離子膜電解裝置中低位熱能的回收利用

離子膜電解裝置中低位熱能的回收利用
                                     崔景恒
                         （中國天辰工程公司，天津300400）
    摘要：通過熱量交換和換熱面積的計算，說明了通過加熱過濾鹽水來回收濕氯氣或脫氯淡鹽水的低位熱能是可行的。同時指出了這2種低位熱能回收利用的優(yōu)、缺點(diǎn)。指出了離子膜電解槽生產(chǎn)的濕氯氣在進(jìn)行熱量交換計算時，與隔膜法電解產(chǎn)生的濕氯氣的區(qū)別是要分為顯熱段和潛熱段來進(jìn)行計算。
    關(guān)鍵詞：電解濕氯氣；脫氯淡鹽水；低位熱能；顯熱；潛熱
    中圖分類號：TQ114.26文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1009－1785(2009)01－0033-03
    1·電解濕氯氣與過濾鹽水的熱交換
    為回收利用生產(chǎn)中的余熱，有些氯堿生產(chǎn)廠家利用從電解工序送出的濕氯氣加熱過濾鹽水。
    1.1電解濕氯氣與過濾鹽水熱交換的優(yōu)缺點(diǎn)
    1.1.1優(yōu)點(diǎn)
    （1）提高了過濾鹽水的溫度，節(jié)省了能耗。通常從一次鹽水工序送來的過濾鹽水溫度在50℃左右，而離子交換樹脂要求過濾鹽水的進(jìn)塔溫度為60℃，這是樹脂交換的最適宜操作溫度。一般要設(shè)置過濾鹽水加熱器，用低壓水蒸氣來加熱。如果采用濕氯氣來加熱過濾鹽水，可以降低蒸汽消耗。
    （2）從電解工序送出的濕氯氣，要被送至氯氣處理工序進(jìn)行干燥處理。如果在去氯氣處理前先與過濾鹽水換熱，即降低了濕氯氣的溫度，又能減少濕氯氣中的含水量。這不僅減輕了氯氣干燥系統(tǒng)的負(fù)荷，同時又減少了氯氣處理的冷卻水用量。
    1.1.2缺點(diǎn)
    （1）濕氯氣與過濾鹽水換熱，增加了輸送氯氣管道的長度，在換熱過程和管道輸送過程中有壓力降。增加的這部分壓力降，會降低后面氯氣壓縮機(jī)的打氣量（即壓縮機(jī)的能力）。
    （2）由于濕氯氣與過濾鹽水在熱交換器中進(jìn)行的換熱，是氣體與液體間的間接換熱，傳熱系數(shù)通常都很小，這就造成熱交換器的換熱面積要很大。
    （3）濕氯氣與過濾鹽水進(jìn)行換熱的熱交換器，通常采用管殼式的，材質(zhì)為鈦，投資較大。如果輸送氯氣管道的材質(zhì)為鈦，必將增大投資。
    1.2換熱計算
    計算中所采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，取自復(fù)極式高電密自然循環(huán)離子膜電解工藝，生產(chǎn)規(guī)模為5萬t/aNaOH的生產(chǎn)裝置。
    1.2.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
    （1）過濾鹽水：流量60.2 m3/h；70 833.7 kg/h；重度1 177 kg/m3；溫度50℃；比熱3.31 kJ/kg℃。
    （2）濕氯氣：溫度85℃；壓力1 980 Pa（表壓）。
    （3）濕氯氣的組成及有關(guān)參數(shù)。
    1.2.2濕氯氣從85℃降至76℃時放出的顯熱
    （1）濕氯氣的總壓力P1＝1.033×105 Pa
    （2）濕氯氣中的水分壓p＝0.403×105 Pa查飽和水蒸氣物性參數(shù)表可以得到，當(dāng)飽和水蒸氣壓為0.403×105Pa時，飽和水蒸氣的溫度為76℃。
    這說明，上述組成的濕氯氣在從85℃冷卻到76℃的過程中，不會有冷凝水產(chǎn)生，只是放出顯熱。由于“北化機(jī)”生產(chǎn)的電解槽陽極室的操作壓力為1.405 3 Pa（絕壓），濕氯氣中飽和水蒸氣的含量為Y1＝p/P1。而隔膜電解槽陽極室的操作壓力為1.013 3 Pa（絕壓），其濕氯氣中飽和水蒸氣的含量為Y2＝p/P2，由于P1＞P2，所以Y1＜Y2。因此，本文所述的電解槽生產(chǎn)的濕氯氣所含的水蒸氣量比隔膜法生產(chǎn)的濕氯氣所含的水蒸氣量要少。濕氯氣放出的顯熱：在上述溫度范圍內(nèi)，氯氣所放出的熱量是比較少的。放出的顯熱為0.439 7×105 kJ／h。
