岑森裕 何 軍

(利爾化學股份有限公司，四川綿陽，621000)

某公司為氯代吡啶類生產(chǎn)企業(yè)，氯化生產(chǎn)車間涉及氯化反應工段。目前有10套在役氯化線生產(chǎn)裝置的四氯氰基吡啶生產(chǎn)裝置，現(xiàn)場設有液氯儲罐區(qū)及液氯氣化區(qū)，日常生產(chǎn)工作需耗用大量的液氯。

1 工藝流程及設備簡介

該公司液氯生產(chǎn)裝置氯氣氣化工段主要包含液氯儲罐和液氯氣化區(qū)。公司外購的液氯通過液氯生產(chǎn)廠家的槽車運輸配送至公司液氯儲罐區(qū)卸貨儲存。存儲在液氯儲罐內(nèi)的液氯通過壓差作用，自流輸送至液氯氣化區(qū)。經(jīng)液氯氣化器的升溫氣化工序，氣化后的壓力約為0.2MPa，再經(jīng)氯氣緩沖罐后通過供氯管線輸送至氯化生產(chǎn)車間氯化反應工段使用。

該公司液氯儲罐區(qū)及氣化區(qū)于2016年10月建成投用，氣化區(qū)共設置有10套氣化裝置。液氯氣化的工藝流程簡圖見圖1。經(jīng)技術改造后，目前5套為蒸汽導熱油(導熱油介質(zhì)為氫化三聯(lián)苯)循環(huán)升溫氣化器，通過蒸汽加熱夾套導熱油，再由導熱油夾套給液氯盤管供熱氣化，相應氣化器的結(jié)構(gòu)及工藝流程詳見圖2。另5套為蒸汽熱水循環(huán)升溫氣化器，通過蒸汽加熱夾套水，再由夾套內(nèi)的熱水給液氯盤管供熱氣化，相應氣化器的結(jié)構(gòu)及工藝流程詳見圖3。單臺氣化器的額定氣化效率均為0.3t/h。

2 氣化能耗的理論分析計算

液氯氣化所需的總能耗為：Q=Q1+Q2+Q3+P，其中Q表示液氯氣化所需熱量，Q1表示液氯氣化顯熱，Q2表示液氯氣化潛熱，Q3表示氣氯過熱所需熱量，P表示氣化所需電耗。

氯氣氣化區(qū)氣化器的進口液氯溫度為20℃左右，進口壓力約為0.5MPa，對應的比熱容約為0.46kJ/(kg·℃)。氣化器氯氣出口壓力為0.13MPa左右，正常工藝使用量為0.3t/h，對應的氣化溫度為-13.4℃，對應的比熱容約為0.513kJ/(kg·℃)，液氯氣化潛熱約為274kJ/kg。

圖1 生產(chǎn)工藝流程簡圖

(1)每小時的液氯氣化顯熱計算

Q1=0.46×0.3×1000×[20-(-13.4)]≈0.461(萬kJ)

(2)每小時的液氯氣化潛熱計算

Q2=0.3×1000×274÷10000=8.22(萬kJ)

圖2 導熱油攪拌加熱氣化器

圖3 熱水攪拌加熱氣化器

(3)每小時氣氯過熱所需熱量計算

氣化器的導熱介質(zhì)溫度工藝控制指標為80℃，出口處氯氣的工藝控制溫度為71℃，對應的氯氣比熱容約為0.51kJ/(kg·℃)，

Q3=0.51×0.3×1000×[71-(-15)]≈1.316(萬kJ)

(4)每小時氣化所需電耗計算

根據(jù)液氯氣化所需理論熱量為8.734萬kJ，考慮熱損失等因素后，電機運行負荷按80%進行計算，對應導熱油的攪拌電機功率7.5 kW，P1=7.5×0.8=6kW·h，折算為2.16(萬kJ)；對應熱水攪拌的電機功率為7.5kW，P2=7.5×0.8=6kW·h，折算為2.16(萬kJ)。

故采用導熱油加熱氣化和熱水加熱氣化時，電耗相等，取P=P1=P2=2.16(萬kJ)。

以上匯總后，計算所得的理論能耗Q=Q1+Q2+Q3+P=12.157(萬kJ)，且理論上單套導熱油氣化器和熱水氣化器的能耗相等。

3 氣化穩(wěn)定性實際對比分析

兩種氣化裝置的采購、安裝費用基本一致。導熱油的采購成本較水更高，導熱油須定期進行更換，熱水須不定期進行補充。根據(jù)上節(jié)的能耗分析可知，日常使用時兩者電耗基本一致。

通過在裝置穩(wěn)定運行期間，選取一段時間內(nèi)氯氣氣化區(qū)1套導熱油介質(zhì)氣化器和1套熱水介質(zhì)氣化器的氣化工作參數(shù)曲線，對兩種導熱介質(zhì)氣化器的工作穩(wěn)定性進行分析對比。

