淺談氯氣液化和制冷設(shè)備的選型

淺談氯氣液化和制冷設(shè)備的選型

俞捷(中國(guó)化學(xué)賽鼎寧波工程有限公司,浙江 寧波 315000)

氯氣是現(xiàn)如今不可或缺的化工原料，廣泛運(yùn)用在凈水、化工、農(nóng)藥、建材等多個(gè)方面。氯堿化工工業(yè)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，得到了進(jìn)一步的發(fā)展，主導(dǎo)產(chǎn)品氯氣在工藝過程中必須液化。通常氯氣液化的目的有三個(gè)方面：

（1）得到純凈的氯氣

原料氯的純度為96~98%左右，其中尚有二氧化碳、氧氣、氮?dú)狻錃饧耙恍┢渌s質(zhì)。對(duì)某些使用場(chǎng)合來說，它們需要更高純度的氯氣，而干燥后的原料氯氣是不能滿足這個(gè)要求的。氯氣液化的過程中，在一定壓力下，將氯氣冷到一定溫度時(shí)，大部分氯氣被冷凝，而一些不凝性氣體從尾氣中排出，所獲得的液氯純度得到了提高。

（2）便于輸送和儲(chǔ)存

氣體的體積較大，例如在常溫常壓下，一立方米氯氣的重量大約只有3.2公斤。如果在較長(zhǎng)的距離中用交通工具運(yùn)輸是不合理的，即使用管道輸送，也要用較大的管道。但液化后的氣體體積大大縮小，液氯每立方米的重量可達(dá)到1300~1600公斤，這樣便于儲(chǔ)存和輸送。

（3）由于化工生產(chǎn)的連續(xù)性，當(dāng)某一氯氣用戶不能按正常消耗氯時(shí)，將影響到電解正常生產(chǎn)，為了使生產(chǎn)有一定的緩沖能力，可用液氯來平衡生產(chǎn)。

因此大部分氯堿廠在確定其產(chǎn)品方案時(shí)，都會(huì)將氯氣液化成液氯用以實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)目的。

氯氣必須通過制冷設(shè)備的冷源實(shí)現(xiàn)液化，氯氣液化置裝運(yùn)行是否可靠對(duì)所有的氯堿化工工藝流程有非常直接的關(guān)系。所以說，選擇氯氣制冷設(shè)備非常關(guān)鍵。

1 氯的介紹

氯在常溫和常壓下呈現(xiàn)出黃綠色、有刺激性氣味的有毒氣體的鹵素。液化之后的氯是黃色的液態(tài)。表1是氯的主要物理性質(zhì)。

表1 氯的主要物理性質(zhì)

圖1 氯氣飽和溫度和飽和壓力關(guān)系

雖然在通常情況下氯氣呈現(xiàn)為氣體狀態(tài)，但是氯氣在特定壓力下對(duì)應(yīng)一定的飽和溫度。氯氣溫度比飽和溫度低的情況下，會(huì)保持液態(tài)。圖1是純氯氣在飽和溫度下與飽和壓力的相關(guān)關(guān)系。所以，通過產(chǎn)生的原料氯氣現(xiàn)狀，采用制冷設(shè)備第氯氣溫度予以降低，氯氣溫度達(dá)到飽和溫度之后會(huì)液化。

2 制冷設(shè)備的選型

液化氯氣的制冷設(shè)備的裝置主要包括制冷機(jī)組、氯氣液化氣和其他附屬設(shè)備，筆者主要探討了制冷機(jī)組的問題。氯氣通過液化氣冷凝之后呈現(xiàn)液化狀態(tài)，主要由制冷機(jī)組提供液化氣的冷源。制冷設(shè)備的正確選擇需要注意下述幾個(gè)方面：①對(duì)用戶生產(chǎn)氯氣的條件必須予以確認(rèn)，確認(rèn)與保障液氯條件的液化溫度，并且對(duì)需要制冷的符合予以確認(rèn)。②氯氣液化氣選擇需要對(duì)確定好的氯氣液化溫度予以確定，進(jìn)一步確定氯氣液化氣中制冷劑的蒸發(fā)溫度。③結(jié)合生產(chǎn)氯氣的用戶當(dāng)?shù)乩鋮s水的條件，進(jìn)一步確定符合制冷機(jī)組冷凝溫度與需要的制冷條件。制冷機(jī)組的確定主要取決于廠家機(jī)組的資料，下面對(duì)各個(gè)步驟的分析。

