三氯异氰尿酸母液吹除辅助真空脱氯技术应用

董传振

摘要：三氯异氰尿酸（TCCA）是国际通用的消毒产品，属于国家鼓励类投资产业指导目录行业，是目前国际上所推广的一种高效、低毒、广谱、快速的杀菌消毒剂、漂白剂、有效氯含量高达90%以上，且对人体无不良影响，被广泛应用于游泳池、医院等公共场所，以及水产养殖和纺织工业，具有广阔的国际国内市场

关键词 工业选择，数据，计算
一、工艺选择

目前母液脱氯法有惰性气体汽提、减压脱氯、加热脱氯和综合脱氯等处理工艺。

惰性气体汽提法：用空气等惰性气体为载体，气液两项逆向接触，溶质（氯气）不断的由液相转移到气相。因为惰性气体分离困难，脱氯后得到较低浓度的含氯气混合气体，不利于进一步的吸收利用。

减压脱吸：根据亨利定律，在减压条件下，降低氯气在气相当中的平衡分压，降低氯气溶解度，解析氯气，该法可得到较高浓度氯气，而且国内在脱氯工艺中应用广泛。

加热脱吸：根据气体溶解度随温度上升而下降原理，将吸收液温度提高，释放溶液中的溶质。该法属于分子扩散性质，需要额外能耗，在整个脱氯过程中所占比例占10%左右。

根据上面不同脱氯方法的对比和我们现有的条件，将采用吹除辅助减压（真空）脱氯法。

二、基础数据及计算

（一）基础数据

1、母液中含有效氯浓度0.92g/100g，1g/L，9116PPm，目标浓度50PPm，0.005g/100g，0.045g/L；

2、含有10%氯化钠的母液中氯气溶解度 0.36g/100g（20℃）；

3、氯气水溶液亨利系数E=0.537×10⁵KPa（20℃）；

4、水的饱和蒸汽压2.338KPa（20℃）；

5、含盐母液中氯气溶解度：

大气压下溶液达到饱和时，溶剂分压加溶质分压等于大气压。

氯气水溶液的亨利系数表

温度/℃	20	30	40	50
亨利系数/KPa	0.537×105	0.669×105	0.800×105	0.900×105

水的饱和蒸汽压表

温度/℃	20	30	40	50
饱和蒸汽压/KPa	2.338	4.242	7.375	12.334

氯气水溶液中氯气饱和蒸汽分压表

温度/℃	20	30	40	50
饱和蒸汽压/KPa	98.987	97.083	93.950	88.991

根据亨利定律：

98.987KPa=0.537×10⁵x_A，x_A=0.0018，相应的溶解度为0.68g/100g水，这个结果与氯气溶解度曲线基本吻合。

氯气在水中mol分数和溶解度表

温度/℃	20	30	40	50
Mol分数	0.0018	0.0015	0.0012	0.0010
溶解度g/100g	0.68	0.53	0.43	0.36
PPm	6754	5264	4271	3576

我公司母液为10%氯化钠溶液，这时氯气的溶解度从氯气溶解度曲线查得0.36g/100g（10%盐水溶液，20℃）；

10%氯化钠水溶液中氯气溶解度表

温度/℃	20	30	40	50
溶解度g/100g	0.36	0.25	0.18	0.10
Mol分数	0.00098	0.00068	0.00049	0.00027
PPm	3576	2483	1788	993

10%氯化钠水溶液中氯气和水mol分数表

温度/℃	20	30	40	50
氯气	0.00098	0.00068	0.00049	0.00027
水	0.9660	0.9663	0.9665	0.9667

10%氯化钠水溶液饱和水蒸气表

温度/℃	20	30	40	50
水mol含量	0.9660	0.9663	0.9665	0.9667
水溶液饱和蒸汽压/KPa	2.338	4.242	7.375	12.334
盐水溶液饱和蒸汽压/KPa	2.259	4.099	7.128	11.923

10%氯化钠水溶液氯气亨利系数表

温度/℃	20	30	40	50
饱和氯气分压/KPa	99.066	97.226	94.197	89.402
氯气mol含量	0.00098	0.00068	0.00049	0.00027
亨利系数/KPa	1.011×105	1.430×105	1.922×105	3.311×105

