直接蒸汽加热液氯汽化器的设计

节一６４一能ＥＮＥＲＧＹＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ２０１２年笫５期（总第３５６期）直接蒸汽加热液氯汽化器的设计田晓军。张洪军（沈阳东方钛业有限公司，辽宁沈阳１１０１６８）摘要：介绍一种采用蒸汽作为加热源把液氯进行汽化的新型设备，该汽化器改变了传统液氟不能用蒸汽直接加热的局限，且降低了能耗，特殊材质延长了设备的使用寿命，提高了液氯在汽化工艺上的使用安全性。从设备的技术参敷及特点、材料选择、结构设计、制造与检验等方面进行了阐述。关键词：液氯气化器；ＭＯＮＥＬ４００；蒸汽加热：结构设计中图分类号：ＴＱｌ２４．４文献标识码：Ａ文章编号：１００４—７９４８（２０１２Ｊ０５一００６４一０３ｄｏｉ：１０３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００４—７９４８．２０１２．０５．０１９表１７∥ｈ液氯气化器设计参数引言氯是一种重要的工业原料，作为强氧化剂。在工业，特别是化工生产中具有十分广泛的应用。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，经液氯汽化工序后供给下游工艺耗氯单元进行使用。液氯汽化器是液氯汽化工序中的核心设备。由于氯气具有剧毒性，液氯汽化器一旦发生泄漏，必然对周围的人员和环境造成危害。考虑到安全和环保因素，必须对液氯气化器设计提出特殊的安全要求。本文介绍１台汽化量为７ｔ／ｈ的液氯汽化器没备的设计。该设备采用蒸汽作为加热源直接２主体材质选择材料选择足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。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，操作温度为一２０℃，属于低温压力容器。根据ＧＢｌ５０（钢制压力容器》规定，普通碳素钢和低合金钢不能满足要求，而１６ＭｎＤＲ可以满足要求。对选用的钢板还应逐张进行超声检测，钢板的合格等级不低于ＪＢ／Ｔ４７３０—２００５规定的Ⅱ级合格，并应对选择的材料按照《压力容器安全技术监察规程》第２５条规定进行复验。液氯中会有一定含量的三氯化氮，随着蒸发过对液氯进行换热加热，代替了传统的采用蒸汽加热热水循环使用作为热源进行加热的方式。ｌ直接蒸汽加热液氯气化器的技术参数液氯气化器设计参数如表１所示。该汽化器采用蒸汽作为加热源直接对液氯进行换热加热，与传统的用蒸汽加热热水作为热源的方式比较，节省了用蒸汽加热热水的热量损失，节约了热水循环泵输送消耗的电能。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，与液氯长时问接触可以去除较高含量的三氯化氮，在一定温度下接触时问越长，去除率越高，使用万方数据２０１２年第５期（总第３５６期）节ＥＮＥＲＧＹ能ＣＯＮＳＥＲＶＡｎ０Ｎ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，故换热管采用ＭＯＮＥＬ４００材料。