一种液氯全气化工艺的设计分析论文

　　氯是一种重要的工业原料，在我国工业（特别是化工）生产中有着十分广泛的应用。氯既可用于纺织、造纸工业的漂白，又可用于自来水的净化、消毒，还可用于制取农药、洗涤剂、塑料、橡胶、医药等各种含氯化合物。氯气常温下是一种呈淡黄绿色、具有刺激性气味的剧毒气体。它的化学活性很高，可以和多种化学物质、有机物发生反应。氯气在一定压力下可以进行液化精制，减少仓储占用。目前工厂所用的氯气几乎都以液体的形式储存和运输，经液氯气化工序后供给下游工艺耗氯单元进行使用。液氯气化器是液氯气化工序中的核心设备。因此如何确保液氯气化在使用中的安全，是广大液氯用户非常关注的问题。
　　1设计部分
　　1。1现有工艺概述
　　在氯气用量不大的情况下是可以使用液氯钢瓶直接气相出料的方法，但是在实际生产过程中由于使用不当存在着诸多不安全的因素，比如，钢瓶自身的气化氯气量（特别是冬季）有时不能满足生产需要，为加速液氯气化速度，常采用使用蒸汽对钢瓶直接加热的方法，这种方法尽管满足了生产的需要，但很有可能使液氯温度急剧上升，引起液氯钢瓶或缓冲罐内超压或安全塞熔化，导致事故发生。
　　1。2现有工艺存在的问题
　　最不安全的因素是：氯碱生产中所使用的原料工业食盐和水，会不可避免地带入铵类物质。用含有铵离子的精制盐水进行电解反应时，铵离子则与电解产物氯气发生化学反应，生成三氯化氮。后者随氯气一道进入液氯生产系统。当氯气被液化时，三氯化氮也被液化混入液氯内。液体三氯化氮在液氯中的分布较为均匀，但因二者密度稍有不同，造成下部的三氯化氮含量稍高。而气化时情况有所不同，因二者沸点差别很大（三氯化氮沸点71，液氯沸点34。6），当钢瓶内液氯不断气化的同时，三氯化氮则不气化或气化不完全，久而久之，随着钢瓶的循环使用，三氯化氮就会富集而达到一定浓度，当其质量分数超过5时，且在一定条件（如振动、阳光、有机物作用等）下，就有可能导致钢瓶发生爆炸。
　　使用液氯钢瓶提取氯气的基本原则就是只能依靠瓶内液氯在常温下气化产生的压力把瓶内气氯或液氯压出。通常，当三氯化氮含量低时，可放出气氯；当三氯化氮含量高时，应放出液氯以防止三氯化氮在钢瓶中富集；当停止使用液氯时，应将钢瓶到用氯设备之间的管道用氮气或压缩空气吹净残留于管道中的液氯和三氯化氮。
　　当氯气用量较大的情况下就不宜再使用液氯钢瓶直接气相出料的方法了，这时就需要使用液氯气化器来完成液氯的气化、调压并向下游工艺耗氯单元供气的工作。液氯气化器的工艺和设备选择的形式有很多，这个与各国氯气的安全标准有很大的关系，从使用的加热介质上看，有采用蒸汽直接加热的，也有采用热水加热的；目前国内传统的液氯气化仍采用热水加热的方式，这点从安全的角度上来讲，也是合理的，从工艺安全风险来看，排污系统是必要的。
　　另外从气化器的结构形式及运行模式上看，液氯气化及供氯装置大体上又可分为间歇气化供氯和连续气化供氯两种形式。国内相当一部分液氯用户早期采用的是钢瓶液相出料法，即把出钢瓶的液氯倒入带加热套的气化罐内进行气化，这就是间歇气化供氯装置。因为蒸汽可能造成罐内液氯急剧气化而难以控制，所以通常采用热水作为气化热源，并且考虑到液氯的饱和蒸汽压，同时考虑到三氯化氮的有条件爆炸极限温度是60，所以通常规定热水的温度不得高于45。采用热水作为气化热源易于控制温度，看似很安全，但工艺安全问题依然存在，因为温度已经限定在45，液氯中的三氯化氮在这样低的温度下基本不会分解，三氯化氮会在气化罐内逐渐富集，这个工艺是要求液氯气化器定期排污的，如果因为误操作，忘记定期排污，当富集到一定浓度时，且在一定条件（如振动、阳光、有机物作用等）下，则可能导致气化罐发生爆炸。所以此方法并没有解决装置本质安全的问题。
