氯氣處理工藝及關(guān)鍵點(diǎn)控制綜述

楊國穩(wěn)

（廣西柳化氯堿有限公司，廣西柳州545600）

氯氣處理工藝及關(guān)鍵點(diǎn)控制綜述

楊國穩(wěn)

（廣西柳化氯堿有限公司，廣西柳州545600）

介紹了氯氣處理系統(tǒng)的工藝流程、設(shè)備性能及操作參數(shù)，總結(jié)了工藝技術(shù)特點(diǎn)。

氯氣；處理工藝；洗滌冷卻；干燥

廣西柳化氯堿有限公司(以下簡稱“柳化氯堿”) 20萬t/a離子膜燒堿項目一期工程10萬t/a有極距離子膜燒堿于2010年1月建成投產(chǎn)。隨著市場需求量增大，柳化氯堿順勢推進(jìn)擴(kuò)大產(chǎn)能建設(shè)，于2012年8月成功擴(kuò)建5萬t/a零極距離子膜燒堿項目，目前，離子膜法燒堿生產(chǎn)能力為15萬t/a。配套的氯氣處理系統(tǒng)處理能力達(dá)17.8 t/a，該處理系統(tǒng)工藝簡單，設(shè)備先進(jìn)，布局合理，節(jié)能效果明顯。采用DCS控制，到目前為止，該裝置操作平穩(wěn)，氯氣出干燥塔含水低于100×10-6(v/v)，硫酸消耗約14 kg/t。

1 氯氣處理的任務(wù)及原理

1.1 氯氣處理的任務(wù)

將電解來的高溫濕氯氣冷卻、干燥，并將干燥合格的氯氣壓縮輸送給用戶，穩(wěn)定和調(diào)節(jié)電解槽陽極室內(nèi)的壓力，保證上下工序的安全生產(chǎn)。

1.2 氯氣處理的原理

從電解來的濕氯氣一般溫度約85℃，被蒸汽飽和，并夾帶大量鹽霧。濕氯氣所帶的飽和蒸汽量與溫度有關(guān)，不同溫度下濕氯氣中的水蒸氣分壓和飽和含水量見表1。由表1可知，在同一壓力下，溫度越高所帶的水蒸氣量越高，其水蒸氣分壓越高，例如當(dāng)濕氯氣溫度是85℃時，理論氯氣含水量為338 kg/t。因此，濕氯氣先采用洗滌冷卻，降低濕氯氣溫度，減小飽和濕氯氣的分壓，使?jié)衤葰庵械拇蟛糠炙魵獗焕淠ィ档蜐衤葰獾暮?，并除去鹽霧。

為了使氯氣能用鋼鐵材質(zhì)制成的設(shè)備及管道進(jìn)行輸送或處理，要求氯氣的含水量小于0.01%，因此，必須將氯氣中的水分進(jìn)一步除去。在工業(yè)上，均采用濃硫酸來干燥氯氣，因為濃硫酸具有以下特點(diǎn)：(1)不與氯氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；(2)氯氣在硫酸中的溶解度?。?3)濃硫酸有強(qiáng)烈的吸水性；(4)價廉易得；(5)濃硫酸對鋼鐵設(shè)備不腐蝕；(6)稀硫酸可以回收利用等。

用濃硫酸干燥氯氣，其干燥效果決定于硫酸溶液上方的水蒸氣壓力，當(dāng)溫度一定時，硫酸濃度愈高、其水蒸氣分壓愈低；當(dāng)硫酸濃度一定時，溫度降低，則水蒸氣分壓也降低。也就是說硫酸的濃度愈高、溫度愈低，硫酸的干燥能力也就愈大，即氯氣干燥后的水分愈少。此外，濃硫酸與濕氯氣的接觸面積和接觸時間也是影響干燥效果的重要因素，因此，氯氣干燥采用干燥塔和泡罩塔串聯(lián)二合一的方式，使氯氣和硫酸充分接觸，保證氯氣干燥合格，然后用氯氣壓縮機(jī)將干燥氯氣加壓輸送至各用戶。

