一種液氯全氣化工藝的設計分析論文
一種液氯全氣化工藝的設計分析論文
氯是一種重要的工業原料，在我國工業( 特別是化工) 生產中有著十分廣泛的應用。氯既可用於紡織、造紙工業的漂白，又可用於自來水的淨化、消毒，還可用於製取農藥、洗滌劑、塑膠、橡膠、醫藥等各種含氯化合物。氯氣常溫下是一種呈淡黃綠色、具有刺激性氣味的劇毒氣體。它的化學活性很高，可以和多種化學物質、有機物發生反應。氯氣在一定壓力下可以進行液化精製，減少倉儲佔用。目前工廠所用的氯氣幾乎都以液體的形式儲存和運輸，經液氯氣化工序後供給下游工藝耗氯單元進行使用。液氯氣化器是液氯氣化工序中的核心裝置。因此如何確保液氯氣化在使用中的安全，是廣大液氯使用者非常關注的問題。
1 設計部分
1. 1 現有工藝概述
在氯氣用量不大的情況下是可以使用液氯鋼瓶直接氣相出料的方法，但是在實際生產過程中由於使用不當存在著諸多不安全的因素，比如，鋼瓶自身的氣化氯氣量( 特別是冬季) 有時不能滿足生產需要，為加速液氯氣化速度，常採用使用蒸汽對鋼瓶直接加熱的方法，這種方法儘管滿足了生產的需要，但很有可能使液氯溫度急劇上升，引起液氯鋼瓶或緩衝罐內超壓或安全塞熔化，導致事故發生。
1. 2 現有工藝存在的問題
最不安全的因素是: 氯鹼生產中所使用的原料——工業食鹽和水，會不可避免地帶入銨類物質。用含有銨離子的精製鹽水進行電解反應時，銨離子則與電解產物氯氣發生化學反應，生成三氯化氮。後者隨氯氣一道進入液氯生產系統。當氯氣被液化時，三氯化氮也被液化混入液氯內。液體三氯化氮在液氯中的分佈較為均勻，但因二者密度稍有不同，造成下部的三氯化氮含量稍高。而氣化時情況有所不同，因二者沸點差別很大( 三氯化氮沸點> 71 ℃，液氯沸點- 34. 6 ℃) ，當鋼瓶內液氯不斷氣化的同時，三氯化氮則不氣化或氣化不完全，久而久之，隨著鋼瓶的迴圈使用，三氯化氮就會富集而達到一定濃度，當其質量分數超過5% 時，且在一定條件( 如振動、陽光、有機物作用等) 下，就有可能導致鋼瓶發生爆炸。
使用液氯鋼瓶提取氯氣的基本原則就是隻能依靠瓶內液氯在常溫下氣化產生的壓力把瓶內氣氯或液氯壓出。通常，當三氯化氮含量低時，可放出氣氯; 當三氯化氮含量高時，應放出液氯以防止三氯化氮在鋼瓶中富集; 當停止使用液氯時，應將鋼瓶到用氯裝置之間的管道用氮氣或壓縮空氣吹淨殘留於管道中的液氯和三氯化氮。
當氯氣用量較大的情況下就不宜再使用液氯鋼瓶直接氣相出料的方法了，這時就需要使用液氯氣化器來完成液氯的氣化、調壓並向下遊工藝耗氯單元供氣的工作。液氯氣化器的工藝和裝置選擇的形式有很多，這個與各國氯氣的安全標準有很大的關係，從使用的加熱介質上看，有采用蒸汽直接加熱的，也有采用熱水加熱的; 目前國內傳統的液氯氣化仍採用熱水加熱的方式，這點從安全的角度上來講，也是合理的，從工藝安全風險來看，排汙系統是必要的。
另外從氣化器的結構形式及執行模式上看，液氯氣化及供氯裝置大體上又可分為間歇氣化供氯和連續氣化供氯兩種形式。國內相當一部分液氯使用者早期採用的是鋼瓶液相出料法，即把出鋼瓶的液氯倒入帶加熱套的氣化罐內進行氣化，這就是間歇氣化供氯裝置。因為蒸汽可能造成罐內液氯急劇氣化而難以控制，所以通常採用熱水作為氣化熱源，並且考慮到液氯的飽和蒸汽壓，同時考慮到三氯化氮的有條件爆炸極限溫度是60℃，所以通常規定熱水的溫度不得高於45℃。採用熱水作為氣化熱源易於控制溫度，看似很安全，但工藝安全問題依然存在，因為溫度已經限定在45℃，液氯中的三氯化氮在這樣低的溫度下基本不會分解，三氯化氮會在氣化罐內逐漸富集，這個工藝是要求液氯氣化器定期排汙的，如果因為誤操作，忘記定期排汙，當富集到一定濃度時，且在一定條件( 如振動、陽光、有機物作用等) 下，則可能導致氣化罐發生爆炸。所以此方法並沒有解決裝置本質安全的問題。
