陳　杰（浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司，浙江　杭州　310012）

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氣體噴淋冷凍脫水裝置的研究與實(shí)踐

陳杰
（浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司，浙江杭州310012）

摘要：詳細(xì)歸納了氯氟烴/哈龍等消耗臭氧層物質(zhì)（ODS）替代品的脫水干燥工程實(shí)踐。提出氣體噴淋冷凍脫水在該工程領(lǐng)域的理論可行性，并設(shè)計(jì)出一套可靠的工程應(yīng)用設(shè)備系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：噴淋冷凍脫水；干燥；ODS替代品

修回日期：2016-03-21

0　前言

氯氟烴/哈龍等氟化工產(chǎn)品由于其特殊的物理性能，廣泛用于消防滅火劑、空調(diào)制冷劑、發(fā)泡劑等領(lǐng)域。但由于此類物質(zhì)對(duì)臭氧層具有較強(qiáng)的破壞性，故國(guó)際社會(huì)已將其列為逐步淘汰并最終禁止使用的產(chǎn)品，我國(guó)亦于1991年在修訂后的《關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》上簽字，同年將ODS替代品的研究制備工作提升至國(guó)家計(jì)劃，并明確提出要開(kāi)發(fā)出具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的優(yōu)良ODS替代品，打破國(guó)外企業(yè)的技術(shù)壟斷。

常規(guī)ODS替代品的生產(chǎn)均經(jīng)歷催化合成、連續(xù)洗滌、脫水干燥、精餾提純等工藝步驟。一般連續(xù)洗滌后的產(chǎn)品、原料混合物為常壓非水溶性氣體，需暫存于一定容積的濕式氣柜中，然后進(jìn)入干燥分離工序。濕式氣柜是一個(gè)典型的封閉盛水容器，其構(gòu)造決定了當(dāng)中氣體含水量常年處于飽和狀態(tài)。含水量高的氣體是無(wú)法進(jìn)行壓縮、精餾的。故脫水干燥成為產(chǎn)品生產(chǎn)流程中必不可少的單元操作，該單元操作具有通用性，因而找尋節(jié)能、環(huán)保的工藝對(duì)于ODS替代品的行業(yè)發(fā)展具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。

1　主要脫水技術(shù)介紹

1.1濃硫酸脫水技術(shù)

濃硫酸作為脫水劑，具有悠久的歷史，對(duì)于ODS替代品，其具有化學(xué)惰性、吸水能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在很多產(chǎn)品的生產(chǎn)中發(fā)揮作用。濃硫酸脫水干燥的基礎(chǔ)流程如圖1所示：

該系統(tǒng)主要由濃硫酸貯槽、兩個(gè)一級(jí)酸洗槽，一個(gè)二級(jí)酸洗槽構(gòu)成，一級(jí)酸洗槽一開(kāi)一備。首先將98％的濃硫酸通過(guò)輸送泵送入一級(jí)酸洗槽、二級(jí)酸洗槽，然后將氣柜中的氣體依次通入一、二級(jí)酸洗槽。氣體通過(guò)植入酸洗槽的氣體分布管鼓泡，以利于氣體的充分干燥。隨著吸水量的增加，一級(jí)酸洗槽首先達(dá)到飽和，濃硫酸變成不具吸水性的稀酸，此時(shí)打開(kāi)備用一級(jí)酸洗槽，關(guān)閉已用一級(jí)酸洗槽，將已用一級(jí)酸洗槽內(nèi)稀酸排放，然后置換新的濃硫酸，成為備槽。

該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是吸水徹底，設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單。但其缺點(diǎn)亦十分明顯：

（1）濃硫酸消耗量大，一般濃硫酸在濃度稀釋到75％就需更換，采購(gòu)費(fèi)用較高。

（2）濃硫酸稀釋后具有腐蝕性，會(huì)加速腐蝕系統(tǒng)管路；對(duì)于碳鋼管路需要經(jīng)常對(duì)其腐蝕情況進(jìn)行觀察記錄；若更換為非碳鋼類耐腐蝕材質(zhì)，設(shè)備、管道投資明顯增加。

（3）濃硫酸的強(qiáng)腐蝕性，對(duì)人體極具危害，是企業(yè)內(nèi)的潛在危險(xiǎn)源；在濃硫酸系統(tǒng)附近，需要建立嚴(yán)格的人身安全防護(hù)。對(duì)于企業(yè)的安全管控提出了很高的要求。

