氯气处理工艺

氯气处理工艺
氯气处理是电解槽稳定操作，安全生产的重要环节。

从电解槽出来的湿氯气温度较高（约90℃），并伴有大量的水蒸气及夹带盐雾等杂质。

湿氯气对钢材及大多数金属有强烈的腐蚀作用，生产及输送极不方便，但干燥氯气对钢材等常用材料的腐蚀在通常条件下是较小的。

氯气处理工序的主要任务是将高温湿氯气进行冷却、干燥和加压输送。

1 氯气处理的基本原理
饱和湿氯气中水蒸气含量与温度有密切联系，温度每下降10℃，湿氯气含水蒸气量降低近一半，例如90℃时水蒸气含量为571g/kg 湿氯气，80℃时则为219g/kg，10℃时水蒸气含量仅为3.1g/kg，只相当为90℃时的1/184。

由此可见，湿氯气首先需进行冷却，这不仅可除去湿氯气中99.5%左右的水蒸气，而且可大大降低后面硫酸干燥的负荷，减少硫酸与水反应生成的热量，大幅降低硫酸的单耗。

干燥氯气的干燥剂是浓硫酸，浓硫酸具有较高的脱水效率、不与氯气反应、氯气在其中的溶解度低、对钢铁设备和管道腐蚀小、稀硫酸可回收利用及硫酸价廉、易得等优点。

氯气的干燥是以硫酸与湿氯气接触后，氯气中的水分被硫酸吸收而实现的。

吸收过程是水分以扩散作用从气相转移到液相硫酸中的过程。

这个过程的推动力决定于气膜扩散的速率，而被处理气体—氯气中的水含量决定于硫酸水溶液面上方的水蒸气分压。

当温度一定时，硫酸浓度愈高，水蒸气分压愈低，而硫酸浓度一定时，温度降低，则水蒸气分压随之降低，从而加大了传质过程的推动力。

所以，在操作中选择适当的硫酸浓度和操作温度，会提高氯气干燥效果，并可降低硫酸的消耗。

2 湿氯气的冷却工艺过程
湿氯气经氯水洗涤塔以氯水喷洗后，再进入第2钛冷却器以冷冻盐水或冷冻水冷却至12~15℃，然后，经除雾器去除水雾后进入干燥塔。

氯水洗涤塔底的氯水经氯水泵输送至氯水热交换器以工业水冷却后，进入氯水洗涤塔顶循环喷洗冷却进塔湿氯气，洗涤塔底部分氯水（氯中冷凝液）送去真空脱氯回收部分氯气。

直接间接冷却流程既能洗涤氯气，又不增加废液（除氯中冷凝液外），不多消耗氯气，湿氯气直接间接冷却流程见图1。

图1 氯气冷却工艺
3 湿氯气的干燥工艺过程
由于湿氯气中含有大量水汽，容易生成盐酸和次氯酸，使得湿氯气具有较强的腐蚀性，因此必须设法尽量将氯气中水分除去，一般氯中含水率在0.040%以下，方能满足要求。

氯气干燥工艺比较常见的有：①三段填料塔串联工艺；②一段填料塔加一段填料泡罩塔工艺。

1）三段填料塔串联工艺
在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级填料塔内逆流接触不同浓度的硫酸，使得水体积分数降至0.010%。

图2 三段填料塔串联工艺
如图2所示，湿氯气冷却后进入Ⅰ填料塔与塔顶喷淋的75%～78%的硫酸逆流接触，除去部分水分后进入Ⅱ填料塔，与比Ⅰ填料塔中浓度略高的硫酸逆流接触，再除去部分水分后进入Ⅲ填料塔塔底，与浓硫酸逆流接触，再除去部分水分，经酸雾捕集器后去氯气压缩机。

96%～98%的浓硫酸进入Ⅲ填料塔塔底，塔底部分的硫酸溢流到Ⅱ填料塔塔底，再用硫酸循环泵输送经冷却器进入塔顶喷淋，吸水后回至塔底，部分的硫酸溢流到Ⅰ填料塔，Ⅰ填料塔内硫酸循环方式与Ⅱ、Ⅲ填料塔相同，Ⅰ填料塔多余的硫酸则溢流到废硫酸贮槽。

此流程塔结构简单，设备多，但投资大，操作费用高，干燥氯气质量稳定，阻力小，并受填料影响。

2）一段填料塔加一段填料泡罩塔串联工艺
一段填料塔加一段填料泡罩塔串联工艺如图3所示，湿氯气冷却后进入填料塔与塔顶喷淋的72%～78%的硫酸逆流接触，除去部分水分后进入填料泡罩组合塔底部，至下而上经过填料段和泡罩段的塔板，与硫酸接触除去水分，经除雾和氯气压缩机送往液氯冷冻岗位。

在最上层的泡罩段加入98%浓硫酸，浓硫酸逐级溢流到各泡罩层和填料段，并至塔底，塔底硫酸部分经硫酸循环泵对塔内填料段进行循环喷淋，部分溢流到与填料泡罩塔串联的填料塔。

