淺談氯氣液化和制冷設備的選型

俞捷(中國化學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，廣泛運用在凈水、化工、農(nóng)藥、建材等多個方面。氯堿化工工業(yè)隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，得到了進一步的發(fā)展，主導產(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、氮氣、氫氣及一些其他雜質(zhì)。對某些使用場合來說，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，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。如果在較長的距離中用交通工具運輸是不合理的，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到1300~1600公斤，這樣便于儲存和輸送。

（3）由于化工生產(chǎn)的連續(xù)性，當某一氯氣用戶不能按正常消耗氯時，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，都會將氯氣液化成液氯用以實現(xiàn)上述三個目的。

氯氣必須通過制冷設備的冷源實現(xiàn)液化，氯氣液化置裝運行是否可靠對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應一定的飽和溫度。氯氣溫度比飽和溫度低的情況下，會保持液態(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，采用制冷設備第氯氣溫度予以降低，氯氣溫度達到飽和溫度之后會液化。

2 制冷設備的選型

液化氯氣的制冷設備的裝置主要包括制冷機組、氯氣液化氣和其他附屬設備，筆者主要探討了制冷機組的問題。氯氣通過液化氣冷凝之后呈現(xiàn)液化狀態(tài)，主要由制冷機組提供液化氣的冷源。制冷設備的正確選擇需要注意下述幾個方面：①對用戶生產(chǎn)氯氣的條件必須予以確認，確認與保障液氯條件的液化溫度，并且對需要制冷的符合予以確認。②氯氣液化氣選擇需要對確定好的氯氣液化溫度予以確定，進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?shù)乩鋮s水的條件，進一步確定符合制冷機組冷凝溫度與需要的制冷條件。制冷機組的確定主要取決于廠家機組的資料，下面對各個步驟的分析。

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。國內(nèi)運用隔膜法生產(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，對安全因素的考慮，通常只能達到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98%以上純度的氯氣，具有較低含量的氫氣，所以可以達到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、氮氣、氧氣等成分，氯氣比供氣壓的壓力小一些。所以說，確定氯氣的液化溫度必須對詳細成分比例有所確定，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，越低的制冷設備的投資，那么配置制冷機組就越小。也可以結(jié)合生產(chǎn)條件，例如最終是為了生產(chǎn)鹽酸，對氯氣液化效率可以適當予以降低，適當提升液化溫度，制冷機組的運行就可以變得更加經(jīng)濟。

2.2 制冷機組的選擇

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

圖2 開啟式螺桿制冷機組的性能曲線（冷凝溫度40℃）

通過圖2，我們可以看出機組制冷量會隨著蒸發(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?？梢赃x擇較小排量的機組壓縮機。反之，就要選擇較大機組壓縮機，會導致較高自然成本。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℃。對蒸發(fā)溫度與制冷量的確定之后，就能夠按照圖2的制冷機組性能曲線對制冷機組予以選擇。對制冷劑與氯氣的化學反應的考慮，通常制冷機組的制冷劑會選擇氟利昂，不會選擇氨。

2.3 選型舉例

某用戶需要一套氯氣液化能夠達到5萬噸每年的裝置，那么原料氯氣就必須達到0.25MPa（a）的壓力，溫度達到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氯氣分壓計算

（1）原料氯氯分壓：0.25x97%=0.2425 MPa(a)

（2）廢氯氯分壓：當液化率為90%時，

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

可得廢氯中氯的體積分數(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——各組分體積分數(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

因為Tr=T／Tc，

式中：Tr——對比溫度

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-34.O5℃時氯的蒸發(fā)潛熱:

△Hvl=68.7kcal/kg

-20℃時的對比溫度為O.703；-34.05℃時的對比溫度為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

制冷機組選型

考慮到氯氣液化裝置，通常會按照商品液氯5萬噸/年的能力，按照8000h每年工作時間進行計算，原氯中含97%的氯體積，每小時需要7.16t/h的氯氣量。所以說，每小時需要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℃。對滿液式液化氣LYQ-150的采用，校核蒸發(fā)溫度應當為-24℃，用戶當?shù)貫?2℃供水的冷卻條件，能夠采用40℃的制冷機組冷凝溫度。通過圖2制冷機組性能曲線，液化氣提供的冷軒選擇LNLG20F機組，實際機組為380kW的制冷量，可以選擇2臺。確保機組制冷量的充裕，實際應用中切實可行。

3 結(jié)語

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

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