    1.2.3濕氯氣從76℃降至60℃所放出的熱量
    （1）飽和水蒸氣在60℃時的蒸汽分壓，查表得p＝19.915 kPa。
    （2）出換熱器的濕氯氣的總壓力：考慮濕氯氣在熱交換器中的阻力損失為490 Pa，則氣體總壓為1.028×105 Pa。
    （3）換熱器出口濕氯氣的含水量為350.3 kg／h。
    （4）在換熱器中冷凝的水量△W＝W1－W2＝582.8（kg/h）。
    （5）熱交換器中換熱量的計算
    查表得到水在60℃時的蒸發(fā)潛熱為2357.6 kJ/kg，則：a.水冷凝放出熱量為582.8×2 357.6＝13.740 1×105（kJ/h）；b.氣體降溫所放出的熱量為1.448 6×105 kJ/h；c.濕氯氣從76℃降至60℃放出的總熱量為15.188 7×105 kJ／h。
    1.2.4過濾鹽水與濕氯氣換熱后的溫升
    △T＝Q／（L×CPb）
    式中：△T—溫差，℃；
    Q—濕氯氣從85℃降至60℃所放出的總熱量，kJ/h；
    L—過濾鹽水的流量，kg／h；
    CPb—過濾鹽水的平均比熱，kJ／（kg·℃）。
    則△T＝15.628 4×105／（70 833.7×3.31）≈6.7（℃）。
    1.2.5熱交換器換熱面積的計算
    根據(jù)上述計算，也分別按顯熱段與冷卻冷凝段來計算熱交換器的換熱面積。
    （1）顯熱段
    a.過濾鹽水在顯熱段的溫升約為0.2℃
    由于在熱交換器中濕氯氣與過濾鹽水是逆流間接進(jìn)行換熱，根據(jù)上述計算，過濾鹽水出熱交換器的溫度應(yīng)為50.0＋6.7＝56.7（℃），而過濾鹽水進(jìn)熱交渙器顯熱段的溫度應(yīng)為56.7－0.2＝56.5（℃）。
    b.計算平均對數(shù)溫差△Tm1，85℃→76℃；56.7℃←56.5℃。
    △Tm1＝［（85.0－56.7）-（76.0-56.5）］／ln［（85.0－56.7）/（76.0-56.5）］＝23.6（℃）
    c.求換熱面積（采用管殼式換熱器）F1＝△Q1／（K1×△Tm1），參考《氯堿生產(chǎn)技術(shù)》和《氯堿工業(yè)理化常數(shù)手冊》，取K1＝167.4 kJ／（m2·h·℃）。
    則F1＝0.439 7×105／（167.4×23.6）＝11.1（m2）。
    （2）冷卻冷凝段
    a.平均對數(shù)溫差△Tm2，76℃→60℃；56.5℃←50℃。
    △Tm2＝［（76.0－56.5）-（60.0-50.0）］／ln［（76.0－56.5）/（60.0—50.0）］＝14.2（℃）
    b.換熱面積的計算F2＝△Q3／（K2×△Tm2）取K2＝627.9 kJ／（m·2h·℃）。
    則F2＝15.188 7×105／（627.9×14.2）＝170.4（m2）
    （3）熱交換器的總換熱面積
    F＝F1＋F2＝11.1＋170.4＝181.5（m2）
    1.2.6估算節(jié)省的蒸汽量
    以上述濕氯氣回收的熱量估算節(jié)省的蒸汽量（折成噸堿節(jié)省蒸汽量）：
    G＝Q／（r×N）
    式中：G—節(jié)省的蒸汽量，kg/t NaOH；
    Q—濕氯氣放出的總熱量，kJ／h；
    r—水的氣化潛熱，4.413 2×105 Pa（絕壓）下為2 122 kJ／kg；
    N—每小時生產(chǎn)100％NaOH量，6.25 t。則G＝15.6284×105／（2122×6.25）＝117.8（kg/tNaOH）。
    1.2.7討論