（二）平衡计算

1、真空度的确定

因为母液中加酸属于化学反应，反应在液相中发生，处理工艺采用塔设备，湍动程度大，减小了气模阻力，故脱吸过程进行的较顺利，在一定高度填料层内，把母液和盐酸混合体视为氯气饱和溶液。

（1）平衡始终点

将存在平衡视为氯气和水的饱和溶液，并计算其平衡。

气相和液相中的氯气遵循亨利定律，氯气饱和蒸汽压为：

P_CI2=Ex_CI2

母液为含10%氯化钠的水溶液，氯气溶解度为0.36g/100g（20℃），x_CI2=0.00098，x_H2O=0.9660。

P_CI2=Ex_CI2=1.011×10⁵KPa×0.00098=99.078KPa

溶液水蒸气遵循拉乌尔定律，水蒸气压为

P_H2O=2.338KPa×0.9660=2.259KPa

P=P_CI2+P_H2O=99.078+2.259=101.325KPa

因为母液中初始氯气浓度0.92g/100g＞0.36g/100g，因此在大气条件下平衡向析出氯气方向进行。

母液脱氯后的目标游离氯浓度为50PPm，即0.005g/100g。

脱氯后总mol数为5.171mol，CI₂=0.07mol，x_CI2=0.000014

P_CI2=Ex_CI2=1×10⁵KPa×0.000014=1.40KPa

P=P_CI2+P_H2O=1.40+2.26=3.66KPa

所需的最大真空度为101.325-3.66=98KPa=0.098MPa，实际达不到这个真空度所以求出在温度条件不变情况下，不同真空度下最终母液游离氯浓度。

2、抽气量的计算

氯气量=（90-10）×4=320kg/hr；

20℃时母液在不同真空度下氯气气液相摩尔分数表

真空度/KPa	10	20	30	40	50	60	70	75	80	90
xA	0.00088	0.00078	0.00068	0.00058	0.00049	0.00039	0.00029	0.00024	0.00019	0.00009
yA	0.9742	0.9697	0.9639	0.9562	0.9652	0.9541	0.9360	0.9217	0.9008	0.8034

根据道尔顿定律，在真空度75KPa时：

y_A=0.9217=92.17%（氯气mol分数）

y_B=7.83%（水蒸气mol分数），相应质量分数为5.28g/100g氯气；

因此蒸发水汽量=320×5.28/100kg=17kg/hr；

氯气和水汽混合气总重量=337kg，换算成水环真空泵排气量=337/1.29=260m³/hr=4.35m³/min。

水环真空泵选型参数中，SKW-6型号当真空度分别为60KPa（450mmHg）和80KPa（600mmHg）时，抽气量分别为5.3m³/min和4.6m³/min＞4.35m³/min，因此该型号能满足工艺计算。

当80KPa时，排气量4.6m³/min（276m³/hr）；

当80KPa时，空气密度为0.25kg/m³，此时抽气量=276×1.29/0.25=1425m³/hr，塔内气相密度为337/1425=0.24kg/m³；

（三）解析塔计算

1、解析塔计算

（1）泛点气速确定

横坐标=

泛点线对应纵坐标0.012

u_max= =2.18m/s；

2、空塔气速确定

泛点率选0.7，空塔气速u=1.50m/s

3. 塔径确定

实际空塔气速u=1.40m/s，泛点率为64%。

4、塔压力降

横坐标为1.70

纵坐标为0.005

Δp/Z=250Pa/m，填料层高度8m，填料层压力降为2KPa，排气压力15KPa，能提供的真空度为93-17=75KPa。

5、喷淋密度

U_min=（Lw）_minσ =106.4×0.08=8.5m³/㎡.s

实际喷淋密度大于最小喷淋密度。

（四）剩余氯气脱除

经过前面的真空脱氯，处理后母液中尚有1000PPm的溶解氯气，而且盐酸过量；这些溶解氯气平衡分压为24.26KPa，根据亨利定律降低其分压可降低其溶解度，因此采取空气吹除法：不断进入的新鲜空气将置换塔内气相，使得气相内氯气被带走和浓度降低，从而溶解的氯气不断被析出，最终将母液内溶解的氯气析出，完成最终的脱氯工艺。

