液氯蒸发器系统及其设计

1、液氯蒸发器系统及其设计熊水应提要阐述了液氯蒸发器设置的目的及依据,蒸发器的内部结构、功能和操作原理;介绍了蒸发器管道系统及电气、仪表控制系统的设计;并提出了设计中注意的问题和建议。关键词液氯 氯气 蒸发器 管道系统 设计Design of Liquid Chlorine Evaporator SystemXiong ShuiyingAbstract: The purpose and reason to adopt liquid chlorine evaporators (LCE and their structure and function as well are discussed. Th

2、e design of LCE system, especially the pipeline system, the electrical and instrument control system are introduced in detail, Some points for attention and suggestion are also presented in the paper.1 液氯蒸发器设置的目的及依据氯主要以液态、气态两种状态存在,是液态还是气态由温度和压力两个参数决定。在一定的饱和蒸气压下,氯的温度高于其汽化临界温度时,氯就呈气态。因此,供给热源可帮助液氯汽化。单凭

3、从大气环境中吸收热量自然蒸发,将受到当地常年的气温条件的影响。据美国氯气协会规范:一只吨级氯瓶,4时,凭自然蒸发获得的供气量只有8kg/h10kg/h,而不至于结霜。我国目前尚无一权威单位可提供氯瓶的有关可靠数据,参考美国、日本等国家的规范及多年的运行经验,我国的LP800 1t氯瓶出气量约为7kg/h,由于有些地区水质较差,相应氯投加量较大,加之水厂规模大,因此大容量加氯场合是经常遇到的。例如:上海地区,前加氯量有的达到8mg/L,后加氯量4mg/L。对于一个20万m3/d的水厂,经计算加氯量为100kg/h。倘若采用自然蒸发来满足100kg/h的需气量,每边必须挂上15只吨级氯瓶(按照美国

4、规范也得需要10只瓶。这样,不但要增加并联氯瓶的个数,扩大加氯间建筑面积,而且由于管道连接接头过多,增加了氯泄漏的机会。因此,对于这种大容量加氯的场合,必须考虑设置液氯蒸发器来解决对氯源的需求。对于大容量加氯必须设置液氯蒸发器,目前还没有一个统一的界限。美国首都控制公司(简称首都公司选择标准大致以100kg/h的需气量为分界;德国等欧洲国家认为:当需气量大于40kg/h或从大容量储存系统中供应液氯时,一般采用液氯蒸发器;日本水道设施设计指南中指出:对液氯使用量在20kg/h以上的设施,原则上都要设置蒸发器。2 液氯蒸发器的内部结构及功能液氯蒸发器各个生产厂家设计方法稍有不同,系统的配置或者某些

5、部件结构上也有些差异,但基本原理一致,即蒸发器缸(蒸发室从热媒中获取热量并有效地传送给液相氯,使之变成带有饱和热的气体。传热的媒质很多,主要是电加热水,如:美国Wallace & Tiernan (W&T公司,Fischer & Porter (F&P公司,首都公司等。就水作传热媒质而言,W&T公司50-200系列,采用外部加热器,用一水泵强制循环被加热水。F&P公司的71V1100B系列,首都公司的VAX4600系列,W&T公司德国分部E-2000系列均采用直接将电加热器浸入水箱中,利用对流的自然传热方式,简化了内部结构。也有采用电加热

6、油的,如ALLDOS公司的RV171系列使用一种矿物油。上述各种系列的蒸发器内部结构大致相似,都置于一柜体中,柜体材料与加氯机柜相同,有的是采用高强度玻璃钢,有的是压制成型ABS及结构泡沫塑料。下面以W&T公司的50-200系列蒸发器为例,介绍一个蒸发器的内部结构及功能(见图1。 图1 50-200系列蒸发器蒸发器柜内主要包括电加热器、蒸发室、热水箱、阴极保护装置、控制盘及各种自控仪表、热水循环泵等部分。(1电加热器装在热水箱外部,用水泵强制循环热水,可防止蒸发室局部过热,更易保证水温均匀。(2蒸发室是蒸发器的主要部件,浸泡在热水箱中。液氯进入蒸发室底部,经热传导,蒸发为过热的氯气,由

7、蒸发室上部出气口送出。蒸发室内设有检测氯的温度和压力的传感器。(3热水箱是储存传热媒质的地方。里面还包括控制水位、水温状态的传感部件。(4阴极保护装置是利用镁棒作牺牲阳极插入热水箱中,以适量的硫酸钠溶于水中,以保持恒定导电性,达到水箱壁和蒸发室壁防腐的目的。(5控制盘设在蒸发器的上方。上面设有电源接线端子,容纳了所有控制功能及各种检测仪表。71V1100B系列和VAX4600系列蒸发室内部还设有过热缓冲装置,使氯气离开蒸发器出口时过热,即在给定压力下超过沸点最少5.5,使其具有更多的热焓,减小其流出后重新液化的可能性。3 液氯蒸发器的操作原理液氯蒸发器基本上是一个被传热媒质水环绕的蒸发室,热水

