离子膜电解装置中低位热能的回收利用

离子膜电解装置中低位热能的回收利用
                                     崔景恒
                         （中国天辰工程公司，天津300400）
    摘要：通过热量交换和换热面积的计算，说明了通过加热过滤盐水来回收湿氯气或脱氯淡盐水的低位热能是可行的。同時指出了这2种低位热能回收利用的优、缺点。指出了离子膜电解槽生产的湿氯气在进行热量交换计算時，与隔膜法电解产生的湿氯气的区别是要分为显热段和潜热段来进行计算。
    关键词：电解湿氯气；脱氯淡盐水；低位热能；显热；潜热
    中图分类号：TQ114.26文献标识码：B文章编号：1009－1785(2009)01－0033-03
    1·电解湿氯气与过滤盐水的热交换
    为回收利用生产中的余热，有些氯碱生产厂家利用从电解工序送出的湿氯气加热过滤盐水。
    1.1电解湿氯气与过滤盐水热交换的优缺点
    1.1.1优点
    （1）提高了过滤盐水的溫度，节省了能耗。通常从一次盐水工序送来的过滤盐水温度在50℃左右，而离子交换树脂要求过滤盐水的进塔温度为60℃，这是树脂交换的最适宜操作温度。一般要设置过滤盐水加热器，用低压水蒸气来加热。如果采用湿氯气来加热过滤盐水，可以降低蒸汽消耗。
    （2）从电解工序送出的湿氯气，要被送至氯气处理工序进行干燥处理。如果在去氯气处理前先与过滤盐水换热，即降低了湿氯气的溫度，又能减少湿氯气中的含水量。这不仅减轻了氯气干燥系统的負荷，同時又减少了氯气处理的冷却水用量。
    1.1.2缺点
    （1）湿氯气与过滤盐水换热，增加了输送氯气管道的长度，在换热过程和管道输送过程中有压力降。增加的这部分压力降，会降低后面氯气压缩机的打气量（即压缩机的能力）。
    （2）由于湿氯气与过滤盐水在热交换器中进行的换热，是气体与液体间的间接换热，传热系数通常都很小，这就造成热交换器的换热面积要很大。
    （3）湿氯气与过滤盐水进行换热的热交换器，通常采用管壳式的，材质为钛，投资较大。如果输送氯气管道的材质为钛，必将增大投资。
    1.2换热计算
    计算中所采用的基础数据，取自复极式高电密自然循环离子膜电解工艺，生产規模为5万t/aNaOH的生产装置。
    1.2.1基础数据
    （1）过滤盐水：流量60.2 m3/h；70 833.7 kg/h；重度1 177 kg/m3；温度50℃；比热3.31 kJ/kg℃。
    （2）湿氯气：温度85℃；压力1 980 Pa（表压）。
    （3）湿氯气的组成及有关参数。
    1.2.2湿氯气从85℃降至76℃时放出的显热
    （1）湿氯气的总压力P1＝1.033×105 Pa
    （2）湿氯气中的水分压p＝0.403×105 Pa查饱和水蒸气物性参数表可以得到，当饱和水蒸气压为0.403×105Pa时，饱和水蒸气的温度为76℃。
    这说明，上述组成的湿氯气在从85℃冷却到76℃的过程中，不会有冷凝水产生，只是放出显热。由于“北化机”生产的电解槽阳极室的操作压力为1.405 3 Pa（绝压），湿氯气中饱和水蒸气的含量为Y1＝p/P1。而隔膜电解槽阳极室的操作压力为1.013 3 Pa（绝压），其湿氯气中饱和水蒸气的含量为Y2＝p/P2，由于P1＞P2，所以Y1＜Y2。因此，本文所述的电解槽生产的湿氯气所含的水蒸气量比隔膜法生产的湿氯气所含的水蒸气量要少。湿氯气放出的显热：在上述温度范围内，氯气所放出的热量是比较少的。放出的显热为0.439 7×105 kJ／h。
    1.2.3湿氯气从76℃降至60℃所放出的热量
    （1）饱和水蒸气在60℃时的蒸汽分压，查表得p＝19.915 kPa。
    （2）出换热器的湿氯气的总压力：考虑湿氯气在热交换器中的阻力损失为490 Pa，則气体总压为1.028×105 Pa。
    （3）换热器出口湿氯气的含水量为350.3 kg／h。
    （4）在换热器中冷凝的水量△W＝W1－W2＝582.8（kg/h）。
    （5）热交换器中换热量的计算
    查表得到水在60℃时的蒸发潜热为2357.6 kJ/kg，则：a.水冷凝放出热量为582.8×2 357.6＝13.740 1×105（kJ/h）；b.气体降温所放出的热量为1.448 6×105 kJ/h；c.湿氯气从76℃降至60℃放出的总热量为15.188 7×105 kJ／h。
    1.2.4过滤盐水与湿氯气换热后的温升
    △T＝Q／（L×CPb）
    式中：△T—溫差，℃；
    Q—湿氯气从85℃降至60℃所放出的总热量，kJ/h；
    L—过滤盐水的流量，kg／h；
    CPb—过滤盐水的平均比热，kJ／（kg·℃）。
    则△T＝15.628 4×105／（70 833.7×3.31）≈6.7（℃）。
    1.2.5热交换器换热面积的计算
    根据上述计算，也分别按显热段与冷却冷凝段来计算热交换器的换热面积。
    （1）显热段
    a.过滤盐水在显热段的温升约为0.2℃
    由于在热交换器中湿氯气与过滤盐水是逆流间接进行换热，根据上述计算，过滤盐水出热交换器的温度应为50.0＋6.7＝56.7（℃），而过滤盐水进热交涣器显热段的温度应为56.7－0.2＝56.5（℃）。
