摘 要：本文旨在探究氯堿中乙炔氣深度脫水技術(shù)要點(diǎn)，深入分析混合脫水工藝原理和約翰·布朗分段脫水技術(shù)，并采用試驗(yàn)觀察法和定量數(shù)據(jù)分析，探討新增預(yù)除水裝置對(duì)乙炔氣深度脫水的影響。研究結(jié)果顯示，新增的預(yù)除水裝置有效提高了乙炔氣的脫水效率，降低了水分含量，從而提高了氯堿生產(chǎn)中乙炔氣的純度與穩(wěn)定性。這項(xiàng)深度脫水技術(shù)不僅能夠提高產(chǎn)品質(zhì)量，還有助于實(shí)現(xiàn)氯堿工業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，通過(guò)減少資源浪費(fèi)，提高生產(chǎn)效率，促進(jìn)行業(yè)向更環(huán)保、更高效的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：乙炔氣除水；混合脫水工藝；約翰·布朗改進(jìn)脫水工藝

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ 462" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在氯堿工業(yè)生產(chǎn)中，乙炔氣是一種重要的中間體和原料，其純度與穩(wěn)定性對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量具有直接影響。在乙炔氣的生產(chǎn)中，水分會(huì)對(duì)氯堿生產(chǎn)過(guò)程造成不利影響，因此需要對(duì)其進(jìn)行深度脫水。但是，傳統(tǒng)的脫水方法無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)乙炔氣高純度的需求，為解決這一問(wèn)題， 本文引入混合脫水工藝和約翰·布朗分段改進(jìn)脫水技術(shù)，以提高氯堿中乙炔氣脫水效率和工業(yè)產(chǎn)成品的品質(zhì)。

1 問(wèn)題與需求

探討目前氯堿生產(chǎn)中乙炔氣深度脫水存在的問(wèn)題與需求時(shí)，需要深入了解該領(lǐng)域所面臨的具體情況和相關(guān)方面的要求。

1.1 產(chǎn)品質(zhì)量要求提升

在氯堿生產(chǎn)中，乙炔氣體的純度標(biāo)準(zhǔn)極為嚴(yán)苛。乙炔氣體是關(guān)鍵中間體，對(duì)最終氯堿產(chǎn)品的品質(zhì)與穩(wěn)定性具有決定性影響。任何乙炔氣體中過(guò)高的水分含量或雜質(zhì)都可能對(duì)生產(chǎn)流程產(chǎn)生負(fù)面效應(yīng)，甚至?xí)p害設(shè)備和產(chǎn)品。因此目前氯堿生產(chǎn)中面臨的關(guān)鍵課題是如何更有效地實(shí)現(xiàn)乙炔氣體的深度脫水，以充分保證產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)。

1.2 工藝技術(shù)更新迭代

氯堿生產(chǎn)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步與革新推動(dòng)了生產(chǎn)工藝的進(jìn)步。新工藝對(duì)乙炔氣的深度脫水要求更嚴(yán)格，可能涉及更高純度的追求或更精細(xì)的控制條件。為滿(mǎn)足這些新的生產(chǎn)需求，確保生產(chǎn)的穩(wěn)定與可持續(xù)性，必須及時(shí)對(duì)脫水工藝進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化。

2 混合脫水工藝和約翰·布朗分段技術(shù)介紹

2.1 混合脫水工藝原理和操作流程

2.1.1 混合脫水技術(shù)解析

在實(shí)際生產(chǎn)中，電石被轉(zhuǎn)化為乙炔氣體，并通過(guò)堿洗或者水洗的方式進(jìn)行除霧，以去除雜質(zhì)。此后，乙炔氣體與氯化氫混合并生成鹽酸。由于乙炔氣體能夠產(chǎn)生飽和汽水混合氣，混合氣體受鹽酸溶液上水蒸氣分壓的制約[1]。該脫水工藝?yán)昧怂娘柡驼羝麎弘S溫度下降而減少的特性，通過(guò)深度冷卻轉(zhuǎn)化為液態(tài)水，實(shí)現(xiàn)脫水目標(biāo)（見(jiàn)表1）。

需要注意的是，混合氣體最終的脫水效果取決于鹽酸溶液上的水蒸氣分壓。因此，混合脫水工藝的設(shè)計(jì)原則是選擇適當(dāng)?shù)纳疃壤鋮s溫度，以確保脫水效果。在該過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整溫度，40%鹽酸的水蒸氣分壓迅速降低，遠(yuǎn)低于相同溫度下純水的水蒸氣分壓。該設(shè)計(jì)原則為混合脫水工藝提供了有效的操作依據(jù)，有助于提升乙炔氣體的純度和穩(wěn)定性。

