论文浅谈氯干燥工艺流程和非标塔设备的优化设计

1、浅谈氯干燥工艺流程和非标塔设备的优化设计 童新洋、宋水泉（杭州东日玻璃钢有限公司）、干成军（杭州电化股份有限公司）【关键词】 氯干燥、工艺流程、塔设备、优化设计【摘 要】 分析总结了国内氯干燥装置的运行现状，结合多年来从事氯干燥装置设计、制造、安装的实际经验，重点介绍在氯干燥工艺流程和主要塔设备的优化设计和新技术，以及东日干燥流程的简介。前言氯气干燥处理在氯碱生产中处于承上启下的重要环节，干燥后氯气的质量直接影响到氯压机及后续氯产品用氯装置的安全运行，实属咽喉工序。因氯气质量（主要是氯中含水偏高，夹带硫酸盐）原因导致氯压机故障，后续用氯设备被堵塞，腐蚀的事故时有发生。近年来，东日公司依靠引进先

2、进的氯干燥技术，在国内知名塔器专家，氯碱专家和各专业工程师团队的努力下，已向广大氯碱企业设计、制造、安装、运行了十数套性能优良的氯干燥装置。在经济性、节能环保性和技术先进性上体现了较大的优势。1国内氯干燥装置工艺装备的现状和氯中含水对氯压机的影响目前国内近200家氯碱企业中装备的氯干燥装置性能参差不齐，工艺流程大体可分为单塔、双塔、多塔（34台）三类，塔型多为填料塔、泡罩塔及其两塔的组合，泡沫塔因操作弹性小已较少采用。处理后氯中含水率的水平也参差不齐，大部分装置的氯中含水质量分数在200-400PPm之间，少数技术性能先进的装置氯中含水质量分数可达<50PPm，但也有不少装置氯中水的质量

3、分数400PPm以上。这样对氯气输送机械，特别是氯气透平压缩压机的安全运行和使用寿命造成非常不良的影响。由于氯气透平压缩机是高速运转机械，设计制造精度高，为了确保其正常运行，对氯中含水和夹带的机械杂质要求严格。国产的小透平机一般要求氯中水的质量分数在200 ppm以下，不夹带硫酸盐类杂质；国产的大透平机（如：VGSP100、LLY-300型）要求氯中含水在质量分数在100 ppm以下，不夹带硫酸盐类机械杂质；进口的大型氯气透平压缩机如KK&K的氯压机要求氯中含水的质量分数20 ppm以下，不夹带硫酸盐类机械杂质。因此氯干燥后的氯气质量是能否采用氯气透平压缩机和采用了氯气透平压缩机能否安

4、全、正常运行的一项关键因素。液环式氯压机（纳氏泵）虽然对氯中含水要求不高（氯中水的质量分数<400ppm），但过量的水分常使纳氏泵中浓硫酸浓度下降过快、过低，而导致纳氏泵的叶轮被侵蚀后，强度下降、寿命缩短、故障率增高。所以氯干燥装置的可靠、高效运行是至关重要的。2氯干燥装置中主要工艺装备的选择氯干燥的工艺过程均是：从电解工序输送过来的近80左右的湿氯气，先进氯气洗涤冷却塔，用35的循环氯水充分洗涤、冷却、冷凝后进钛制管壳式换热器进一步冷却，把氯气温度降到1215，再经高效纤维床捕沫器分离夹带的水雾和盐雾后，送入浓硫酸干燥塔中除去氯气的微量水分，所得干氯气经酸雾捕集后，用氯压机送入后续工序

5、。此过程基本分为二大部分，前部分主要是氯气的洗涤、冷却、冷凝、除雾；后部分是用浓硫酸吸收氯气中的水分子，酸雾捕集。整个工艺过程环环相扣，任何环节的疏忽都会影响到工艺指标的控制。2.1 氯气洗涤塔和冷却设备的选择电解工序送到氯气洗涤塔的湿氯气一般温度已降到80左右，此时氯气被水蒸气饱和。1kg氯气在80时含有约219g水蒸气，当它冷却到12时，水蒸气含量降到了3.6g。所以降低氯气的温度到12，可将其夹带的98%以上的水分除去，以达到降低干燥塔负荷，减少硫酸消耗的目的，同时应充分洗涤氯气中夹带的有机杂质和盐雾。此工况条件下，优先的工艺过程是大流量、过饱和的湿氯气先进入氯气洗涤塔（一般选用适用高液

