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危险化学品生产的冷却、冷凝与冷冻技术
发布时间: 2021/12/22
危险化学品生产的冷却、冷凝与冷冻技术
  (一)冷却、冷凝的危险性分析与安全要求
  冷却与冷凝被广泛应用于化工生产中,两者的主要区别在于被冷却的物料是否发生相的改变。若发生相变(如气相变为液相)则为冷凝,无相变只是温度降低则为冷却。冷却与冷凝方法根据冷却与冷凝所用的设备,可分为直接冷却与间接冷却两类。
  1.直接冷却法
  可直接向所需冷却的物料加入冷水或冰等制冷剂,也可将物料置入敞口槽中或喷洒于空气中,使之自然气化而达到冷却的目的(这种冷却方法也称为自然冷却)。在直接冷却中常用的冷却剂为水。直接冷却法的缺点是物料被稀释。
  2.间接冷却法
  通常是在具有间壁式换热器中进行的。壁的一边为低温载体,如冷水、盐水、冷冻混合物及固体二氧化碳等,壁的另一侧为所需冷却的物料。一般冷却水所达到的冷却效果不低于0℃;20%浓度的盐水,其冷却效果可达-15~0℃;冷冻混合物(以压碎的冰或雪与盐类混合制成),依其成分不同,冷却效果可达-45~0℃。间接冷却法在化工生产中应用较广泛。间接冷却法(夹套式换热器)工作原理示意如图16所示。
  冷却、冷凝的安全操作在化工生产中容易被人们忽视。实际上它很重要,它不仅涉及原材料消耗及产品收率,而且严重地影响安全生产。在实际操作中应做到以下安全要求。
  ①根据被冷却物料的温度、压力、理化性质以及所要求冷却的工艺条件,正确选用冷却设备和冷却剂。
  ②对于腐蚀性物料的冷却,最好选用耐腐蚀材料的冷却设备。例如,石墨冷却器、塑料冷却器以及用高硅铁管、陶瓷管制成的套管冷却器和钛材冷却器等。
  
  图16 间接冷却法(夹套式换热器)工作原理示意(用于反应器的加热或冷却,加热剂或冷却剂在夹套内通过问壁与反应器内的物料进行换热。用蒸汽
  进行加热时,蒸汽高进低出。当冷却时,冷却水从下部进入,而由上部流出。)
  ③严格注意冷却设备的密闭性,不允许物料窜人冷却剂中。也不允许冷却剂窜人被冷却的物料中(特别是酸性气体)。
  ④冷却设备所用的冷却水不能中断。否则,反应热不能及时导出,致使反应异常,系统压力增高,甚至产生爆炸。另一方面,冷却、冷凝器如断水,会使后部系统温度升高,未冷凝的危险气体外逸排空,可能导致燃烧或爆炸。用冷却水控制系统温度时,一定要安装自动调节装置。
  ⑤开车前先清除冷凝器中的积液,再打开冷却水,然后才能通人高温物料。
  ⑥为保证不凝性可燃气体完全排空,可充氮保护。
  ⑦检修冷凝、冷却器时,应彻底清洗、置换。
  (二)冷冻的危险性分析与安全要求
  在化工生产过程中,如蒸气、气体的液化,某些组分的低温分离,及某些物品的输送、储藏等,常需将物料降到比水或周围空气更低的温度,这种操作称为冷冻或制冷。冷冻操作的实质是不断地由低温物体(被冷冻物)取出热量,并传给高温物体(水或空气),以使被冷冻的物料温度降低,该过程借助于冷冻剂来实现。适当选择冷冻剂及其操作过程,可以获得由零度至接近于绝对零度的任何程度的冷冻。
  1.常用冷冻剂的概述
  目前广泛使用的冷冻剂是氨。在石油化学工业中,常用石油裂解产品乙烯、丙烯作为冷冻剂.
