王學(xué)虎，毛 飛，陳 浙，沈來(lái)友，杜 強(qiáng)，孫熊杰

（杭州電化集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311228）

氯氣處理是氯堿生產(chǎn)中的一個(gè)重要工序， 通過(guò)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(dá)標(biāo)的工業(yè)氯氣。氯氣處理效果與系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)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(huì)降低氯氣和氯產(chǎn)品的質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起管道、設(shè)備的腐蝕，甚至損壞氯壓機(jī)，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(qiáng)吸水特性來(lái)實(shí)現(xiàn)。 經(jīng)過(guò)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(jī)的要求。

氯氣干燥工藝經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和實(shí)踐， 目前國(guó)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(jí)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(jí)填料塔串聯(lián)工藝[1]

采用3 臺(tái)或4 臺(tái)填料塔串聯(lián)， 每臺(tái)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(dāng)濃度低于75%時(shí)，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(guò)塔間溢流進(jìn)入， 進(jìn)行補(bǔ)換酸，末塔則直接補(bǔ)充98%的濃硫酸。 硫酸循環(huán)及硫酸在氯氣脫水過(guò)程產(chǎn)生的熱量由換熱器帶出。該工藝的4 臺(tái)填料塔串聯(lián)流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 多級(jí)填料塔串聯(lián)干燥工藝流程簡(jiǎn)圖

多級(jí)填料塔串聯(lián)干燥工藝的系統(tǒng)壓降較小，對(duì)氯氣負(fù)荷波動(dòng)的適應(yīng)性較好，但設(shè)備相對(duì)較多、現(xiàn)場(chǎng)管道較復(fù)雜，設(shè)備投資和運(yùn)維成本較高，氯氣水分含量與其他工藝相比略高。 目前國(guó)內(nèi)氯堿企業(yè)采用該工藝的相對(duì)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(guó)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(tái)填料塔+1 臺(tái)填料泡罩組合塔串聯(lián)（簡(jiǎn)稱三塔工藝），或1 臺(tái)填料塔+1 臺(tái)填料泡罩組合塔串聯(lián)（簡(jiǎn)稱兩塔工藝）。 工藝流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2及圖3。

圖2 三塔工藝流程簡(jiǎn)圖

圖3 兩塔工藝流程簡(jiǎn)圖

該工藝的操作彈性較大， 氣相負(fù)荷的變化對(duì)干燥效果影響不大，濃硫酸消耗相對(duì)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(jiǎn)稱為單塔工藝，干燥流程采用填料和泡罩二合一的單臺(tái)氯氣干燥塔。有資料顯示， 該工藝最早由一家歐洲公司開(kāi)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(diǎn)。

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(tái)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(jìn)入，先通過(guò)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(guò)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(guò)塔上部的五層泡罩，被15 ℃的98%硫酸干燥后進(jìn)入酸霧捕集器除霧后去壓縮。 98%濃硫酸經(jīng)過(guò)冷卻后用計(jì)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(guò)冷卻后循環(huán)使用。相應(yīng)的工藝流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4。

圖4 二合一高效干燥塔工藝流程簡(jiǎn)圖

該技術(shù)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展， 已優(yōu)化改進(jìn)為單回路硫酸循環(huán)冷卻， 能耗進(jìn)一步下降， 操作控制也有所簡(jiǎn)化。 工藝流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5[2]。

圖5 改進(jìn)后的高效干燥塔工藝流程簡(jiǎn)圖

高效氯氣干燥塔作為一種復(fù)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(diǎn)集中于一塔， 并通過(guò)優(yōu)化填料和泡罩等組件的流體力學(xué)、傳質(zhì)性能，實(shí)現(xiàn)單塔替代多塔。 干燥效果好且穩(wěn)定，同時(shí)縮短了流程、簡(jiǎn)化了操作，減少了設(shè)備投資費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用，降低了能耗，但壓降相對(duì)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(guó)內(nèi)企業(yè)多級(jí)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(duì)三塔、兩塔和單塔工藝這3 種氯氣干燥工藝進(jìn)行簡(jiǎn)要比較，見(jiàn)表1。