（4）稀釋后的硫酸原則上將成為廢酸，外賣價(jià)值不高。

圖1　濃硫酸脫水干燥基礎(chǔ)流程

當(dāng)前，安全、環(huán)保日益成為各地政府部門、企業(yè)面對(duì)的重要指標(biāo)。濃硫酸脫水干燥的缺點(diǎn)決定了其面臨淘汰的結(jié)局。

1.2分子篩干燥

隨著吸水性能更高的分子篩產(chǎn)品出現(xiàn)，某些ODS替代品的生產(chǎn)，采用了多組串聯(lián)的分子篩干燥系統(tǒng)來(lái)取代濃硫酸工藝。分子篩脫水干燥的基礎(chǔ)流程如圖2所示：

圖2　分子篩脫水干燥基礎(chǔ)流程

由于分子篩相對(duì)單位吸水量較少，故為了滿足脫水要求，一般工程上采用多級(jí)串聯(lián)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。氣體依次通過(guò)各個(gè)分子篩干燥塔，完成脫水過(guò)程。當(dāng)分子篩吸水達(dá)到飽和，可采用電加熱方式對(duì)其進(jìn)行再生，再生后分子篩可重復(fù)使用；幾個(gè)周期后，分子篩壽命達(dá)到，進(jìn)行整體更換。

該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是分子篩具有一定的再生性及對(duì)人體安全威脅小等優(yōu)點(diǎn)。該工藝缺點(diǎn)為：

（1）分子篩單位吸水量較小，單次使用量較大，大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)采購(gòu)成本高。

（2）氣體含水量高時(shí)，分子篩吸附周期縮短，再生頻繁。同時(shí)由于使用電能再生，能耗較高。

1.3冷凍脫水

冷凍法脫水也是企業(yè)常用脫水方法之一，冷凍脫水干燥的基礎(chǔ)流程如圖3所示：

圖3　冷凍脫水干燥基礎(chǔ)流程

冷凍脫水干燥主要用螺旋板換熱器作為換熱介質(zhì)，通過(guò)低溫水與氣體間接換熱，使得氣體溫度降低，析出飽和水。為了析出更多的水，需要保證低溫水的溫度足夠低，但本技術(shù)由于熱交換在螺旋板換熱器中進(jìn)行，當(dāng)?shù)蜏厮疁囟鹊陀?℃時(shí)，會(huì)導(dǎo)致氣體中凝結(jié)水出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，故本工藝一般只能使用0℃～10℃低溫水作為冷媒，這大大影響了脫水效果。故本工藝僅部分用于前期粗脫水。

2　噴淋冷凍干燥脫水理論依據(jù)

從上述冷凍脫水干燥得到啟發(fā)，氣體會(huì)由于自身溫度降低而析出過(guò)飽和的水汽，而一般企業(yè)會(huì)提供-15℃/-10℃工況冷凍鹽水，故有必要研究該工況下飽和水的析出量。

考慮某企業(yè)氣柜內(nèi)氣體溫度約15℃～35℃，工藝氣體含水量參照空氣，查干空氣密度和飽和水蒸氣含量表［1］，相對(duì)濕度100％情況下，氣體含水量歸納于表1：

表1　飽和氣體含水量

在某企業(yè)操作工況下，每處理1m3氣體，析出的水汽量如圖4所示：

圖4　不同溫度工況下氣體降溫脫水量

對(duì)于某年產(chǎn)3000 t產(chǎn)品的項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，其氣體處理量為2200 m3/d。則通過(guò)氣體降溫將實(shí)現(xiàn)23.1～81.4 kg/d的脫水量。脫水量很大，滿足實(shí)際工程的應(yīng)用要求，尤其在溫度較高的夏季，從圖4分析，效果較低溫更明顯，其脫水能力呈指數(shù)增長(zhǎng)。

3　噴淋冷凍干燥脫水裝置的設(shè)計(jì)

針對(duì)目前企業(yè)生產(chǎn)常用的幾種脫水方法存在的缺點(diǎn)，以及通過(guò)氣體降溫脫水的理論可行性研究，設(shè)計(jì)了一套新穎的氣體噴淋冷凍干燥脫水裝置［2］。

