氟利昂氯氣冷凝機組在膜法除硝中的應用

唐繼平

(石河子天域新實化工有限公司,新疆 石河子 832000)

氟利昂氯氣冷凝機組是氯堿生產配套的安全設備。在氯堿生產過程中，氯氣冷凝機組的作用是:生產液氯外售，平衡氯堿生產多余的氯氣；處理生產事故中的氯氣，防止氯氣外漏污染環境。新疆天業(集團)有限公司聚氯乙烯樹脂生產能力140萬t/a、離子膜法燒堿生產能力100萬 t/a。全資子公司石河子天域新實化工有限公司始建于2004年，設計總規模為24萬t/a聚氯乙烯樹脂，配套18萬t/a離子膜法燒堿,氟利昂氯氣冷凝機組2套。

1 氯氣液化工藝流程

來自氯氣干燥工序的干燥氯氣經原氯分配臺調節流量后進入氯氣液化器，在氯氣液化器中與氟利昂制冷機組輸送過來的制冷劑氟利昂進行間接換熱，氯氣被降溫液化；液氯通過氣液分離器下部經液封進入液氯儲槽儲存。液化器、氣液分離器中氣態廢氯和不凝氣體由廢氯閥進入廢氯總管后送至廢氯分配臺，最后送入次氯酸鈉生產工序生產次氯酸鈉。正常生產時，鹽酸合成工序多余的氯氣由BDO(1,4-丁二醇)裝置提供的氫氣平衡，沒有多余的氯氣產生，氟利昂制冷機組在氯氣液化系統中不起作用；異常情況時，就會有多余的氯氣產生，此時必須有一臺氟利昂制冷機組正常開啟，為氯氣液化系統提供冷量，將氯氣液化后送入液氯儲槽儲存起來，確保安全生產，保證氯氣不外逸。

氟利昂氯氣冷凝機組氯氣液化工藝流程如圖1所示。

圖1 氯氣液化工藝流程示意圖

2 氟利昂氯氣冷凝機組在膜法除硝中應用的方案

氟利昂氯氣冷凝機組2套，每套生產液氯2.0萬 t/a。每臺制冷機組制冷量為367 kW，其型號為JLYLF2.0Ⅱ。大系統正常生產時，必須開1套氟利昂氯氣冷凝機組空載運行，以保證安全生產，但是增加了企業經營成本和能耗。在確保安全的條件下，為了降低成本、減少能耗，現增加膜法除硝裝置和冷凍鹽水裝置。大系統正常生產時，利用氟利昂制冷機組和CaCl2冷凍鹽水換熱，CaCl2冷凍鹽水降溫后為膜法除硝裝置輸送冷量，達到節約成本和降低能耗的目的；大系統異常情況時，氟利昂制冷機組減少和CaCl2冷凍鹽水的換熱，停止給膜法除硝輸送冷量或者少送冷量，確保氟利昂制冷機組為氯氣液化系統輸送冷量，對氯氣進行降溫液化，保證安全生產。

2.1 膜法除硝裝置需要的冷量

2.1.1 膜法除硝裝置工藝

濃硝鹽水經過濃硝預冷器降溫至工藝要求的溫度后，與冷凍換熱模塊返回的冷凍濃硝鹽水一起進入結晶器底部，與芒硝漿料充分混合，并降溫至4～6 ℃。一定流量的漿料通過漿料泵送至增稠器內進一步濃縮后進入離心機分離出固體芒硝，經離心機出口后包裝送出。膜法除硝系統需要的冷量由CaCl2冷凍鹽水裝置提供給工藝系統。

2.1.2 淡鹽水濃縮液降溫所需冷量

一次鹽水除硝裝置生產能力為550 kg/h，濃縮液進口硫酸鈉質量濃度為40 g/L，濃縮液出口硫酸鈉質量濃度為8 g/L，淡鹽水濃縮液的密度為1 216 kg/m3，則濃縮液體積流量：

V=550/(40-8)=17.187 5 (m3/h)。

轉化為淡鹽水濃縮液質量流量為：

q=1 216×17.187 5=20 900 (kg/h)。

進入沉硝器的預冷溫度t1為12 ℃,出沉硝器的溫度t2為-5 ℃,查表得淡鹽水濃縮液平均比熱容C為3.517 kJ/(kg·℃)，則淡鹽水濃縮液降溫所需冷量：

Q1=Cq(t1-t2)=

3.517×20 900×(12+5)=

1 249 590.1 (kJ/h)。

十水硫酸鈉結晶放熱552.29 kJ/kg[1]，根據十水硫酸鈉分解方程式，計算可得十水硫酸鈉分解放熱量為：

Q2=688 806.75 (kJ/h)。

需要冷量總計：

Q=Q1+Q2=1 938 396.85 (kJ/h)=

538.44 kW。

能量損失以20%計，需要冷量：

538.44×1.2=644(kW)。

2臺氟利昂制冷機組制冷量734 kW，因此，可以為膜法除硝提供足夠的冷量。

2.2 CaCl2冷凍鹽水裝置

2.2.1 冷凍鹽水裝置工藝

冷凍鹽水罐中的CaCl2鹽水經鹽水循環泵打出，通過鹽水管式換熱器和致冷劑氟利昂換熱降溫，輸送-15 ℃的CaCl2冷凍鹽水，滿足膜法除硝裝置的需求。CaCl2冷凍鹽水在膜法除硝裝置中和濃縮液換熱，濃縮液降溫達到-5 ℃生產出產品濃硝，CaCl2鹽水升溫回到鹽水循環罐中，實現閉路循環利用(見圖2)。其特點是：1臺冷凍機或者管式換熱器損壞后，可以開啟備用設備使用。

