離子膜電解裝置中低位熱能的回收利用
                                     崔景恒
                         （中國(guó)天辰工程公司，天津300400）
    摘要：通過(guò)熱量交換和換熱面積的計(jì)算，說(shuō)明了通過(guò)加熱過(guò)濾鹽水來(lái)回收濕氯氣或脫氯淡鹽水的低位熱能是可行的。同時(shí)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(jì)算時(shí)，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(lái)進(jìn)行計(jì)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(hào)：TQ114.26文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1009－1785(2009)01－0033-03
    1·電解濕氯氣與過(guò)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(guò)濾鹽水。
    1.1電解濕氯氣與過(guò)濾鹽水熱交換的優(yōu)缺點(diǎn)
    1.1.1優(yōu)點(diǎn)
    （1）提高了過(guò)濾鹽水的溫度，節(jié)省了能耗。通常從一次鹽水工序送來(lái)的過(guò)濾鹽水溫度在50℃左右，而離子交換樹脂要求過(guò)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(guò)濾鹽水加熱器，用低壓水蒸氣來(lái)加熱。如果采用濕氯氣來(lái)加熱過(guò)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(guò)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(shí)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(guò)濾鹽水換熱，增加了輸送氯氣管道的長(zhǎng)度，在換熱過(guò)程和管道輸送過(guò)程中有壓力降。增加的這部分壓力降，會(huì)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(guò)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(guò)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(jì)算
    計(jì)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(wàn)t/aNaOH的生產(chǎn)裝置。
    1.2.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
    （1）過(guò)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(shí)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(shí)，飽和水蒸氣的溫度為76℃。
    這說(shuō)明，上述組成的濕氯氣在從85℃冷卻到76℃的過(guò)程中，不會(huì)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(yáng)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(yáng)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(shí)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(jì)算
    查表得到水在60℃時(shí)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(guò)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(guò)濾鹽水的流量，kg／h；
    CPb—過(guò)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(jì)算
    根據(jù)上述計(jì)算，也分別按顯熱段與冷卻冷凝段來(lái)計(jì)算熱交換器的換熱面積。
    （1）顯熱段
    a.過(guò)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(guò)濾鹽水是逆流間接進(jìn)行換熱，根據(jù)上述計(jì)算，過(guò)濾鹽水出熱交換器的溫度應(yīng)為50.0＋6.7＝56.7（℃），而過(guò)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(jì)算平均對(duì)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(cè)》，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(duì)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(jì)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(shí)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(jì)算可知，用濕氯氣加熱過(guò)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(guò)濾鹽水的溫度為60℃。而從一次鹽水工序送來(lái)的過(guò)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(shí)沒(méi)有濕氯氣等，需要再增加1臺(tái)加熱器，以保障過(guò)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(guò)濾鹽水的熱交換
    對(duì)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(yáng)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(guò)濾鹽水進(jìn)行熱交換，是可行的。
    下面將通過(guò)一些計(jì)算來(lái)說(shuō)明脫氯后的淡鹽水可回收利用的熱量。
    （1）以1萬(wàn)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(guò)濾鹽水溫度升10℃，所需熱量為
    Q2＝L2×Cp2×△t2
    式中：L2—過(guò)濾鹽水的流量，14 052 kg／h；
    Cp2—過(guò)濾鹽水的平均比熱3.31 kJ／（kg·℃）；
    △t2—過(guò)濾鹽水的溫升，10℃。
    Q2＝14 052×3.31×10＝4.651 2×105（kJ／h）
    因?yàn)镼1＝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(shí)，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(duì)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(shí)，脫氯淡鹽水能提供的熱量計(jì)算如下?？紤]脫氯淡鹽水從脫氯工序到化鹽工序，在輸送和貯存過(guò)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(guò)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(jì)算
    求平均對(duì)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(jì)算的結(jié)果來(lái)看，用脫氯淡鹽水與過(guò)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(guò)濾鹽水的熱交換器所需的面積小得多，這是因?yàn)?，濕氯氣與過(guò)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(guò)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(guò)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(jì)算，生產(chǎn)規(guī)模為5萬(wàn)t/a的離子膜電解裝置，其脫氯淡鹽水與過(guò)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(guò)濾鹽水熱交換器面積的1／4。