毕业论文产30万吨烧碱干燥工段工艺设计说明书44153.doc

1 绪 论1.1 氯气的性质 氯是一种化学性质十分活泼的非金属卤族元素，其用途十分广泛，与人类的生活、国计民生密切相关。牵涉国民经济各个领域，包括化工、医药、农药、印染、纺织、食品等工业部门。从某种意义上来说，氯气对人类的生存是不可缺少的要素。如同物质有两重性一样，氯气也是对人类危害极大的有毒化学物品。氯被称为卤族元素，氯的原子序数为17，原子量为35.453，排列于周期表第列 A族。从电子层排布可知：其K层有2个电子，L层有8个电子，M层有7个电子；最外层电子有7个，故而十分容易获得一个电子，形成稳定的离子键或共价键结合形式。属于一种化学亲和力很大的、较强非金属性质的氧化剂。1.2 氯碱工业的历史 早在十三世纪之前，氯气就为古代炼丹者（Alchemist）所熟悉。1774年，瑞典化学家Shelley在实验室中首次使用盐酸与天然的软锰矿粉（二氧化锰）反应制得一种让人窒息的、黄绿色气体；并确认其为一种新的化学元素。其反应机理如下： MnO2 + 4HCl MnCl2 + Cl2 + 2H2O1799年，由Weldon 首先采用瑞典人的方法在工业中制得氯气。1807年，英国人Davy用食盐熔融电解制得氯气。（2NaCl 2Na + Cl2 ） 。1810年，Davy在伦敦试验证明氯气是一种元素，并于当年的11月9日在英国皇家学会上宣读论文。提议这个元素定名为Chlorine（意思是黄绿色），来源于希腊文字（ Chorus ）。11851年，Watt第一个取得了食盐水溶液电解制备氯气的专利；在直流发电机问世以后，1890年由德国格瑞斯海姆电化公司首先采用隔膜电解槽制备氯气用于工业生产。至今已经经历了一个多世纪。而中国的氯碱工业起步于1929年10月，由爱国实业家吴蕴初先生买断了越南海防电化厂的全部设备，创建了国内第一家氯碱厂 上海天原电化厂。当时采用的是“爱伦姆”电解槽，日产烧碱仅3吨。1综观世界氯碱工业的发展历史，氯碱的制碱技术和氯气处理技术已取得了长足的发展进步；在新设备、新工艺、新技术、新材料得到大量的运用之后，氯气处理工艺已经达到了世界先进水平。经过处理以后的氯气中含水分可达到15ppm以下。2 氯碱工业的特点及发展趋势2.1 氯碱工业的特点氯碱工业的特点是原料易得、生产流程较短，另外主要还有三个突出问题。(1) 能源消耗大 选用先进工艺，提高电解槽的电能效率和碱液蒸发热能的利用率，以降低烧碱的电耗和蒸汽的消耗，始终是氯碱生产企业的一项核心工作。(2) 氯和碱的平衡 电解食盐水溶液时，按固定质量比例（1:0.85）同时产出烧碱和氯气两种产品。在一个国家和地区，对烧碱和氯气的需求量不一定符合这一比例。烧碱和氯气的平衡始终是氯碱工业发展中的一个恒定的矛盾。(3) 腐蚀和污染 氯碱产品如烧碱、盐酸等均具有强腐蚀性，在生产过程中使用的原材料如石棉、汞和生产的含氯废气都可能对环境造成污染。因此防止腐蚀和三废处理也一直是氯碱工业的努力方向。2.2 我国氯碱工业的发展趋势目前我国氯碱生产企业200余家。至2003年底，国内烧碱总生产能力已达1100万t/a左右，居世界第二位，平均规模为5.5万t/a。2004年上半年氯碱行业仍保持较快增长势头，尤其是离子膜烧碱产量增长较快。2004年随着原料价格等因素上涨影响，烧碱价格继续走高，保持较高价位运行，呈现良好发展态势。尽管氯碱工业发展态势较好，但是仍存在很多制约因素：一是随着国内氯碱装置建设加快，预计2005年全国烧碱产能将达到1500万t/a ，烧碱的市场压力较大；二是国内生产企业众多，普遍规模较小，离子膜烧碱能力所占比例偏小。而且许多企业仅有氯碱装置而没有下游配套产品，可持续发展与抵抗市场风险能力较小；三是原料持续涨价，大大减少了氯碱行业的利润。今年上半年有部分中小型隔膜碱烧碱装置迫于原料价格上涨而停产。2氯碱工业作为基础化工原料，产品广泛应用于国民经济各个部门，经过几十年的发展，已经有了较为雄厚的基础。