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      輸送氯氣用工業(yè)管道的材質(zhì)選擇

      2020-06-07 09:07:50
      化工時刊 2020年4期
      關(guān)鍵詞:反應(yīng)釜碳鋼氯氣

      管 慶

      (瓦克化學(南京)有限公司,江蘇 南京 210047)

      氯氣是工業(yè)中經(jīng)常用到的氣體原料,廣泛應(yīng)用于化學化工、制藥、冶金、電子、環(huán)保等[1, 2]行業(yè)。氯氣屬于有毒氣體且是一種強氧化劑,在工業(yè)裝置中一般采用管道密閉的方式進行輸送,避免因泄漏造成安全、環(huán)保事故。管道材質(zhì)的選擇是設(shè)計輸送氯氣用工業(yè)管道(以下簡稱“氯氣管道”)首先必須解決的問題,事關(guān)能否安全、經(jīng)濟、高效的使用氯氣,甚至可能決定整個項目的成敗。

      對于氯氣管道材質(zhì)的選擇,一般需要考慮以下四點:①氯氣的化學特性②氯氣的狀態(tài)參數(shù)(干/濕狀態(tài)、溫度、壓力等)③管道的工作環(huán)境(室內(nèi)、室外等)④管道材質(zhì)的經(jīng)濟性

      1 氯氣化學特性的影響

      氯屬于鹵族元素。氯氣是一種強氧化劑。盡管如此,氯氣本身還是比較穩(wěn)定的。純凈的氯氣在常溫下與金屬鐵不會發(fā)生化學反應(yīng)。正是基于此,工業(yè)上,特別是在氯堿行業(yè)中,碳鋼管道被大規(guī)模的應(yīng)用于低于80 ℃的干氯氣的輸送[3, 4]。同時,因為氯氣的高毒性及泄漏后可能造成嚴重后果,氯氣管道的材質(zhì)還必須可靠及耐用。例如玻璃雖然對氯氣有非常好的耐受性,但由于玻璃管道本身易碎,且管口連接處密封可靠性不高,其耐壓性也有局限,因此一般不建議作為工業(yè)氯氣管道的主材使用。

      2 氯氣狀態(tài)參數(shù)的影響

      工業(yè)應(yīng)用中,含水量小于0.05%(v/v)的氯氣可稱為干氯氣。反之,則為濕氯氣。對低于80 ℃的干氯氣,碳鋼材質(zhì)(如20#/GB/T9948、16Mn/GB64795[5])管道就能滿足輸送要求。但是對于濕氯氣,由于水和氯氣會在常溫常壓下發(fā)生下列反應(yīng):

      產(chǎn)生氯化氫和具有強氧化性的次氯酸,而氯化氫又極易溶于水生成鹽酸,加之氯氣本身的強氧化性,導(dǎo)致濕氯氣具有極強的腐蝕性,碳鋼、奧氏體及雙相不銹鋼管道皆不適用。在金屬管道中,較常見用于濕氯氣輸送的有鈦管、鈦合金管和哈氏合金管(如Hastelloy C-22)。在條件允許的情況下,更多的是采用非金屬管道輸送濕氯氣。適用于濕氯氣輸送的非金屬管道有很多,比如玻璃、耐酸酚醛塑料[6]、PVC+FRP(PVC外纏FRP)、PVDF、PFA、PFA+PVDF(PVDF襯PFA)、PTFE管道等。除了氯氣的干、濕狀態(tài),氯氣的設(shè)計壓力、設(shè)計溫度也會影響管道材料的選擇,例如玻璃管道的最大使用壓力一般不能超過2.0 barg,PVC+FRP管道的使用溫度不宜超過60 ℃。

      3 管道工作環(huán)境的影響

      在工業(yè)應(yīng)用中,氯氣管道一般會有室內(nèi)和室外部分。而普通非金屬管道(如PVC、PVDF、PTFE)的抗紫外線能力一般較差,導(dǎo)致其在室外的老化速度遠比金屬管道要快,因此在選擇氯氣特別是濕氯氣的室外管道材料時要特別留意。如果選擇非金屬管道作為氯氣的室外管道,一定要選擇具有抗紫外線能力的(例如碳鋼襯PTFE管),也可考慮采用鋁皮、彩鋼板包裹的方式避免紫外線的影響。除此以外,對特殊工況還需要具體分析,例如將干氯氣通入熱的水溶液液面下進行工藝反應(yīng)時,在氯氣與水溶液的交界面上肯定會形成濕氯氣,如果還選用鋼管作為插入管顯然是不合適的,同時還必須兼顧水溶液在反應(yīng)前后的具體情況(比如溫度、壓力、pH值等)。

      4 管道材質(zhì)的經(jīng)濟性

      對于氯氣管道的材質(zhì)選擇,在保證安全可靠的前提下,也應(yīng)考慮到經(jīng)濟合理性。例如PTFE管道對氯氣有非常好的適用性,但是如果單獨大量使用,價格太高,施工難度又大,還不耐紫外線,所以一般會選擇碳鋼襯PTFE管。還有例如貴金屬氯化物生產(chǎn)工藝[7]需要將室外氯氣站的干氯氣通入生產(chǎn)車間內(nèi)反應(yīng)釜中的強酸性熱水溶液中進行反應(yīng),且最終產(chǎn)品質(zhì)量對于鐵離子的含量相當敏感,此種情況如果使用單一材質(zhì)管線,要么無法滿足工藝要求,要么就是難以找到材料或者由于材質(zhì)的特殊性而價格不菲,因此必須考慮采用多種材質(zhì)管線結(jié)合使用的方式,例如可選用碳鋼管道作為氯氣站至生產(chǎn)車間的外管主材,而車間內(nèi)直至反應(yīng)釜附近的管線可選用PVC外纏FRP管道,最后接近反應(yīng)釜直至深入反應(yīng)釜內(nèi)水溶液液面以下的管線可選用聚四氟乙烯管道或者PFA+PVDF管道。顯然這樣多種材料結(jié)合使用,既滿足了氯氣管道的使用要求,又兼顧了經(jīng)濟性。

      5 結(jié)語

      本文通過具體事例對輸送氯氣用工業(yè)管道的材質(zhì)選擇進行了一般性分析和歸納,并列出了部分適用于氯氣管道的材質(zhì)及其特點供參考(見表1)。由于行業(yè)、生產(chǎn)流程、工藝的不同要求,還應(yīng)本著具體情況具體分析的原則方能找到最適合的氯氣管道材質(zhì)。

      表1 輸送氯氣用工業(yè)管道材質(zhì)及特點Tab. 1 Piping Materials And Corresponding Features For Chlorine

      (續(xù)表)

      附:材料英文縮寫說明

      PVC-Polyvinyl chloride, 聚氯乙烯

      FRP-Fiber reinforced polymer, 管道上一般指玻璃纖維增強復(fù)合材料, 俗稱玻璃鋼

      PFA-Polyfluoroalkoxy,四氟乙烯—全氟烷氧基乙烯基醚共聚物,又稱可溶性聚四氟乙烯

      PVDF-Polyvinylidene difluoride, 聚偏二氟乙烯

      PTFE-Polytetrafluoroethylene, 聚四氟乙烯

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