3.1 液氯氣化出口溫度

對一段時間內(nèi)DCS上的兩種導熱介質(zhì)氣化器出口溫度的跟蹤分析，詳見圖4、圖5的DCS趨勢圖。

從氣化出口溫度趨勢對比來看，目前改造使用的氣化器出口整體溫度高于改造前，根據(jù)“中國氯堿工業(yè)協(xié)會(2010)協(xié)字第070號關于下發(fā)《關于氯氣安全設施和應急技術的指導意見》”的通知中要求液氯氣化后去使用設備工段須考慮到防止三氯化氮的積聚，氣化溫度不得低于71℃。而導熱油攪拌加熱氣化器出口溫度一般會在71℃上下浮動，但熱水攪拌加熱氣化器加熱時則不會出現(xiàn)出口溫度低于71℃的的情況。

此外，從整個趨勢線的情況來看，熱水攪拌加熱氣化器出口溫度波動曲線振幅明顯小于改造前，波動周期小，且一致性更好。說明相較于導熱油攪拌加熱氣化器，熱水攪拌加熱氣化器調(diào)控出口溫度更穩(wěn)定，更易于出口溫度的控制。

圖4 導熱油攪拌加熱氣化器氣化出口溫度

圖5 熱水攪拌加熱氣化器氣化出口溫度

3.2 導熱介質(zhì)溫度對比

對一段時間內(nèi)DCS上的兩種導熱介質(zhì)氣化器加熱介質(zhì)溫度的跟蹤分析，詳見圖6、圖7的DCS趨勢圖。

從導熱介質(zhì)的溫度趨勢對比來看，加熱溫度基本一致。但波形上導熱油攪拌加熱氣化器的熱油介質(zhì)波動調(diào)節(jié)頻率大于熱水攪拌加熱氣化器的熱水介質(zhì)，其符合熱油傳熱性質(zhì)。從趨勢總體來看，熱水溫度波動比熱油更穩(wěn)定，不會出現(xiàn)導熱介質(zhì)溫度高頻變化的情況。

圖6 導熱油攪拌加熱氣化器加熱介質(zhì)溫度

圖7 熱水攪拌加熱氣化器加熱介質(zhì)溫度

3.3 蒸汽調(diào)節(jié)反饋對比

對一段時間內(nèi)DCS上的兩種導熱介質(zhì)氣化器蒸汽調(diào)節(jié)閥閥門調(diào)節(jié)趨勢的跟蹤分析，詳見圖8、圖9的DCS趨勢圖。

圖中標注的曲線為蒸汽閥門調(diào)節(jié)趨勢，從其調(diào)節(jié)穩(wěn)定性可以明顯看出采用熱水導熱介質(zhì)的氣化器較采用導熱油導熱介質(zhì)的氣化器蒸汽調(diào)節(jié)閥的趨勢穩(wěn)定性更好，液氯氣化生產(chǎn)更加穩(wěn)定。

圖8 導熱油攪拌加熱氣化器蒸汽調(diào)節(jié)溫度趨勢

圖9 熱水攪拌加熱氣化器蒸汽調(diào)節(jié)溫度趨勢

4 安全可靠性分析

氯氣極易溶于水，當氯氣溶于水時發(fā)生的反應方程式如下：Cl2+H2OHClO+HCl，反應屬于可逆反應。當氯氣溶于水的反應達到平衡后，反應釋放較少的熱量。當遇到氣化器內(nèi)液氯盤管穿孔，泄漏的氯溶于水后發(fā)生反應，對溫度幾無影響。

通過公司實驗室對導熱油(氫化三聯(lián)苯)和氯在85℃時進行混合，監(jiān)測熱效應。在2.0L的反應釜中加入導熱油693g，升溫至85℃，通入氯氣(約22L)，通氣時間18min。通入完成后，進行保溫25min。反應量熱儀RC1的量熱曲線如圖10。

圖10 RC1量熱曲線

由實驗可知，導熱油在通入氯氣過程中持續(xù)放熱，平均放熱速率約30W，總放熱量約42kJ。實驗表明氯氣與導熱油在85℃混合，有放熱現(xiàn)象，放熱速率與氯氣和導熱油的氣液接觸時間、接觸量相關，放熱量約為420kJ/mol氯氣(計算估計值)。當遇到氣化器內(nèi)液氯盤管穿孔，泄漏的氯與導熱油會發(fā)生反應放熱，會造成設備損壞、火災等安全事故。

5 總結(jié)

根據(jù)以上所述，采用導熱油攪拌加熱氣化和熱水攪拌加熱氣化的能耗基本一致。但從工藝穩(wěn)定角度和安全可靠性角度出發(fā)，涉及氯化生產(chǎn)使用的企業(yè)在日常使用液氯氣化時，更宜采用熱水加熱氣化的方式進行。采用熱水加熱氣化的生產(chǎn)工藝對于氯化反應工段氯氣原料的質(zhì)量穩(wěn)定性和安全可靠性優(yōu)勢更加明顯。