氯氣液化及液氯汽化系統(tǒng)能量綜合利用優(yōu)化

狄茜，郭忠林

(上海華誼工程有限公司，上海 200241)

氯氣是氯堿裝置的主要產(chǎn)品之一。液氯為黃綠色油狀液體，沸點(diǎn)-34.6 ℃，熔點(diǎn)-103 ℃，相對(duì)水的密度為1.47。在室溫常壓下為黃綠色氣體，相對(duì)空氣的密度為2.48，有劇烈窒息性氣味，溶于水和堿性溶液，屬于劇毒品，高度危害，并具有強(qiáng)氧化性和腐蝕性，空氣中氯氣最高允許濃度為1 mg/m3。

氯氣液化和液氯汽化單元是燒堿裝置中的重要環(huán)節(jié)，對(duì)裝置氯氣生產(chǎn)起到平衡緩沖作用。同時(shí)液化及汽化系統(tǒng)也是燒堿裝置中的高耗能系統(tǒng)，氯氣液化消耗冷量，液氯汽化消耗熱量，將這兩個(gè)過(guò)程結(jié)合起來(lái)，充分利用能量，能有效地達(dá)到節(jié)能降耗目的[1]。

1 氯氣液化的方法

氯氣壓力與溫度的平衡關(guān)系[2]如表1所示。

表1 不同溫度下液氯的蒸汽壓Table 1 Vapor pressure of liquid chlorineat different temperature

氯氣液化的液化溫度與氯氣分壓相平衡，最終的液化溫度由液氯尾氣中的氯氣分壓決定。

目前，氯氣液化的方法主要有3種：高溫高壓法、中溫中壓法和低溫低壓法[3]。

1.1 高溫高壓法

高溫高壓法氯氣液化壓力不少于0.8 MPa，液化溫度約32 ℃，通?？芍苯硬捎美鋬鏊鳛槔鋮s介質(zhì)。該方法采用了一步壓縮無(wú)冷凍工藝實(shí)現(xiàn)氯氣的液化。優(yōu)點(diǎn)是：工藝先進(jìn)、流程簡(jiǎn)單、冷量損耗少、能耗低、經(jīng)濟(jì)效果好。缺點(diǎn)是: 系統(tǒng)操作壓力較高，對(duì)儀表控制、設(shè)備及工藝管路系統(tǒng)的要求較高。

1.2 中溫中壓法

中溫中壓法氯氣液化壓力控制在0.40～0.80 MPa，液化溫度通?？刂圃?5 ℃左右，冷卻介質(zhì)采用R22。中溫中壓法流程與高溫高壓法相似，只是冷凝溫度低，需專用的冷凍機(jī)組液化。該機(jī)組具有以下特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，集螺桿式制冷壓縮機(jī)、冷凝器、儲(chǔ)液器、油蒸餾器為一體，安裝方便，占地面積小，易損件少，運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，振動(dòng)小，運(yùn)行平穩(wěn)。該工藝裝置操作壓力低，安全性較高。

1.3 低溫低壓法

低溫低壓法氯氣液化壓力控制不高于0.40 MPa，液化溫度通常控制在- 20 ℃左右。目前，大部分氯堿企業(yè)采用此工藝，氯氣液化機(jī)組采用與中溫中壓法相同的冷凍機(jī)組。該工藝具有流程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。

2 液氯汽化的方法[4]

目前液氯汽化常用的方法有2種：①熱水通過(guò)盤(pán)管式換熱器使液氯汽化；②蒸汽通過(guò)特種汽化器使液氯汽化。

2.1 熱水汽化法

熱水汽化法是國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的汽化工藝。從液氯儲(chǔ)槽來(lái)的液氯直接進(jìn)入盤(pán)管式汽化器，利用80 ℃左右的熱水加熱汽化液氯，熱水循環(huán)利用。該工藝為傳統(tǒng)的汽化工藝，其加熱介質(zhì)為熱水，有效利用的熱量少，操作費(fèi)用比較多，工藝設(shè)備眾多，控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，所以在操作的可及時(shí)控制性上存在一定的缺陷。

