CPVC母液脱氯塔的设计

崔　巍（上海氯碱化工股份有限公司，上海200241）



CPVC母液脱氯塔的设计

崔巍
（上海氯碱化工股份有限公司，上海200241）

摘要：采用设备单元计算及流程模拟方法对氯化聚氯乙烯（CPVC）生产工艺中的母液脱氯塔进行设计。结果表明，在现有工艺条件下，塔器合理设备尺寸及操作条件为：塔高H=4.9 m，塔径D=1.5 m，空气流量G=1.46 m3/s。此外，采用Aspen流程模拟软件对上述条件下的Cl2脱除率进行计算。

关键词：CPVC；脱氯塔；设计；ASPEN

氯化聚氯乙烯（CPVC）是橡胶与塑料的优良改性剂和添加剂［1］。CPVC的制备多采用水相悬浮氯化法［2］，以水或盐酸相为悬浮介质，并利用其完成传质及传热过程［3，4］。随着反应的进行，反应母液盐酸浓度不断升高，以20 t/a CPVC装置为例，副产盐酸在10万t以上。

盐酸中溶有氯气，严重影响着盐酸的质量，制约着盐酸销售途径，必须对副产盐酸进行净化提纯，否则将对CPVC的持续稳定生产构成严重威胁。因此，脱氯塔的正确设计和投入使用，对整个CPVC的生产工艺起到巨大的推动作用。

1　填料塔理论与模拟

塔器是重要的分离设备，主要分为板式塔和填料塔。相比于板式塔，填料塔因其分离效率高，制造和更换容易，材质范围广，适应能力强，节省能耗等一系列优点，在不少领域已逐步取代了板式塔［5，6］。

脱氯塔填料采用塑料鲍尔环，耐氯气腐蚀，且环内空间及环内表面的利用率高，气体流动阻力降低，液体分布均匀。此外，由于鲍尔环上的2排窗孔交错排列，可使得通过环的气体流动通畅，避免了液体严重的沟流及壁流现象，是可供选择的理想填料［7］。

填料的传质效率直接关系到填料塔的操作性能。提高填料的传质效率，可以考虑加大填料的比表面积，提高表面利用率，提高扩散系数或减小滞流膜层厚度等因素［8］。近似梯级法计算填料层高度主要是通过传质单元高度（HTU）来计算的，其意义与理论板相近。HTU愈小，达到同样的分离要求所需的填料层高度就愈低，亦有同样的填料层高度所能达到的分离效果就愈好，所以加大填料的比表面积可增加传质效率。而增大比表面积可直接影响填料塔的其他操作性能，因此，必须综合考虑填料塔的各方面操作因素，确定相对大的填料比表面积，提高填料传质效率［9］。

ASPENPLUS是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统。软件包拥有强大的物性数据库，涵盖了无机物、有机物、强电解质、固体、燃烧物等多种物性参数，具有灵活且便于计算的单元操作模块。

在氯气-盐酸物系中，可选择的物性方法有ELECNRTL、ENRTL-HF及ENRTL-HG。这3种物性方法的液相活度系数方法均为Electrolyte NRTL，而气相逸度系数方法则分别为Redlich-Kwong、HFHexamerization model及Redlich-Kwong。对液相的拟合，ENRTL-HF方法由低浓度向高浓度过程中，偏离加大。ELECNRTL与ENRTL-HG对液相的拟合很接近，但ELECNRTL为氯气盐酸物系模拟中普遍采用的物性方法，所以本设计选用ELECNRTL物性方法［10，11］。

2　脱氯塔的设计

2.1工艺条件

鲍尔环散堆填料，塑料材质，直径Ø38×3 mm，物料质量流量：氯化氢1 560.96 kg/h；水11 110.31 kg/h；游离氯125.23kg/h；温度45℃；压力。为常压0.1 MPa，要求游离氯的脱除率为95%。计算所需要的空气流量、塔高、塔径。