考虑到换热管与管板之问尽量采用同材质焊接，故管板采用ＭＯＮＥＬ４００／１６ＭｎＤＩＩＩ爆炸复合钢板。管程介质为水蒸气，故管程的筒体采用１６ＭｎＲ材料。３结构设计（见图１）符号公称规格密封面用途或名称Ｎ１５０—２５ＦＭ自控液位计口Ｎ２５０一２．５ＦＭ自拧液位计口Ｎ３１２５—２．５ＦＭ氯气出口Ｎ４５０—２５ＦＭ超ＦＥ｛Ｉ｝｝放口Ｎ５８０—２．５ＦＭ液氯进口Ｎ６１００—１．６ＲＦ冷凝水出口Ｎ７１２５一１．６ＲＦ蒸汽进口Ｎ８８０—２＿５ＦＭ排ｉ彼口Ｎ９５０一Ｉ．６ＲＦ排净口Ｎ１０Ｇ３／８’内螺纹排净口图１液氯汽化器简图为了控制壳程的液氯液位，在壳程侧设置了液位计口（Ｎ１，Ｎ２）；通过液位计的控制，既防止了液位过高导致液氯气化不完全，引起设备震动，又防止了液位过低，造成换热管干烧。在壳程侧设置了排液口（Ｎ８），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，也便于定期排放防止发生爆炸危险。为了避免因结构的不连续所造成的应力集中，结构设计过程中应在有形状突变位置（如接管内径边角处）倒圆。例如，接管补强应尽量采用整体补强结构，如图２所示。图２接管整体补强结构示意图万方数据４制造及检验要求基于液氯的高度危害的特性以及环保的要求，在制造过程中，设计者应考虑设备制造的特殊要求，并在图样中注明。１）焊缝要求。在制造过程中，应严格控制焊缝的质量。在图样上明确焊缝的检测要求，Ａ、Ｂ类焊接接头应进行ＩＯＯＲＴ检测，其检测技术等级不低于Ａ、Ｂ级，合格指标应符合ＪＢ／Ｔ４７３０—２００５的Ⅱ级规定。２）热处理要求。对图样上注明盛装毒性程度为极度或高度危害介质的容器应进行焊后热处理。由于设备壳程盛装的介质为液氯，具有高度危害的特性，因此壳程制造完成后应进行焊后整体热处理。３）气密试验要求。根据《压力容器安全技术监察规程》第５８条规定，当压力容器盛装的介质其毒性为极度危害和高度危害或不允许有微量泄漏时，设计时应提出压力容器气密性试验的要求。由于壳程介质为液氯，所以图纸上应对壳程侧提出气密试验要求。５直接蒸汽加热液氯气化器的优点１）与采用热水作为加热源的方式比较，采用蒸汽作为加热源，大大提高了传热系数，节约了蒸汽用量，同时由于取消了热水输送泵，大大节省了电能，在能耗方面具有明显优势。２）由于采用蒸汽加热方式，提高了传热效率，同时又取消了热水加热罐、热水输送泵等设备，与热水加热方式比较，大大缩小了占地面积。３）采用ＭＯＮＥＬ４００作为换热管材料，可以分解三氯化氮，减少了定期排放的次数，大大增强了设备使用安全性。４）采用ＭＯＮＥＬ４００合金作为换热管，提高了设备的耐蚀性。降低了设备的泄漏几率，延长了设备的使用寿命。６效益分析以处理量７０００ｋｇ／ｈ液氯汽化成氯气为例，对采用蒸汽作为加热源直接加热方式，和采用蒸汽加热热水传统加热方式进行能耗对比。本对比中不考虑换热器损耗，不考虑初次加热仅考虑正常循环节ＥＮＥＲＧＹ能ＣＯＮＳＥＲＶＡＴｌ０Ｎ２０１２年第５期（总第３５６期）时能耗。已知条件：液氯汽化每小时处理量ｍ为７０００ｋｇ，液氯进口温度ｔｌ为ｌＯ℃，氯气出口温度ｔ２为８０。Ｃ。根据有关资料查得：１０—８０℃的液氯平均比热容为Ｃｎ＝０．