2.1.2 混合脫水流程

從微觀層面來(lái)看，混合脫水流程主要分為以下6個(gè)部分。1）混合氣體生成。乙炔氣通過(guò)乙炔阻火器后，與從電解車(chē)間送來(lái)的氯化氫氣在混合器中按照1∶1.2～1∶1.15的比例進(jìn)行混合。2）一級(jí)冷卻換熱器。混合氣體進(jìn)入一級(jí)冷卻換熱器，采用氟利昂壓縮制冷技術(shù)，通過(guò)蒸發(fā)器制冷對(duì)-26℃的冷凍鹽水進(jìn)行第一次冷卻，以脫除部分水分[2]。3）二級(jí)冷卻換熱器。經(jīng)過(guò)一級(jí)冷卻后的混合氣體進(jìn)入二級(jí)冷卻換熱器，進(jìn)行第二次冷凍除水處理。4）經(jīng)酸霧捕集器冷凍后的混合氣體形成氣溶膠狀態(tài)，進(jìn)入一、二級(jí)酸霧捕集器，去除大量酸霧后，混合氣體的水含量降至0.06%以下。5）石墨預(yù)熱器。經(jīng)過(guò)酸霧捕集器的混合氣體進(jìn)入石墨預(yù)熱器進(jìn)行預(yù)熱處理，以提高氣體溫度。6）前臺(tái)轉(zhuǎn)化器。預(yù)熱后的氣體進(jìn)入前臺(tái)轉(zhuǎn)化器進(jìn)行反應(yīng)，再進(jìn)入轉(zhuǎn)化器進(jìn)行加熱反應(yīng)（如圖1所示）。

2.2 混合脫水后水分測(cè)量方法和效果評(píng)估

經(jīng)過(guò)混合脫水后，通常會(huì)采用吸收法或色譜法測(cè)量脫水后的水分。吸收法是在0.1MPa氣壓下將乙炔氣冷卻至5℃，然后通過(guò)裝有無(wú)水氯化鈣的容器。該容器內(nèi)的無(wú)水氯化鈣吸收混合氣中的水分，而未被吸收的氣體主要是氮?dú)夂蜕倭垦鯕?。通過(guò)測(cè)量吸收后的氯化鈣容器的增質(zhì)量，可以間接計(jì)算出混合氣中水的含量。色譜法則是通過(guò)色譜儀對(duì)經(jīng)混合脫水處理后的乙炔、氯化氫混合氣進(jìn)行分析，從而確定水分含量。在實(shí)際生產(chǎn)中，相關(guān)工作人員同時(shí)使用上述2種測(cè)量方法，以更全面地了解混合氣中的水分含量，確保乙炔、氯化氫混合氣的水分達(dá)到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。評(píng)估結(jié)果可用來(lái)指導(dǎo)生產(chǎn)過(guò)程中的調(diào)整和優(yōu)化，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性達(dá)到要求。

需要注意的是，混合脫水技術(shù)雖然已經(jīng)十分成熟，但是受該技術(shù)基本原理的制約，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，該技術(shù)也暴露出一些短板與不足。1）一級(jí)、二級(jí)冷卻器中的混合器冷卻溫度控制存在缺陷，過(guò)高或過(guò)低的溫度均可能對(duì)脫水效果產(chǎn)生負(fù)面影響。如果溫度過(guò)高，混合氣中的水蒸氣無(wú)法充分凝結(jié)，從而降低了脫水效果；反之，如果溫度過(guò)低，可能導(dǎo)致結(jié)霜或結(jié)冰，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。2）生產(chǎn)負(fù)荷波動(dòng)。混合脫水裝置是一種常見(jiàn)的工業(yè)設(shè)備，其在運(yùn)行過(guò)程中的穩(wěn)定性直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。當(dāng)生產(chǎn)負(fù)荷不穩(wěn)定時(shí)，混合脫水裝置的運(yùn)行會(huì)受?chē)?yán)重影響，導(dǎo)致脫水性能下降，產(chǎn)品水分含量不穩(wěn)定。3）易于結(jié)塊阻塞。在混合脫水的過(guò)程中，水分凝結(jié)通常會(huì)形成結(jié)晶或結(jié)塊，這些物質(zhì)有可能堵塞管道或設(shè)備的關(guān)鍵部件[3]。

2.3 約翰·布朗分段改進(jìn)脫水流程

約翰·布朗分段改進(jìn)脫水流程具體如下。

首先，分段冷卻。該方法采用多段冷卻器設(shè)計(jì)，將混合氣體引入獨(dú)立的冷卻段落，使溫度逐步降低，從而使混合氣體在每個(gè)段落中逐步冷卻，促使水分逐漸凝結(jié)。其計(jì)算過(guò)程如公式（1）所示。