該裝置包括脫水塔、噴淋冷卻器、噴淋冷凍輸送泵、鹽水中間槽、鹽水濃縮槽。氣體噴淋冷凍干燥裝置塔結(jié)構(gòu)是采用填料塔形式，噴淋冷卻器采用螺旋板換熱器形式，鹽水中間槽采用常壓儲(chǔ)槽形式，鹽水濃縮槽采用外蒸汽夾套或內(nèi)蒸汽盤管形式。脫水塔、噴淋冷卻器、噴淋冷凍輸送泵通過(guò)管道連接，組成噴淋冷凍循環(huán)系統(tǒng)。噴淋冷凍輸送泵提供冷凍水輸送動(dòng)力，噴淋冷卻器提供冷卻需要的冷量，脫水塔提供氣液接觸的空間。噴淋冷凍輸送泵、鹽水中間槽、鹽水濃縮槽通過(guò)管道連接，組成脫水系統(tǒng)，脫水塔脫水后，釜液濃度變稀，稀液通過(guò)噴淋冷凍輸送泵打入鹽水中間槽暫存，再通過(guò)噴淋冷凍輸送泵將鹽水中間槽中的稀液打入鹽水濃縮槽，通蒸汽除水增濃。濃液通過(guò)噴淋冷凍輸送泵打入噴淋冷凍循環(huán)系統(tǒng)。

本氣體噴淋冷凍脫水裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下特點(diǎn)：

（1）傳統(tǒng)的濃硫酸干燥，將會(huì)產(chǎn)生廢酸，嚴(yán)重污染環(huán)境，本技術(shù)脫水過(guò)程只用到冷凍鹽水，無(wú)其他任何三廢排放，干燥每t氣體減排0.025 t濃硫酸；

（2）傳統(tǒng)的分子篩干燥，由于分子篩吸附水量較小，若氣體濕度較高，分子篩再生頻繁，成本高；而本技術(shù)冷凍脫出的水分通過(guò)廠區(qū)自供蒸汽加熱蒸發(fā)，成本低；干燥每噸氣體減少10 kWh消耗；

（3）冷凍脫水干燥由于屬于間壁換熱，為了保證氣體中沒(méi)有冰晶析出，無(wú)法將溫度降到0℃以下，而本裝置直接通過(guò)冷凍鹽水在塔內(nèi)換熱，冷凍鹽水-15℃都不會(huì)結(jié)冰。故可將氣體溫度降得更低，析出更多水分。

（4）本技術(shù)采用填料噴淋塔，填料比表面積大，氣液接觸得到增強(qiáng)，脫水效果進(jìn)一步加強(qiáng)；

（5）本技術(shù)采用的介質(zhì)冷凍鹽水和蒸汽廉價(jià)易得，基本每個(gè)廠區(qū)均有，而且這兩種介質(zhì)環(huán)境友好，安全可靠。

圖5　氣體噴淋冷凍干燥脫水設(shè)備1-脫水塔；2-噴淋冷卻器；3-噴淋冷凍輸送泵；4-鹽水中間槽；5-鹽水濃縮槽

4　結(jié)束語(yǔ)

目前，隨著全球環(huán)境越來(lái)越惡劣，同時(shí)由于地球資源越來(lái)越匱乏。節(jié)能減排擺在了各級(jí)政府與企業(yè)面前。化工企業(yè)作為環(huán)境、資源影響大戶，理應(yīng)在保證產(chǎn)能、利潤(rùn)的同時(shí)，排查生產(chǎn)過(guò)程中的每個(gè)環(huán)節(jié)，挖掘改造潛能。本文研究?jī)?nèi)容作為氟化工生產(chǎn)企業(yè)的替代技術(shù)，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)，證明是有效的。其能耗低、環(huán)保性好，不但在氟化工領(lǐng)域，在其他有相關(guān)單元操作的行業(yè)亦可進(jìn)行推廣。

參考文獻(xiàn)：

［1］中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009:1060～1061.

［2］姜波，陳杰.氣體噴淋冷凍脫水設(shè)備:CN，202113750U ［P］.2012-01-18.

The Research and App lication of Device of the Deprivation of the W et Gas by Cooling Spray

CHEN Jie
（Zhejiang Petrochemical Engineering Design Institute，Hangzhou，Zhejiang 310012，China）

Abstrac t:The operations in engineering of the ODS replacer were introduced.The feasibility of theory to deprive water from wet gas by cooling spray was given，and at the same time we designed a set of system according to the theory for industry apply.

Keywords:cooling spray；dry；ODS replacer

文章編號(hào)：1006-4184（2016）6-0027-04

作者簡(jiǎn)介：陳杰（1981-），男，工程師，主要從事化工工藝設(shè)計(jì)。E-mail:chenjie@zpcdi.com。