近年来在企业做大做强思想指导下，振兴东北老工业基地及西部开发战略实施及大量下游氯产品民营企业投资氯碱行业，将在国内引起又一次氯碱建设和发展高潮。借鉴国外发展经验和国内行业整体形势，未来氯碱行业将逐渐趋向规模化，精细化，集成化和绿色路发展道路。2.2.1 规模化随着我国氯碱工业不断发展，尤其是新建的装置将逐渐趋向规模化。不少氯碱企业生产能力将达到20万t/a甚至50万t/a 。2.2.2 精细化精细化工是世界氯碱工业发展的前沿，精细化工已成为氯碱企业激烈竞争的焦点和制胜战略。中小型氯碱装置要围绕“氯碱氢平衡”这个核心，大力调整产品结构，合理开发氯气、氢气的衍生产品，向中下游延伸发展。进行多元化经营，下游产品设备通用化，向合理配套、装置优化和下游产品高附加值化要效益。形成以氯碱装置为龙头，下游产品创效益的局面。灵活多变的应对市场的变化。而且国内外有许多以氯碱装置为龙头，向下衍生出众多精细化工产品，形成精细化工产品树的典型企业。2.2.3 集成化为了节省资源和最大限度利用设备，近年来国际化工过程发展的一大趋势便是设备集成化。化工过程集成化就是将几个生产步骤集中在一个设备中去完成。如反应精馏技术，“一锅煮”技术等。我国氯碱企业也正在开始推进化工过程集成化。在能源日趋紧张的今天，化工过程集成化显得尤为重要。目前国内氯碱行业已经实施的主要集成化过程有：整流装置的集成化，制碱装置的集成化，盐酸装置的集成化。2.2.4 绿色化21世纪是绿色环保世纪。发展绿色化工和“原子经济”已成为21世纪化学工业的发展趋势。但是目前我国氯碱产品最大差距就是国内清洁工艺使用较少，严重制约了氯碱工业的可持续发展和国际市场竞争力。因此今后氯碱企业在加强末端治理的同时，更注重开发和推广应用清洁生产工艺，将污染物消灭在生产过程中。在氯碱装置方面，今后重点要用先进的离子膜法制碱技术淘汰我国传统落后的石墨阳级隔膜法制烧碱技术，逐步取代固定盒式金属阳极隔膜法制烧碱技术。用洗涤盐逐步取代纯度低的工业盐为原料生产烧碱。在基础有机氯化工产品中要加大清洁工艺和清洁原料路线的选择和使用，并在氯碱下游产品操作中推广普及。氯碱装置及其下游产品绿色化的发展趋势和基本原则是大力开发清洁工艺，实现“原子经济”。但是由于条件和技术等多方面因素限制，仍有部分产品会形成一定污染。其中污染最为严重的是废水。因此今后氯碱行业在加大清洁工艺的同时，也要加快新型废水处理技术的推广应用。如大孔树脂吸附技术、络合萃取技术、膜分离技术、催化氧化技术和新型生物降解技术等。随着我国经济快速发展，我国已经成为世界上主要的氯碱产品生产国、消费国和供应国。而且随着世界范围内大宗氯碱产品的日益饱和，利润率逐年下降，国内外氯碱企业更侧重于生产高技术、高附加值的精细化学品。因此今后国内氯碱生产企业应紧跟国际潮流，以规模化装置为基础，设备集成化为依托，工艺过程绿色化为技术开发方向，坚持不懈的走精细化道路。保证我国氯碱工业快速健康可持续的发展。3 生产氯碱的主要工艺步骤图3-1 生产氯碱的工艺流程3.1 化盐工段生产流程简述采用热法化盐，用烧碱、纯碱、氯化钡、次氯酸钠等精制剂进行反应，聚丙烯酸钠等助沉剂进行絮凝，盐酸进行中和，通过溶盐、反应、澄清、砂滤及中和等过程制得合格的精盐水。3.2 电解工段生产流程简述来自化盐工段的精盐水，预热到85后进入电解槽，在直流电的作用下进行电化反应，在阳极室产生氯气（湿），阴极室产生氢气（湿）和电解碱液（稀碱液），分别去氯氢处理工段（干燥工段）和蒸发工段。3.3 蒸发工段生产流程简述来自电解工段的电解液进入蒸发工段的电解液贮槽，由加料泵将电解液经两只螺旋板预热器预热后送进一效蒸发器，由热电站送来的蒸汽将一效内碱液加热蒸发到一定的浓度，再送至三效蒸发器浓缩成30%左右的液碱后出料至析盐槽，由第四只析盐槽内淌出的清液碱自流到浓碱冷却塔，再经过冷却后送至配碱塔，配成合格的成品送至商品塔出售。一效内碱液蒸发产生的二次蒸汽作为二效加热源，二效内碱液蒸发产生的二次蒸汽作为三效加热器热源，三效产生的二次蒸汽经预冷器预冷再至喷射冷凝器冷凝后随下水排出，一效冷凝水送化盐工段使用，二、三效冷凝水及部分预冷器下水送入热水贮槽，供洗盐用。