2.2 蒸汽汽化法

蒸汽汽化法是近幾年逐漸成熟的汽化工藝。從液氯儲(chǔ)槽來(lái)的液氯，進(jìn)入液氯特種汽化器，液氯在汽化器中用不超過(guò)121 ℃飽和水蒸氣加熱汽化為液氯。該工藝使用的主要設(shè)備特種汽化器設(shè)備簡(jiǎn)單，控制系統(tǒng)完善，儀表自動(dòng)化程度較高，系統(tǒng)安全性能好，已經(jīng)越來(lái)越多地在裝置中使用。

結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目裝置運(yùn)行情況，筆者以高溫高壓液化和熱水汽化工藝為例進(jìn)行能量計(jì)算和能量?jī)?yōu)化。

3 典型的高溫高壓法氯氣液化及液氯汽化工藝系統(tǒng)

3.1 工藝流程概述

從氯壓機(jī)過(guò)來(lái)的原料氯氣進(jìn)入液化器液化。在液化器中，少量不凝氣體排入尾氯系統(tǒng)，大部分氯氣相變?yōu)橐郝龋M(jìn)入汽液分離器，經(jīng)過(guò)氣液分離，液相流入液氯儲(chǔ)槽。儲(chǔ)槽中的液氯經(jīng)過(guò)液下泵輸送至液氯分配臺(tái)，一部分去包裝區(qū)裝瓶或充裝槽車；另一部分直接進(jìn)汽化器汽化，汽化后的高純氯氣送下游裝置。

氯氣液化及汽化工藝流程簡(jiǎn)圖詳見(jiàn)圖1。

3.2 能耗分析

對(duì)13萬(wàn)t/a氯氣液化及汽化系統(tǒng)進(jìn)行能量計(jì)算(16.737 t/h，按1年生產(chǎn)時(shí)間8 000 h計(jì)算)。從氯壓機(jī)來(lái)的氯氣壓力為1.0 MPa，溫度為95 ℃。汽化后氯氣的壓力為0.8 MPa，溫度為50 ℃。氯氣液化器操作參數(shù)詳見(jiàn)表2，液氯汽化器操作參數(shù)詳見(jiàn)表3。

1—氯氣液化器；2—液氯汽液分離器；3—液氯儲(chǔ)槽；4—液氯液下泵；5—汽化器

表2 氯氣液化器參數(shù)表Table 2 Parameters of chlorine liquefier

表3 液氯汽化器參數(shù)表Table 3 Parameters of liquid chlorine vaporizer

3.2.1 氯氣液化能耗計(jì)算

氯氣液化所需的能量主要包括液化顯熱、液化潛熱及液氯過(guò)冷所需冷量，具體計(jì)算如下。

(1)氯氣液化顯熱Q1。

在壓力為1.0 MPa時(shí)，氯氣對(duì)應(yīng)的液化溫度為38 ℃，氯氣在95 ℃和38 ℃對(duì)應(yīng)的氯氣比熱容平均值約0.54 kJ/(kg·K)[2]，則：

Q1=mCpΔt=

16 737×0.54×(368.15-311.15)≈5.15×105(kJ/h)。

(2)氯氣液化潛熱Q2。

在液化效率為94%、壓力為1.0 MPa時(shí)，氯氣液化潛熱為241.6 kJ/kg[2]，則：

Q2=mr=16 737×241.6×0.94 ≈

3.8×106(kJ/h)。

(3)液氯過(guò)冷所需冷量Q3。

液氯在38 ℃和20 ℃對(duì)應(yīng)的比熱容平均值約為1.0 kJ/(kg·K)[2]，則：

Q3=mCpΔt=

1.0×16 737×(311.15-293.15)≈

3.01× 105 (kJ/h)。

由上述計(jì)算可得，氯氣液化所需的總能耗為：

Q總=Q1+Q2+Q3=

4.616×106(kJ/h)=1 282 kW。

3.2.2 液氯汽化能耗計(jì)算

液氯汽化所需能量主要包括汽化顯熱、汽化潛熱及氯氣過(guò)熱所需熱量，具體計(jì)算如下。

(1)液氯升溫顯熱Q1。

在壓力為0.8 MPa，溫度為20 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的液氯恒壓比熱容約為1.0 kJ/kg·K[2]，則：

