Deacon工藝中氯氣的液化提純方案研究

沈 帥

（上海氯堿化工股份有限公司，上海 200241）

隨著技術(shù)的發(fā)展，氯堿行業(yè)Deacon（氯化氫催化氧化制氯氣）技術(shù)這一更為環(huán)保和經(jīng)濟的制氯技術(shù)將被大力發(fā)展。氯氣液化工段是制氯工藝中的重要環(huán)節(jié)，對裝置氯氣生產(chǎn)起到平衡作用。同時液化工段也是高耗能工段，液化工段的能耗高低決定著整個工藝的節(jié)能降耗。

1 氯氣的直接液化工藝

氯氣的臨界溫度為TC=144℃、PC=76.1 atm，因此只需在144℃以內(nèi)提供一個對應(yīng)的液化壓力即可使氯氣由氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)。在氯堿生產(chǎn)裝置大型化生產(chǎn)中，氯氣的加壓過程常使用能力大、效率高的離心式氯氣壓縮機，通過壓縮機氯氣被加壓至0.3～1.2 MPa。氯氣的降溫過程常采用以R22介質(zhì)的螺桿冷凍機組，R22在換熱器中直接氣化產(chǎn)生低溫，對氯氣降溫。氯氣在液化器中直接降至-28～5℃轉(zhuǎn)變成液態(tài)。在液化過程中氯氣壓縮機和冷凍機組的桿壓縮機是能耗的主要關(guān)鍵設(shè)備。二者能耗有此消彼漲的關(guān)系。選揮合適的壓力和溫度對液氯生產(chǎn)的節(jié)能有著重要意義。

1.1 氯氣壓力和溫度的平衡關(guān)系

查相關(guān)手冊可以得到100%的純氯氣溫度和壓力關(guān)系[1]，氯的物化性質(zhì)見表1。

表1 氯的物化性質(zhì)

氯堿工業(yè)生產(chǎn)中氯氣來自電解工段，經(jīng)洗滌、干燥后，存在有氧氣、氫氣等雜質(zhì)氣體，原料中氯氣含量雖然達不到100%，但含量也較高，基本在98.5%以上，因此可以通過選擇合理的溫度、壓力和液化效率從而得到達標(biāo)的液氯產(chǎn)品。

1.2 Deacon工藝中產(chǎn)品氯氣的液化工藝

Deacon工藝中生產(chǎn)的氯氣經(jīng)過水洗和干燥雖然可以去除水和氯化氫，但部分未反應(yīng)的O2循環(huán)回用導(dǎo)致產(chǎn)出氯氣中帶有部分的O2、N2和CO2，Deacon工藝中產(chǎn)出氯氣的組成見表2。

表2 Deacon工藝中產(chǎn)出氯氣的組成

由表2可知，Deacon工藝中氯氣純度較低，如果直接通過加壓冷凍液化來進行精制可能所需條件較為苛刻。用Aspen進行模擬計算，取0.15 MPa、0.6 MPa和1.1 MPa 3種液化壓力，取相同的液化效率90%，相同的液氯精制汽化率20%，液化尾氣回收大約90%，進行了氯氣液化和液氯精制的模擬，不同壓力溫度條件下液氯的組成見表3。

表3 不同壓力溫度條件下液氯的組成

經(jīng)ASPEN模擬，可以看出直接加壓降溫液化，即便壓力達到1.1 MPa，液化溫度達到-62.7℃，液氯純度依然無法達到國標(biāo)。

2 氯氣的加壓液化精餾工藝

單一的低溫液化方式已不能對Deacon工藝產(chǎn)出的氯氣進行很好的分離提純，只能結(jié)合精餾裝置采用多級分離裝置的制冷系統(tǒng)[2]。環(huán)系統(tǒng)中使用精餾裝置，完成了不同溫區(qū)的制冷工質(zhì)的部分分離，工質(zhì)間的熱交換都集中在精餾塔內(nèi)，優(yōu)化了整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的熱效率，同時精餾塔還能夠起到對粗氯氣分離的作用。

為了能提純Deacon工藝所生產(chǎn)的氯氣，同時又對收率進行保障，采取加壓精餾液化的工藝。Deacon工藝流程圖見圖1。

圖1 Deacon工藝流程圖

系統(tǒng)的工作流程:Deacon工藝生產(chǎn)的粗氯氣（含有氯氣、氧氣、氮氣、二氧化碳）經(jīng)增壓后進入一級冷凍機，被冷凝成氣液相平衡的混合工質(zhì)進入氣液分離器，氣液相分別進入精餾塔。精餾塔內(nèi)液體流動由上向下，氣體流動由下向上，經(jīng)過了充分的熱質(zhì)交換，絕大部分較高沸點的氯氣、少量的中間沸點組元以液態(tài)混合物進入釜底，通過塔底再沸器的作用，氯氣和其他中低沸點的組元不斷析出在精餾塔內(nèi)上升。塔頂二級冷凍機冷卻精餾塔內(nèi)上升的氣流，被冷凝的氣液相混合工質(zhì)進入塔頂氣液分離器，氣相富含氧氣當(dāng)做回收氣經(jīng)過處理后返回前端回用，液相則作為精餾塔的回流液，充分利用填料提供的較大的氣、液接觸面積和較長的接觸時間條件，通過不斷變換的接觸表面，進行氣液多次的逆流接觸，可以使氣相混合物中氯氣含量越來越低，回流液中低沸點工質(zhì)越來越少，經(jīng)過這樣的過程后，達標(biāo)的液氯由塔釜流出。

通過Aspen對模型進行多次的模擬計算，擇優(yōu)出較佳的操作條件為:冷凍機1的液化溫度為-12℃，冷凍機2的液化溫度為-45℃，回流比為0.27。模擬數(shù)據(jù)表見表4。

由表4可知，通過此模型對Deacon工藝生產(chǎn)的氯氣進行液化精餾處理，提高液氯收率的同時又可滿足液氯純度的要求。

3 結(jié)論及問題

（1）本文僅論證此模型下的氯氣液化精餾問題，通過模擬數(shù)據(jù)可以使得液氯的收率在91%以上，純度大于99.6%。

表4 模擬數(shù)據(jù)表

（2）本文未對一二級冷凍機的冷量綜合利用問題進行闡述，是否能綜合利用冷量降低工藝能耗有待進一步研究。

（3）在此溫度和物料環(huán)境下再沸器材質(zhì)的選擇也有待研究，尤其是開停車和非正常條件下對材質(zhì)的沖擊有待進一步研究。