气体喷淋冷冻脱水装置的研究与实践

陈　杰（浙江省天正设计工程有限公司，浙江　杭州　310012）



气体喷淋冷冻脱水装置的研究与实践

陈杰
（浙江省天正设计工程有限公司，浙江杭州310012）

摘要：详细归纳了氯氟烃/哈龙等消耗臭氧层物质（ODS）替代品的脱水干燥工程实践。提出气体喷淋冷冻脱水在该工程领域的理论可行性，并设计出一套可靠的工程应用设备系统。

关键词：喷淋冷冻脱水；干燥；ODS替代品

修回日期：2016-03-21

0　前言

氯氟烃/哈龙等氟化工产品由于其特殊的物理性能，广泛用于消防灭火剂、空调制冷剂、发泡剂等领域。但由于此类物质对臭氧层具有较强的破坏性，故国际社会已将其列为逐步淘汰并最终禁止使用的产品，我国亦于1991年在修订后的《关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书》上签字，同年将ODS替代品的研究制备工作提升至国家计划，并明确提出要开发出具备自主知识产权的优良ODS替代品，打破国外企业的技术垄断。

常规ODS替代品的生产均经历催化合成、连续洗涤、脱水干燥、精馏提纯等工艺步骤。一般连续洗涤后的产品、原料混合物为常压非水溶性气体，需暂存于一定容积的湿式气柜中，然后进入干燥分离工序。湿式气柜是一个典型的封闭盛水容器，其构造决定了当中气体含水量常年处于饱和状态。含水量高的气体是无法进行压缩、精馏的。故脱水干燥成为产品生产流程中必不可少的单元操作，该单元操作具有通用性，因而找寻节能、环保的工艺对于ODS替代品的行业发展具有很强的实际意义。

1　主要脱水技术介绍

1.1浓硫酸脱水技术

浓硫酸作为脱水剂，具有悠久的历史，对于ODS替代品，其具有化学惰性、吸水能力强等优点，在很多产品的生产中发挥作用。浓硫酸脱水干燥的基础流程如图1所示：

该系统主要由浓硫酸贮槽、两个一级酸洗槽，一个二级酸洗槽构成，一级酸洗槽一开一备。首先将98％的浓硫酸通过输送泵送入一级酸洗槽、二级酸洗槽，然后将气柜中的气体依次通入一、二级酸洗槽。气体通过植入酸洗槽的气体分布管鼓泡，以利于气体的充分干燥。随着吸水量的增加，一级酸洗槽首先达到饱和，浓硫酸变成不具吸水性的稀酸，此时打开备用一级酸洗槽，关闭已用一级酸洗槽，将已用一级酸洗槽内稀酸排放，然后置换新的浓硫酸，成为备槽。

该技术优点是吸水彻底，设备构造简单。但其缺点亦十分明显：

（1）浓硫酸消耗量大，一般浓硫酸在浓度稀释到75％就需更换，采购费用较高。

（2）浓硫酸稀释后具有腐蚀性，会加速腐蚀系统管路；对于碳钢管路需要经常对其腐蚀情况进行观察记录；若更换为非碳钢类耐腐蚀材质，设备、管道投资明显增加。

（3）浓硫酸的强腐蚀性，对人体极具危害，是企业内的潜在危险源；在浓硫酸系统附近，需要建立严格的人身安全防护。对于企业的安全管控提出了很高的要求。

（4）稀释后的硫酸原则上将成为废酸，外卖价值不高。

图1　浓硫酸脱水干燥基础流程

当前，安全、环保日益成为各地政府部门、企业面对的重要指标。浓硫酸脱水干燥的缺点决定了其面临淘汰的结局。

1.2分子筛干燥

随着吸水性能更高的分子筛产品出现，某些ODS替代品的生产，采用了多组串联的分子筛干燥系统来取代浓硫酸工艺。分子筛脱水干燥的基础流程如图2所示：

图2　分子筛脱水干燥基础流程

由于分子筛相对单位吸水量较少，故为了满足脱水要求，一般工程上采用多级串联方式进行设计。气体依次通过各个分子筛干燥塔，完成脱水过程。当分子筛吸水达到饱和，可采用电加热方式对其进行再生，再生后分子筛可重复使用；几个周期后，分子筛寿命达到，进行整体更换。

该技术的优点是分子筛具有一定的再生性及对人体安全威胁小等优点。该工艺缺点为：

（1）分子筛单位吸水量较小，单次使用量较大，大规模生产时采购成本高。

（2）气体含水量高时，分子筛吸附周期缩短，再生频繁。同时由于使用电能再生，能耗较高。

1.3冷冻脱水

冷冻法脱水也是企业常用脱水方法之一，冷冻脱水干燥的基础流程如图3所示：

图3　冷冻脱水干燥基础流程

冷冻脱水干燥主要用螺旋板换热器作为换热介质，通过低温水与气体间接换热，使得气体温度降低，析出饱和水。为了析出更多的水，需要保证低温水的温度足够低，但本技术由于热交换在螺旋板换热器中进行，当低温水温度低于0℃时，会导致气体中凝结水出现结冰现象，故本工艺一般只能使用0℃～10℃低温水作为冷媒，这大大影响了脱水效果。故本工艺仅部分用于前期粗脱水。