表1 3種氯氣干燥工藝對(duì)比

由上述比較可知， 這3 種常見(jiàn)的氯氣干燥工藝各有優(yōu)劣，其中單塔工藝因?yàn)楣に嚵鞒潭?、占地面積小，特別適合于老系統(tǒng)改造。 在確定干燥工藝時(shí)， 可根據(jù)實(shí)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(kuò)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(wàn)t/a的單套干燥裝置近幾年開(kāi)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(jiàn)報(bào)道有30 萬(wàn)t/a 的大型裝置投運(yùn)，國(guó)內(nèi)運(yùn)行的單塔工藝最大規(guī)模為20 萬(wàn)t/a。

杭州電化集團(tuán)有限公司在30 萬(wàn)t/a 燒堿裝置改造時(shí)，結(jié)合裝置現(xiàn)場(chǎng)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(duì)較低、自動(dòng)化程度較高的高效單塔工藝。

2.1 大型高效單塔的特點(diǎn)

（1）工藝流程簡(jiǎn)化，操作簡(jiǎn)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(fēng)險(xiǎn)降低，便于管理。 系統(tǒng)基本免維護(hù)，運(yùn)維費(fèi)用低。

（3）處理能力大，可配套30 萬(wàn)t/a 的燒堿裝置。系統(tǒng)在30%～115%負(fù)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(dòng)化程度高，通過(guò)儀表系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌控干燥塔實(shí)際運(yùn)行情況，便于及時(shí)處理隱患，可有效減少停車(chē)、降負(fù)荷等導(dǎo)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(jī)的要求），可有效保護(hù)氯氣壓縮機(jī)。

（6）主體塔器設(shè)計(jì)技術(shù)先進(jìn)，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(lái)的高溫濕氯氣經(jīng)洗滌、冷卻、除霧后，進(jìn)入氯氣干燥塔底部，自下而上依次經(jīng)過(guò)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(jìn)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(dá)到10×10-6以下，干氯氣經(jīng)氯壓機(jī)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(guò)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(chǔ)槽。 濃硫酸在干燥塔內(nèi)吸水過(guò)程的稀釋熱及硫酸循環(huán)泵打循環(huán)過(guò)程所產(chǎn)生的熱量， 均通過(guò)循環(huán)硫酸冷卻器移出。

氯氣干燥高效單塔工藝流程見(jiàn)圖6。

圖6 氯氣干燥高效單塔工藝流程簡(jiǎn)圖

2.3 工藝和設(shè)備的優(yōu)化保障措施

公司30 萬(wàn)t/a 氯氣干燥塔為國(guó)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(yùn)行，技術(shù)商對(duì)干燥塔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)和多重優(yōu)化，并在常規(guī)干燥工藝的基礎(chǔ)上對(duì)配套工藝控制進(jìn)行了優(yōu)化。

2.3.1 工藝優(yōu)化保障措施

氯氣干燥的目標(biāo)是將進(jìn)塔氯氣通過(guò)硫酸脫水干燥后達(dá)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(biāo)展開(kāi)。 在干燥塔氯氣進(jìn)氣溫度達(dá)標(biāo)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(dá)到設(shè)計(jì)要求；（2）保證硫酸濃度達(dá)到規(guī)定要求；（3）控制好硫酸溫度，及時(shí)移走硫酸吸水過(guò)程產(chǎn)生的稀釋熱。

針對(duì)上述目標(biāo)，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(dòng)泵作為硫酸循環(huán)泵，該設(shè)備具有無(wú)泄漏、耐腐蝕、全密封等特點(diǎn)，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(bào)警，確保塔內(nèi)硫酸噴淋密度達(dá)到設(shè)計(jì)范圍，滿足氣液傳質(zhì)要求。