Q1=mCpΔt=

16 737×1.0×(303.15-293.15)=1.67×105(kJ/h)。

(2)液氯汽化潛熱Q2。

在壓力為0.8 MPa時(shí)，液氯對(duì)應(yīng)的汽化溫度為30 ℃，液氯汽化潛熱為247.9 kJ/kg[2]，則：

Q2=mr=

16 737×247.9=4.15×106(kJ/h)。

(3)氯氣過(guò)熱所需熱量Q3。

汽化氯在50 ℃和30 ℃對(duì)應(yīng)的氯氣比熱容平均值約為0.48 kJ/(kg·K)[2]，則：

Q3=mCpΔt=

0.48×16 737×(323.15-303.15)=1.61× 105(kJ/h)。

由上述計(jì)算可得，液氯汽化所需的總能耗為：

Q總=Q1+Q2+Q3=

4.478×106(kJ/h)=1 244 kW。

綜上可知：13萬(wàn)t/a氯氣液化需要的冷量為1 282 kW，液氯汽化需要的熱量為1 244 kW。

4 優(yōu)化后的氯氣液化及汽化工藝系統(tǒng)

4.1 工藝流程概述

針對(duì)氯氣液化需要冷量、液氯汽化需要熱量的特點(diǎn)，將這兩個(gè)過(guò)程結(jié)合起來(lái)，用溫度比液氯高的氯氣作為熱源加熱液氯，得到部分汽化氯氣，同時(shí)降低氯氣溫度(其中一部分氯氣達(dá)到液化溫度變成液氯)。在原有流程的基礎(chǔ)上優(yōu)化流程，在氯氣液化器前增加氯氣液氯換熱器和氣液分離器，達(dá)到回收能量的目的。

從氯處理單元送過(guò)來(lái)的原料氯氣，經(jīng)過(guò)氯氣液氯換熱器與液氯換熱之后中，進(jìn)入汽液分離器進(jìn)行首次分離，液相流入液氯儲(chǔ)槽，氣相進(jìn)入液化器繼續(xù)液化。在液化器中，少量不凝氣體排入尾氯系統(tǒng)，大部分氯氣相變?yōu)橐郝龋M(jìn)入汽液分離器，經(jīng)過(guò)再次分離，液相流入液氯儲(chǔ)槽。儲(chǔ)槽中的液氯經(jīng)過(guò)液下泵輸送至液氯分配臺(tái)，一部分去包裝區(qū)進(jìn)行裝瓶或槽車充裝，另一部分去汽液換熱器與原氯換熱。換熱之后，直接進(jìn)汽化器汽化。汽化后的高純氯氣送下游單元。

優(yōu)化后氯氣液化及汽化工藝流程簡(jiǎn)圖詳見(jiàn)圖2。

1—氯氣液氯換熱器；2—汽液分離器；3—氯氣液化器；4—液氯汽液分離器；5—液氯儲(chǔ)槽；6—液氯液下泵；7—汽化器

4.2 能耗分析

在處理能力相同的情況下，氯氣液氯換熱器操作參數(shù)詳見(jiàn)表4。

表4 氯氣液氯換熱器參數(shù)表Table 4 Parameters of chlorine gas andliquid chlorine heat exchanger

經(jīng)過(guò)換熱器軟件模擬計(jì)算，在換熱器熱量交換過(guò)程中有33.4%的氯氣液化。

氯氣液氯換熱器的熱量計(jì)算具體如下。

(1)氯氣冷卻顯熱Q1。

壓力為1.0 MPa時(shí)，氯氣在95 ℃和37 ℃對(duì)應(yīng)的比熱容平均值為0.54 kJ/(kg·K)[2]，則：

Q1=mCpΔt=16 737×0.54×

(368.15-310.15)≈5.24×105(kJ/h)。

(2)氯氣液化潛熱Q2。

壓力為1.0 MPa時(shí)，氯氣液化潛熱為241.6 kJ/kg[2]，則：

Q2=mr=16 737×0.334×241.6≈

1.35×106(kJ/h)。

由上述計(jì)算可得，氯氣液氯換熱器回收的能量為：Q總=Q1+Q2=1.874×106(kJ/h)=520 kW。

綜上可知：氯氣液氯換熱器可以減少氯氣液化過(guò)程520 kW的冷量，同時(shí)在液氯汽化過(guò)程中減少520 kW的熱量。

5 兩種工藝流程的分析

優(yōu)化前的流程，從氯壓機(jī)來(lái)的高溫氯氣直接進(jìn)氯氣液化器與冷凍水換熱液化，收集至液氯儲(chǔ)槽，經(jīng)液下泵送至氯氣汽化器，在汽化器中高壓低溫的液氯與80 ℃的熱水換熱汽化后，至下游用氯裝置。此流程中沒(méi)有充分利用高溫氯氣的熱量，導(dǎo)致高溫氯氣的熱量浪費(fèi)。