6、气比操作，易于移出塔中热量，阻力降小的填料塔），用足够的循环氯水充分洗涤，冷却氯气。把氯气的温度降到4045左右排出。这样不但可以把氯气中夹带的氯化钠洗去，同时可大大减少由昂贵钛材制造的管壳式冷却器的负荷，确保出钛冷却器的氯水温度可控制在12-15。在塔后，为了更好的控制氯气的温度，最好设置两段钛制管壳式冷却器。I段用循环水冷却，II段用57冷冻水冷却，这样配置可减少57冷冻水的消耗，即使在夏天也能控制氯气温度在1215左右，保证干燥系统的负荷不增加。钛金属耐湿氯气性能相当优越，可靠性高，因此两台钛制冷却器的可靠工作是有理由相信的。此时该系统中的氯水洗涤塔是关键设备了，要根据具体工况负荷设计合

7、理，湿氯气是强氧化性介质，腐蚀性相当强，塔器的选材和结构设计是该设备可靠工作的关键。采用全钛结构当然可以满足要求，但造价太高，难以承受。国内亦有采用钢衬胶的，无奈胶板和衬胶工艺欠稳定，可靠性不好，且一旦胶板被侵蚀，钢制的外壳在强酸性介质中会很快被侵蚀而危及整塔的安全。根据该塔耐腐蚀性和特殊性，我们采用高度耐蚀的酚醛环氧乙烯基树脂（DERAKANE 470）和特殊层合结构设计制造的氯水洗涤塔，经多年来的实际运行证明，该设备选材合适，层合结构合理，可靠性相当优越，体现了很高的性价比。2.2 氯气中水雾分离设备的选择首先应充分认识到氯气中水雾有效分离的难度和重要性。难度：氯气中夹带的水雾，粒径分布范

8、围很广，在0.130m范围内，其中有不少在冷却、冷却凝过程中产生的直径在1m以下的粒子。这么小的粒子从理论上分析可知，要靠惯性力机械拦截等方法，是不可能有效分离直径3m以下的粒子的。重要性是：如水雾分离效果不理想，把过多的水雾带入干燥工序，会增加硫酸的消耗。更重要的是此时溶解有盐分的水雾粒子中的水分被浓硫酸吸收走了，盐分就分离了出来，一部分与硫酸反应生成硫酸盐。沉积在塔器填料层中、管道内，长期积累下来，填料塔的传质能力下降，系统阻力升高，特别是酸雾捕集器的玻纤除雾元件，因大量的盐类机械杂质粘附而使其性能急剧恶化，阻力降异常升高而被迫更换。所以氯干燥装置中的水雾分离器是一台相当核心的设备，其除雾

9、元件必须具备除去3m以下的粒子99%，3m以上的粒子100%的优异性能。目前，国内较多企业使用孟山都的高效纤维除雾元件。其除雾的机理是：夹带水雾的氯气流水平流过纤维层时，靠雾滴自身微观的布朗运动使其与纤维表面碰撞、吸附，进而凝聚，受重力作用流下排出。此时的纤维层不会因吸入水分体积膨胀而导致压降增大，甚至阻塞。且纤维床内层的防二次夹带层应完全防止产生二次夹带。装配该元件的除雾器壳体工作温度在20以下，因此采用硬聚氯乙烯内衬外缠玻璃钢增强层的复合材质结构是最佳的选择。硬聚氯乙烯具有优良的耐氧化性介质性能，它材质的密实性（即抗渗性）明显优于层合结构的玻璃钢材质。其强度虽低一些，但经玻璃钢缠绕增强后完

