再谈氯碱氢深度脱水工艺

杨任全，刘炜炜，杨学升

(上海浦江特种气体有限公司，上海 奉贤 201507 )

·工艺与设备·

再谈氯碱氢深度脱水工艺

杨任全，刘炜炜，杨学升

(上海浦江特种气体有限公司，上海 奉贤 201507 )

概述了氢气的主要生产方法、实际应用以及氯碱工业近年来的产能情况。详细介绍了氯碱氢的深度脱水工艺流程，并结合氯碱氢深度脱水装置的调试情况，对氯碱氢的脱水原理、氯碱氢深度脱水装置脱水效果的最佳工况选择做了进一步的研究。

氯碱氢；脱水工艺；综合利用；水含量

1 概述

氢气是公认的一种洁净高效的二次能源，也是重要的化工原料。随着全球环境问题的日益严峻以及石油、煤炭、天然气等传统能源的逐渐枯竭，氢气已成为未来全世界最重要的能源之一。每千克氢燃料所产生的热量为142.35 kJ，为同等重量汽油释放热量的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。氢与氧经过燃烧后所生成的是水，可反复循环使用，是最清洁的能源，长期以来，人们无法制取和安全储存廉价的氢，只能把氢燃料仅仅应用于航天工业上，当今这一难关已被攻克，将来我们可以应用到氢能手机、氢能冰箱、氢能汽车、火车、飞机、氢能电站等等，几乎所有领域，都可让氢能大显身手。

通过人们长期不懈的研究与探索，已逐步掌握了各种制氢的方法和途径，归结出氢气来源可由三部分组成。一是化石燃料制氢，二是可再生资源制氢，三是其他能源制氢。化石燃料制氢包括煤制氢、轻烃(天然气等)蒸气转换制氢，石脑油或渣油转化制氢，甲醇、氨转化制氢等；可再生能源制氢和其他能源制氢包括风能制氢、水电解制氢、生物质制氢、工业副产氢和工业排放含氢气回收等。对我国来说，工业副产氢和工业排放含氢回收也是一种氢源，主要分布在石油化工、焦化、氯碱、合成氨及甲醇等行业，上述各行业的生产过程中都会排放含氢的气体。回收利用，既能提高资源综合利用效率和经济效益，变废为宝，即充即用，又能降低大气污染改善环境，是一举多得的极好的制氢途径。氯碱工业是以电解食盐水溶液来生产烧碱、氯气并副产氢气的工业，按理论计算，每生产1 t烧碱、可副产278 m3氢气。现在氯碱的电解装置大多采用离子膜工艺，其副产氢的纯度一般在99%以上，基本上达到工业氢质量技术指标要求。

从2003年开始，我国氯碱工业进入了高速发展的快车道，到2015年，烧碱产能达到3873万t，年回收氢气可达100亿m3。随着全球经济持续低迷以及国内氯碱工业产能严重过剩，从2013年开始，行业开始亏损，到2015年亏损企业达40%。所以，科学有效利用氯碱工业副产的氢气，不仅能为企业创造效益，同时为氢气的综合利用提供难得的机遇。

目前很多氯碱厂将回收的部分氢气用于双氧水生产、制药工业、电子工业和石英加工业中，而在制药工业等领域对所用氢中水含量有严格要求，过量的水分会降低催化剂的活性，延缓化学反应速率。

2 氯碱氢深度脱水工艺简述

山东某药企在药物合成过程中用到大量的氢气，而且要求氢中水含量不大于40×10-6。我公司是该药企用氢气的主要供应商，氢气主要来自山东寿光一家大型氯碱公司，该氯碱公司副产氢气中含水量大约为1500×10-6，由于提氢工艺不同，比文献[7]的氯碱氢中含水量高6倍，难以脱除。

为了满足该药企对氢气中含水量的要求，我公司自行设计制造了一套氯碱氢深度脱水装置，目前该套装置安装在该氯碱公司氢气压缩机后端的氢气充装站内。氢气充装站通过氢气压缩机将低压(0.08 MPa)原料氢增压到18 MPa，充装到氢气长管拖车中，再通过长管拖车送到客户现场使用。氯碱氢深度脱水工艺流程图如图1所示。

图1 氯碱氢深度脱水工艺流程图

氯碱氢深度脱水工艺主要由压缩机系统、气液分离系统和干燥系统三部分组成。从离子膜电解槽出来的副产氢气，经过预处理后，通过氢气管路输送到氢气压缩机前端的氢气缓冲罐，由氢气缓冲罐放掉氯碱电解槽出来的氢气所夹带的水，经氢气压缩机增压后，气氢中又凝结出的一些游离水进入氢气贮罐并放水，再经气液分离器将放掉游离水的氢气进入交替使用的干燥装置脱水，经过干燥装置脱水后的干燥氢，通过氢气汇流排充装到氢气长管拖车内送客户使用。

压缩机系统由低压压缩机和高压压缩机组成，低压压缩机的处理量为1600 Nm3/h，可将压力为0.06～0.08 MPa低压氢气压缩到1.2 MPa。加压后氢气进入高压压缩机。高压压缩机的处理量为1450 Nm3/h，低压压缩机压缩后的氢气进入高压压缩机，经过五级压缩压力能达到20 MPa。

