化工生產(chǎn)中不同導(dǎo)熱介質(zhì)對(duì)液氯氣化的對(duì)比分析

岑森裕 何 軍

(利爾化學(xué)股份有限公司，四川綿陽(yáng)，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(yīng)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(chǎng)設(shè)有液氯儲(chǔ)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(shè)備簡(jiǎn)介

該公司液氯生產(chǎn)裝置氯氣氣化工段主要包含液氯儲(chǔ)罐和液氯氣化區(qū)。公司外購(gòu)的液氯通過(guò)液氯生產(chǎn)廠家的槽車運(yùn)輸配送至公司液氯儲(chǔ)罐區(qū)卸貨儲(chǔ)存。存儲(chǔ)在液氯儲(chǔ)罐內(nèi)的液氯通過(guò)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(guò)供氯管線輸送至氯化生產(chǎn)車間氯化反應(yīng)工段使用。

該公司液氯儲(chǔ)罐區(qū)及氣化區(qū)于2016年10月建成投用，氣化區(qū)共設(shè)置有10套氣化裝置。液氯氣化的工藝流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。經(jīng)技術(shù)改造后，目前5套為蒸汽導(dǎo)熱油(導(dǎo)熱油介質(zhì)為氫化三聯(lián)苯)循環(huán)升溫氣化器，通過(guò)蒸汽加熱夾套導(dǎo)熱油，再由導(dǎo)熱油夾套給液氯盤(pán)管供熱氣化，相應(yīng)氣化器的結(jié)構(gòu)及工藝流程詳見(jiàn)圖2。另5套為蒸汽熱水循環(huán)升溫氣化器，通過(guò)蒸汽加熱夾套水，再由夾套內(nèi)的熱水給液氯盤(pán)管供熱氣化，相應(yīng)氣化器的結(jié)構(gòu)及工藝流程詳見(jiàn)圖3。單臺(tái)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(jì)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(guò)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(jìn)口液氯溫度為20℃左右，進(jìn)口壓力約為0.5MPa，對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的氣化溫度為-13.4℃，對(duì)應(yīng)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(jiǎn)圖

(1)每小時(shí)的液氯氣化顯熱計(jì)算

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

(2)每小時(shí)的液氯氣化潛熱計(jì)算

Q2=0.3×1000×274÷10000=8.22(萬(wàn)kJ)

圖2 導(dǎo)熱油攪拌加熱氣化器

圖3 熱水?dāng)嚢杓訜釟饣?/p>

(3)每小時(shí)氣氯過(guò)熱所需熱量計(jì)算

氣化器的導(dǎo)熱介質(zhì)溫度工藝控制指標(biāo)為80℃，出口處氯氣的工藝控制溫度為71℃，對(duì)應(yīng)的氯氣比熱容約為0.51kJ/(kg·℃)，

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

(4)每小時(shí)氣化所需電耗計(jì)算

根據(jù)液氯氣化所需理論熱量為8.734萬(wàn)kJ，考慮熱損失等因素后，電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷按80%進(jìn)行計(jì)算，對(duì)應(yīng)導(dǎo)熱油的攪拌電機(jī)功率7.5 kW，P1=7.5×0.8=6kW·h，折算為2.16(萬(wàn)kJ)；對(duì)應(yīng)熱水?dāng)嚢璧碾姍C(jī)功率為7.5kW，P2=7.5×0.8=6kW·h，折算為2.16(萬(wàn)kJ)。

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

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

3 氣化穩(wěn)定性實(shí)際對(duì)比分析

兩種氣化裝置的采購(gòu)、安裝費(fèi)用基本一致。導(dǎo)熱油的采購(gòu)成本較水更高，導(dǎo)熱油須定期進(jìn)行更換，熱水須不定期進(jìn)行補(bǔ)充。根據(jù)上節(jié)的能耗分析可知，日常使用時(shí)兩者電耗基本一致。

通過(guò)在裝置穩(wěn)定運(yùn)行期間，選取一段時(shí)間內(nèi)氯氣氣化區(qū)1套導(dǎo)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(duì)兩種導(dǎo)熱介質(zhì)氣化器的工作穩(wěn)定性進(jìn)行分析對(duì)比。

3.1 液氯氣化出口溫度

對(duì)一段時(shí)間內(nèi)DCS上的兩種導(dǎo)熱介質(zhì)氣化器出口溫度的跟蹤分析，詳見(jiàn)圖4、圖5的DCS趨勢(shì)圖。

從氣化出口溫度趨勢(shì)對(duì)比來(lái)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(guó)氯堿工業(yè)協(xié)會(huì)(2010)協(xié)字第070號(hào)關(guān)于下發(fā)《關(guān)于氯氣安全設(shè)施和應(yīng)急技術(shù)的指導(dǎo)意見(jiàn)》”的通知中要求液氯氣化后去使用設(shè)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(dǎo)熱油攪拌加熱氣化器出口溫度一般會(huì)在71℃上下浮動(dòng)，但熱水?dāng)嚢杓訜釟饣骷訜釙r(shí)則不會(huì)出現(xiàn)出口溫度低于71℃的的情況。