（1）

式中：Ti代表第i個(gè)冷卻段落的冷卻溫度；Tinlet代表混合氣體的入口溫度；Tfinal代表最終冷卻溫度；n代表冷卻段落的數(shù)量。

其次，分級(jí)脫水。本次研究為每個(gè)冷卻段落配置了差異化脫水設(shè)備，通過(guò)精細(xì)控制進(jìn)行水分的分級(jí)脫除。脫水效率計(jì)算過(guò)程如公式（2）所示。

（2）

式中：mout代表混合氣體經(jīng)過(guò)脫水后的水分質(zhì)量；min代表混合氣體初始水分質(zhì)量。

在脫水設(shè)備選擇方面，本文主要考慮溫度、濕度等對(duì)脫水效果產(chǎn)生直接影響的因素，具體計(jì)算過(guò)程如公式（3）所示。

Devicei=argmini（f（parameters）） （3）

式中：argmini代表在脫水設(shè)備集合中，選擇使目標(biāo)函數(shù)f（parameters）達(dá)到最小值的設(shè)備i。

再次，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)整。該方法引入實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)混合氣體的溫度、濕度和水分含量等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行全程監(jiān)控。同時(shí)，采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整各個(gè)冷卻段落的溫度和脫水設(shè)備的操作參數(shù)，從而最大限度地提高脫水效率。

從次，防結(jié)塊措施。針對(duì)傳統(tǒng)脫水方法容易結(jié)塊堵塞問(wèn)題，該方法特別設(shè)計(jì)了防結(jié)塊系統(tǒng)，通過(guò)合理的管道設(shè)計(jì)、增加冷凝器表面積等方式，有效降低水分凝結(jié)形成結(jié)晶或結(jié)塊的風(fēng)險(xiǎn)。

最后，負(fù)荷適應(yīng)性。在工藝設(shè)計(jì)階段，本文充分考慮了生產(chǎn)負(fù)荷的波動(dòng)情況，以確保系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足不同負(fù)荷條件下的運(yùn)行要求。同時(shí)，利用自動(dòng)控制系統(tǒng)，并根據(jù)實(shí)時(shí)生產(chǎn)負(fù)荷情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整冷卻溫度和脫水設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，從而保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。脫水設(shè)備操作參數(shù)調(diào)整公式如公式（4）所示。

（4）

式中：?P代表脫水設(shè)備操作參數(shù)的調(diào)整量；K代表調(diào)整系數(shù)；代表脫水效率對(duì)參數(shù)Parameteri的偏導(dǎo)數(shù)。

3 約翰·布朗分段改進(jìn)脫水工藝中的預(yù)除水裝置增設(shè)

3.1 預(yù)除水裝置增設(shè)的工藝考量

3.1.1 原料乙炔氣特性分析

由于原料乙炔中含有較多雜質(zhì)，要想對(duì)其進(jìn)行有效的凈化，就需要對(duì)其成分進(jìn)行分析（見(jiàn)表2）。

3.1.2 0℃～5℃乙炔氣預(yù)處理裝置冷量計(jì)算

在處理乙炔氣體過(guò)程中，計(jì)算預(yù)處理設(shè)備的冷量將直接影響氣體能否達(dá)到所需溫度范圍，進(jìn)而影響整個(gè)生產(chǎn)流程的穩(wěn)定性和安全性[4]。獲取乙炔氣體的當(dāng)前溫度后，本文進(jìn)行了冷卻量的計(jì)算。此過(guò)程中的乙炔氣體質(zhì)量流率計(jì)算過(guò)程如公式（5）所示。

=ρ·A·v （5）

式中：代表乙炔氣體的質(zhì)量流率；ρ代表乙炔氣體的密度；A代表氣體的截面積；v代表氣體的流速。

此外，還需要引入冷卻器傳熱系數(shù)計(jì)算公式，如公式（6）所示。

（6）

式中：U代表冷卻器的傳熱系數(shù)；A代表傳熱表面積；?x代表傳熱距離。

本文根據(jù)冷卻量的計(jì)算結(jié)果選擇適當(dāng)?shù)睦鋮s方法，在此過(guò)程中，綜合考慮各種因素，如能源消耗、成本和可行性等。確定冷卻方法后，進(jìn)行傳熱計(jì)算，以確定冷卻器尺寸和工作參數(shù)。設(shè)備安裝完成后，調(diào)整冷卻設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，利用設(shè)備尺寸計(jì)算公式確定換熱器、冷卻塔的尺寸，其中換熱器尺寸計(jì)算過(guò)程如公式（7）所示。