2.1 確定氯氣的液化溫度

氯堿工業(yè)現(xiàn)如今主要采用離子膜法和隔膜法兩種方法生產(chǎn)氯氣。國(guó)內(nèi)運(yùn)用隔膜法生產(chǎn)氯氣已經(jīng)有幾十年的歷史，能夠生產(chǎn)純度96%左右的氯氣，由于氯氣具有較大比例的雜質(zhì)，尤其是具有較高含量的氫氣，對(duì)安全因素的考慮，通常只能達(dá)到85%左右的液化效率。離子膜法是近些年發(fā)展的新工藝，能夠生產(chǎn)高達(dá)98%以上純度的氯氣，具有較低含量的氫氣，所以可以達(dá)到90%以上的液化效率。

通過圖1可以看出，純氯氣的飽和溫度會(huì)隨著壓力的降低而降低。由于生產(chǎn)工藝原料氯氣中含有水蒸氣、氫氣、二氧化碳、氮?dú)狻⒀鯕獾瘸煞郑葰獗裙鈮旱膲毫π∫恍Ｋ哉f，確定氯氣的液化溫度必須對(duì)詳細(xì)成分比例有所確定，然后最終確定原料企業(yè)化效率與供氣壓力對(duì)液化產(chǎn)量的溫度。表2是氯氣在不同情況下的液化溫度的計(jì)算方式。

表2 不同條件下氯氣的液化溫度

我們可以通過表2看出，液化溫度和原料氯氣的供氣壓力會(huì)隨著氯氣純度變得越高。液氯相同產(chǎn)量的情況下，越低的制冷設(shè)備的投資，那么配置制冷機(jī)組就越小。也可以結(jié)合生產(chǎn)條件，例如最終是為了生產(chǎn)鹽酸，對(duì)氯氣液化效率可以適當(dāng)予以降低，適當(dāng)提升液化溫度，制冷機(jī)組的運(yùn)行就可以變得更加經(jīng)濟(jì)。

2.2 制冷機(jī)組的選擇

為氯氣液化器提供冷源的制冷機(jī)組可以選擇螺桿式制冷機(jī)組或活塞式制冷機(jī)組。制冷機(jī)組為了對(duì)用戶施工予以方便都會(huì)配置冷凝器，通常會(huì)選擇冷凝機(jī)組作為制冷機(jī)組。現(xiàn)如今，用戶氯氣液化產(chǎn)量日益增加，導(dǎo)致冷負(fù)荷的需求也日益增加，所以氯氣液化裝置主流的制冷機(jī)組通常會(huì)選擇螺桿式制冷機(jī)組。螺桿式制冷機(jī)組對(duì)比活塞式制冷機(jī)組，具有小震動(dòng)、簡(jiǎn)單維護(hù)、少易損件、大冷量等優(yōu)點(diǎn)。通過用戶當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)或冷卻水條件對(duì)冷凝溫度予以確定，圖2是螺桿式制冷機(jī)組制冷量隨蒸發(fā)溫度的變化。

圖2 開啟式螺桿制冷機(jī)組的性能曲線（冷凝溫度40℃）

通過圖2，我們可以看出機(jī)組制冷量會(huì)隨著蒸發(fā)溫度的降低而降低。一定產(chǎn)量的液氯基本上需要消耗一定量的冷卻負(fù)荷。氯氣液化溫度比較高，氯氣液化器就需要具有較高的蒸發(fā)溫度。可以選擇較小排量的機(jī)組壓縮機(jī)。反之，就要選擇較大機(jī)組壓縮機(jī)，會(huì)導(dǎo)致較高自然成本。通常情況下，氯氣液化溫度要比確定的蒸發(fā)溫度要高3~5℃。對(duì)蒸發(fā)溫度與制冷量的確定之后，就能夠按照?qǐng)D2的制冷機(jī)組性能曲線對(duì)制冷機(jī)組予以選擇。對(duì)制冷劑與氯氣的化學(xué)反應(yīng)的考慮，通常制冷機(jī)組的制冷劑會(huì)選擇氟利昂，不會(huì)選擇氨。