1、吹除所需气量

为了工艺安全首先将所处理母液中溶解氯气设定为1500PPm，最终处理目标设定为50PPm。

处理母液流量40m³/hr，密度1100kg/m³，质量流量44000kg/hr，脱除氯气为1450PPm，脱除氯气重量为64kg/hr。

母液吹除过程指标表

母液状态	溶解氯气/PPm	xA	pA/KPa	yA	气相饱和浓度g氯气/100g空气
吹除前	1500	0.00041	41.289	0.4075	99.94
吹除中	1000	0.00027	27.530	0.2717	66.63
吹除后	50	0.000014	1.377	0.0136	3.34

空气最终带走氯气浓度以3.34g氯气/100g空气设计时，空气流量为：每m³空气1.29kg，其带走氯气为0.043kg，因此需要空气流量=64/0.043=1485m³/hr×1.25=1850m³/hr。

2、吹除塔数据计算

（1）选用φ50塑料鲍尔环填料，比表面积α=106.4㎡/m³，空隙率ε0.90m³/m³，湿填料因子Φ=120/m；

（2）该塔处理风量为2500m³/hr，空气密度1.29kg/m³，w_L=0.90kg/s；

（3）母液：密度ρ_L=1100kg/m³，母液加盐酸37m³/hr，μ_L=1.2mPa.s，w_L=11.31kg/s，ψ=1000/1100=0.91；

（4）横坐标 =0.43，与其对应的泛点线纵坐标值为0.05，此时泛点气速为1.92m/s，载点按泛点的60%设定时，空塔气速选择1.15m/s；

（5）塔径：

，塔径选择1000mm

实际空塔气速u=0.88m/s，泛点率=46%

纵坐标=0.01

（6）压力降

横坐标=0.46纵坐标=0.01压力降Δp/Z=130Pa/m，10m填料层，总压降为1.3KPa，计算其它塔件和塔进口管道系统等，塔阻为2KPa，选用DN350的PP管道，预计12个弯头其阻力为0.8KPa，包括管道为1KPa；后续三钠盐吸收塔阻力为1.5KPa，因此所选风机全压大于5000Pa，流量为2500m³，根据9-19风机选型，型号为9-19 5A风机，风量1610-2844m³/hr，全压5697-5517Pa，功率P=7.5Kw-2。

（五）吹除脱氯吸收塔

吹除后空气中含有氯气，氯气量为64kg/hr（这时三钠盐需要4000kg氯气可转换为三氯产品，尾气中的氯气总量所占氯化所需比例为1.6%），因此可以用三钠盐储罐氯气循环吸收（此时PH高，产生的次氯酸钠没有有效的氧化性）。

混合气流量为2500m³/hr，密度为1.29kg/m³，氯气浓度为2g氯气/100g空气。

还有脱水真空泵排入气量2000m³/hr，密度为1.29kg/m³，这两股尾气在吹除脱氯吸收塔内用三钠盐吸收，然后再吹入脱水引风机进口。

（1）选用φ50塑料鲍尔环填料，比表面积α=106.4㎡/m³，空隙率ε0.90m³/m³，湿填料因子Φ=120/m；

（2）该塔处理风量为4500m³/hr，空气密度1.29kg/m³，w_L=1.60kg/s；

（3）三钠盐：密度ρ_L=1100kg/m³，μ_L=1.45mPa.s，ψ=0.91；三钠盐流量50m³/hr，15.28kg/s；

（4）横坐标 =0.33，与其对应的泛点线纵坐标值为0.072，此时泛点气速为2.26m/s，泛点的70%时，空塔气速选择1.58m/s；

（5）塔径：

实际空塔气速u=1.58m/s，泛点率=70%

纵坐标=0.33

纵坐标=0.035

（6）压力降

横坐标=0.33 纵坐标=0.035压力降Δp/Z=400Pa/m，2m填料层，总压降为0.8KPa，计算其它塔件和塔进口管道系统等，塔阻为1.5KPa。

五、投资及回报期

各种投资说明：

设备投资预计40万元；

钢架投资预计3万元；

电器仪表投资预计5万元；

管道管件等5万元；

施工费用5万元；

土建费用2万元；

合计60万元。

本项目预计投资70万元，回报期为12个月，如果回收氰尿酸或用价格低廉物质中和处理后母液，预计回报期缩短。

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