（7）

式中：Q代表制冷機(jī)組傳熱系數(shù)；?T代表冷卻表面積。

冷卻塔尺寸計(jì)算過(guò)程如公式（8）所示。

（8）

式中：V代表冷卻塔的體積；hvap代表蒸汽的焓；ρliq代表液體的密度。

在此過(guò)程中應(yīng)充分考慮乙炔氣體的特性和預(yù)期的冷卻效果，力求在滿(mǎn)足處理需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。本次研究中，為確保冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，還將采取一系列措施對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.2 0℃～5℃預(yù)處理干燥裝置的工藝流程設(shè)計(jì)

在該流程的起始階段，本文對(duì)從生產(chǎn)、儲(chǔ)存環(huán)節(jié)提取的乙炔氣體純凈度進(jìn)行了嚴(yán)格控制，要求純凈度＞95.5%，符合既定標(biāo)準(zhǔn)。純凈的乙炔氣體進(jìn)入乙炔水洗塔后，通過(guò)水洗過(guò)程，能夠有效去除氣體中的雜質(zhì)和不純物質(zhì)[5]。在洗滌過(guò)程中，氣體中攜帶的水分和其他雜質(zhì)得以有效分離，并沉降至塔底部位。洗滌后的乙炔氣體進(jìn)入乙炔冷卻器，使用氟利昂進(jìn)行冷卻。氟利昂來(lái)自冷凍裝置，由流量調(diào)節(jié)閥精確控制流量，將乙炔氣體溫度降至2℃。冷卻后的乙炔氣體進(jìn)入除霧器，清除其中的水霧，進(jìn)一步降低水分含量。經(jīng)除霧器處理后的乙炔氣體的純凈度具有顯著提升。進(jìn)而氣體進(jìn)入乙炔壓縮機(jī)，壓縮機(jī)通過(guò)多級(jí)壓縮，將乙炔氣體的壓力提升至所需工作壓力，確保后續(xù)工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。在壓縮過(guò)程中，壓縮機(jī)內(nèi)部溫度也會(huì)隨之升高。為了防止乙炔氣體發(fā)生熱解或其他不良反應(yīng)，壓縮機(jī)內(nèi)部配備了高效冷卻系統(tǒng)，循環(huán)冷卻液或空氣會(huì)不斷吸收并帶走壓縮機(jī)產(chǎn)生的熱量，確保乙炔氣體在壓縮過(guò)程中保持穩(wěn)定。在整個(gè)乙炔制備過(guò)程中，精確的控制和高效的設(shè)備不僅提高了乙炔氣體的純度和質(zhì)量，還確保了整個(gè)工藝過(guò)程的穩(wěn)定性和安全性，為后續(xù)乙炔的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，也為相關(guān)行業(yè)的發(fā)展提供了有力支持。

3.3 預(yù)除水裝置系統(tǒng)優(yōu)化

本文基于0℃～5℃乙炔氣預(yù)處理裝置冷量和預(yù)處理干燥裝置的流程設(shè)計(jì)，嘗試對(duì)預(yù)除水裝置進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)“一主一備”的運(yùn)行模式。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，可確保主除霧器需要更換濾芯時(shí)，能夠迅速切換至備用除霧器，整個(gè)過(guò)程無(wú)須停產(chǎn)，從而避免了因停產(chǎn)帶來(lái)的潛在損失。此舉將顯著提高裝置的整體運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。

優(yōu)化前，除霧器濾芯每3個(gè)月需要更換一次，整個(gè)更換和檢修過(guò)程耗費(fèi)12h。通過(guò)優(yōu)化，可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況靈活調(diào)整濾芯的更換頻率，避免頻繁更換。實(shí)施備用除霧器方案后，每年因裝置啟停造成的乙炔氣損失，由11.6萬(wàn)元大幅降至約6萬(wàn)元。這一改進(jìn)主要得益于不停產(chǎn)更換除霧器，減少了系統(tǒng)運(yùn)行的中斷時(shí)間，進(jìn)一步降低了乙炔氣的損失。優(yōu)化后，每年可節(jié)約成本19.77萬(wàn)元，并有望增加銷(xiāo)售收入約2785萬(wàn)元。由此可以看出，優(yōu)化后的預(yù)除水裝置運(yùn)行效率得到了提升，其盈利能力也得到了顯著增強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

在制備氯堿的過(guò)程中，本文著重分析了乙炔氣深度脫水技術(shù)，并通過(guò)該方式提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。通過(guò)深入挖掘乙炔氣體的脫水機(jī)理，本文成功實(shí)施了“一主一備”除霧器方案，顯著減少了停產(chǎn)時(shí)間和乙炔氣損失，為企業(yè)節(jié)約了大量成本。該研究成果不僅提升了氯堿生產(chǎn)工藝的可持續(xù)性，也在經(jīng)濟(jì)層面取得了顯著成效。未來(lái)還將繼續(xù)深化技術(shù)創(chuàng)新，不斷提升氯堿工業(yè)生產(chǎn)的智能化水平，助力于行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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