此外，從整個(gè)趨勢(shì)線的情況來(lái)看，熱水?dāng)嚢杓訜釟饣鞒隹跍囟炔▌?dòng)曲線振幅明顯小于改造前，波動(dòng)周期小，且一致性更好。說(shuō)明相較于導(dǎo)熱油攪拌加熱氣化器，熱水?dāng)嚢杓訜釟饣髡{(diào)控出口溫度更穩(wěn)定，更易于出口溫度的控制。

圖4 導(dǎo)熱油攪拌加熱氣化器氣化出口溫度

圖5 熱水?dāng)嚢杓訜釟饣鳉饣隹跍囟?/p>

3.2 導(dǎo)熱介質(zhì)溫度對(duì)比

對(duì)一段時(shí)間內(nèi)DCS上的兩種導(dǎo)熱介質(zhì)氣化器加熱介質(zhì)溫度的跟蹤分析，詳見(jiàn)圖6、圖7的DCS趨勢(shì)圖。

從導(dǎo)熱介質(zhì)的溫度趨勢(shì)對(duì)比來(lái)看，加熱溫度基本一致。但波形上導(dǎo)熱油攪拌加熱氣化器的熱油介質(zhì)波動(dòng)調(diào)節(jié)頻率大于熱水?dāng)嚢杓訜釟饣鞯臒崴橘|(zhì)，其符合熱油傳熱性質(zhì)。從趨勢(shì)總體來(lái)看，熱水溫度波動(dòng)比熱油更穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)熱介質(zhì)溫度高頻變化的情況。

圖6 導(dǎo)熱油攪拌加熱氣化器加熱介質(zhì)溫度

圖7 熱水?dāng)嚢杓訜釟饣骷訜峤橘|(zhì)溫度

3.3 蒸汽調(diào)節(jié)反饋對(duì)比

對(duì)一段時(shí)間內(nèi)DCS上的兩種導(dǎo)熱介質(zhì)氣化器蒸汽調(diào)節(jié)閥閥門(mén)調(diào)節(jié)趨勢(shì)的跟蹤分析，詳見(jiàn)圖8、圖9的DCS趨勢(shì)圖。

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

圖8 導(dǎo)熱油攪拌加熱氣化器蒸汽調(diào)節(jié)溫度趨勢(shì)

圖9 熱水?dāng)嚢杓訜釟饣髡羝{(diào)節(jié)溫度趨勢(shì)

4 安全可靠性分析

氯氣極易溶于水，當(dāng)氯氣溶于水時(shí)發(fā)生的反應(yīng)方程式如下：Cl2+H2OHClO+HCl，反應(yīng)屬于可逆反應(yīng)。當(dāng)氯氣溶于水的反應(yīng)達(dá)到平衡后，反應(yīng)釋放較少的熱量。當(dāng)遇到氣化器內(nèi)液氯盤(pán)管穿孔，泄漏的氯溶于水后發(fā)生反應(yīng)，對(duì)溫度幾無(wú)影響。

通過(guò)公司實(shí)驗(yàn)室對(duì)導(dǎo)熱油(氫化三聯(lián)苯)和氯在85℃時(shí)進(jìn)行混合，監(jiān)測(cè)熱效應(yīng)。在2.0L的反應(yīng)釜中加入導(dǎo)熱油693g，升溫至85℃，通入氯氣(約22L)，通氣時(shí)間18min。通入完成后，進(jìn)行保溫25min。反應(yīng)量熱儀RC1的量熱曲線如圖10。

圖10 RC1量熱曲線

由實(shí)驗(yàn)可知，導(dǎo)熱油在通入氯氣過(guò)程中持續(xù)放熱，平均放熱速率約30W，總放熱量約42kJ。實(shí)驗(yàn)表明氯氣與導(dǎo)熱油在85℃混合，有放熱現(xiàn)象，放熱速率與氯氣和導(dǎo)熱油的氣液接觸時(shí)間、接觸量相關(guān)，放熱量約為420kJ/mol氯氣(計(jì)算估計(jì)值)。當(dāng)遇到氣化器內(nèi)液氯盤(pán)管穿孔，泄漏的氯與導(dǎo)熱油會(huì)發(fā)生反應(yīng)放熱，會(huì)造成設(shè)備損壞、火災(zāi)等安全事故。

5 總結(jié)

根據(jù)以上所述，采用導(dǎo)熱油攪拌加熱氣化和熱水?dāng)嚢杓訜釟饣哪芎幕疽恢?。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(shí)，更宜采用熱水加熱氣化的方式進(jìn)行。采用熱水加熱氣化的生產(chǎn)工藝對(duì)于氯化反應(yīng)工段氯氣原料的質(zhì)量穩(wěn)定性和安全可靠性優(yōu)勢(shì)更加明顯。