气液分离系统主要是通过气液分离器将高压压缩机出口到气液分离器入口之间管道中的游离水通过气液分离器底部放空阀排空，这样就避免了大量游离水直接进入干燥装置导致干燥装置内的吸附剂瞬间饱和，从而影响干燥装置的吸附效果和使用寿命。

干燥系统主要由两台干燥装置、抽真空再生系统、温控系统和阀门控制系统组成。每台干燥装置的处理量为1500 Nm3/h，可将氯碱氢中水含量从～300×10-6降到40×10-6以下，每次生产时间可达8 h。两台干燥装置采用“一开一备”的生产方式，一台生产，另一台活化、再生、备用，这样就保证了干燥氢的连续生产。干燥装置再生采用电加热、抽真空的方式，将吸附剂内吸附的水分解析排空，使吸附剂得到再生。

3 氯碱氢深度脱水的原理与设想

3.1 氢气中游离水的形成

根据Dalton分压定律(混合气体的总压等于各气体分压之和)和相平衡原理，当混合气体中总压增加，混合气体中水组分的分压也发生变化，原来未饱和的水增压后变为过饱和，导致部分水由气相变成液相，使气相中的水含量减少。基于上述原理，氯碱氢经过压缩机压缩后，会有游离水析出。压力越高，氢气输送管路内生成的游离水越多，同时加压后的氯碱氢中水含量降低。技术人员使用露点仪对不同压力下的压缩氢中的水分含量进行了检测，从检测结果可以看出，压缩氢压力增高，气氢中水分含量就逐渐降低。测定结果如图2所示。

图2 压力、水分对照图

从压缩机出口到干燥装置进口之间大约有长150 m，内径60 mm的不锈钢管，氯碱氢经过压缩机压缩后，部分的游离水从贮罐的下口放掉，但仍有一些游离水夹带在氢气中，如果贮罐出口到干燥装置进口这段管路没有排水口，那么氢气充装时会有游离水进入干燥装置，导致干燥装置内吸附剂迅速饱和，严重影响干燥装置脱水效果和使用寿命；相反，如果在干燥装置前端安装了气液分离器，充装开始前以及充装过程中定时排放气液分离器中的游离水，就避免了此类的问题发生，使得干燥装置能够正常使用。

3.2 干燥氢水分记录

氯碱氢深度干燥装置试车过程中，技术人员对干燥装置进口原料氢和出口干燥氢中的水含量进行了比对分析，每台干燥装置连续生产8 h，干燥装置的干燥效果均达到设计要求。具体分析数据见表1。

表1 原料氢和干燥氢水含量两次测定比对表

4 氯碱氢深度脱水装置的调试

氯碱氢深度脱水装置和氢气压缩机联用生产干燥氢，当长管拖车刚开始充装干燥氢时，由于长管拖车内压力较低(一般低于2.0 MPa)，压缩机出口压力和干燥装置进口压力也较低，而低压氢气中水分含量偏高，长管拖车开始充装时，由于原料氢中水分含量偏高，导致经干燥装置脱水后的干燥氢中水分含量也偏高。为了解决该问题，使氯碱氢深度脱水装置达到最佳的脱水效果，技术人员通过控制干燥装置出口阀门的开度，使低压充装时进干燥装置原料气的压力应不小于4.5 MPa，当长管拖车内的压力大于4.5 MPa，全开干燥装置出口阀门，直到长管拖车充装结束。表2是干燥装置控压操作时的一次水分记录。

表2 干燥装置控压操作水分记录

根据表2的分析数据可以看出，控压操作时，干燥氢的含水量比不控压操作时明显偏低。所以如要生产出含水量更低的氢气，氯碱氢深度脱水装置可采用控压方式操作。

5 结束语

本氯碱氢深度干燥装置适用于该厂的工艺条件，制造和运行成本低，操作简单，脱水效果好，从源头上解决了氢中含水量偏高的问题，为客户提供了水含量低于40×10-6氢气产品，如适当地控制氢气进干燥装置的进口压力，还可以生产出含水量更好的氢气产品。

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[7] 杨任全，刘炜炜. 浅谈氯碱氢的一种深度脱水工艺[J].低温与特气，2015, 33(1): 19-21.

Talk about Deeply Dehydrated Process of Chlor-Alkali Hydrogen Again

YANG Renquan, LIU Weiwei, YANG Xuesheng

(Shanghai Pujiang Specialty Gases Co.，Ltd.， Shanghai 201507，China)

The article introduces briefly production methods of hydrogen，application of hydrogen and the capacity in recent years of chlor-alkali industry. Introduce detailed the deeply dehydrated process of chlor-alkali hydrogen. Combine with the debugging condition of deeply dehydrated equipment of chlor-alkali hydrogen，further researched on the dewatering principle of chlor-alkali hydrogen and the option of optimal conditions about dehydrating effects of deeply dehydrated equipment of chlor-alkali hydrogen.

chlor-alkali hydrogen；dehydrated process；comprehensive utilization；water content

2017-02-07

TQ117

A

1007-7804(2017)02-0015-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.02.004

杨任全(1984)，男，汉族，毕业于上海师范大学化学工程专业，硕士学历，现就职于上海浦江特种气体有限公司技术部，主要从事项目研发和技术支持工作。