表1 不同溫度下濕氯氣中的水蒸氣分壓和飽和含水量（101.3 kPa）

2 氯氣處理工藝流程

從電解來的高溫濕氯氣，首先從洗滌塔 (T-501)底部進(jìn)入(見圖1)，氯水泵(P-501A/B)將氯水送經(jīng)氯水冷卻器(E-501)，以循環(huán)冷卻水間接冷卻后由塔上部送入氯水洗滌塔內(nèi)，與塔底上來的氯氣逆流接觸，直接將氯氣洗滌冷卻至35～40℃，并除去氯氣中夾帶的鹽霧等雜質(zhì)。冷卻后氯氣進(jìn)入鈦管冷卻器(E-502)，用5℃冷凍水間接將氯氣冷卻至12～15℃，鈦管冷卻器中5℃冷凍水的通量由自動閥TV-5303控制，確保氯氣溫度，從鈦管冷卻器出來的氯氣經(jīng)水霧捕集器(N-501)分離冷凝水及不潔物后去氯氣干燥塔(T-502)進(jìn)行干燥。

水霧捕集器分離的冷凝水同鈦管冷卻器冷凝下來的氯水一起進(jìn)入氯水洗滌塔循環(huán)使用，洗滌塔中的氯水因不斷冷凝濕氯氣中的水蒸氣而增多，為了保持洗滌塔的安全液位而由氯水泵排除一部分去離子膜電解脫氯系統(tǒng)，與離子膜的淡鹽水一起經(jīng)過脫氯，然后送往一次鹽水化鹽使用。氯氣水封槽(V-501、V-502)的液封水來自洗滌塔底氯水或者生產(chǎn)水，控制液封高度，其溢流氯水進(jìn)入洗滌塔底部，洗滌塔氯水液面高度由自動閥LV-5301控制。

經(jīng)捕集器除水霧后的氯氣進(jìn)入氯氣干燥塔(T-502)下部填料段，稀硫酸用稀硫酸循環(huán)泵(P-502A/B)輸送經(jīng)稀硫酸冷卻器(E-503)用5℃冷凍水間接冷卻降溫后自填料段上部進(jìn)入干燥塔，與氯氣逆流接觸，除去大部分水分。填料段的稀硫酸濃度控制在78%～90%，經(jīng)填料段干燥后的氯氣繼續(xù)上升，逐層通過泡罩塔段，被98%的濃硫酸逆流接觸干燥，98%的濃硫酸由濃硫酸高位槽 (V-504)供給進(jìn)入第一層塔板，經(jīng)降液管然后逐步溢流至其他層塔板和填料段，各層塔板內(nèi)產(chǎn)生的熱量由冷卻盤管通5℃冷凍水間接吸收帶走。從干燥塔頂部出來的氯氣接著去酸霧捕集器(N-502)除去氯氣夾帶的酸霧。

捕集器捕集的酸霧匯集進(jìn)入干燥塔底部，干燥塔中的硫酸由于不斷吸收氯氣中的水分而被稀釋，液位不斷增高，為了保證干燥塔底保持安全液位而由稀硫酸循環(huán)泵排除一部分稀硫酸去成品罐區(qū)稀硫酸貯罐待售，干燥塔底部酸液面高度由自動閥LV-5302控制。

氯氣經(jīng)酸霧捕集器(N-502)將酸霧和不潔物去除后，進(jìn)入氯氣壓縮機(jī)(C-501)，經(jīng)壓縮機(jī)一級葉輪壓縮后進(jìn)入中間冷卻器(V-507)，冷卻器以循環(huán)冷卻水間接冷卻，再進(jìn)入壓縮機(jī)二級葉輪壓縮后進(jìn)入后冷卻器(V-508)，冷卻器以循環(huán)冷卻水間接冷卻，然后通過氯氣分配臺(V-506)分別送往合成及液氯工序。