1. 3 全氣化工藝設計思想
連續氣化供氯就是採用鋼瓶液相出料，再經氣化器加熱氣化，同時採取相應的工藝及安全措施，進而達到穩定、安全氣化液氯並連續供給使用者氯氣的目的。可能受間歇氣化供氯加熱水溫限制的影響，國內液氯使用者一般都沿用傳統的做法，即不允許使用蒸汽而是採用熱水做為氣化器的加熱介質，並控制熱水溫度小於45℃，這主要是為了防止沉積於氣化器裡的三氯化氮因溫度過高而發生爆炸。氣化器是否定期排汙與氯氣的質量、氣化器加熱形式以及氣化器的結構形式有關，三氯化氮能否在氣化器中分解掉是氣化器是否需要排汙的關鍵，一般氣化器從裝置設計的角度來講是應該有排汙口，從理論上講，三氯化氮的比重較液氯大，是沉在液氯下方的，透過排汙可以排出。但是，液氯系統是連續生產的，加上三氯化氮的不穩定性，沒有人真正的證實過三氯化氮是很嚴格的與液氯分層，也可能三氯化氮在液氯中還是均相分佈的，這說明即便是定時排汙，危險也沒有真正解除，因此，開發設計一種本質安全的液氯氣化器是根本的解決方案。
2 設計成果
2. 1 工藝流程
基於對上述問題的考慮，本文介紹一種採用新型內插管式氣化器的液氯全氣化工藝的設計。該裝置由內插管式液氯氣化器、氯氣緩衝罐和放散緩衝罐組成，並採用自動控制系統實現整個過程的溫度、壓力的控制以及安全聯鎖。液氯氣化溫度不得低於71 ℃，採用熱水加熱需要控制溫度75 ～ 85℃。採用蒸汽加熱時，溫度不得大於120℃，氣化壓力由氣化器後的氯氣壓力調節閥控制，氣化溫度由蒸汽調節閥控制。原則上氯氣緩衝罐容積不得小於用氯的第一級裝置容積，緩衝罐底設有排汙口，應定期排汙，排汙口接至鹼液吸收池; 緩衝罐應佈置在用氯的第一級裝置臨近處或高於用氯裝置; 佈置在氣化站的緩衝罐如果低於用氯裝置，應防止管道積液產生虹吸倒灌。進反應釜的氯氣管道( 液下氯分佈器) ，應設定氯氣止回閥或增加高度( 提高倒流時液柱高度) ，本設計中採用氯氣壓力調節閥前後壓差與調節閥聯鎖控制，防止物料倒灌。即如果調節閥前後壓差低於設定值，則調節閥完全關閉。
2. 2 氣化器
本裝置氣化器採用蒸汽作為加熱源直接對液氯進行換熱加熱，液氯的供給是依靠鋼瓶內液氯在環境溫度下氣化產生的壓力把瓶內液氯壓出從而輸送到氣化器，氣化供氯裝置的能力不僅取決於氣化器本身，同時還受到氯氣設定壓力以及環境溫度的影響，如果環境溫度過低，從鋼瓶壓出進入氣化器的液氯流量小於氣化器的設計能力時，可以增加液氯鋼瓶的數量或適當提高液氯鋼瓶區域的小環境溫度來解決，不能採取用蒸汽對鋼瓶直接加熱的方法來達到提高鋼瓶出液量的目的。鋼瓶超壓的風險排除了，同時控制氣化器加熱蒸汽的壓力以保證氣化器的溫度，使得液氯一進入氣化器即幾乎全部蒸發氣化，且流程中不易形成死角，從而可避免三氯化氮在氣化器中富集積聚，這時如果限制氣化器加熱介質的'溫度非但對保護鋼瓶沒有益處，反而由於低溫度氣化同樣會導致三氯化氮在氣化器中的富集。所以在氣化器材質允許的條件下，儘可能的提高氣化器加熱介質的溫度，有利於快速地將三氯化氮分解掉，在本質上消除工藝安全隱患。
2. 2. 1 氣化器型式
液氯氣化器採用內插管式換熱器形式，即由內插管和外套管組成，內插管像刺刀，外套管像刀鞘，花板置於裝置底部，蒸汽由裝置底部內插管通入，在內外兩層管之間和套管外的液氯進行換熱，液氯在外套管外部氣化，這樣可以始終保證底部的溫度最高，沒有溫度死角，有利於三氯化氮的分解，並且因為蒸汽從內套管進入，蒸汽冷凝水在內外套管之間，有效地防止冷凝水凍結在裝置內。