  (1)氨的危险特性
  氨在标准状态下沸点为-33.4℃,冷凝压力不高。它的汽化潜热和单位质量冷冻能力均远超过其他冷冻剂,所需氨的循环量小。它的操作压力同其他冷冻剂相比也不高。即使冷却水温较高时,在冷凝器中也不超过1.6MPa压力。而当蒸发器温度低至-34℃时,其压力也不低于0.1MPa压力。因此,空气不会漏入以致妨碍冷冻机正常操作。
  氨几乎不溶于油,但易溶于水,1个体积的水可溶解700个体积的氨,所以在氨系统内无冰塞现象。
  氨对于铁、铜不起反应,但若氨中含水时,则对铜及铜的合金具有强烈的腐蚀作用。因此,在氨压缩机中不能使用铜及其合金的零件。
  氨有强烈的刺激性臭味,在空气中超过30mg/m3,长期作业会对人体产生危害。氨属于易燃、易爆物质,其爆炸下限为15.5%。氨于130℃开始明显分解,至890℃时全部分解。
  (2)氟里昂的危险特性
  氟里昂冷冻剂的沸点随其氟原子数的增加而升高,在常温下其沸点范围为-82.2---40℃。
  氟里昂冷冻剂无味,不具有可燃性和毒性,同空气混合无爆炸危险,同时对金属无腐蚀,因此是一种比较安全的冷冻剂。但是由于氟里昂破坏大气臭氧层,已限制使用。
  (3)乙烯、丙烯的危险特性
  乙烯沸点较低,能在高压(30kgf/cm2.1kgf/cm2—98.0665kPa,下同)下于较高的温度(-25℃)冷凝,又能在低压(0.272kgf/cm2)下于较低的温度(-123℃)蒸发。丙烯在latm,可于-47.7℃的低温下蒸发,因此,可用丙烯作为乙烯的冷冻剂。
  乙烯、丙烯均属于易燃、易爆物质。乙烯爆炸极限为2.75%~34%,丙烯为2%~11.1%,如空气中乙烯、丙烯含量达到其爆炸浓度,可产生燃烧爆炸的危险。
  乙烯的毒性在于麻醉作用,而丙烯的毒性是乙烯的两倍,麻醉力较强,其浓度在1lOmg/L时,人吸入短时间内即可引起轻度麻醉,对长期从事操作的工人有害。
  2.冷冻的安全要求
  冷冻机安全技术一般常用的压缩冷冻机由压缩机、冷凝器、蒸发器与膨胀阀4个基本
  
  图17 氨冷冻机的工作示图                           气体压缩机   膨胀节流阀
  图18 氨冷冻机工作原理(首先将液氨送入蒸发器,在蒸发器中吸收冷媒水的热量,冷媒水温度下降,产生制冷效应,雨液氨汽化为氨气;氨气被压缩机抽去,并压缩成高温高压的氨气;高温高压氨气送入冷凝器中被冷却水带走热量,冷凝成冷凝器压力下所对应的冷凝温度,使氨气变成液氨;液氨经过节流降压装置后,变成低压的液氨,然后流人蒸发器中汽化。便完成了一次制冷循环过程。如此周而复始地工作,就达到了连续制冷效果。)
  部分组成。冷冻设备所用的压缩机以氨压缩机较为多见,氨冷冻机的工作示意如图3—17所示,氨冷冻机的工作原理如图18所示。
  在使用氨冷冻压缩机时应注意以下事项。
  ①采用不产生火花的防爆型电气设备。
  ②在压缩机出口方向,应在汽缸与排气阀之间设一个能使氨通到吸人管的安全装置,以防压力超高。为避免管路爆裂,在旁通管路上不装阻气设施。
  ③易于污染空气的油分离器应装于室外。采用低温不冻结,且不与氨发生化学反应的润滑油。
  ④制冷系统压缩机、冷凝器、蒸发器以及管路系统,应注意其耐压程度和气密性,防止设备、管路产生裂纹和泄漏,同时要加强安全阀、压力表等安全装置的检查、维护。
  ⑤制冷系统因发生事故或停电而紧急停车时,应注意被冷物料的排空处理。
  ⑥装有冷料的设备及容器,应注意其低温材质的选择,防止金属低温脆裂。