3 主要設(shè)備結(jié)構(gòu)性能及控制要求

3.1 氯氣水封槽

氯氣正壓水封槽(V-501)原理：利用水的液壓來防止氯氣泄漏。當(dāng)氯氣總管壓力大于水壓時，形成液封的水壓被沖破，大量的氯氣進(jìn)入事故氯吸收塔。一般插入管插入液面高度是根據(jù)氯氣總管壓力上限設(shè)定的。

氯氣負(fù)壓水封槽(V-502)原理：利用水的液壓來防止氯氣泄漏，當(dāng)氯氣抽力達(dá)到一定值時，即大于水壓時，形成液封的水壓被抽走，大量的空氣進(jìn)入系統(tǒng)中，以平衡系統(tǒng)壓力?？諝獠迦牍艿母叨仁歉鶕?jù)氯氣總管壓力下限設(shè)定的。水封高度由壓差通過h= Δp/ρg來計算。

3.2 氯氣洗滌冷卻塔

圖1 氯氣處理工藝流程圖

洗滌冷卻塔的作用是將高溫濕氯氣洗滌、冷卻，降低氯氣含水量，去除各種雜質(zhì)，使80%以上的飽和水蒸氣及其所夾帶的鹽、堿等化學(xué)雜質(zhì)冷凝溶解到氯水中，避免隨氯氣流入后段的管線和設(shè)備，吸附聚集在冷卻器的管壁上。當(dāng)這些雜質(zhì)聚集到一定厚度時，冷卻效果變差，氯氣溫度上升，干燥時氯氣消耗大量濃硫酸；另外，氯氣洗滌塔中的氯水隨著使用時間的延長，氯水中所含的鹽及雜質(zhì)的濃度不斷增加，鹽濃度增加到一定程度，達(dá)到其在氯水中的飽和溶解度后就不再溶解，就失去除鹽除雜質(zhì)作用，因此要定期更換補(bǔ)加洗滌塔里的水，但是不宜過于頻繁加入水更換，這樣水中溶解的氯氣量增加，造成浪費(fèi)氯氣，也大大增加了脫氯塔的工作負(fù)荷。E-501板式換熱器，冷卻洗滌塔中氯水，及時移走氯水吸收的熱量，控制出塔的氯氣溫度指標(biāo)小于40℃，根據(jù)表1可以算出，1 t濕氯氣從85℃經(jīng)洗滌冷卻降溫到40℃時，理論上約有318 kg水蒸氣被冷凝除掉，有效降低濕氯氣中飽和蒸汽含量。

3.3 鈦管冷卻器及水霧捕集器

經(jīng)過氯氣洗滌塔洗滌后出來的氯氣溫度約40℃。根據(jù)表1可知，此時理論氯氣含水量為19.8 kg/t，如果直接進(jìn)入干燥塔干燥，將增大硫酸消耗，氯氣被冷卻的溫度越低，則攜帶的水分就越低，越有利于干燥，消耗的硫酸就越少。因此，出洗滌塔后的氯氣進(jìn)入鈦管冷卻器，用5℃冷凍水間接將氯氣冷卻降溫至12～15℃，鈦管冷卻器中5℃冷凍水的通量由自動閥TV-5303控制，確保氯氣溫度在指標(biāo)范圍內(nèi)。不能把溫度降得太低，因氯氣溫度低于9.6℃時，氯氣與水形成Cl2·8H2O結(jié)晶水合物，堵塞鈦列管和后面的管道及設(shè)備，從而影響正常生產(chǎn)。

濕氯氣經(jīng)鈦管冷卻器冷卻后冷凝下來的水一部分在冷凝器管壁上流下，另一部分呈霧滴狀存在于氯氣氣流中，故除水霧也是一項降低硫酸單耗、減少鹽霧夾帶的重要措施。特別是進(jìn)泡罩塔時，濕氯氣夾帶的鹽霧與硫酸接觸生成硫酸鈉結(jié)晶，會堵塞塔板小孔，引起塔板阻力降上升，影響干燥塔操作，同時也會影響酸霧捕集器的使用周期。因此，從鈦管冷卻器出來的氯氣必須經(jīng)過水霧捕集器進(jìn)一步除去水霧和鹽霧。由于鹽霧等不潔物粘附在捕集器的濾芯筒上，隨著時間延長，粘附厚度不斷增大，進(jìn)而會失去除水霧鹽霧效果，因此要定期進(jìn)行濾芯筒清洗，確保水霧捕集器原本的功能效果。柳化氯堿引進(jìn)美國孟莫克水霧捕集器，自2010年1月投入使用以來，運(yùn)行良好。