整個系統液氯貯存量和殘存三氯化氮量相當少，即事故發生的機率本來就相當低。為了確保安全，在氣化器殼程側和緩衝罐都設有排汙口，一旦因為負荷的變化液氯在氣化器內形成液位而導致氣化溫度過低，用於定期對殼程內液氯中三氯化氮的含量進行檢測，防止含量超出標準規定，也便於定期排放殘液，以防止三氯化氮積存發生爆炸危險。同時考慮到氯氣輸送距離較長，為了避免氣化後的氯氣在輸送過程中出現再次液化的情況，氣化器設計有過熱段，整個供氯系統採用自動的工藝及安全保障措施，以確保系統穩定、安全地執行。
2. 2. 2 氣化器材質選擇
材料選擇是非常重要的設計環節，既要滿足裝置的強度要求，又要考慮加工製造工藝的要求，還要考慮裝置使用的安全性要求，總之材料的選擇要綜合考慮成本及其所需的強度。殼程介質為液氯，毒性為高度危害，操作溫度為- 20 ℃，屬於低溫壓力容器。普通的碳素鋼不能滿足使用要求，需要選擇低碳鋼或低合金鋼，本設計氣化器殼體材質選用16MnDR ，可以滿足要求。液氯中會有一定含量的三氯化氮，隨著蒸發過程的進行，積累在其中的三氯化氮含量則越來越高。當三氯化氮在液氯中濃度超過5% 時即有爆炸的危險。而蒙乃爾合金是一種以銅、鎳為主的合金，這種合金可以作為三氯化氮熱分解的催化劑。在沒有催化劑存在的情況下，三氯化氮在50℃時開始分解，但是分解速率較低，分解不完全，當溫度達到71℃時，大部分三氯化氮將被氣化進入到氯氣中，因為此時三氯化氮在氯氣中的濃度將遠低於爆炸下限，因此也不會發生危險。當溫度進一步提高達到100℃時只需1min 就可全部分解。在有蒙乃爾合金作為催化劑存在的情況下，可以降低三氯化氮的分解溫度，並且相同的溫度下去除率會大幅提高，使用過的蒙乃爾合金可以反覆使用不影響其效能。因此，為了提高裝置使用的安全性，在換熱管之間放置MONEL400 材料作為熱分解催化劑。因內插管及外套管內側介質為水蒸氣，故內插管材質選用20#鋼，外套管外側與液氯有接觸，故外套管材質選用16MnR。
2. 3 工藝控制及安全聯鎖
蒸汽管線控制閥: 考慮到氣化器裝置材質的允許使用的最高溫度為120 ℃，所以蒸汽需要減壓控制在小於1. 8 MPa( a) ，並且控制始終小於氯氣的壓力。當進入氣化器前的蒸汽超過壓力上限0. 185MPa( a) 、氣化器內溫度超上限70 ℃、氣化的氯氣壓力超過上限1. 2 MPa( a) ，三者其中任一條件達到則蒸汽閥關閉。
氯氣管線控制閥: 當氣化的氯氣溫度不足下限設定值時、控制閥前後壓差不足設定低限0. 08 MPa時，兩者其中之任一條件達到則氯氣控制閥關閉。液氯管線切斷閥: 為了控制氣化器殼程的液氯液位，在殼程側設定了液位計口( h1，h2) 。透過液位計的控制和聯鎖，可防止液位過高而導致液氯氣化不完全，當氣化器液位達到高限設定值或者當進入氣化器前的蒸汽不足壓力下限0. 15 MPa( a) ，兩者其中之任一條件達到則液氯切斷閥關閉。緊急停車開關: 蒸汽控制閥門關閉、液氯供應閥門關閉、氯氣控制閥門關閉、安全洩閥門開啟。
3 結論
液氯全氣化工藝的優點是很顯著的，不僅提高了液氯氣化工藝的本質安全性，同時由於自動化水平的提高也大大降低了工人的勞動強度，該液氯氣化裝置從2012 年6 月投產執行至今，裝置執行一切正常，在氯氣壓力調節閥出現故障的情況下，採用手動控制也完全能夠滿足液氯氣化工序的執行要求，並且在裝置執行滿一年的時候對氣化器做了一次全面檢查，裝置狀態良好，幾次安全聯鎖的啟動也驗證了事故狀態下的安全性。該氣化工藝自動化水平高，能耗也相對降低，裝置使用壽命延長，安全可靠，可以在液氯氣化工序中進行廣泛推廣。