氟利昂氯氣冷凝機(jī)組在膜法除硝中的應(yīng)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(jī)組是氯堿生產(chǎn)配套的安全設(shè)備。在氯堿生產(chǎn)過程中，氯氣冷凝機(jī)組的作用是:生產(chǎn)液氯外售，平衡氯堿生產(chǎn)多余的氯氣；處理生產(chǎn)事故中的氯氣，防止氯氣外漏污染環(huán)境。新疆天業(yè)(集團(tuán))有限公司聚氯乙烯樹脂生產(chǎn)能力140萬t/a、離子膜法燒堿生產(chǎn)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(shè)計總規(guī)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(jī)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(jīng)原氯分配臺調(diào)節(jié)流量后進(jìn)入氯氣液化器，在氯氣液化器中與氟利昂制冷機(jī)組輸送過來的制冷劑氟利昂進(jìn)行間接換熱，氯氣被降溫液化；液氯通過氣液分離器下部經(jīng)液封進(jìn)入液氯儲槽儲存。液化器、氣液分離器中氣態(tài)廢氯和不凝氣體由廢氯閥進(jìn)入廢氯總管后送至廢氯分配臺，最后送入次氯酸鈉生產(chǎn)工序生產(chǎn)次氯酸鈉。正常生產(chǎn)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(chǎn)生，氟利昂制冷機(jī)組在氯氣液化系統(tǒng)中不起作用；異常情況時，就會有多余的氯氣產(chǎn)生，此時必須有一臺氟利昂制冷機(jī)組正常開啟，為氯氣液化系統(tǒng)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(chǎn)，保證氯氣不外逸。

氟利昂氯氣冷凝機(jī)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(jī)組在膜法除硝中應(yīng)用的方案

氟利昂氯氣冷凝機(jī)組2套，每套生產(chǎn)液氯2.0萬 t/a。每臺制冷機(jī)組制冷量為367 kW，其型號為JLYLF2.0Ⅱ。大系統(tǒng)正常生產(chǎn)時，必須開1套氟利昂氯氣冷凝機(jī)組空載運行，以保證安全生產(chǎn)，但是增加了企業(yè)經(jīng)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(xiàn)增加膜法除硝裝置和冷凍鹽水裝置。大系統(tǒng)正常生產(chǎn)時，利用氟利昂制冷機(jī)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(dá)到節(jié)約成本和降低能耗的目的；大系統(tǒng)異常情況時，氟利昂制冷機(jī)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(jī)組為氯氣液化系統(tǒng)輸送冷量，對氯氣進(jìn)行降溫液化，保證安全生產(chǎn)。

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(jīng)過濃硝預(yù)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(jìn)入結(jié)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(nèi)進(jìn)一步濃縮后進(jìn)入離心機(jī)分離出固體芒硝，經(jīng)離心機(jī)出口后包裝送出。膜法除硝系統(tǒng)需要的冷量由CaCl2冷凍鹽水裝置提供給工藝系統(tǒng)。

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(chǎn)能力為550 kg/h，濃縮液進(jìn)口硫酸鈉質(zhì)量濃度為40 g/L，濃縮液出口硫酸鈉質(zhì)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(zhuǎn)化為淡鹽水濃縮液質(zhì)量流量為：

q=1 216×17.187 5=20 900 (kg/h)。

進(jìn)入沉硝器的預(yù)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(jié)晶放熱552.29 kJ/kg[1]，根據(jù)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(jī)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(jīng)鹽水循環(huán)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(dá)到-5 ℃生產(chǎn)出產(chǎn)品濃硝，CaCl2鹽水升溫回到鹽水循環(huán)罐中，實現(xiàn)閉路循環(huán)利用(見圖2)。其特點是：1臺冷凍機(jī)或者管式換熱器損壞后，可以開啟備用設(shè)備使用。

圖2 氟利昂制冷機(jī)組應(yīng)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(zhì)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(shù)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(shù)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(jié)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(shè)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(shè)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(fā)器，其工作原理為:高壓制冷劑液體經(jīng)過供液閥進(jìn)入氣液分離器，分離節(jié)流閃發(fā)氣體后，飽和的低溫低壓制冷劑液體進(jìn)入蒸發(fā)器管程吸收鹽水熱量后，通過制冷劑進(jìn)口至出口密度改變而引起的虹吸現(xiàn)象(自然壓差)經(jīng)蒸發(fā)器出氣口回到氣液分離器進(jìn)行分離；分離后的飽和氣體和節(jié)流閃發(fā)氣體被壓縮機(jī)吸走，飽和液體繼續(xù)參與蒸發(fā)器的制冷循環(huán)。

虹吸式蒸發(fā)器的優(yōu)點如下。①與滿液式和干式蒸發(fā)器相比，其提供的低壓制冷劑液體為飽和狀態(tài)，蒸發(fā)器內(nèi)不存在節(jié)流閃發(fā)氣體的影響，因此其傳熱效率更高。②與干式蒸發(fā)器相比，避免了干式蒸發(fā)器供液不均、不足的缺點，同時具有滿液式蒸發(fā)器換熱管完全浸泡的特點。③與滿液式蒸發(fā)器相比，虹吸式蒸發(fā)器由于鹽水走殼程，鹽水在較低的流速下即可達(dá)到紊流狀態(tài)，因此載冷劑側(cè)具有更高的傳熱系數(shù)。而滿液式蒸發(fā)器由于沿程阻力的限制，流速不可能太高，傳熱系數(shù)較小。同時，虹吸式蒸發(fā)器液體制冷劑走管程，其流速也大大提高，工質(zhì)側(cè)的傳熱系數(shù)也大幅提高。因此，虹吸式蒸發(fā)器總的傳熱性能也較滿液式蒸發(fā)器大幅提高。④虹吸式蒸發(fā)器鹽水走殼程，其沿程阻力也大大降低。⑤具有工質(zhì)充注量少的特點，系統(tǒng)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(fā)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(huán)泵提供動力；1臺21 m3的CaCl2鹽水循環(huán)罐來儲存循環(huán)鹽水。

3 經(jīng)濟(jì)效益

每臺氟利昂制冷機(jī)組電動機(jī)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(tǒng)的制冷機(jī)組，僅電費一項就節(jié)?。?/p>

1.74×106×0.45=78.3萬(元)。

4 結(jié)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(huán)境的問題；由于采用了空載運行的氯氣冷凝系統(tǒng)的氟利昂制冷機(jī)組，因此，在保證生產(chǎn)裝置安全運行的同時，為企業(yè)降低了成本和節(jié)約了能耗。該方案值得在行業(yè)推廣。