10、全可满足该除雾器的工况要求，并且有良好的经济性。因此是制造此除雾器壳体材质的优选材料。2.3 氯气干燥塔氯气干燥塔的任务是用浓硫酸脱除氯气中余下的水分子，达到工艺要求的氯中含水目标值。浓硫酸吸收水蒸气是气膜阻力控制的物理吸收过程，过程速率等于传质系数乘推动力。传质系数的影响因素主要为：气流速度、硫酸浓度、操作温度、设备因素。过程推动力等于气相中水蒸气分压和硫酸的平衡水蒸气分压的压差。推动力随操作压力增大，温度降低，氯气中含水量增加而增大。所以在负压操作系统中推动力要小于正压操作系统，在负压操作系统的脱水难度要更大一些。氯中含水量越低，脱水越困难，想要把氯中含水的质量分数降到20ppm以下，塔器

11、应作特殊设计。当前用于干燥氯气的塔型主要有填料塔、泡罩塔、填料和泡罩组合塔等三种主要塔型，筛板塔因为操作弹性小，已较少采用。填料塔适用于高液气比操作，压降低、通量大，易于移出吸收过程中产生的热量，操作弹性大，装填了现代高性能填料和高效塔内件的现代填料塔，其传质效率已不比板式塔低。阻力损失小，是填料塔“天然”的优点。泡罩塔是在塔板上装设有升气管的泡罩（圆形或条形），塔板上的液体不像筛板塔那样由气流来支撑，能在较宽的气液负荷条件下保持稳定的操作，特别适合于小液气比的操作。但它气相流过的路径曲折，板上液层较深，因此阻力降较大。其一层塔板的气相压降基本上与同塔径的一台填料塔相当。填料与泡罩组合塔是结合

12、两种塔的优点，可明显改善单独泡罩塔的阻力降过大而造成系统能耗大的缺点。上述三种塔型，无论哪种塔，要达到预期的传质效果，都必须建立在精心设计、制造和严格操作的基础上。塔的可靠性、稳定性除了塔内件设计的质量外，塔材料的合理选用亦是关键因素。干燥塔内的介质是75%98%的浓硫酸和含水质量分数20ppm4500 ppm之间的湿氯气。正常工作温度在20以下，工况异常时温度可能升高到5060。硬聚氯乙烯具有良好耐强氧化性介质（如浓硫酸）的性能，缺点是其强度、刚度较低。但通过特殊界面粘结剂结合缠绕成型玻璃钢增强层的PVC/FRP复合材质，显示出了优良的综合性能。通过对玻璃钢树脂基体的合理选择，PVC/FRP

13、材质可在60以下长期工作，在80下短时间运行。这样可完全满足干燥塔可能出现的异常工况情况下塔器的安全生产。2.4 酸雾捕集器 在干燥过程中会产生一定量的硫酸雾，并夹带少量的硫酸盐和有机氯化物。为了保证氯压机（特别是氯气透平压缩机）的稳定运行和后续工序的生产。应对干氯气中夹带的酸雾、硫酸盐和有机氯化物进行有效的分离。在填料塔和泡罩塔中产生酸雾的雾粒直径平均值大约在2.5m左右，如此小的雾粒只有采用高效的纤维床分离元件才有可能完成这个艰巨的任务。目前，孟山都公司的高效纤维床捕沫元件的实际使用效果最为理想，分离后硫酸雾的质量分数可低于10-6。3干燥流程设计在流程设计中，洗涤塔、I、II段钛冷却器、

14、水雾分离器、酸雾分离器等在流程中的位置是相对确定的。干燥部分依据场地、目标含水率、投资等因素有3种基本的可选择流程，我们称之为东日的A、B、C三种常见流程。在这三种流程中均把易于移出热量，适合高液气比操作的填料塔（或填料段）放在第一位。该塔只要设计合理，工艺控制得当，就可以把进塔湿氯中95%左右的水分在此塔去除。泡罩塔或塔板特别适用于小液气比操作的场合，操作稳定可靠、因此被置于最后的位置，起最后把关的作用。依据第1填料塔后设置塔型的种类和数量的多少，东日公司开发了以下三种基本的流程，以适应不同的市场需求。3.1 A流程（三干燥塔流程）氯气循环氯水98%酸废酸循环酸循环酸循环酸3.1.1 工艺流