二效内析出的结晶盐经旋液分离器排至盐集中槽，三效内析出的结晶盐经旋液分离器排入二效蒸发器内，结晶再长大后随二效分离器排出，盐集中槽内盐放入离心机进行洗盐操作，母液洗液进入母液池后送回淡碱贮槽，碱盐水进入碱盐水池后送至化盐工段。3.4 干燥工段工艺流程简述 氯气：来自于电解的湿热氯气，进入氯气水洗冷却塔，被喷淋的循环氯水直接冷却到45左右，进入氯气钛管冷却器，被管外流过的5的冷却水冷却到1215，经水雾捕集后进入强化型板式塔、填料干燥塔，与浓硫酸充分接触干燥，然后由氯气压缩机加压到0.150.2MPa，经酸雾捕集后干燥氯气送往液氯等用氯工序。氢气：电解来的氢气，进入盐水预热器回收部分热量后，经水洗冷却至40以下，经过罗茨鼓风机加压到0.02MPa左右送往气柜和盐酸等用氢工序。3.5 液氯工段工艺流程简述来自氯氢处理的干燥氯气进入列管式氯冷凝管的管间，被管内流过的-35的冷冻盐水所冷却，大部分氯气被冷凝下来，然后在气液分离中分离，液氯流入液氯贮槽，加压后送去包装，未凝尾氯送合成盐酸、次氯酸钠工序作为原料。贮槽内液氯在系统压力下送往汽化器，用6080的热水进行加热，将液氯压入钢瓶，汽化器内残余液氯定期压往污氯处理槽回收氯气后，污物排入下水道。3.6 盐酸工段工序流程简述 氯氢处理来的氢气经助火器、缓冲器、孔板流量计进入合成炉灯头的套筒，从液氯化来的尾气经缓冲器、助火器、孔板流量计进入合成炉灯头的内筒间，氯、氢气在合成炉内燃烧生成氯化氢气体，经冷却后依次进入级降膜吸收塔、级降膜吸收塔、尾气吸收塔，被自上而下的吸收水吸收生成盐酸，盐酸流入回收槽，以泵送贮槽，然后去包装，未吸收的尾气经水洗后，以抽风机排向大气。4 干燥工段生产流程本工段主要进行氯气的干燥。从电解槽出来的湿氯气，一般温度较高，并伴有大量水蒸汽及酸雾等杂质。这种湿氯气，对钢铁及大多数金属有强烈的腐蚀作用，只有某些金属材料或非金属材料在一定条件下，才能耐湿氯气的腐蚀。例如金属钛、聚氯乙烯、酚醛树脂、陶瓷、玻璃、橡胶、聚酯、玻璃钢等,因而使得输送非常不方便。但干燥的氯气对钢铁等常用材料的腐蚀在通常情况下是较小的，所以湿氯气的干燥是生产和使用氯气过程中所必须的。氯气干燥前通常先使氯气冷却，使湿氯气中大部分水蒸汽冷凝出去，然后用干燥剂进一步除去水分。干燥后的氯气经过压缩，再送致用户。在不同的温度与压力下气体的含水量可以用水蒸气分压来表示，在同一压力下，温度越高，含水量就越大。其水蒸气分压也就越高。为了使氯气能同钢铁材料制成的设备及管道进行输送或处理，要求氯气的含水量小于0.05%（如果用透平压缩机输送氯气，则要求含水量小于100PPM）。因此必须将氯气中的水分进一步除去。在工业上，均采用浓硫酸来干燥氯气，因为浓硫酸具有：（1）不与氯气发生化学反应；（2）氯气在硫酸中的溶解度小；（3）浓硫酸有强烈的洗水性；（4）价廉易得；（5）浓硫酸对钢铁设备不腐蚀；（6）稀硫酸可以回收利用等特点，故浓硫酸是一种较为理想的氯气干燥剂。3用浓硫酸干燥氯气，其干燥效果决定于浓硫酸上方的水蒸气的压力，当温度一定时，硫酸浓度越高，其水蒸气分压越低；当浓硫酸浓度一定时，温度降低，则水蒸气分压也越低，也就是说硫酸的浓度越高，温度越低，硫酸的干燥压力就越大，即氯气干燥后的水分就越少。但如果硫酸的温度太低的话，则硫酸和水能形成结晶水合物析出。因此原料硫酸与用过的稀流酸在储运过程中，尤其在冬季需要控制温度和浓度，以防管道堵塞。 此外，硫酸和氯气的接触时间和接触面积也是影响干燥效果的重要原因。故而用硫酸干燥氯气时应掌握几点：（1） 硫酸的浓度；（2） 硫酸的温度；（3） 硫酸和湿氯气的接触时间和接触面积。生产中使用的氯气还需要一定的压力以克服输送系统的阻力，并满足用户对氯气压力的要求，因此在氯气干燥后还需要用气体压缩机对氯气进行压缩。综上所述，氯气处理系统即干燥段的主要任务时：（1）将湿氯气干燥；（2）将干燥后的氯气压缩输送给用户；（3）稳定和调节电解槽阳极室内的压力，保证电解工序的劳动条件和干燥后的氯气纯度。4.1 氯气干燥的目的由于氯气含有大量的水蒸气，很容易生产盐酸和次氯酸。