優(yōu)化后的流程，在氯氣進(jìn)液化器前，先經(jīng)氯氣液氯換熱器，與來(lái)自液下泵的至液氯汽化器汽化的液氯換熱。在換熱器中，高溫的氯氣加熱需要被汽化的液氯，部分液氯被汽化，同時(shí)部分氯氣被液化，有效地回收了高溫氯氣的部分熱量和液氯的部分冷量，極大地提高了能量的回收利用率，達(dá)到了雙重節(jié)能的效果。

6 節(jié)能分析與探討

6.1 能耗指標(biāo)對(duì)比

根據(jù)上述流程的對(duì)比及能耗分析，對(duì)于13萬(wàn)t/a氯氣液化及汽化系統(tǒng)，整理能耗數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 工藝優(yōu)化前后能耗對(duì)比Table 5 Comparison of energy consumptionbefore and after process optimization

從表5可以看出：經(jīng)過(guò)流程優(yōu)化，采用氯氣液氯換熱器后，液化器節(jié)約冷量40.6%，汽化器節(jié)約熱量41.8%，系統(tǒng)整體節(jié)約能量41.2%，有效地降低了裝置能耗，最大限度地回收了能量。

6.2 節(jié)能探討

根據(jù)上述能耗指標(biāo)對(duì)比可知：利用高溫氯氣的熱量加熱液氯，節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益非常可觀。

本文中的節(jié)能措施是針對(duì)高溫高壓的氯氣系統(tǒng)，而目前很多氯堿企業(yè)的低壓及中壓氯氣系統(tǒng)同樣可以采用此節(jié)能措施技改。目前多數(shù)氯堿企業(yè)的低壓及中壓氯氣系統(tǒng)中，從氯壓機(jī)來(lái)的氯氣溫度基本為50 ℃左右?？紤]到氯壓機(jī)出口氯氣經(jīng)冷卻后才送至氯氣液化器，為了充分利用高溫氯氣的熱量，經(jīng)壓縮機(jī)最后一級(jí)壓縮后的氯氣溫度一般在85 ℃左右，可不經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)最后一級(jí)冷卻器冷卻，直接進(jìn)入氯氣液氯換熱器與需要汽化的液氯換熱，有效地利用高溫氯氣的熱量，節(jié)省了氯壓機(jī)冷卻系統(tǒng)的循環(huán)水用量，同樣可達(dá)到節(jié)能的效果。

7 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)高溫高壓氯氣系統(tǒng)，可增加氯氣液氯換熱器，利用出壓縮機(jī)的高溫氯氣與液氯換熱回收部分能量，降低氯氣液化器及液氯汽化器的能耗。

針對(duì)中壓及低壓氯氣系統(tǒng)，可取消氯壓機(jī)最后一級(jí)冷卻器，使氯壓機(jī)出口氯氣溫度升高，高溫氯氣與液氯換熱，降低氯壓機(jī)及液氯汽化器的能耗。

對(duì)于僅有氯氣液化系統(tǒng)或者僅有液氯汽化系統(tǒng)的裝置，本節(jié)能措施不適用。

[1] 王利，吳建楊．液氯汽化節(jié)能工藝的優(yōu)化[J].中國(guó)氯堿，2010(11)：24-27.

[2] 王士君．氯堿工業(yè)理化常數(shù)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1988：337-345．

[3] 吳海榮，熊新國(guó)．液氯生產(chǎn)工藝改造[J].氯堿工業(yè)，2008，44(3)：22-24.

[4] 狄茜．兩種液氯汽化工藝的介紹與比較[J].廣東化工，2015，42(18)：103-104.