15、程简图F01水雾分离器水洗塔C03氯压机水洗塔F02酸雾分离器水洗塔T04III干燥塔T03II干燥塔T02I干燥塔E01/02钛冷水洗塔T01水洗塔水洗塔3.1.2 工艺流程简要说明。来自电解槽温度80的湿氯气，经洗涤冷却塔（T01）、钛冷却器（E01/02）、水雾分离器（F01）、号氯气干燥塔（T02、T03、T04），硫酸雾分离器（F02）除酸雾后得到的干氯气用透平机（C03）加压，经氯气分配台送到后工段加工或使用。浓度98%的硫酸从号氯气干燥塔的顶层塔板用计量泵输入，相继流过塔板段、填料段和号氯气干燥塔，号氯气干燥塔，浓度下降到75%后排出，三干燥塔填料段硫酸用泵强制循环、冷却。氯气冷

16、却器和水雾分离器中分离出来的氯水回入洗涤冷却塔，塔内排出的氯水经脱氯热交换器加热脱氯后，氯气回入T01，达标热水直接排入地沟。3.2 B流程（二干燥塔流程）98%酸3.2.1 工艺流程简图循环酸循环氯水循环酸氯气废酸C03氯压机水洗塔F02酸雾分离器水洗塔T03II干燥塔T02I干燥塔F01水雾分离器水洗塔E01/02钛冷水洗塔T01水洗塔水洗塔3.2.2 工艺流程简要说明来自电解槽温度80的湿氯气，经洗涤冷却塔（T01）、钛冷却器（E01/02）、水雾分离器（F01）、号氯气干燥塔（T02、T03），硫酸雾分离器（F02）除酸雾后得到的干氯气用透平机（C03）加压，经氯气分配台送到后工段加工

17、或使用。浓度98%的硫酸从号组合氯气干燥塔的顶层塔板用计量泵输入，相继流过塔板段、填料段和号氯气干燥塔，浓度下降到75%后排出，两干燥塔填料段硫酸用泵强制循环、冷却。氯气冷却器和水雾分离器中分离出来的氯水回入洗涤冷却塔，塔内排出的氯水经脱氯热交换器加热脱氯后，氯气回入T01，达标热水直接排入地沟。3.3 C流程（单干燥塔流程）3.3.1 工艺流程简图98%酸循环氯水循环酸氯气废酸C03氯压机水洗塔F02酸雾分离器水洗塔T02组合干燥塔F01水雾分离器水洗塔E01/02钛冷水洗塔T01水洗塔水洗塔3.3.2 工艺流程简要说明来自电解槽温度80的湿氯气，经洗涤冷却塔（T01）、钛冷却器（E01/0

18、2）、水雾分离器（F01）、组合氯气干燥塔（T02），硫酸雾分离器（F02）除酸雾后得到的干氯气用透平机（C03）加压，经氯气分配台送到后工段加工或使用。浓度98%的硫酸从组合氯气干燥塔的顶层塔板用计量泵输入，相继流过塔板段、填料段，浓度下降到75%后排出，干燥塔填料段硫酸用泵强制循环、冷却。氯气冷却器和水雾分离器中分离出来的氯水回入洗涤冷却塔，塔内排出的氯水经脱氯热交换器加热脱氯后，氯气回入T01，达标热水直接排入地沟。3.4 流程的比较和适应的范围3.4.1 下表在满足系统的生产能力，氯中含水，系统允许总压降前提下的比较：流程项目A流程（三塔）B流程（二塔）C流程（单塔）占地面积大中小设备

19、投资大中小系统压降低中高98%酸耗量差别不大差别不大差别不大能耗氯压机能耗低中高循环泵功率大中小循环水冷冻量大中小操作性能a.操作稳定、方便b.弹性大，适应负荷范围宽c.对故障的适应性强a.操作稳定、方便b.弹性中等c.对故障的适应性一般a.操作稳定、方便b.弹性较小c.对故障的适应性较弱3.4.2 不同流程的适应范围从上表的初步比较可知，A、B、C三种流程各有其优缺点，C流程投资小，占地面积小，非常适用于老系统改造。操作弹性小，对故障适应性较弱是其固有的缺点；A流程操作弹性大，对故障的适应性强，可靠性高，非常适合于采用进口大透平机，要求系统稳定性好的场合。占地面积大，投资高是它的不足之处；B