而次氯酸又很不稳定，容易分解生成盐酸和初生态氧。次氯酸还会分解： HClOH+ClO-次氯酸，次氯酸根，初生态氧的强烈氧化作用，再加上盐酸的作用，使湿氯气具有较强的腐蚀性。因此，必须设法尽量将氯气的多余水分移去，一般氯中含水在0.04%0.06%以下，方能满足一般要求。4.2 氯气干燥机理用硫酸来干燥氯气，可以理解为传质的单元操作吸收过程（其中也伴随着传热过程）。氯气中的水蒸气和硫酸一定条件下接触，而使水蒸气溶解于硫酸中的操作称为吸收操作，能溶解于硫酸中的水蒸气称为吸收质 ，所用的硫酸称为吸收剂，不能溶解的氯气叫做惰性气体。吸收过程主要是被吸收的水从气相氯气中的水蒸气转移到液相硫酸中去的扩散过程，也称为传质过程。硫酸对水分的吸收不伴有显著的化学反应，可以看作为单纯的物理过程。44.3 氯气的处理4.3.1 氯气的冷却根据对氯气冷却的方式不同，可分为直接冷却，间接冷却和氯水循环冷却三种流程。4.3.1.1 直接冷却流程 从电解槽出来的湿氯气通过耐腐蚀管道输到氯气处理的工序，沿途散热降温，进冷却塔时约80左右冷却塔内。氯气自下而上与由上往下的冷却水直接喷淋接触，将氯气冷却到20左右，由顶部导出。由于氯气微溶于水，所以从冷却塔排出的污水中含有氯气。这种含氯污水经过蒸汽加热至近100，脱去部分氯气（实际效率仅为40%）后排出往下水道，脱出的氯气并入冷却塔回收。目前采用直接冷却的工厂，在处理含氯污水方面都存在一定的难度，因此尽管这种工艺设备投资少，操作简单，冷却效率高，但由于它的致命缺点，目前我国原先采用直接冷却流程的氯碱厂均被间接冷却流程所代替。国内对氯水的处理除了蒸汽加热或真空脱氯使部分氯气得以回收外，还可以用于制造次氯酸钠，漂白液等，或与蒸发下水，洗氢气等碱性废水和排入下水道。4.3.1.2 间接冷却流程从电解来的湿氯气进入钛（或玻璃）冷却器，与冷却水进行热交换后，氯气被冷却到1520。在水温较高的情况下，为了获得较低温度的氯气，可以采用两段冷却。第一段用生产上水将氯气冷却至40左右；第二段用510的冷冻水将氯气冷却到15左右。为了降低干燥过程中的硫酸的消耗，有的工厂将氯气冷却到12。采用间接冷却冷却流程操作简单，易于控制，操作费用低，氯水用量小，氯损失少，并能节约脱氯用蒸汽。冷却后氯气的含水量可低于0.5% ,但钛冷却器的投资费用较大。4.3.1.3 氯水循环冷却流程 这种流程是氯水用水直接冷却，冷却后的氯水进入氯水槽经间接冷却后，在系统里循环使用。定期排出的氯水去脱氯塔脱氯后排往下水道。此流程具有前两种流程优点：冷却效率高，操作费用于大大低于直接冷却法，而稍高于间接冷却法，投资比前者高而稍低于后者。其缺点是热交换器所用的冷却水温度要求低于15，因此需要消耗冷冷冻量，并需增设氯水泵，氯水循环使用流程复杂化。4.3.1.4 闭路循环氯水直接冷却流程这是本设计拟采用的方案，湿氯气在第一冷却塔内温室的氯水喷淋，使氯气温度冷却至40左右，在进入第二冷却塔，在冷冻的氯水喷淋冷却，使氯气继续冷却至10左右。第二冷却塔塔底的部分氯水，由泵进入热交换器，经冷冻盐水冷却后循环使用，多余的氯水则进入第一冷却塔的底部，第一冷却内的氯水，经泵送至热交换器经工业上水冷却后循环使用，多余氯水则溢出另行处理。54.3.2 氯气的干燥在湿氯气经过冷却除沫之后，气流中所含的水蒸汽含量已经减少到不足2 。依据“先冷却、后干燥”的工艺原理，干燥脱水是氯气处理的主要单元操作，也是氯气处理工艺成功的关键。干燥脱水采用成熟的 H2O H2SO4系统的气体吸收传质操作方式，是采用气、液相在一个或若干个容器中，气相所含的水蒸汽与不同浓度的硫酸溶液互相接触，来完成气相中的水蒸汽被硫酸所吸收的脱水任务。干燥脱水后，气相最终的含水分量往往取决于最后一个接触容器中硫酸液面上的水蒸汽分压，就是说取决于进入最后一个传质吸收容器的干燥剂硫酸的浓度和温度，才能使氯气中含水分量达到工艺要求。经过干燥脱水氯气中的最终含水分0.01 以下。随着氯气处理工艺的日臻完善，对干燥脱水的要求及氯气中的含水指标要求越发严格，甚至苛刻；因此在氯气干燥脱水的方式上也越发强化。