    b.计算平均对数温差△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.求换热面积（采用管壳式换热器）F1＝△Q1／（K1×△Tm1），参考《氯碱生产技术》和《氯碱工业理化常数手册》，取K1＝167.4 kJ／（m2·h·℃）。
    则F1＝0.439 7×105／（167.4×23.6）＝11.1（m2）。
    （2）冷却冷凝段
    a.平均对数温差△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.换热面积的计算F2＝△Q3／（K2×△Tm2）取K2＝627.9 kJ／（m·2h·℃）。
    则F2＝15.188 7×105／（627.9×14.2）＝170.4（m2）
    （3）热交换器的总换热面积
    F＝F1＋F2＝11.1＋170.4＝181.5（m2）
    1.2.6估算节省的蒸汽量
    以上述湿氯气回收的热量估算节省的蒸汽量（折成吨碱节省蒸汽量）：
    G＝Q／（r×N）
    式中：G—节省的蒸汽量，kg/t NaOH；
    Q—湿氯气放出的总热量，kJ／h；
    r—水的气化潜热，4.413 2×105 Pa（绝压）下为2 122 kJ／kg；
    N—每小时生产100％NaOH量，6.25 t。则G＝15.6284×105／（2122×6.25）＝117.8（kg/tNaOH）。
    1.2.7讨论
    从上面的计算可知，用湿氯气加热过滤盐水，可使盐水温度升高约6.7℃，方案可行。根据离子交换树脂塔和电解槽的操作条件，都要求过滤盐水的温度为60℃。而从一次盐水工序送来的过滤盐水的温度为50℃，经湿氯气加热温度升高至56.7℃后，还差3.3℃。如果再考虑其他因素，如设备和管道热损失，开车时沒有湿氯气等，需要再增加1台加热器，以保障过滤盐水的温度满足上述操作条件，但这样一次投资较大。
    2·脱氯淡盐水与过滤盐水的热交换
    对于复极式高电密自然循环的离子膜电解工艺，出电解槽的阳极液（也称“淡盐水”），经脫氯后其溫度约为74℃，属于低位热能。要想回收其热量，与进离子交换树脂塔前温度为50℃左右的过滤盐水进行热交换，是可行的。
    下面将通过一些計算来說明脫氯后的淡盐水可回收利用的热量。
    （1）以1万t/a100％NaOH为基准。脫氯淡盐水的流量为10 296 kg/h，其出脱氯塔的温度约为74℃。考虑脫氯淡盐水由脱氯塔输送至离子交換树脂工序的热量损失，取其温度为72℃，查其平均比热为3.60 kJ／（kg·℃）。 
    a.脫氯淡盐水能提供的热量如下：
    Q1＝L1×Cp×△t1
    式中：Q1—脱氯淡盐水提供的热量，kJ/h；
    L1—脱氯淡盐水的流量，kg/h；
    Cp1—脱氯淡盐水的平均比热，kJ/kg·℃；
    △t1—脱氯淡盐水的温升，℃。
    Q1＝10 296×3.60×△t1＝37 065×△t1要使过滤盐水温度升10℃，所需热量为
    Q2＝L2×Cp2×△t2
    式中：L2—过滤盐水的流量，14 052 kg／h；
    Cp2—过滤盐水的平均比热3.31 kJ／（kg·℃）；
    △t2—过滤盐水的温升，10℃。
    Q2＝14 052×3.31×10＝4.651 2×105（kJ／h）
    因为Q1＝Q2，则△t1=4.6512×105/37 065＝12.6（℃），所以脱氯淡盐水出热交换器的温度为72.0－12.6＝59.4(℃)。
    b.当热交换器釆用钛板式换热器時，总传热系数取K＝5 023 kJ／(m2·h·℃)，72.0→5 9.4℃，60.0→50.0℃，平均对数温差△tm1＝[（72.0－60.0）-（59.4－50.0）]﹛／ln[（72.0－60.0）／（59.4－50.0）]｝＝10（℃），故，热交换器的换热面积F＝Q／（k·△tm1）＝4.651 2×105／5 023×10.6＝8.7（m2）。   （2）当要求去化盐工序的脫氯淡盐水的温度为60℃时，脫氯淡盐水能提供的热量计算如下。考虑脱氯淡盐水从脱氯工序到化盐工序，在输送和贮存过程中的热量损失，设出热交换器的淡盐水的温度为65℃。
    a.脱氯淡盐水能提供的热量为Q3＝10 296×3.60×（72－65）＝2.594 6×105（kJ／h）。
    b.过滤盐水的溫升△t3＝Q3／（L2×Cp2）＝2.594 6×105／（14 052×3.31）≈5.6（℃）。
    c.热交换器换热面积的计算
    求平均对数温差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（℃），则换热面积F＝Q3／（K×△tm2）＝2.594 6×105/（5 023×15.7）≈3.3（m2）。
    3·总结
    从上述计算的结果来看，用脫氯淡盐水与过滤盐水进行换热是可行的，並且所用的换热面积要比湿氯气与过滤盐水的热交换器所需的面积小得多，这是因为，湿氯气与过滤盐水在热交换器中的传热系数要比前者小得多。脫氯淡盐水与过滤盐水间的换热，为液－液之间的热交换，可以采用板式换热器，这种换热器的传热系数较大，因此，它的体积和换热面积都比较小。但用脫氯淡盐水与过滤盐水进行换热，输送淡盐水的管道及設备应加以保溫。
    按上面的计算，生产規模为5万t/a的离子膜电解装置，其脫氯淡盐水与过滤盐水的换热器，需要的换热面积约为44 m2，这约为湿氯气与过滤盐水热交换器面积的1／4。