CPVC母液脫氯塔的設計

崔　巍（上海氯堿化工股份有限公司，上海200241）

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CPVC母液脫氯塔的設計

崔巍
（上海氯堿化工股份有限公司，上海200241）

摘要：采用設備單元計算及流程模擬方法對氯化聚氯乙烯（CPVC）生產工藝中的母液脫氯塔進行設計。結果表明，在現有工藝條件下，塔器合理設備尺寸及操作條件為：塔高H=4.9 m，塔徑D=1.5 m，空氣流量G=1.46 m3/s。此外，采用Aspen流程模擬軟件對上述條件下的Cl2脫除率進行計算。

關鍵詞：CPVC；脫氯塔；設計；ASPEN

氯化聚氯乙烯（CPVC）是橡膠與塑料的優良改性劑和添加劑［1］。CPVC的制備多采用水相懸浮氯化法［2］，以水或鹽酸相為懸浮介質，并利用其完成傳質及傳熱過程［3，4］。隨著反應的進行，反應母液鹽酸濃度不斷升高，以20 t/a CPVC裝置為例，副產鹽酸在10萬t以上。

鹽酸中溶有氯氣，嚴重影響著鹽酸的質量，制約著鹽酸銷售途徑，必須對副產鹽酸進行凈化提純，否則將對CPVC的持續穩定生產構成嚴重威脅。因此，脫氯塔的正確設計和投入使用，對整個CPVC的生產工藝起到巨大的推動作用。

1　填料塔理論與模擬

塔器是重要的分離設備，主要分為板式塔和填料塔。相比于板式塔，填料塔因其分離效率高，制造和更換容易，材質范圍廣，適應能力強，節省能耗等一系列優點，在不少領域已逐步取代了板式塔［5，6］。

脫氯塔填料采用塑料鮑爾環，耐氯氣腐蝕，且環內空間及環內表面的利用率高，氣體流動阻力降低，液體分布均勻。此外，由于鮑爾環上的2排窗孔交錯排列，可使得通過環的氣體流動通暢，避免了液體嚴重的溝流及壁流現象，是可供選擇的理想填料［7］。

填料的傳質效率直接關系到填料塔的操作性能。提高填料的傳質效率，可以考慮加大填料的比表面積，提高表面利用率，提高擴散系數或減小滯流膜層厚度等因素［8］。近似梯級法計算填料層高度主要是通過傳質單元高度（HTU）來計算的，其意義與理論板相近。HTU愈小，達到同樣的分離要求所需的填料層高度就愈低，亦有同樣的填料層高度所能達到的分離效果就愈好，所以加大填料的比表面積可增加傳質效率。而增大比表面積可直接影響填料塔的其他操作性能，因此，必須綜合考慮填料塔的各方面操作因素，確定相對大的填料比表面積，提高填料傳質效率［9］。

ASPENPLUS是一個生產裝置設計、穩態模擬和優化的大型通用流程模擬系統。軟件包擁有強大的物性數據庫，涵蓋了無機物、有機物、強電解質、固體、燃燒物等多種物性參數，具有靈活且便于計算的單元操作模塊。

在氯氣-鹽酸物系中，可選擇的物性方法有ELECNRTL、ENRTL-HF及ENRTL-HG。這3種物性方法的液相活度系數方法均為Electrolyte NRTL，而氣相逸度系數方法則分別為Redlich-Kwong、HFHexamerization model及Redlich-Kwong。對液相的擬合，ENRTL-HF方法由低濃度向高濃度過程中，偏離加大。ELECNRTL與ENRTL-HG對液相的擬合很接近，但ELECNRTL為氯氣鹽酸物系模擬中普遍采用的物性方法，所以本設計選用ELECNRTL物性方法［10，11］。

2　脫氯塔的設計

2.1工藝條件

鮑爾環散堆填料，塑料材質，直徑?38×3 mm，物料質量流量：氯化氫1 560.96 kg/h；水11 110.31 kg/h；游離氯125.23kg/h；溫度45℃；壓力。為常壓0.1 MPa，要求游離氯的脫除率為95%。計算所需要的空氣流量、塔高、塔徑。

工藝分析：鹽酸進入中間槽后，由泵將鹽酸送入脫氯塔塔頂，并由塔底鼓入空氣進行氣液相接觸，解析鹽酸中溶解大部分游離氯，氣相送入后序的尾氣吸收塔，液相送入鹽酸貯槽。

2.2物料衡算

物料衡算示意圖見圖1。

G—初始進塔空氣的摩爾流量，mol/s；L—初始進塔液體的摩爾流量，mol/s；X1—進口液相中氯氣溶質的摩爾分數；X2—出口液相中氯氣溶質的摩爾分數；Y1—進口氣相中氯氣溶質的摩爾分數；Y2—出口氣相中氯氣溶質的摩爾分數。圖1　物料衡算示意圖