工艺分析：盐酸进入中间槽后，由泵将盐酸送入脱氯塔塔顶，并由塔底鼓入空气进行气液相接触，解析盐酸中溶解大部分游离氯，气相送入后序的尾气吸收塔，液相送入盐酸贮槽。

2.2物料衡算

物料衡算示意图见图1。

G—初始进塔空气的摩尔流量，mol/s；L—初始进塔液体的摩尔流量，mol/s；X1—进口液相中氯气溶质的摩尔分数；X2—出口液相中氯气溶质的摩尔分数；Y1—进口气相中氯气溶质的摩尔分数；Y2—出口气相中氯气溶质的摩尔分数。图1　物料衡算示意图

2.2.1进出口气体组成

初始条件下，进气流量的组成见表1。

表1　初始物料组成

初始物料的平均分子量M=19.337 g/mol

初始液体摩尔流量L=183.82 mol/s

式中：X1*—进口气相对应的平衡液相摩尔分数；

X2*—出口气相对应的平衡液相摩尔分数。

在T=45℃，氯气在稀盐酸中的饱和溶解度为4.258 g/100 g水，此时为气液平衡状态Ye，计算气液平衡常数m。

Ye=mX；其中，气相为纯氯气，则Ye=1；

X=0.010 68，推算出m=93.64

氯气在稀盐酸中的气液平衡方程为：Ye=93.64X

进行温度矫正：G=1.123 2 m3/s

G=1.3 Gmin=1.460 2 m3/s

X1*=0.002 305

2.2.2塔径计算

填料尺寸Ø38×3 mm，填料因子Ø=150，填料的比表面积a=130 m2/m3；常温下水的粘度μ=1 mPa·s= 10-3Pa·s，水的密度和液体密度之比￠=1；u为空塔气速；uf为泛点气速；u=0.7uf；温度T=45℃；液体的密度（取水）ρL=1 000 kg/m3；空气的密度（45℃）ρv= 1.107 453 kg/m3；

空气的体积流量Q=1.460 2 m3/s

气体的体积流量为

Vs=1.460 2+0.012 4=1.472 3 m3/s

D/d=38.324（工业上填料塔D/d应大于30）

2.2.3传质单元数NOL的计算

X1=0.002 665；X2=0.000 133 59；X1*=0.002 305；X2*=0；

△X1=0.000 36；△X2=0.000 135 9；

△Xm=2.3×10-4

NOL=11

2.2.4传质单元高度的计算

（1）润湿面积

式中：aw—单位体积填料层的润湿面积，m2/m3；

a—填料的比表面积，m2/m3；

GL—液体通过塔截面的流率，kmol/（m2·s）；

σ—表面张力，N/m；

σc—填料材质的临界表面张力，即能在该填料上散开的最大表面张力；

μL—液体的粘度，Pa·s；

ρL—液体的密度，kg/m3；

g—重力加速度，9.81 m/s2；

聚氯乙烯σc=40 N/m，σ=70 N/m；μL=1×10-3Pa·s；最终求得aw=47 m2/m3。

（2）求kx·a

式中：kL：液膜传质系数，kmol/（m2·s）；

dp：填料的有效直径，m；

DL：组分A在液相中的扩散系数，m2/s。

根据上式求得：kL=9.365 4×10-5kmol/（m2·s）

kL·a=0.004 401 8 kmol/（m3·s）

溶液的总摩尔浓度CM=59.65 kmol/m3

kx·a= CM×kL·a

最终求得kx·a=0.25 kmol/（m3·s）

（3）求HOL

式中：HOL为液相总传质单元高度，m；Kx为以摩尔分率差为推动力的液相总传质系数，kmol/（m2·s）；Ω为为塔截面积，m2。

根据上式算得HOL=0.441 4 m

（4）塔高H

H=HOL×NOL=4.856 m

（5）喷淋密度ρ=7.683（m3/m2·h）

空塔气速0.887 5 m/s

通过以上计算得出，塔高H=4.856 m（取4.9 m），塔径D=1.456 3 m（取1.46 m），空气流量G= 5 842.75 kg/h=1.460 2 m3/s=55.965 mol/s。以上数值均在工业化实践范围之内，可以进行参考。