（3）為防止動(dòng)力電出現(xiàn)瞬時(shí)壓降而引發(fā)硫酸泵跳?，F(xiàn)象，導(dǎo)致塔內(nèi)硫酸斷液，對(duì)硫酸循環(huán)泵和硫酸計(jì)量泵均進(jìn)行了防晃電設(shè)計(jì)。同時(shí)還設(shè)計(jì)了（硫酸循環(huán)泵、硫酸計(jì)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(yùn)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(shí)對(duì)循環(huán)硫酸濃度定期進(jìn)行人工分析對(duì)比，確保循環(huán)硫酸濃度達(dá)標(biāo)。

2.3.1.3 硫酸溫度控制

硫酸溫度對(duì)氯氣干燥過(guò)程有較大影響， 溫度過(guò)高時(shí)影響氯氣脫水效果，溫度過(guò)低時(shí)，尤其是高濃度的濃硫酸易出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象， 嚴(yán)重時(shí)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(jìn)行冷卻， 并設(shè)置了溫度高、低限報(bào)警，冷凍水通量進(jìn)行自動(dòng)控制，確保硫酸溫度控制在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。

2.3.1.4 濃硫酸采用計(jì)量泵連續(xù)計(jì)量加料

加入干燥塔上部泡罩段的98%濃硫酸采用計(jì)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(jìn)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(jìn)行了較特殊的設(shè)計(jì)。

（1）泡罩及塔盤(pán)設(shè)計(jì)

塔上部設(shè)置有5 層泡罩塔盤(pán)，采用一體化設(shè)計(jì)，各塔盤(pán)采用哈氏合金材質(zhì)的等長(zhǎng)拉桿連接，5 層泡罩塔盤(pán)可整體更換，檢修較方便，該設(shè)計(jì)也使泡罩塔盤(pán)安裝的水平度調(diào)整更方便、精準(zhǔn)。采用一體成型的塔盤(pán)代替拼裝型塔盤(pán)，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(duì)泡罩的齒縫型式、尺寸、數(shù)量及排布方式等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。 同時(shí)，增設(shè)了一層保安用泡罩塔盤(pán)，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(jì)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(guò)對(duì)塔盤(pán)、分布器等優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕性、耐氧化性、耐候性、耐溫性良好等優(yōu)點(diǎn)，可以更好地適應(yīng)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)熱變形較大等異常現(xiàn)象發(fā)生的可能，確保填料和內(nèi)構(gòu)件具有較長(zhǎng)的使用壽命。

2.3.2.2 優(yōu)選配套設(shè)備，提高運(yùn)行可靠性

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

3 運(yùn)行情況

配套30 萬(wàn)t/a 燒堿（折百）的氯氣干燥大型高效單塔投運(yùn)后，運(yùn)行較穩(wěn)定。 經(jīng)測(cè)試，在單套電解較低負(fù)荷（如9 萬(wàn)t/a）運(yùn)行和全部電解運(yùn)行（燒堿裝置達(dá)到滿負(fù)荷）時(shí)，干燥裝置均能正常運(yùn)行，實(shí)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(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

大型高效單塔裝置的工藝控制指標(biāo)與其他干燥工藝的主要控制指標(biāo)較接近，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，電解的生產(chǎn)負(fù)荷調(diào)整時(shí)， 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(dāng)微調(diào)進(jìn)塔濃硫酸流量，其余指標(biāo)均為系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整。

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

表2 部分運(yùn)行數(shù)據(jù)表

4 結(jié)語(yǔ)

配套30 萬(wàn)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(yùn)行， 標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)氯氣干燥高效單塔的大型化工作取得圓滿成功。

實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明， 氯氣干燥高效單塔裝置具有處理能力強(qiáng)、操作彈性大、流程簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、操作方便、占地面積小、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于氯堿同行，在氯氣干燥裝置新建，尤其是改擴(kuò)建時(shí)，具有借鑒和參考意義。