    從上面的計算可知，用濕氯氣加熱過濾鹽水，可使鹽水溫度升高約6.7℃，方案可行。根據(jù)離子交換樹脂塔和電解槽的操作條件，都要求過濾鹽水的溫度為60℃。而從一次鹽水工序送來的過濾鹽水的溫度為50℃，經(jīng)濕氯氣加熱溫度升高至56.7℃后，還差3.3℃。如果再考慮其他因素，如設(shè)備和管道熱損失，開車時沒有濕氯氣等，需要再增加1臺加熱器，以保障過濾鹽水的溫度滿足上述操作條件，但這樣一次投資較大。
    2·脫氯淡鹽水與過濾鹽水的熱交換
    對于復(fù)極式高電密自然循環(huán)的離子膜電解工藝，出電解槽的陽極液（也稱“淡鹽水”），經(jīng)脫氯后其溫度約為74℃，屬于低位熱能。要想回收其熱量，與進(jìn)離子交換樹脂塔前溫度為50℃左右的過濾鹽水進(jìn)行熱交換，是可行的。
    下面將通過一些計算來說明脫氯后的淡鹽水可回收利用的熱量。
    （1）以1萬t/a100％NaOH為基準(zhǔn)。脫氯淡鹽水的流量為10 296 kg/h，其出脫氯塔的溫度約為74℃。考慮脫氯淡鹽水由脫氯塔輸送至離子交換樹脂工序的熱量損失，取其溫度為72℃，查其平均比熱為3.60 kJ／（kg·℃）。 
    a.脫氯淡鹽水能提供的熱量如下：
    Q1＝L1×Cp×△t1
    式中：Q1—脫氯淡鹽水提供的熱量，kJ/h；
    L1—脫氯淡鹽水的流量，kg/h；
    Cp1—脫氯淡鹽水的平均比熱，kJ/kg·℃；
    △t1—脫氯淡鹽水的溫升，℃。
    Q1＝10 296×3.60×△t1＝37 065×△t1要使過濾鹽水溫度升10℃，所需熱量為
    Q2＝L2×Cp2×△t2
    式中：L2—過濾鹽水的流量，14 052 kg／h；
    Cp2—過濾鹽水的平均比熱3.31 kJ／（kg·℃）；
    △t2—過濾鹽水的溫升，10℃。
    Q2＝14 052×3.31×10＝4.651 2×105（kJ／h）
    因為Q1＝Q2，則△t1=4.6512×105/37 065＝12.6（℃），所以脫氯淡鹽水出熱交換器的溫度為72.0－12.6＝59.4(℃)。
    b.當(dāng)熱交換器釆用鈦板式換熱器時，總傳熱系數(shù)取K＝5 023 kJ／(m2·h·℃)，72.0→5 9.4℃，60.0→50.0℃，平均對數(shù)溫差△tm1＝[（72.0－60.0）-（59.4－50.0）]﹛／ln[（72.0－60.0）／（59.4－50.0）]｝＝10（℃），故，熱交換器的換熱面積F＝Q／（k·△tm1）＝4.651 2×105／5 023×10.6＝8.7（m2）。   （2）當(dāng)要求去化鹽工序的脫氯淡鹽水的溫度為60℃時，脫氯淡鹽水能提供的熱量計算如下。考慮脫氯淡鹽水從脫氯工序到化鹽工序，在輸送和貯存過程中的熱量損失，設(shè)出熱交換器的淡鹽水的溫度為65℃。
    a.脫氯淡鹽水能提供的熱量為Q3＝10 296×3.60×（72－65）＝2.594 6×105（kJ／h）。
    b.過濾鹽水的溫升△t3＝Q3／（L2×Cp2）＝2.594 6×105／（14 052×3.31）≈5.6（℃）。
    c.熱交換器換熱面積的計算
    求平均對數(shù)溫差72→65℃，55.6←50℃，△tm2＝（72.0-55.6）-（65.0-50.0）/｛ln［（72.0-55.6）/（65.0-50.0）］｝≈15.7（℃），則換熱面積F＝Q3／（K×△tm2）＝2.594 6×105/（5 023×15.7）≈3.3（m2）。
    3·總結(jié)
    從上述計算的結(jié)果來看，用脫氯淡鹽水與過濾鹽水進(jìn)行換熱是可行的，並且所用的換熱面積要比濕氯氣與過濾鹽水的熱交換器所需的面積小得多，這是因為，濕氯氣與過濾鹽水在熱交換器中的傳熱系數(shù)要比前者小得多。脫氯淡鹽水與過濾鹽水間的換熱，為液－液之間的熱交換，可以采用板式換熱器，這種換熱器的傳熱系數(shù)較大，因此，它的體積和換熱面積都比較小。但用脫氯淡鹽水與過濾鹽水進(jìn)行換熱，輸送淡鹽水的管道及設(shè)備應(yīng)加以保溫。
    按上面的計算，生產(chǎn)規(guī)模為5萬t/a的離子膜電解裝置，其脫氯淡鹽水與過濾鹽水的換熱器，需要的換熱面積約為44 m2，這約為濕氯氣與過濾鹽水熱交換器面積的1／4。