20、流程是大部分氯碱企业新建和技改扩建的首选流程，性价比高，系统的操作弹性和适应故障的能力均可满足生产的要求。4干燥装置中塔设备设计的关键点浓硫酸吸收水蒸气是气膜阻力控制的物理吸收过程，过程速率等于传质系数乘推动力。传质系数的影响因素主要为：气流速度、硫酸浓度、操作温度、塔器设备因素等。气流速度在工作负荷一定的情况下已由合适的空塔气速确定。硫酸浓度和操作温度，我们均可在一定范围内通过相关设备调整到工艺规定的要求。传质系数的最后决定因素是设备因素，它是在设备设计和制造过程中赋予该设备的，日后较难调整。因此设备因素是决定传质系数高低的关键点。在干燥装置中的塔器主要是填料塔和泡罩塔两种塔型，两种塔型设计

21、的关键点是不同的。4.1 填料塔设计制造的关键点4.1.1 塔填料的选择：塔填料是填料塔的核心构件，只有性能优良的塔填料再辅以理想的塔内件，才有可能构成技术先进的填料塔。填料的选择是困难的，特别是形状结构的选择，只有通过分析其特点并结合实践经验来确定。东日填料塔内首选的填料是由美国传质公司在80年代中期开发的称为CMR填料，高径比为0.3，此种填料的特点是：床层堆积均匀、通量大、压降小，传质效率高，操作弹性大，抗污性好。经多年在硫酸干燥系统中的应用，证明其是氯气硫酸干燥塔的优选填料。为了更进一步提高塔的传质效率，近期开发的规整填料现在也已被成功应用到硫酸干燥塔中，可显著提高塔的干燥效率。4.1

22、.2 塔内件的选择4.1.2.1 液体分布器对于液体分布器的合理选用和设计，往往是填料塔成败的关键。这点对于使用规整填料的填料塔尤为重要。液体分布器的重要性可归纳为三点：（1）不良液体初始分布必然导致分离效率的急剧下降，这一点已被实验多次证明了。（2）新型的高效填料一般都具有较小的径向分散系数，性能的体现依赖于液体表良好的初始分布。（3）液体不良的初始分布难以达到填料层中的自然流分布。所以对于填料塔而言：设计、制造一台性能优良的液体分布器是至关重要的。性能优良的液体分布器必须满足如下的要求：首先该分布器操作稳定可行，最重要的是要液体分布均匀，判定分布器液体分布均匀有3条标准：a、该分布器应能提

23、供足够的分布点密度，对于高性能散装填料最好达到100点/m2左右；对于规整填料要求的分布点更多了；b、分布点在塔截面上几何分布均匀，特别是要注意塔壁区分布点的分布情况；c、分布点的流量应具有相当的均匀性。b、c两点尤为重要，实验证实一但构成区域性（占塔截面0.1-0.2）的流量不均，传质效率可下降20%之多。其次是分布器应具有适合的操作弹性，一般要求达到1：4左右。能满足流量的变化而不影响分布效率。最后是分布器气流通道均匀、足够，不干扰填料层的气体分布，阻力降小，不产生过量的雾沫夹带。从以上可知设计、制造一台性能优良的液体分布器，影响因素如此之多，以至于要达到要求十分困难。因此国内外专业的塔器

24、制造公司无一不在液体分布器设计上下功夫，建立自己的专有技术。东日公司在氯干燥填料塔中应用了3款高性能分布器：重力型管式分布器、堰槽型分布器和孔槽型分布器。在硫酸干燥塔中，如采用散装填料，首选的分布器应是堰槽型。典型的堰槽型分布器是由进液管、分液槽和多条均布于塔截面上互相平行保持一定间距的淋降槽组成的。气体自下而上在槽间的空隙中流动，液体从进料管流到分配槽，按流量比分配到各淋降槽内后通过均布在淋降槽侧壁上的三角形堰口均匀溢流分布到填料层上。其特点是：操作十分可靠，堰口极少出现被堵现象，故分布质量非常稳定；酸泥和机械杂质可沉降在槽底，抗污性和抗堵性非常优越；流量范围很宽，操作弹性大；气相压降基本忽