2.3 選型舉例

某用戶需要一套氯氣液化能夠達(dá)到5萬(wàn)噸每年的裝置，那么原料氯氣就必須達(dá)到0.25MPa（a）的壓力，溫度達(dá)到40℃，原料各體積與氣的組分分別如下：C12：97%，O2：0.8%，N2：1.6%，C02：0.5%，H2：0.1%，H20<100×10-6，液化效率要求為90%。

n氯氣分壓計(jì)算

（1）原料氯氯分壓：0.25x97%=0.2425 MPa(a)

（2）廢氯氯分壓：當(dāng)液化率為90%時(shí)，

由液化率計(jì)算公式A=100(C1—C2)／[C1(100一C2)]x100%

可得廢氯中氯的體積分?jǐn)?shù)C2為76.38%,氯分壓為：0.7638x0.25=0.191 MPa。

確定氯冷凝溫度

由原氯氯分壓查液氯飽和狀態(tài)特性表可知，氯氣在-14℃開始液化。從廢氯氯分壓考慮，查表可得-26℃為氯最終液化溫度。由以上2個(gè)液化溫度得平均液化溫度:

[-26+(-14)]/2=-20℃，考慮3~5℃的傳熱溫差，液化器溫度控制在-23℃以下。

冷量計(jì)算

（1）原料氯冷卻至液化溫度需要的冷量液化率為90%，故液化1噸液氯需原料氯氣量為16.13 kmol，混合氣體(原氯)的平均比熱容Cp1為：

式中：Cp——比熱容，kJ／kmol·℃；

y——各組分體積分?jǐn)?shù)，%。

因此，冷卻1噸液氯需冷量為：16.13x32x[40-(-20)]= 30969.6 kJ。

（2）液氯冷凝所需冷量

因?yàn)門r=T／Tc，

式中：Tr——對(duì)比溫度

T——工況溫度，K

Tc——臨界溫度，K

查氯氣的臨界溫度Tc=144℃，0.1 MPa下沸點(diǎn)-34.O5℃時(shí)氯的蒸發(fā)潛熱:

△Hvl=68.7kcal/kg

-20℃時(shí)的對(duì)比溫度為O.703；-34.05℃時(shí)的對(duì)比溫度為O.573。

因蒸發(fā)潛熱與溫度的關(guān)系：△Hv2=△Hvl[(1一Tr2)／(1一Tr1)]0.38，氯在-20℃的蒸發(fā)潛熱為：

△Hv2=68.7x4.186×[(1-0.703)／(1-0.573)]0.38=250.52 kJ／kg。

因此，冷凝1噸液氯需冷量Q2=250520 kJ。

由以上計(jì)算可得液化1噸液氯理論上共需冷量為：

Q理=Ql+Q2=30969.6+250520=280889.6kJ，考慮15%的冷量損失，則

Q損=42133.44 kJ

總的冷量為：

Q總=Q理+Q損=280889.6+42133.44=323023.04kJ

制冷機(jī)組選型

考慮到氯氣液化裝置，通常會(huì)按照商品液氯5萬(wàn)噸/年的能力，按照8000h每年工作時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，原氯中含97%的氯體積，每小時(shí)需要7.16t/h的氯氣量。所以說，每小時(shí)需要2018894kJ的制冷量（560kW）。氯氣液化需要560kW的制冷量，氯氣的液化溫度是-20℃。對(duì)滿液式液化氣LYQ-150的采用，校核蒸發(fā)溫度應(yīng)當(dāng)為-24℃，用戶當(dāng)?shù)貫?2℃供水的冷卻條件，能夠采用40℃的制冷機(jī)組冷凝溫度。通過圖2制冷機(jī)組性能曲線，液化氣提供的冷軒選擇LNLG20F機(jī)組，實(shí)際機(jī)組為380kW的制冷量，可以選擇2臺(tái)。確保機(jī)組制冷量的充裕，實(shí)際應(yīng)用中切實(shí)可行。

3 結(jié)語(yǔ)

通過上述分析可以看出，氯氣液化溫度正確的選取對(duì)選取的制冷設(shè)備意義非常重大，必須對(duì)用戶具體條件予以詳細(xì)計(jì)算，才能夠選擇配套的氯氣液化工藝配套制冷的設(shè)備。

[1]程殿斌《離子膜法制堿生產(chǎn)技術(shù)》化學(xué)工業(yè)出版社，1998.