3.4 氯氣干燥塔

經(jīng)過洗滌、冷卻、水霧捕集器分離水霧鹽霧后，氯氣進(jìn)入干燥塔進(jìn)一步除水干燥。柳化氯堿的干燥塔采用填料塔和泡罩塔串聯(lián)二合一的構(gòu)造方式。氯氣從干燥塔下部填料層的下面進(jìn)入，與從填料層上面進(jìn)入的來自泡罩塔和稀酸循環(huán)泵送來的濃度約90%的硫酸逆流接觸進(jìn)行傳質(zhì)傳熱。塔底區(qū)域的硫酸通過泵送入板式鈦冷卻器，用5℃水冷卻后，送入填料塔循環(huán)使用，循環(huán)硫酸溫度控制在11～15℃，當(dāng)硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于78%時送出界區(qū)。泡罩塔的作用是將氯氣中所含的水分由濃硫酸吸收至要求的含量以下，保證氯氣水含量不超標(biāo)，避免腐蝕后序設(shè)備管道。泡罩塔由一個圓柱形殼體和按一定間距、水平設(shè)置的5層塔板組成，材質(zhì)為聚氯乙烯/FRP。正常工作時，從高位槽靠位能自動流下的濃度約98%的濃硫酸進(jìn)入上層塔板，然后從上層塔板的降液管流出，橫向流過帶有泡罩的塔板，翻過溢流堰，進(jìn)入該層塔板的降液管流向下層塔板；泡罩段的濃硫酸在各板層與往上流的氯氣逆流接觸進(jìn)行傳質(zhì)傳熱，各層塔板內(nèi)產(chǎn)生的熱量由冷卻盤管通5℃冷凍水間接吸收帶走。硫酸的濃度越高、溫度越低，疏酸的干燥能力也就越大，氯氣干燥后的水分越少。但如果硫酸的溫度太低，則硫酸與水能形成結(jié)晶水含物而析出，硫酸濃度與結(jié)晶溫度之間的關(guān)系見表2。例如硫酸濃度在84%時，它的結(jié)晶溫度為8℃，所以在操作中，尤其在冬季必須注意控制溫度，一般將濃硫酸H2SO4溫度控制在不低于11℃，以防止冷卻盤管堵塞。泡罩塔出口氯氣溫度應(yīng)控制小于20℃。

表2 硫酸濃度、密度與結(jié)晶溫度

濃硫酸消耗的計算。氯氣經(jīng)過洗滌冷卻后，從鈦管冷卻器出來控制在12～15℃，取平均值的整數(shù)13℃，則此時氯氣含水查表得3.8 kg/t，當(dāng)硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于78%時送出界區(qū)，按出干燥塔酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為77%，則物料衡算有：98%M1＝(3.8+M1)×77%解得M1＝13.93(kg/t)即每干燥1 t氯氣需要13.93 kg 98%濃硫酸。從物料衡算看，降低塔進(jìn)口氯中含水量和降低出塔酸濃度都能降低硫酸單耗。

3.5 酸霧捕集器

經(jīng)干燥塔濃硫酸吸收干燥后的氯氣氣流中夾帶著酸霧，進(jìn)入酸霧捕集器。酸霧捕集器的作用是以氟硅油浸漬處理的玻璃纖維用作截留、捕集、過濾形式除去氣流中的酸霧，確保進(jìn)入氯氣壓縮機(jī)的氯氣潔凈，從而滿足輸送氣體負(fù)荷適應(yīng)生產(chǎn)的需要，延長氯壓機(jī)的使用壽命，捕集器匯集的酸霧集中流到干燥塔底部。干燥后形成的硫酸霧粒直徑小于5 μm，且有一定的黏度，一般的捕集設(shè)備很難高效捕除。捕集的硫酸有黏性，易黏附在含氟玻璃纖維上，使用一段時間后，阻力上升，需要定期清洗過濾元件，才能確保捕集效果。柳化氯堿引進(jìn)美國孟山都公司酸霧捕集器的核心部件-玻璃纖維除霧筒，運(yùn)行六年多來效果良好。經(jīng)過干燥后，從酸捕集器出來的氯氣含水量控制小于100×10-6(v/v)。