　　1。3全气化工艺设计思想
　　连续气化供氯就是采用钢瓶液相出料，再经气化器加热气化，同时采取相应的工艺及安全措施，进而达到稳定、安全气化液氯并连续供给用户氯气的目的。可能受间歇气化供氯加热水温限制的影响，国内液氯用户一般都沿用传统的做法，即不允许使用蒸汽而是采用热水做为气化器的加热介质，并控制热水温度小于45，这主要是为了防止沉积于气化器里的三氯化氮因温度过高而发生爆炸。气化器是否定期排污与氯气的质量、气化器加热形式以及气化器的结构形式有关，三氯化氮能否在气化器中分解掉是气化器是否需要排污的关键，一般气化器从设备设计的角度来讲是应该有排污口，从理论上讲，三氯化氮的比重较液氯大，是沉在液氯下方的，通过排污可以排出。但是，液氯系统是连续生产的，加上三氯化氮的不稳定性，没有人真正的证实过三氯化氮是很严格的与液氯分层，也可能三氯化氮在液氯中还是均相分布的，这说明即便是定时排污，危险也没有真正解除，因此，开发设计一种本质安全的液氯气化器是根本的解决方案。
　　2设计成果
　　2。1工艺流程
　　基于对上述问题的考虑，本文介绍一种采用新型内插管式气化器的液氯全气化工艺的设计。该装置由内插管式液氯气化器、氯气缓冲罐和放散缓冲罐组成，并采用自动控制系统实现整个过程的温度、压力的控制以及安全联锁。液氯气化温度不得低于71，采用热水加热需要控制温度7585。采用蒸汽加热时，温度不得大于120，气化压力由气化器后的氯气压力调节阀控制，气化温度由蒸汽调节阀控制。原则上氯气缓冲罐容积不得小于用氯的第一级设备容积，缓冲罐底设有排污口，应定期排污，排污口接至碱液吸收池；缓冲罐应布置在用氯的第一级设备临近处或高于用氯设备；布置在气化站的缓冲罐如果低于用氯设备，应防止管道积液产生虹吸倒灌。进反应釜的氯气管道（液下氯分布器），应设置氯气止回阀或增加高度（提高倒流时液柱高度），本设计中采用氯气压力调节阀前后压差与调节阀联锁控制，防止物料倒灌。即如果调节阀前后压差低于设定值，则调节阀完全关闭。
　　2。2气化器
　　本装置气化器采用蒸汽作为加热源直接对液氯进行换热加热，液氯的供给是依靠钢瓶内液氯在环境温度下气化产生的压力把瓶内液氯压出从而输送到气化器，气化供氯装置的能力不仅取决于气化器本身，同时还受到氯气设定压力以及环境温度的影响，如果环境温度过低，从钢瓶压出进入气化器的液氯流量小于气化器的设计能力时，可以增加液氯钢瓶的数量或适当提高液氯钢瓶区域的小环境温度来解决，不能采取用蒸汽对钢瓶直接加热的方法来达到提高钢瓶出液量的目的。钢瓶超压的风险排除了，同时控制气化器加热蒸汽的压力以保证气化器的温度，使得液氯一进入气化器即几乎全部蒸发气化，且流程中不易形成死角，从而可避免三氯化氮在气化器中富集积聚，这时如果限制气化器加热介质的温度非但对保护钢瓶没有益处，反而由于低温度气化同样会导致三氯化氮在气化器中的富集。所以在气化器材质允许的条件下，尽可能的提高气化器加热介质的温度，有利于快速地将三氯化氮分解掉，在本质上消除工艺安全隐患。
　　2。2。1气化器型式
　　液氯气化器采用内插管式换热器形式，即由内插管和外套管组成，内插管像刺刀，外套管像刀鞘，花板置于设备底部，蒸汽由设备底部内插管通入，在内外两层管之间和套管外的液氯进行换热，液氯在外套管外部气化，这样可以始终保证底部的温度最高，没有温度死角，有利于三氯化氮的分解，并且因为蒸汽从内套管进入，蒸汽冷凝水在内外套管之间，有效地防止冷凝水冻结在设备内。