例如：以往的单个干燥设备纷纷被组合干燥设备、串联干燥设备所代替，就是单个的干燥设备也在强化干燥上做出了改进。一系列的强化措施反映在工艺参数上有了惊人的进步，如：干燥出口的氯气温度不会超过20；干燥出口的氯气含水分降低到50ppm以下，甚至15ppm以下。6综观干燥脱水流程，大致可以分成两大类，即以填料塔为主的多台干燥塔串接流程和强化型的板式塔流程。下面详细介绍这两类流程： 4.3.2.1 强化型板式塔流程国内的氯气干燥脱水工艺不少企业采用“传统内溢流”的泡沫塔，这是一种相当落后的干燥脱水设备，属于淘汰之列。而强化型的板式塔就完全克服了传统泡沫塔的缺点，使其在先进的干燥脱水技术中占据一席之地。强化型的板式塔（下称“强化塔”）与填料塔的容积之比为112 20，两者的体积相差甚大；而气流的“空塔速度”却是填料塔的1倍左右，在填料塔中需要48秒钟完成的干燥操作，在强化塔内只需数秒钟即可完成，这就是强化塔的杰出优点。也就是中国特色的干燥设备 “小设备大生产”。另外，在强制硫酸干燥的循环上加大了力度：由传统的硫酸“小液流”改成“大液流”、由硫酸自上而下“内溢流”改成硫酸的“外溢流”、由硫酸上进下出不循环改为上下两段硫酸大循环、由传统的“小液气比”改成“大液气比”、由传统的绝热干燥吸收改为等温干燥吸收。传统的泡沫塔采用的是：“内溢流、小流量”的硫酸绝热吸收干燥方式，液气比例很小。硫酸吸收了气相中的水分所释放出来的热量更多的是被氯气带走，因此干燥塔出口的氯气温度高达50以上，传质的推动力不大，因而降低硫酸液面上水蒸汽分压十分困难；使出塔氯气所含的水分居高不下，经常是在0.06 以上。既便再增加几个这样的塔、尽管用去很多硫酸，也只是事倍功半。而强化塔，则采用的是“外溢流、大流量”的硫酸冷却循环吸收干燥方式，液气比增加了7 10倍。硫酸在每一块塔板上吸收了氯气中的水分所释放出来的稀释热就在“大液流的硫酸循环”中被带走，因此出强化塔的氯气温度不会高于20。由于强化塔内硫酸液面上的水蒸汽分压较低，故而传质吸收的推动力较大，使氯气中所含水分明显降低；保持在50ppm以下。以上是在氯气流满负荷或大流量的情况下显示出来的优点。毕竟“板式干燥塔”有其无法克服的缺陷，那就是受到“筛孔气速”的限制。在气相负荷过小的情况下，“筛孔气速”只能保持在“漏液点气速”以下，使塔板上产生大量漏液，无法形成泡沫层，干燥效果十分差。只能用增加回流气量来补充，但是回流气量由于受到电解出口氯气总管压力的限制，也不可能无限制的增加，因此干燥效果差无法改变。即使造价便宜，适合于企业的技术改造；但是新建的企业一般是不肯使用强化塔的。强化塔的流程走向：（强化塔干燥流程详见下图：） 氯气去净化 22 b 1 2 3 c 4 5氯气 a d e f g 来自“低位槽”浓硫酸 废硫酸 h I j k 图4-1 强化塔干燥流程示意图a 强化泡沫塔，b 浓硫酸高位槽，c 浓硫酸“液封管”，d 稀硫酸“液封管”，e 同左，f 稀硫酸冷却器，g 浓硫酸冷却器，h 稀硫酸循环槽，I 浓硫酸循环槽，j 稀硫酸循环泵，k 浓硫酸循环泵 4.3.2.2 多台干燥塔串接流程常见的多台干燥塔串接流程，一般有数台填料干燥塔串接流程或填料塔与板式塔的组合型双塔流程。三台或四台填料塔串联在一起对氯气进行干燥脱水，应该说冷却后的湿氯气分别经历多台填料塔的不同浓度硫酸溶液的传质吸收，出填料塔组合的氯气含水分可以降低到15ppm以下。而不同浓度的硫酸重复在前一个塔中循环使用，因此硫酸的单耗十分低。此类多台干燥塔串接的干燥脱水流程在北美与日本旭化成株式会社等氯碱企业使用得较为普遍。而国内引进的流程多有采用。采取填料塔与板式塔双塔组合对氯气进行干燥脱水，其优点在于：操作互补性强，充分发挥这两种不同类型的干燥设备优点。操作平稳，氯气处理量大；尤其适用于大流量氯气进行干燥脱水的要求。一般来讲，在干燥设备的布置上，经常是把填料塔置于前，而将板式塔置于后。这样的话，不论气相流量之大小都能适用；并且可以发挥板式塔气体处理量大的优点，把好出干燥塔气相含水分的关；但是与填料干燥塔组相比，压力损失会大些。