25、略不计，基本不产生雾沫夹带。堰孔式分布器可提供更大的分布点密度，它主要用于规整填料段的液体分布。堰槽、堰孔式分布器的不足之处是对制造、安装的水平度有一定要求。在设计、制造、安装过程中要严格把关，否则会对分布质量产生很大的影响。4.1.2.2 气体分布器随着大空隙率、低压降新型填料的广泛使用和填料塔大型化的发展，气流在填料床内自然可以达到均匀分布的看法已为人们所摒弃。对其重要性认识与日俱增，气流入塔不均匀分布的危害，国内外早已在实验中被证实。综合有关填料塔气体分布的研究可以知道，大直径填料塔不良的气体初始分布会使传质效率显著下降。低压降填料床层应考虑气体的初始分布问题，气体不均匀流入填料床，是床

26、内气体分布不均匀的主要原因。 在氯干燥塔器中，空塔气速低，使用的高性能填料压降小，塔的传质效率要求高。因此在氯干燥塔中入塔气体的初始分布越来越受到专业制造商的重视。东日公司专有技术的气体预分布器已在氯干燥塔中成功应用。它结构简单、压降低，与气体喷射支承板的巧妙组合有效解决了氯干燥塔中入塔气体的初始分布，提高了干燥效率。4.1.2.3 填料支承板性能优良的填料支承板，有效开孔率不能小于填料层的空隙率（现代散装填料层的空隙率均在90%以上）；气液穿过支承板时应分流，不相互夹带；重量轻，强度好，易于装卸。 在填料塔的设计中不能忽视支承板的选用和设计，设计不良的支承板会成为全塔的“瓶颈”，限制塔的负荷

27、，增大塔的压降。严重是还会引起局部液泛，破坏正常操作。过去在填料塔中常用的是格栅型支承板。其支承散装填料时的开孔率均在50-70%。操作时气液在同一通道内逆向流动，互争流动空间，在支承板上会形成一液层，其高度受气-液流量影响。在高喷淋密度操作时，产生的气相压降相当可观，气相雾沫夹带会降低填料层传质效率。气体喷射支承板具有三维结构，使它的开孔面积不受塔截面的限制，其开孔率一般可达到100%。在操作时，气液分流穿过支承板，气相走两侧，液相主要走峰谷，两相分流操作，气相不必穿过液层而直接进入填料层。所以气相压降低，不产生雾沫夹带，具有气相的初始分布作用。气体喷射支承板可分块制造，入塔组装，其具有三维

28、截面刚度大承载能力强。东日公司的气体喷射支承板已形成标准系列，在氯干燥塔器中得到了广泛的应用。4.1.2.4 液体再分布器设置液体再分布器的作用是纠正流体量的不良分布和流体浓度的不良分布，再分布兼有均布和混合的双重作用，且混合浓度比均布流量更重要。一个良好的再分布器应使流体得到完全的混合，并在塔截面上重新分布均匀。多少床层高度需设置一个再分布器，一般参照以下三条标准，按最低值确定再分布床层高度：a、现代散装填料层高度大于7m时；b、相当于10个理论板或传质单元数的高度时；c、68倍塔径的床层高度时。首选的再分布器是槽盘式气液再分布器，它结构理想，利于气液混合均布，阻力降也小。应当指出的是目前被

29、经常盲目在氯干燥塔中使用的壁流收集器，并不能有效混合液相的浓度，其使用效果早已被实验证实只在小塔中有效。在大直径填料塔中设置，不但无利反而有害。再分器在塔中的选用，设置是一个需要慎重考虑的问题。4.2 泡罩塔及塔板的设计泡罩塔的主要结构包括：升气管、泡罩、堰和降液管，泡罩安装在升气管的上方，其结构有圆形和条形两类。泡罩的周边开有齿缝，从升气管上升的气流经过泡罩时改变方向并经齿缝分散成细小的气泡进入液层，以密切气液接触，增加流体溢动，从而强化气液传质，板效率高。操作弹性大能适应较大的负荷变化范围，液气比范围大，抗堵性好，操作稳定是它的主要优点，不足之处是结构复杂，造价高，气相阻力降大。泡罩塔板的设计最主要是确定泡罩形式、泡罩尺寸、间距和排列等。在氯干燥塔中，泡罩塔板由于操