圖2 氟利昂制冷機組應用于冷凍鹽水裝置的工藝流程示意圖

2.2.2 CaCl2冷凍鹽水泵的選擇

(1)所需泵的流量。

CaCl2鹽水上水溫度t1為-15 ℃，CaCl2鹽水回水溫度t2為-10 ℃，CaCl2密度ρ為1 280 kg/m3，CaCl2比熱容C為3.09 kJ/(kg·℃)，則CaCl2質量流量為：

q=Q/C/(t2-t1)=1 938 396.85÷3.09÷(-10+15)=125 462.58 kg/h。

CaCl2體積流量為：

QV=q/ρ=125 462.58÷1 280=98 m3/h。

放大系數取值為1.5，則鹽水最大流量為：

QVmax=1.5×98=147 (m3/h)。

(2)所需泵的揚程。

一個90°彎頭的阻力按垂直高度1 m計，彎頭8個，所需高度為8 m;水平管道20 m按垂直高度1 m計，水平管線為500 m，所需高度為500÷20=25(m);此次工藝管線中垂直高度為9 m，則總高度H=8+25+9=42(m),放大系數取值為1.2，則鹽水泵的揚程為：

Hmax=1.2×42=50 (m)。

由以上計算結果可得：選用流量為160 m3/h、揚程為50 m的泵來提供冷凍鹽水。

2.2.3 CaCl2冷凍鹽水罐容積計算

輸送CaCl2冷凍鹽水管徑設計為DN150，管線到除硝裝置長度為500 m，計算可得容積為8.83 m3；管式換熱器的容積為2.86 m3/臺；膜法除硝裝置的換熱器容積為2.01 m3。因此鹽水罐容積為：

V=8.83+2.86×2+2.01=16.69 (m3)。

按設備儲存容積不能超過80%計算，則CaCl2冷凍鹽水罐最大容積為：

Vmax=16.69÷80%=21 (m3)。

2.2.4 CaCl2冷凍鹽水換熱器的選擇

冷凍鹽水換熱器采用虹吸式蒸發器，其工作原理為:高壓制冷劑液體經過供液閥進入氣液分離器，分離節流閃發氣體后，飽和的低溫低壓制冷劑液體進入蒸發器管程吸收鹽水熱量后，通過制冷劑進口至出口密度改變而引起的虹吸現象(自然壓差)經蒸發器出氣口回到氣液分離器進行分離；分離后的飽和氣體和節流閃發氣體被壓縮機吸走，飽和液體繼續參與蒸發器的制冷循環。

虹吸式蒸發器的優點如下。①與滿液式和干式蒸發器相比，其提供的低壓制冷劑液體為飽和狀態，蒸發器內不存在節流閃發氣體的影響，因此其傳熱效率更高。②與干式蒸發器相比，避免了干式蒸發器供液不均、不足的缺點，同時具有滿液式蒸發器換熱管完全浸泡的特點。③與滿液式蒸發器相比，虹吸式蒸發器由于鹽水走殼程，鹽水在較低的流速下即可達到紊流狀態，因此載冷劑側具有更高的傳熱系數。而滿液式蒸發器由于沿程阻力的限制，流速不可能太高，傳熱系數較小。同時，虹吸式蒸發器液體制冷劑走管程，其流速也大大提高，工質側的傳熱系數也大幅提高。因此，虹吸式蒸發器總的傳熱性能也較滿液式蒸發器大幅提高。④虹吸式蒸發器鹽水走殼程，其沿程阻力也大大降低。⑤具有工質充注量少的特點，系統管理成本低，運行可靠性高。

綜上所述，增加2臺CaCl2虹吸式蒸發器，換熱面積為200 m2，換熱器殼程走氟利昂制冷劑，管程走CaCl2冷凍鹽水；利用2臺流量160 m3/h、揚程50 m、功率45 kW的CaCl2鹽水循環泵提供動力；1臺21 m3的CaCl2鹽水循環罐來儲存循環鹽水。

3 經濟效益

每臺氟利昂制冷機組電動機功率為220 kW，年運行時間按330天計，則1年的用電量為330×24×220=1.74×106(kW·h)，電費按0.45元/(kW·h)計算，則采用氯氣液化系統的制冷機組，僅電費一項就節省：

1.74×106×0.45=78.3萬(元)。

4 結語

增加CaCl2冷凍鹽水裝置，為膜法除硝工藝提供冷量，解決了濃硝污染環境的問題；由于采用了空載運行的氯氣冷凝系統的氟利昂制冷機組，因此，在保證生產裝置安全運行的同時，為企業降低了成本和節約了能耗。該方案值得在行業推廣。