3.6 氯氣壓縮機(jī)

經(jīng)過的洗滌、冷卻、干燥、除酸霧后的氯氣進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)加壓送往下道工序。柳化氯堿的氯氣壓縮機(jī)是引進(jìn)德國西門子的透平壓縮機(jī)，壓縮機(jī)組由帶有中間冷卻的2級離心壓縮機(jī)、1個渦輪-行星齒輪系統(tǒng)、1臺驅(qū)動電機(jī)、1個壓縮機(jī)、齒輪箱、驅(qū)動電機(jī)的共用底座、1臺帶有連接管線的中間冷卻器和后冷卻器、1個潤滑油系統(tǒng)、1個密封氣體系統(tǒng)及需要的測量和控制設(shè)備組成。透平壓縮機(jī)最大吸入狀態(tài)體積流量為8 210 Nm3/h，進(jìn)口側(cè)最大壓力是100 kPa(a)，進(jìn)口側(cè)最大溫度是30℃，出口側(cè)最大壓力是274 kPa(a)，最大轉(zhuǎn)速是10 405 r/min。正常工作時，干燥氯氣經(jīng)一級壓縮后到一級冷卻器，然后進(jìn)入二級壓縮，再經(jīng)二級冷卻器冷卻后送往氯氣分配臺。2臺冷卻器分別由冷卻循環(huán)水來冷卻換熱，并嚴(yán)格控制冷卻水壓力小于氯氣壓力，避免換熱器列管泄露時水漏到氯氣側(cè)中而腐蝕設(shè)備及管道，若漏只能氯氣漏到水中，為此，在冷卻水出管道設(shè)有ORP值檢測器在線監(jiān)測氯含量。二級冷卻出來后有一旁路返回一級壓縮進(jìn)口 (一般稱此為小回流)，其目的是調(diào)節(jié)壓縮機(jī)進(jìn)出口狀態(tài)以防喘振。透平壓縮機(jī)組出來后氯氣送去分配臺，由于氯壓機(jī)自身的回流量較小，為了保證電解在低負(fù)荷時，電解和氯氣洗滌冷卻干燥系統(tǒng)的氯氣總管壓力穩(wěn)定，在分配臺出來設(shè)計安裝帶有自動調(diào)節(jié)閥(HV-5301B)的回流路(一般稱此為大回流)，回到干燥塔的氯氣進(jìn)口處與水霧捕集器來的氯氣一并進(jìn)入干燥塔，調(diào)節(jié)透平壓縮機(jī)組的輸送能力，使之與電解氯氣產(chǎn)量相適應(yīng)。氯壓機(jī)進(jìn)口氯氣壓力工藝指標(biāo)控制在-5～5 kPa。

4 結(jié)語

柳化氯堿的17.8萬t/a氯氣處理裝置經(jīng)過六年多來的運(yùn)行結(jié)果表明，裝置工藝控制穩(wěn)定，氯氣吸力平穩(wěn)，能耗小，干燥后氯氣中水含量低，生產(chǎn)出合格的氯氣，完全能滿足氯壓機(jī)和后序工藝的要求，有效保證了氯堿系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

Review on the process of chlorine treatment and the control of key points

YANG Guo-wen
（Guangxi Liuhua Chlor-alkali Co.,Ltd.,Liuzhou 545600，China）

This paper introduces the process flow，equipment performance and operation parameters of chlorine gas treatment system，and summarizes the characteristics of the technology.

：chlorine gas；treatment technology；washing and cooling；drying

TQ124.4+16

：B

：1009-1785(2016)10-0011-04

2016-08-14