用硫酸循环泵对填料塔进行循环喷淋，待浓度小于72%时，排至废硫酸贮槽。

一段填料塔加一段填料泡罩塔串联工艺流程处理湿氯气，投资少，操作弹性大，占地面积少，干燥氯气质量稳定。

缺点：塔结构复杂，系统阻力大。

其投资相比三段填料塔流程而言要节约65%左右，运行成本节约15%左右。

图3 填料塔+泡罩塔串联工艺
4 氯气的压缩输送
氯碱厂常用的是纳氏泵和透平压缩机2种。

1）纳氏泵系统
纳氏泵流程的最大特点是利用硫酸进行冷却循环，以排除氯气受压时产生的热量。

因纳氏泵工作压力不高，压缩产生的热量大部分被硫酸带走，而硫酸又有冷却器进行冷却，一般氯气出口温度不超过80℃，对碳钢材质的使用是安全的，所以，纳氏泵流程中不设氯气冷却器。

纳氏泵压缩流程如图4所示，干燥氯气进入纳氏泵，压缩并依次经过硫酸分离器、硫酸除雾器，将夹带的硫酸及酸雾分离掉，然后送往各需氯部门。

98%硫酸经硫酸高位槽在启动泵前由其进口加到纳氏泵中，泵启动后，硫酸随氯气一起压出进入硫酸分离器，在分离器内，硫酸与氯气分离，然后在硫酸冷却器中进行冷却，经冷却的硫酸返回纳氏泵入口。

图4 纳氏泵系统
在纳氏泵中，要求硫酸中的H2SO4质量分数为92%以上，以减少泵在高温下的腐蚀。

由于氯气经干燥塔后尚含少量水，在泵内部分被硫酸吸收，硫酸浓度会降低，需要用98%硫酸
取代被稀释了的泵内硫酸。

2）透平压缩机系统
透平压缩机是一种具有蜗轮的离心式压缩机，借叶轮高速旋转产生的离心力使气体压缩，其作用与液体输送所用的离心泵或离心式风机相似。

因为气体的压缩消耗机械能并转化为热能，所以，在透平机的每一段压缩比不能过大，并在级间设有中间冷却器以移去热量，使气体体积减小，以利于压缩过程的逐级进行。

如图5所示，不含盐雾、硫酸液滴、有机杂质，含氯约95%（体积分数）的干燥氯气，压力不低于0.085MPa（绝压），进入氯气透平压缩机一级入口，经一级叶轮压缩后，氯气进入中间冷却器，冷却后，氯气进入压缩机二级入口，经二级叶轮压缩后，再由后冷却器冷却，出后冷却器的氯气压力达到0.17MPa（表压）左右，通过分配台至各用氯工段。

为防止压缩机发生喘振及倒吸现象，将压缩后的部分氯气回流到压缩机一级入口或干燥塔进口，以保证氯气连续压送,也可以通过调节回流量来控制干燥塔进口或氯气总管的压力。

图5 透平压缩机系统
纳氏泵是中小型氯碱厂最为常用的氯气压缩机，其优点是结构简单，强度大又实用，但效率不高。

另外，它不但压缩氯气还输送浓硫酸，因而，消耗功率高。

又由于用硫酸作介质，酸雾较多，会污染液化器和液氯。

透平压缩机是大型氯碱厂最为适宜的氯气输送设备，其能耗低，按每年10万t氢氧化钠规模,透平压缩机比纳氏泵每年可节电400kW·h以上。

它的检修周期长，一般在1a以上，运行费用也低。

但因为在压缩过程中氯气温度较高，机械精度也比较高，所以，对氯气含水及其他杂质的含量要求相应提高，一般要求氯气含水量在100×10-6以下，还要有高效的除沫器等装置。

5 氯气处理工艺流程
湿氯气经过水封后进入氯气洗涤塔，与来自氯水冷却器的氯水逆向直接接触冷却、洗涤，氯气中85%～90%的水分得到冷凝，并除去了氯气中夹带的杂质（盐雾等）。

出塔氯气经喷水饱和后，由氯气风机加压至100Pa以上。

氯气进入前用循环上水将冷却器冷却到约42℃，氯气进入后用冷冻上水将冷却器冷却至12～15℃进入水雾捕集器。

在此冷却过程中，氯气中大部分水分又被冷凝下来，这样可节约干燥氯气的硫酸用量；也有一部分冷凝水成雾滴状存在于氯气气流中，因此冷却后的氯气须经水雾分离器过滤后才进入干燥系统。

洗涤、冷却冷凝下来的溶解有氯气的氯水在氯气洗涤塔液位控制系统的自动控制下，由氯水循环泵送至离子膜脱氯装置，脱氯后送一次盐水化盐使用。

经过水雾分离器除雾后的氯气进入填料干燥塔下部，循环酸由硫酸循环泵送出，经循环酸冷却器冷却后进入填料干燥塔上部，与氯气逆流接触除去氯气中的水分。

塔底出酸质量分
数控制在75%以上。

出填料干燥塔的氯气再进入泡罩干燥塔下部，与由98%硫酸高位槽流入的98%浓硫酸经泡罩接触，进一步得到干燥。

干燥后的氯气进入氯气压缩机。

为了保证在电解低负荷运行时，电解和氯气洗涤冷却干燥系统的氯气总管压力稳定，在氯气压缩系统出口引一股氯气回流到氯气压缩机前的氯气总管。

当系统氯气压力降低时，氯气回流管的自动调节阀自动开大；反之调节阀自动关小：以达到控制和稳定整个系统氯气压力的目的。

氯气压缩系统设有液环冷却器，用循环冷却水冷却循环硫酸，以保证出压缩机系统的氯气温度不大于50℃。

经压缩并冷却的氯气进入酸捕沫器除去99%以上的酸雾后再经氯气分配台送往下游氯气用户。

完整的氯气处理工艺如图6所示。

图6 氯气处理工艺流程图。