2　喷淋冷冻干燥脱水理论依据

从上述冷冻脱水干燥得到启发，气体会由于自身温度降低而析出过饱和的水汽，而一般企业会提供-15℃/-10℃工况冷冻盐水，故有必要研究该工况下饱和水的析出量。

考虑某企业气柜内气体温度约15℃～35℃，工艺气体含水量参照空气，查干空气密度和饱和水蒸气含量表［1］，相对湿度100％情况下，气体含水量归纳于表1：

表1　饱和气体含水量

在某企业操作工况下，每处理1m3气体，析出的水汽量如图4所示：

图4　不同温度工况下气体降温脱水量

对于某年产3000 t产品的项目来说，其气体处理量为2200 m3/d。则通过气体降温将实现23.1～81.4 kg/d的脱水量。脱水量很大，满足实际工程的应用要求，尤其在温度较高的夏季，从图4分析，效果较低温更明显，其脱水能力呈指数增长。

3　喷淋冷冻干燥脱水装置的设计

针对目前企业生产常用的几种脱水方法存在的缺点，以及通过气体降温脱水的理论可行性研究，设计了一套新颖的气体喷淋冷冻干燥脱水装置［2］。

该装置包括脱水塔、喷淋冷却器、喷淋冷冻输送泵、盐水中间槽、盐水浓缩槽。气体喷淋冷冻干燥装置塔结构是采用填料塔形式，喷淋冷却器采用螺旋板换热器形式，盐水中间槽采用常压储槽形式，盐水浓缩槽采用外蒸汽夹套或内蒸汽盘管形式。脱水塔、喷淋冷却器、喷淋冷冻输送泵通过管道连接，组成喷淋冷冻循环系统。喷淋冷冻输送泵提供冷冻水输送动力，喷淋冷却器提供冷却需要的冷量，脱水塔提供气液接触的空间。喷淋冷冻输送泵、盐水中间槽、盐水浓缩槽通过管道连接，组成脱水系统，脱水塔脱水后，釜液浓度变稀，稀液通过喷淋冷冻输送泵打入盐水中间槽暂存，再通过喷淋冷冻输送泵将盐水中间槽中的稀液打入盐水浓缩槽，通蒸汽除水增浓。浓液通过喷淋冷冻输送泵打入喷淋冷冻循环系统。

本气体喷淋冷冻脱水装置与现有技术相比有以下特点：

（1）传统的浓硫酸干燥，将会产生废酸，严重污染环境，本技术脱水过程只用到冷冻盐水，无其他任何三废排放，干燥每t气体减排0.025 t浓硫酸；

（2）传统的分子筛干燥，由于分子筛吸附水量较小，若气体湿度较高，分子筛再生频繁，成本高；而本技术冷冻脱出的水分通过厂区自供蒸汽加热蒸发，成本低；干燥每吨气体减少10 kWh消耗；

（3）冷冻脱水干燥由于属于间壁换热，为了保证气体中没有冰晶析出，无法将温度降到0℃以下，而本装置直接通过冷冻盐水在塔内换热，冷冻盐水-15℃都不会结冰。故可将气体温度降得更低，析出更多水分。

（4）本技术采用填料喷淋塔，填料比表面积大，气液接触得到增强，脱水效果进一步加强；

（5）本技术采用的介质冷冻盐水和蒸汽廉价易得，基本每个厂区均有，而且这两种介质环境友好，安全可靠。

图5　气体喷淋冷冻干燥脱水设备1-脱水塔；2-喷淋冷却器；3-喷淋冷冻输送泵；4-盐水中间槽；5-盐水浓缩槽

4　结束语

目前，随着全球环境越来越恶劣，同时由于地球资源越来越匮乏。节能减排摆在了各级政府与企业面前。化工企业作为环境、资源影响大户，理应在保证产能、利润的同时，排查生产过程中的每个环节，挖掘改造潜能。本文研究内容作为氟化工生产企业的替代技术，经过生产，证明是有效的。其能耗低、环保性好，不但在氟化工领域，在其他有相关单元操作的行业亦可进行推广。

参考文献：

［1］中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2009:1060～1061.

［2］姜波，陈杰.气体喷淋冷冻脱水设备: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

文章编号：1006-4184（2016）6-0027-04

作者简介：陈杰（1981-），男，工程师，主要从事化工工艺设计。E-mail:chenjie@zpcdi.com。