī)干燥工藝的基礎(chǔ)上對配套工藝控制進行了優(yōu)化。

2.3.1 工藝優(yōu)化保障措施

氯氣干燥的目標是將進塔氯氣通過硫酸脫水干燥后達到規(guī)定的含水量， 故所有工藝優(yōu)化保障措施均圍繞這一目標展開。 在干燥塔氯氣進氣溫度達標的情況下，確保氯氣干燥效果的主要措施：（1）保證干燥塔內(nèi)的硫酸噴淋密度達到設(shè)計要求；（2）保證硫酸濃度達到規(guī)定要求；（3）控制好硫酸溫度，及時移走硫酸吸水過程產(chǎn)生的稀釋熱。

針對上述目標，主要的工藝優(yōu)化保障措施如下。

2.3.1.1 確保硫酸噴淋密度

（1）選用了磁力驅(qū)動泵作為硫酸循環(huán)泵，該設(shè)備具有無泄漏、耐腐蝕、全密封等特點，可較好地滿足腐蝕性液體的輸送需求。

（2）在線監(jiān)控循環(huán)硫酸流量，并設(shè)置了硫酸流量高低限報警，確保塔內(nèi)硫酸噴淋密度達到設(shè)計范圍，滿足氣液傳質(zhì)要求。

（3）為防止動力電出現(xiàn)瞬時壓降而引發(fā)硫酸泵跳?，F(xiàn)象，導致塔內(nèi)硫酸斷液，對硫酸循環(huán)泵和硫酸計量泵均進行了防晃電設(shè)計。同時還設(shè)計了（硫酸循環(huán)泵、硫酸計量泵）備泵自啟控制程序，確保硫酸的供液和循環(huán)連續(xù)運行。

2.3.1.2 循環(huán)硫酸濃度在線監(jiān)控

控制循環(huán)硫酸濃度下限也是保證氯氣干燥效果的措施之一。系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了硫酸濃度在線分析儀，在線監(jiān)控循環(huán)硫酸濃度， 同時對循環(huán)硫酸濃度定期進行人工分析對比，確保循環(huán)硫酸濃度達標。

2.3.1.3 硫酸溫度控制

硫酸溫度對氯氣干燥過程有較大影響， 溫度過高時影響氯氣脫水效果，溫度過低時，尤其是高濃度的濃硫酸易出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象， 嚴重時引起管道或設(shè)備堵塞，最終影響物料通量和干燥效果。各硫酸換熱器均采用+7 ℃冷凍水進行冷卻， 并設(shè)置了溫度高、低限報警，冷凍水通量進行自動控制，確保硫酸溫度控制在設(shè)計要求的范圍內(nèi)。

2.3.1.4 濃硫酸采用計量泵連續(xù)計量加料

加入干燥塔上部泡罩段的98%濃硫酸采用計量泵連續(xù)加料，代替濃硫酸高位槽加料，濃硫酸流量平穩(wěn)可控，確保塔內(nèi)濃硫酸的穩(wěn)定供料。

2.3.2 設(shè)備優(yōu)化保障措施

2.3.2.1 塔設(shè)備結(jié)構(gòu)進行多重優(yōu)化

為使單塔滿足氯氣干燥要求， 干燥塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)部分也進行了較特殊的設(shè)計。

（1）泡罩及塔盤設(shè)計

塔上部設(shè)置有5 層泡罩塔盤，采用一體化設(shè)計，各塔盤采用哈氏合金材質(zhì)的等長拉桿連接，5 層泡罩塔盤可整體更換，檢修較方便，該設(shè)計也使泡罩塔盤安裝的水平度調(diào)整更方便、精準。采用一體成型的塔盤代替拼裝型塔盤，避免了漏液現(xiàn)象，更有利于氯氣干燥。

干燥塔內(nèi)采用的條形泡罩不同于常規(guī)的圓形泡罩，操作彈性更大、阻力更小。 為保證泡罩段氯氣與硫酸的氣液傳質(zhì)效果，技術(shù)商對泡罩的齒縫型式、尺寸、數(shù)量及排布方式等進行了優(yōu)化設(shè)計。 同時，增設(shè)了一層保安用泡罩塔盤，確保氯氣干燥效果。

為減少硫酸霧沫夾帶至后系統(tǒng)， 塔頂部設(shè)置了特殊設(shè)計的除沫器。

（2）填料、內(nèi)構(gòu)件材質(zhì)

干燥塔選用低壓降、通量大、效率高的填料，并通過對塔盤、分布器等優(yōu)化設(shè)計，使塔內(nèi)氣體流通順暢。 干燥塔內(nèi)的填料和部分內(nèi)構(gòu)件的材質(zhì)采用了PVDF 代替PVC 或CPVC，因PVDF 具有強度高、耐化學腐蝕性、耐氧化性、耐候性、耐溫性良好等優(yōu)點，可以更好地適應干燥塔內(nèi)的工作環(huán)境， 減少了填料和塔內(nèi)構(gòu)件出現(xiàn)熱變形較大等異?，F(xiàn)象發(fā)生的可能，確保填料和內(nèi)構(gòu)件具有較長的使用壽命。

2.3.2.2 優(yōu)選配套設(shè)備，提高運行可靠性

選用國際知名品牌廠商制造的磁力驅(qū)動泵作為硫酸循環(huán)泵，以提高設(shè)備運行可靠性。 另外，濃硫酸計量泵選用液壓雙隔膜式計量泵， 該設(shè)備帶隔膜破裂顯示裝置，可及時發(fā)現(xiàn)隔膜破裂情況，提高計量泵的運行可靠性。

3 運行情況

配套30 萬t/a 燒堿（折百）的氯氣干燥大型高效單塔投運后，運行較穩(wěn)定。 經(jīng)測試，在單套電解較低負荷（如9 萬t/a）運行和全部電解運行（燒堿裝置達到滿負荷）時，干燥裝置均能正常運行，實際處理能力、操作彈性、干燥效果（氯氣含水量）和硫酸消耗等指標均達到了設(shè)計要求。

大型高效單塔裝置的工藝控制指標與其他干燥工藝的主要控制指標較接近，在實際生產(chǎn)過程中，電解的生產(chǎn)負荷調(diào)整時， 干燥系統(tǒng)的配套調(diào)節(jié)控制較方便，主要調(diào)控工作是根據(jù)循環(huán)硫酸濃度，適當微調(diào)進塔濃硫酸流量，其余指標均為系統(tǒng)自動調(diào)整。

本套大型高效單塔裝置自投運以來整體運行穩(wěn)定，在正常處理能力范圍內(nèi)的部分運行數(shù)據(jù)（氯氣含水量和硫酸消耗等）見表2。

表2 部分運行數(shù)據(jù)表

4 結(jié)語

配套30 萬t/a 燒堿（折百）的氯氣干燥高效單塔裝置在公司投用并穩(wěn)定運行， 標志著國產(chǎn)氯氣干燥高效單塔的大型化工作取得圓滿成功。

實際運行結(jié)果表明， 氯氣干燥高效單塔裝置具有處理能力強、操作彈性大、流程簡單、自動化程度高、操作方便、占地面積小、運行費用低等優(yōu)點。對于氯堿同行，在氯氣干燥裝置新建，尤其是改擴建時，具有借鑒和參考意義。