正因为双塔干燥流程适用性强，占地相对要少些，投资费用就稍低些，因此深受国内、外从事氯碱生产企业的欢迎。而欧洲发达国家及日本旭硝子株式会社等氯碱企业则采用填料塔与板式塔双塔组合使用的方式来进行干燥脱水，此流程以荷兰阿克苏公司命名（称为“阿克苏”方式）。湿氯气干燥脱水同样收到很好的效果，氯气中含水分也可以降低到20ppm以下。国内引进的流程多有采用。采取填料干燥塔组对氯气进行干燥脱水，其优点在于：操作平稳简单、操作弹性较大、生产管理方便；对于气相流量并没有要求，尤其适用于低流量的氯气进行干燥作业，其干燥效果不随气体流量负荷的变化而变化。这样就特别适应电解负荷经常波动（西部地区）、频繁实施开停车作业的要求。其缺点就在于：由于多台干燥塔串联使用，占地面积较大；另外每个填料干燥塔均需配置硫酸的循环系统和冷却系统，相应消耗的费用很高（包括维修费用在内）。但是从生产管理的角度来看，多台填料塔串联使用不失为是个好方法。本设计采用的是多台干燥塔串接的流程。（见后面附图1）该流程采用四台填料塔串联，每台填料塔配有硫酸泵，循环槽，冷却器。按氯气流向，最后一台塔的硫酸浓度最高，依次向前。最前的一只填料塔的硫酸浓度最低，通过计算，为使出塔硫酸浓度达标，当最前塔的硫酸浓度小于65%（三塔串联为75%）时，此时硫酸可作为废酸打入废酸槽外售，其余各塔硫酸依次依靠硫酸泵打入前一塔循环，最后的填料塔则补入89%的新硫酸。6硫酸在循环过程中，因吸收水分而温度升高，为了提高吸收效率，必须及时将硫酸冷却，因此每台干燥塔均配有硫酸冷却器。(a) 填料塔的结构与特点4 图4-2 填料塔的结构简图1气体出口 2液体入口 3液体分布装置 4塔壳 5填料6液体再分布器 7填料 8支承栅板 9气体入口 10液体出口填料塔为连续接触式的气、液传质设备。它的结构如上图所示。在圆筒形塔体4的下部，设置一层支承板8，支承板上充填一定高度的填料5。液体由入口管2进入经分布器3喷淋至填料上，在填料的空隙中流过，并润湿填料表面形成流动的液膜。液体流经填料后由派出管10取出。液体在填料层中有倾向于塔壁的流动，故填料层较高时，常将其分段，两段之间设置液体再分布器6，以利液体的重新均布。气体在支承板下方入口管9进入塔内，在压强差的推动下，通过填料间的空隙由塔的顶部排出管1排出。填料层内气、液两相呈逆流流动，相际间的传质通常是在填料表面的液体与气相间的界面上进行，两相的组成沿塔高连续变化。填料塔与板式塔相比，不仅结构简单，而且具有生产能力大、分离效率高、持液量小、操作弹性大、压强降低等特点。通过填料材质的选择，可处理腐蚀性的物料。尤其对于压强降较低的真空精馏操作，填料塔更显示出其优越性。但是，填料塔的造价通常高于板式塔，对于含有悬浮物的料液，易聚合的物系则不能适用。而且对于有侧线出料的场合等也不大适宜。近年来，国内外对填料的研究与开发进展很迅速，新型高效填料的不断出现，使填料塔的应用更加广泛，直径达几米甚至十几米的大型填料塔在工业上已非罕见。(b) 填料特性4在填料塔内，气体由填料间的空隙流过，液体在填料表面形成的液膜并沿填料间的空隙而下流。气、液两相间的传质过程在润湿的填料表面上进行。因此，填料塔的生产能力和传质速率均与填料特性密切相关。填料性能的优劣通常根据通量、效率及压降三要素来衡量。表示填料性能的几何参数有以下几项。（1）比表面积（2）空隙率（3）填料因子在选择填料时，一般要求比表面积及空隙率要大，填料的润湿性能好，单位体积填料的质量轻，造价低，并有足够的力学强度。填料的种类很多，大致可分为实体填料与网体填料两大类。实体填料有环形填料和鞍形填料以及栅板、波纹板填料。网体填料主要是由金属丝网制成的各种填料。根据本人的对查比较，决定使用实体填料中的环形填料，其中包括拉西环、鲍尔环和阶梯环，我选择了鲍尔环。鲍尔环的构造是在拉西环的侧壁上开出一排或两排长方形的窗孔，被切开的环壁一侧仍与壁面相连，另一侧则向环内弯曲，且诸叶片的侧面在环中心相搭。