９６ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）；８０℃下，液氯焓为“．＝２３９．４１ｋＪ／ｋｇ。每小时把７０００ｋｇ液氯从１０。Ｃ加热到８０。Ｃ所需的热量Ｑ。为：Ｑ。＝ｍ・ＣＨ－（ｔ：一＾）（１）计算得Ｑｌ＝４７０４００ｋＪ。每小时７０００ｋｇ液氯的汽化潜热Ｑ２为：Ｑ２＝ｍדＩ（２）计算得Ｑ２＝１６７５８７０ｋＪ。每小时７０００ｋｇ液氯气化成氯气所需得总热量Ｑ总为：Ｑ总＝Ｑ。＋Ｑ：（３）计算得Ｑ总＝２１４６２７０ｋＪ。无论用热水还是蒸汽加热汽化液氯都需要相同的热量。现分别进行计算。１）蒸汽加热热水作为热源的方式。已知换热站条件：热源为饱和蒸汽，压力为０．６ＭＰａ（Ｇ），进口温度‘为１６５℃，出口温度ｆ３为１００。Ｃ；热水出口温度气为８０℃，热水回水温度ｔ５为６０℃，热水出口压力０．３ＭＰａ（Ｇ）。根据有关资料查得：饱和蒸汽的比热容为ＣＰ２＝２．４９ｋＪ／ｋｇ・℃；１０００Ｃ饱和蒸汽焓为“２＝２２６３．８ｋＪ／ｋｇ・℃；８０—１００℃的水平均比热为Ｃｋ＝４．２ｋＪ／ｋｇ・℃。根据上面的计算结果，每小时将７０００ｋｇ液氯气化成氯气所需的热水热量Ｑ，＝Ｑ总＝２１４６２７０ｋＪ。蒸汽加热热水作为热源，每小时获得热量Ｑ３，所需要的饱和蒸汽用量为Ｍ。，则有：Ｑ３＝ＣＰ２・Ｍｌ・（ｒ４一ｔ３）＋Ｈ２・Ｍｌ＋ｃ丹。Ｍ。・（ｔ３一ｆ６）（４）计算得Ｍ。＝８５５．２１ｋｇ／ｈ。蒸汽加热热水板换的换热系数按照０．７计算，万方数据则每小时实际饱和蒸汽需要量为：Ｍ．／０．７＝８５５．２Ｉ／０．７＝１２２１．７ｋｇ／ｈ。则根据上面的计算结果，单吨液氯每小时耗０．６ＭＰａ蒸汽量为１７４ｋｇ／（ｈ・ｔ）。循环热水泵载荷Ｑ＝２８ｍ３／ｈ，扬程Ｈ＝３３ｍ，附电机功率Ⅳ＝７．５ｋＷ，单吨液氯耗电能为ｌｋＷ／ｔ。２）蒸汽作为加热源直接加热方式。已知条件：饱和蒸汽压力为０．１ＭＰａ，饱和蒸汽进口温度ｈ为１２００Ｃ；蒸汽相变后冷凝水温度ｆ７为１００℃，冷凝水出口温度为ｔ９为８０℃。根据有关资料查得：饱和蒸汽的比热容ｃＨ＝２．２１ｋＪ／ｋｇ・ｏＣ；１０００ｃ饱和蒸汽焓“２＝２２６３．８ｋＪ／ｋｇ・℃；８０—１００。ｃ的水平均比热为Ｃｋ＝４．２ｋＪ／ｋｇ・℃。蒸汽直接作为加热源，设每小时将７０００ｋｇ液氯气化成氯气所需饱和蒸蒸汽用量为坞，则有：Ｑ总＝ＣⅣ・Ｍ２・（ｈ—ｂ）＋“２。＾如＋ＣＰ３‘＾如・（％一岛）（５）计算得鸩＝８９７．２７ｋｇ／ｈ。则根据上面的计算结果，单吨液氯每小时耗０．１ＭＰａ蒸汽量为１２８ｋｇ／（ｈ・ｔ），折算为０．６ＭＰａ蒸汽，液氯单吨耗蒸汽量为１１０ｋｇ／（ｈ・ｔ）。通过上面两种方法的比较，蒸汽直接加热方式热耗明显降低，按照年运行８０００ｈ计算，年可节约蒸汽量为（１７４—１１０）ｋｇ／（ｈ・ｔ）×７ｔ×８０００ｈ＝３５８４０００ｔ。节电５６０００ｋＷｈ。同时因为减少了排污次数，同样节约了相应的液氯，以及液碱处理等相关消耗。７结论该汽化器从２００７年投产运行至今，设备运行一切正常。能够满足该液氯气化工序的运行要求，几次紧急停车验证了事故状态下的安全性。该汽化器能耗相对降低，设备使用寿命延长，安全可靠，可以在液