　　整个系统液氯贮存量和残存三氯化氮量相当少，即事故发生的机率本来就相当低。为了确保安全，在气化器壳程侧和缓冲罐都设有排污口，一旦因为负荷的变化液氯在气化器内形成液位而导致气化温度过低，用于定期对壳程内液氯中三氯化氮的含量进行检测，防止含量超出标准规定，也便于定期排放残液，以防止三氯化氮积存发生爆炸危险。同时考虑到氯气输送距离较长，为了避免气化后的氯气在输送过程中出现再次液化的情况，气化器设计有过热段，整个供氯系统采用自动的工艺及安全保障措施，以确保系统稳定、安全地运行。
　　2。2。2气化器材质选择
　　材料选择是非常重要的设计环节，既要满足设备的强度要求，又要考虑加工制造工艺的要求，还要考虑设备使用的安全性要求，总之材料的选择要综合考虑成本及其所需的强度。壳程介质为液氯，毒性为高度危害，操作温度为20，属于低温压力容器。普通的碳素钢不能满足使用要求，需要选择低碳钢或低合金钢，本设计气化器壳体材质选用16MnDR，可以满足要求。液氯中会有一定含量的三氯化氮，随着蒸发过程的进行，积累在其中的三氯化氮含量则越来越高。当三氯化氮在液氯中浓度超过5时即有爆炸的危险。而蒙乃尔合金是一种以铜、镍为主的合金，这种合金可以作为三氯化氮热分解的催化剂。在没有催化剂存在的情况下，三氯化氮在50时开始分解，但是分解速率较低，分解不完全，当温度达到71时，大部分三氯化氮将被气化进入到氯气中，因为此时三氯化氮在氯气中的浓度将远低于爆炸下限，因此也不会发生危险。当温度进一步提高达到100时只需1min就可全部分解。在有蒙乃尔合金作为催化剂存在的情况下，可以降低三氯化氮的分解温度，并且相同的温度下去除率会大幅提高，使用过的蒙乃尔合金可以反复使用不影响其性能。因此，为了提高设备使用的安全性，在换热管之间放置MONEL400材料作为热分解催化剂。因内插管及外套管内侧介质为水蒸气，故内插管材质选用20钢，外套管外侧与液氯有接触，故外套管材质选用16MnR。
　　2。3工艺控制及安全联锁
　　蒸汽管线控制阀：考虑到气化器设备材质的允许使用的最高温度为120，所以蒸汽需要减压控制在小于1。8MPa（a），并且控制始终小于氯气的压力。当进入气化器前的蒸汽超过压力上限0。185MPa（a）、气化器内温度超上限70、气化的氯气压力超过上限1。2MPa（a），三者其中任一条件达到则蒸汽阀关闭。
　　氯气管线控制阀：当气化的氯气温度不足下限设定值时、控制阀前后压差不足设定低限0。08MPa时，两者其中之任一条件达到则氯气控制阀关闭。液氯管线切断阀：为了控制气化器壳程的液氯液位，在壳程侧设置了液位计口（h1，h2）。通过液位计的控制和联锁，可防止液位过高而导致液氯气化不完全，当气化器液位达到高限设定值或者当进入气化器前的蒸汽不足压力下限0。15MPa（a），两者其中之任一条件达到则液氯切断阀关闭。紧急停车开关：蒸汽控制阀门关闭、液氯供应阀门关闭、氯气控制阀门关闭、安全泄阀门打开。
　　3结论
　　液氯全气化工艺的优点是很显著的，不仅提高了液氯气化工艺的本质安全性，同时由于自动化水平的提高也大大降低了工人的劳动强度，该液氯气化装置从2012年6月投产运行至今，设备运行一切正常，在氯气压力调节阀出现故障的情况下，采用手动控制也完全能够满足液氯气化工序的运行要求，并且在设备运行满一年的时候对气化器做了一次全面检查，设备状态良好，几次安全联锁的启动也验证了事故状态下的安全性。该气化工艺自动化水平高，能耗也相对降低，设备使用寿命延长，安全可靠，可以在液氯气化工序中进行广泛推广。