尽管鲍尔环填料的空隙率和表面积与拉西环差不多，但由于环壁有开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气体流动阻力降低，液体分布也比较平均。同种材质、同种规格、在相同的压降下，鲍尔环的气体通量可较拉西环增大50%左右；在同种气速下鲍尔环填料的压强降紧为拉西环的一半。又由于鲍尔环上的两排窗孔交错排列，气体流动通畅，避免了液体严重的沟留及壁流现象。因其优良的性能，故本设计选用鲍尔环。4.3.3 氯气的除杂 氯气离开冷却塔，干燥塔或压缩机时，往往夹带有液相及固相杂质。因此在进行输送系统，液化系统以及透平机前要求尽量除去这些杂质。直接冷却可有效地除去固相食盐，但不能完全除掉水雾。国内在除水雾或酸雾时，一般都采用浸渍含氟硅油的玻璃棉所制的管式过滤器，或附瓷环的填料塔，旋流板，丝网过滤器。旋风分离器及重力式分离器等方法。管式、丝网式填充过滤器借助具有多细孔通道的物质作为过滤媒质，能有效地除去水雾或酸雾，净化率可大94%99%，而且压力降较小，可用高质量的氯气处理。4.3.4 氯气的压缩和输送4.3.4.1 液环式氯气压缩流程 出干燥塔的氯气，经液环式压缩机加压至0.150.3MPa，并依次经过气液分离器、缓冲器、除沫器，把夹带的硫酸雾沫分离掉后，送往氯气分配台，经调配后送至各用氯部门。出压缩机的硫酸，经气液分离器，进入冷却器降温后，回入压缩机循环使用。当循环酸的浓度小于92%的时候，需要98%浓度的硫酸更换，换出的酸可供干燥塔使用。根据负荷的高低，压缩机可多台并联运转。氯气由于被压缩机抽吸，因此自电解槽、冷却塔塔顶至压缩机进口都呈负压，压缩机出口呈正压。为稳定电解槽阳极室内氯气的负压，在压缩机的进口之间，装有氯气压力自动调节装置。液环式压缩机虽然结构简单，强度好又实用，但效率不高，另外，它在压缩、输送氯气过程中，还需要输送硫酸，所以能耗高，且氯气中含有较多酸雾，给后工序带来困难。4.3.4.2 透平机氯气压缩过程8离心式氯气透平压缩机式可借高速旋转的叶轮所产生的离心力使空气压缩。干燥氯气先进入一级压缩，压缩后的高温氯气进入冷却器（I）移去其热量后进入二级压缩和冷却器（II），最后进入三级压缩和冷却器（III）。出冷却器（III）的滤器一部分送往用户，另一部分回到压缩机的一级进口，以稳定电解槽阳极室的负压。由于透平机的压缩比能太大，因此一般采用三级或四级压缩，并在每一级之间设置冷却器以移去压缩时产生的热量，使气体体积缩小。为确保其正常运转，透平机对滤器的含水量及杂质的要求比较严格，一般含水量要求小于100PPM。另外还要求经过高效除沫器除沫。该工艺还附有润滑油系统、密封用空气的干燥及再生系统、水处理系统。(a) 润滑油系统在润滑油系统中，润滑油以一定压力、流量、温度供透平压缩机轴承、增速器、联轴节的润滑，以确保机组安全正常运转。透平机在油箱内经电加热至一定温度后，经滤油器吸入齿轮泵，并依次经过油冷却器、油过滤器进行冷却过滤，除去杂质。润滑油的压力先由系统中过压阀限制在一定压力后，由差压阀调节，自动控制油压到规定数值后到各进油点。再经调节阀调节到所需的压力后进入压缩机的轴承和增速器进行润滑然后返回油箱循环使用。该系统设有主、辅油泵。当油系统压力低于规定压力时自动报警，并自行启动辅油泵。待油压恢复后，辅油泵就自动停止。电脑感压力低于202.6KPa（表）时，由于连锁装置的作用，透平机就自动停止。(b) 密封用空气的干燥及再生系统本系统是将空气压缩机经过干燥处理使其含水量小于50PPM后，供透平机密封、充气用。由空压站或空压机送来的压缩空气，经贮气缸缓冲后，进入冷却器冷却至40，再经油水分离器除去油水后送至净化器，除去水分。出净化器的干燥空气，一部分通过过滤除尘、减压，送至透平机、油箱等密封点作密封用；另一部分减压至小于101.2KPa，通过电炉加热至130左右，去再生另一台已被水分饱和的净化器。当再声净化器的气体出口大于40时再声结束，电炉停止加热，继续吹冷至30，供切换用（两台净化器交换使用）。(c) 水处理系统透平机对每级间接冷却器的冷却水的水质有较高的要求，而透平机的冷却用水则要求更高，水的质量直接影响到冷却器的传热效果和使用寿命，并关系到系统的生产正常，为此必须设置水处理系统。