2.2.1進出口氣體組成

初始條件下，進氣流量的組成見表1。

表1　初始物料組成

初始物料的平均分子量M=19.337 g/mol

初始液體摩爾流量L=183.82 mol/s

式中：X1*—進口氣相對應的平衡液相摩爾分數；

X2*—出口氣相對應的平衡液相摩爾分數。

在T=45℃，氯氣在稀鹽酸中的飽和溶解度為4.258 g/100 g水，此時為氣液平衡狀態Ye，計算氣液平衡常數m。

Ye=mX；其中，氣相為純氯氣，則Ye=1；

X=0.010 68，推算出m=93.64

氯氣在稀鹽酸中的氣液平衡方程為：Ye=93.64X

進行溫度矯正：G=1.123 2 m3/s

G=1.3 Gmin=1.460 2 m3/s

X1*=0.002 305

2.2.2塔徑計算

填料尺寸?38×3 mm，填料因子?=150，填料的比表面積a=130 m2/m3；常溫下水的粘度μ=1 mPa·s= 10-3Pa·s，水的密度和液體密度之比￠=1；u為空塔氣速；uf為泛點氣速；u=0.7uf；溫度T=45℃；液體的密度（取水）ρL=1 000 kg/m3；空氣的密度（45℃）ρv= 1.107 453 kg/m3；

空氣的體積流量Q=1.460 2 m3/s

氣體的體積流量為

Vs=1.460 2+0.012 4=1.472 3 m3/s

D/d=38.324（工業上填料塔D/d應大于30）

2.2.3傳質單元數NOL的計算

X1=0.002 665；X2=0.000 133 59；X1*=0.002 305；X2*=0；

△X1=0.000 36；△X2=0.000 135 9；

△Xm=2.3×10-4

NOL=11

2.2.4傳質單元高度的計算

（1）潤濕面積

式中：aw—單位體積填料層的潤濕面積，m2/m3；

a—填料的比表面積，m2/m3；

GL—液體通過塔截面的流率，kmol/（m2·s）；

σ—表面張力，N/m；

σc—填料材質的臨界表面張力，即能在該填料上散開的最大表面張力；

μL—液體的粘度，Pa·s；

ρL—液體的密度，kg/m3；

g—重力加速度，9.81 m/s2；

聚氯乙烯σc=40 N/m，σ=70 N/m；μL=1×10-3Pa·s；最終求得aw=47 m2/m3。

（2）求kx·a

式中：kL：液膜傳質系數，kmol/（m2·s）；

dp：填料的有效直徑，m；

DL：組分A在液相中的擴散系數，m2/s。

根據上式求得：kL=9.365 4×10-5kmol/（m2·s）

kL·a=0.004 401 8 kmol/（m3·s）

溶液的總摩爾濃度CM=59.65 kmol/m3

kx·a= CM×kL·a

最終求得kx·a=0.25 kmol/（m3·s）

（3）求HOL

式中：HOL為液相總傳質單元高度，m；Kx為以摩爾分率差為推動力的液相總傳質系數，kmol/（m2·s）；Ω為為塔截面積，m2。

根據上式算得HOL=0.441 4 m

（4）塔高H

H=HOL×NOL=4.856 m

（5）噴淋密度ρ=7.683（m3/m2·h）

空塔氣速0.887 5 m/s

通過以上計算得出，塔高H=4.856 m（取4.9 m），塔徑D=1.456 3 m（取1.46 m），空氣流量G= 5 842.75 kg/h=1.460 2 m3/s=55.965 mol/s。以上數值均在工業化實踐范圍之內，可以進行參考。

3　ASPEN模擬驗證

3.1模擬流程的建立

模擬流程模擬氣液解析，解析塔為主要模塊，模擬初時條件根據進料條件、設計規定及設備的選型，選用ELECNRTL物性方法，對計算結果進行模擬驗證，ASPEN物料模型圖見圖2。

圖2　ASPEN物料模型圖

鮑爾環散堆填料：塑料材質，直徑?38×3 mm；物料質量流量：氯化氫1560.96 kg/h；水11 110.31 kg/h；游離氯125.23 kg/h；溫度45℃；壓力為常壓0.1 MPa，塔高H=4.9 m，塔徑D=1.46 m，空氣流量G=1.46 m3/s，驗證游離氯的脫除率能否達到95%。

3.2模擬結果

通過采用RadFrac模型模擬，計算所得物料衡算結果見表2。

表2　物料模擬結果

由表2可知，Cl2的脫除率已經超過99%，從而進一步確定工藝條件：塔高H=4.9m，塔徑D=1.5m，空氣流量G=1.46 m3/s，選用38 mm鮑爾環散堆填料，能夠滿足設計要求。

4　結論

本文針對氯化聚氯乙烯脫氯塔的設計，并通過ASPEN對結果進行模擬驗證，在當前工藝條件下，塔高4.9 m，塔徑1.5 m，空氣流量G=1.46 m3/s，噴淋密度ρ=7.68 m3/m2·h，空塔氣速=0.89 m/s，Cl2的脫除率已經超過99%，選用38 mm鮑爾環散堆填料下，能夠滿足設計要求。

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Design for CPVC mother liquor de-chlorination column

CUI Wei
（Shanghai Chlor-Alkali Chemical Co.，Ltd Shanghai 200241）

Abstract：Unit equipment calculation and process simulation method were employed for the design of a CPVC mother liquor de-chlorination column. The results indicated that，under the existing conditions，the optimal device dimensions and operating conditions are as follows：column height：4.9 m，column diameter：1.5 m，air flow rate：G=1.46 m3/s. Cl2prolapse rate under the above conditions was calculated by using Aspen software.

Key words：CPVC；de-chlorination column；design；ASPEN

中圖分類號：TQ053.5

文獻標識碼：B

文章編號：1009-1785（2016）03-0036-03

收稿日期：2016-02-24