3　ASPEN模拟验证

3.1模拟流程的建立

模拟流程模拟气液解析，解析塔为主要模块，模拟初时条件根据进料条件、设计规定及设备的选型，选用ELECNRTL物性方法，对计算结果进行模拟验证，ASPEN物料模型图见图2。

图2　ASPEN物料模型图

鲍尔环散堆填料：塑料材质，直径Ø38×3 mm；物料质量流量：氯化氢1560.96 kg/h；水11 110.31 kg/h；游离氯125.23 kg/h；温度45℃；压力为常压0.1 MPa，塔高H=4.9 m，塔径D=1.46 m，空气流量G=1.46 m3/s，验证游离氯的脱除率能否达到95%。

3.2模拟结果

通过采用RadFrac模型模拟，计算所得物料衡算结果见表2。

表2　物料模拟结果

由表2可知，Cl2的脱除率已经超过99%，从而进一步确定工艺条件：塔高H=4.9m，塔径D=1.5m，空气流量G=1.46 m3/s，选用38 mm鲍尔环散堆填料，能够满足设计要求。

4　结论

本文针对氯化聚氯乙烯脱氯塔的设计，并通过ASPEN对结果进行模拟验证，在当前工艺条件下，塔高4.9 m，塔径1.5 m，空气流量G=1.46 m3/s，喷淋密度ρ=7.68 m3/m2·h，空塔气速=0.89 m/s，Cl2的脱除率已经超过99%，选用38 mm鲍尔环散堆填料下，能够满足设计要求。

参考文献：

［1］王小莲.氯化聚氯乙烯的特性、制备及应用.中国氯碱，2006（1）：16-17.

［2］张家杰.氯化聚氯乙烯的生产及市场分析.化工技术经济，2004，22 （6）：22-24.

［3］鲍洁，宋宏宇，袁向前，等.水相法制备氯化聚氯乙烯树脂工艺.上海化工，2007（5）：27-30.

［4］Grohman，H. and Holloway，S. Successful extrusion of small diameter CPVC pipe. In：54th Annual Technical Conference，Indianapolis，Vol. 3. Society of Plastics Engineers，1996：3388-3392.

［5］Prashant Valluri，Omark Matar，Geoffrey Hewitt，et al. Thin Film Flow over Structured Packing at Moderate Reynolds］. Chemical Engineering Science，2005，60：1965-1975.

［6］G.Subramanian，G.Wozny. Analysis of Hydrodynamics of Fluid Flow on Corrugated Sheets of Packing . International Journal of Chemical Engineering，2012：1-13.

［7］Heggemann M，Hirschberg S，Spiegel L，et al. CFD simulation and experimental validation of fluid flow in liquid distributors. Chemical Engineering Research and Design. 2007，85（1）：59-64.

［8］陈敏恒，丛德滋，等.化工原理.北京：化学工业出版社，1998.

［9］孙兰义.化工流程模拟实训-Aspen Plus.北京：化学工业出版社，2012.

［10］Aspen Plus version 7.1，Help.User Guide，Volumel，Chapter7.

［11］杨友麒，项曙光，等.化工过程模拟与优化.北京：化学工业出版社，2006：255-256.

Design for CPVC mother liquor de-chlorination column

CUI Wei
（Shanghai Chlor-Alkali Chemical Co.，Ltd Shanghai 200241）

Abstract：Unit equipment calculation and process simulation method were employed for the design of a CPVC mother liquor de-chlorination column. The results indicated that，under the existing conditions，the optimal device dimensions and operating conditions are as follows：column height：4.9 m，column diameter：1.5 m，air flow rate：G=1.46 m3/s. Cl2prolapse rate under the above conditions was calculated by using Aspen software.

Key words：CPVC；de-chlorination column；design；ASPEN

中图分类号：TQ053.5

文献标识码：B

文章编号：1009-1785（2016）03-0036-03

收稿日期：2016-02-24