4.4 事故氯处理因生产不正常或发生事故、氯碱生产系统停车处理过程中都可能发生氯气外逸而造成人员中毒、植物破坏、环境污染等严重事故。造成氯气外逸的原因有以下各方面:1. 供电解的直流电波动太大,氯气处理系统的压力调节系统灵敏度不够或本身的故障,而使电解生产的氯气不能及时输出。2输出设备故障或动力电源故障,使氯气压倒或送不出。3. 其他原因造成的氯气的逸出。为预防氯气逸出,减少对环境的不良影响,可在电解槽出口,氯气处理之前设置事故氯气处理装置。该流程主要设备有碱液粗贮槽、高位槽、喷淋塔、液下泵、鼓风机等。当系统内发生不正常情况,氯气压力超过一定植时,由于电器连锁装置L的作用,立即启动液下泵和鼓风机,将浓度为20%的碱液由液下泵打入喷淋塔内喷淋,同时氯气通过水自动进入塔内被碱液吸收。尾气由鼓风机抽吸,排入大气。喷淋塔下来的碱液流入碱液贮槽,在由液下泵打入塔内,如此循环吸收氯气,直至事故处理完毕。当动力供电全部中断,液下泵不能启动时,便由碱液高位槽直接向塔内喷淋。为了彻底消灭事故氯气外逸,氯液贮槽、汽化器、液化槽部位的安全阀打开后,排出的氯气液可以导入这套装置处理。这种装置的利用率虽然不高,却是安全生产中不可缺少的。它还可以设计成兼由再开停车时处理淡氯气的功能。9氯气处理系统的工艺控制指标如下：表4-1 氯气处理系统的中控分析项目中控分析项目单位控制值检测方法频次干燥前氯纯度（v/v） 95%容量法1次/2小时干燥前氯内含氢（v/v）0.4%燃烧法1次/4小时氯压机进酸浓度(m/m)98%滴定法1次/批氯压机循环酸浓度(m/m)93%滴定法1次/8小时干燥后氯中含水(m/m)0.01%重量法1次/周出塔底酸浓度(m/m)70%78%重量法1次/8小时干燥氯气中含NCl3PPM50纳氏比色法1次/天表42 氯气处理系统的工艺控制指标工艺控制项目单位控制值检测方法记录频次检测频次进口氯气总管压力Kpa0.150.15压力计1次/小时连续监测一级水洗塔出口氯气温度2040仪表显示1次/小时连续监测氯气进干燥塔温度1216仪表显示1次/半小时连续监测干燥前后氯气纯度差V/V1.8%计算1次/2小时1次/小时干燥落成输出压力Mpa0.10.2压力表1次/小时连续监测氯气出干燥塔温度45仪表显示1次/半小时连续监测冷冻水温度1015仪表显示1次/半小时连续监测氯压机电流A210仪表显示1次/小时连续监测出塔废酸浓度Kg/m1620680密度计1次/2小时1次/2小时出塔废酸温度1530密度计1次/2小时1次/2小时氯水排污温度8085仪表显示1次/小时连续监测5 物料衡算与能量衡算5.1 计算依据1.生产规模 30万吨/年100%NaOH 2.年生产时间 8000h3.计算标准 以生产1t100%NaOH为标准4.原始数据 见下表 表5-1 原始数据一览表项目氯气备注项目氯气备注温度, 90氯气,kg/t100%NaOH88512.46kmol总压(表),Pa-49不凝性气体(假设为气下同),kg/t100%NaOH150.52kmol水蒸气kg/t100%NaOH306.7气体总量,kg/t100%NaOH1187成分,%(干基)965.2 计算过程假设湿氯气由电解到氯处理室外管温度由90降到80后进入氯处理系统，有部分水蒸气冷凝下来，并溶解氯气，查表知80时氯在水中的溶解度为0.002227kg/kg水，饱和水蒸气分压为0.4829×98.1KPa(0.4829kg/cm2)，其他溶解气体忽略不计。设管道中冷凝下来的水量W1kg，则溶解于水的氯气为0.002227W1kg/kg水。进冷却器前，湿氯气中的水为(306.7- W1)/18kmol。湿氯气总量n总= (885-0.002227 W1)/71+(306.7- W1)/18kmol+15/29由于氯在水中的溶解度很小，其溶液可视为理想溶液，按道尔顿分压定律PH2O/P总= nH2O/n总。由于系统的总压为-49Pa(-5mmH2O)(表)，所以计算时可视为98