濕氯氣和濕氫氣的綜合利用

賀鵬飛， 梁寅祥， 聶方超， 劉 偉

(陜西金泰氯堿化工有限公司，陜西 米脂 718100)

引 言

隨著能源日漸緊缺和精細化對成本的降低需求，因此利用時濕氯氣和濕氫氣所攜帶的熱量能為公司節(jié)約大量的熱能，經(jīng)濟效益可觀，同時降低了氯氣和氫氣的溫度，節(jié)約了純水和循環(huán)水的用量，減輕了水系統(tǒng)“零排放”污水處理的負荷。收集了濕氫氣中夾帶的堿霧，來達到降本增效的目的。

1 工藝相關介紹

1.1 現(xiàn)相關工藝流程簡述

電解過程中每生產(chǎn)1 t氫氧化鈉的同時氫氣帶出的熱量有29萬kJ左右的熱量，從理論上講由于電解槽出來的濕氯氣和濕氫氣都被水蒸氣所飽和，主要成分是水蒸氣，所以濕氫氣和濕氯氣的熱焓值沒有太多的差異，經(jīng)計算濕氯氣的焓值略大于濕氫氣的焓值。可以認為濕氯氣和濕氫氣的換熱是相當?shù)摹?/p>

約48 ℃的一次鹽水送往電解工序的二次鹽水精制系統(tǒng)，用低壓蒸汽通過列管式換熱器加熱到60 ℃±5 ℃。由于螯合樹脂的特性在該溫度下的樹脂交換能力和使用壽命最理想。滿負荷生產(chǎn)的時候一次鹽水的流量140 m3/h，隨后進入電解槽進行電解反應，電解出來的濕氯氣和濕氫氣溫度大約是85 ℃，產(chǎn)生出來的濕氯氣和濕氫氣直接去下一個工序，經(jīng)過洗滌和冷卻后干燥，然后通過壓縮機進行壓縮至一定的壓力，滿足后系統(tǒng)的使用。濕氫氣直接用循環(huán)水冷卻和洗滌至45 ℃以下，氯氣再用冷凍水冷卻至12 ℃～15 ℃，氫氣用冷凍水冷卻至小于20 ℃以下。

該工藝未將氯氣和氫氣的余熱利用，同時加大了氯氣和氫氣后續(xù)系統(tǒng)的負荷，特別是在夏季浪費了冷凍水和循環(huán)水，尤其是冬季一次鹽水的加熱浪費了低壓蒸汽，增加了生產(chǎn)的成本。

1.2 改進后的相關工藝

電解生產(chǎn)出來的濕氯氣和濕氫氣溫度大約是85 ℃，先用濕氯氣通過鈦材列管式換熱器對約48 ℃的一次鹽水進行換熱，冷凝下來的氯水回到淡鹽水脫氯系統(tǒng)，然后再用濕氫氣通過鎳材列管式換熱器對一次鹽水加熱，冷凝下來的堿回到陰極液排放槽，達到收集回收的目的，最后用蒸汽換熱器對其加熱來保證開車時候的一次鹽水溫度，三個換熱器采用串聯(lián)的方式連接，每一個換熱器都設計旁路，可以在正常生產(chǎn)的時候能單獨隔離檢修，使得一次鹽水的溫度達到60 ℃±5 ℃。由于螯合樹脂的特性在該溫度下的樹脂交換能力和使用壽命最理想。該工藝利用了氯氣和氫氣的余熱，同時降低了氯氣和氫氣后續(xù)系統(tǒng)的負荷，節(jié)約了循環(huán)水和冷凍水的用量，節(jié)降低了生產(chǎn)的成本[1-2]，如圖1所示。

圖1 工藝技術改造后的流程解圖

2 一次鹽水上升的溫度和換熱器面積的計算

2.1 生產(chǎn)規(guī)模介紹

設計產(chǎn)能：10萬t折百堿；生產(chǎn)時間：8 000 h/a；按照電解物料平衡得出換熱器的成分為(產(chǎn)1噸折百堿)；氯氣：885 kg，水蒸氣287 kg；氫氣：25 kg，水蒸氣287 kg；氯氣溫度變化：80 ℃→60 ℃；一次鹽水溫度：48 ℃；每生產(chǎn)1 t折百堿需要一次鹽水11 m3；鹽水的密度為1 100 kg/m3。

2.2 物料情況

進換熱器前：一次鹽水—濕氯氣—水蒸汽；

出換熱器后：一次鹽水—濕氯氣—水蒸氣—氯水；

進換熱器前：一次鹽水—濕氫氣—水蒸汽；

出換熱器后：一次鹽水—濕氫氣—水蒸氣—堿液；

進換熱器前：一次鹽水—水蒸汽；

出換熱器后：一次鹽水—冷凝液；

2.3 根據(jù)熱平衡，查相關物料比熱焓值可計算換熱后的一次鹽水溫度

即：氯氣Q1+水蒸汽Q2=Q進

氯氣Q1+水蒸汽Q2+氯水Q3=Q出

按照10%的換熱損失計算Q出-Q進=10%(Q進-Q出)

得出一次鹽水溫度通過氯氣換熱以后可以加熱到56 ℃。

同樣的公式得出一鹽水溫度通過氫氣換熱以后可以加熱到62 ℃。

2.4換熱面積確定

根據(jù)對數(shù)平均溫差計算公式和查(理化常數(shù)手冊)得出：

F=Q放/(KΔtm)

3 實際生產(chǎn)中需要增加的附屬設備和注意事項

在實際的生產(chǎn)和安裝過程中一次鹽水和換熱器之間增加膨脹節(jié)，為了補償因溫度差與機械振動引起的附加應力，而設置在換熱器和管道上的一種撓性結構。利用其工作主體波紋管的有效伸縮變形，以吸收管線、導管、容器等由熱脹冷縮等原因而產(chǎn)生的尺寸變化。也可用于降噪減振、供熱上，為了防止供熱管道升溫時，由于熱伸長或溫度應力而引起管道變形或破壞，需要在管道上設置補償器，以補償管道的熱伸長，從而減小管壁的應力和作用在閥件或支架結構上的作用力。為了保證安全，在氫氣換熱器疏水管道上安裝鵝卵石式阻火器。便于及時移走氯水和回收堿液，換熱器安裝要高于現(xiàn)有氯水儲槽和陰極液儲槽。由于濕氯氣腐蝕性強，因此換熱器材質選用耐濕氯氣的鈦材，由于濕氫氣呈堿性，因此換熱器材質選用耐堿性的鎳材。

4 經(jīng)濟效益的計算

改造以后，電解每生產(chǎn)1 t堿的同時能加熱一次鹽水從48 ℃～60 ℃，可以節(jié)約165 kg蒸汽，按照蒸汽的價格每噸65元，年產(chǎn)10萬噸燒堿裝置來計算，全年可以節(jié)約104萬元。同降低了循環(huán)水和冷凍水的用量，減輕了氯氣和氫氣的洗滌塔的負荷，延長了洗滌塔的使用年限。回收了濕氫氣中夾帶的堿液。