8、箱中的水被电加热器加热。液氯进入管伸入蒸发室的底部,通过蒸发室壁吸收热量而汽化,氯气上升,从上部的气体排出管中引出。热水箱中设有水温恒温控制器,由它来控制电加热器的加热或停止。因此,不管蒸发量的大小,热水箱中温度总是保持恒定。另外,热水箱中还设有低水位开关或恒水位开关,通过水位开关控制热水箱给水管线上的电磁阀的启停,或配以电磁阀及限流阀进水,高水位时自动溢流,亦可保证热水箱的恒水位。由于热水箱中水温、水位可保持相对稳定,蒸发器进液管、出气管的特殊位置设计,使得蒸发室中的压力受到氯瓶中压力的限制,液氯可以进入蒸发室,也可以离开蒸发室,流回氯瓶,蒸发室中的液位根据需气量可自动调整。因此,蒸发器蒸发

9、量的大小仅取决于加氯系统的需气量。当加氯机投加量恒定时,蒸发器中的液位保持不变。此时,液氯进入蒸发室受热汽化量与加氯机的投加量刚好相等,即进多少液氯便能及时蒸发成氯气,处于一个动态平衡状态。倘若需气量增加,在其它条件未变的情况下,蒸发室中蒸发速率不变,这样,蒸发量小于需气量,于是蒸发室中的气体压力降低,氯瓶中的液氯进入蒸发室的速度加快,液位随之上升。液氯接受热媒质传热面积增大,蒸发量相应增大,气体的压力回升,直至与氯瓶中压力相近。这样,液面又在一个新的位置上达到了平衡,反之亦然。4 液氯蒸发器管道系统及其设计完整的蒸发器系统配置还包括重要的管线系统,即液氯管线,氯气管线,以及蒸发器热水箱的给排

10、水管线。图2是一典型的管道系统的配置情况(按照首都公司的推荐设计。 图2 液氯蒸发器典型的管道系统4.1液氯管线液氯管线一般为厚壁的碳钢管(无缝钢管或锻钢管,接自汇流排(header,经过液氯压力自动切换系统(若采用接至蒸发器的进液管。由于液氯的热膨胀系数很大,氯从液态变成气态时,体积增大约460倍。假如液氯(不含气泡被关闭在两个阀门之间,当温度升高时,将产生很高的压力,会因静压导致液氯管道破裂。因此,在液氯管道设计时,应考虑到温度变化,管道堵塞,误操作等可能破坏因素,在两个阀门之间的液氯管道上设置膨胀室保护。膨胀室保护包括爆破膜,压力开关及膨胀室。爆破膜为一种高强度耐蚀镍铜(锰铁合金,破坏压

11、力为400psi(2.8MPa,压力开关应为膜片保护式,并且压力开关设定值可调节,一般设置在40psi(0.28MPa左右(首都公司规定。膨胀室的工作压力很高,各个厂家有不同的尺寸,对应的膨胀室与液氯管线都有一定的保护长度,若管道长度超过要求,需增设一个膨胀室组。在超压时(大于2.8MPa,爆破膜片破裂,高压液氯冲入膨胀室泄压,压力开关输出信号报警,压力表也可指示膨胀室内已充压。4.2氯气管线氯气管线上应设有防超压的保护措施,即泄压阀组件。并且应设在蒸发器气体出口与第一个手动阀门之间,在蒸发器误操作中被阀门隔断或管道堵塞的情况下,可自动释放超压气体。压力释放阀为弹簧式,释放压力可人为调节,但通

12、常放置在250psi(1.75MPa(首都公司产品规定。泄放管线应接至室外,以防气体造成人员伤害和设备损失,其末端必须朝下,出口设细孔塑料网罩,防止进水或昆虫等异物。管线避免出现U型敷设,防止水蒸气在U型低位处冷凝驻留。泄压管线还应设置压力报警开关,与液氯管线上的压力开关原理及结构相同,其输出信号接至报警装置。泄压阀旁路上的阀门通常关闭,只在清洗蒸发器前排空蒸发室及管线中的氯气时才打开。氯气管线上的另外一个重要部件是自动关闭阀,该阀与蒸发器的低水温开关联锁自动控制。当蒸发器中传热媒质的温度低于水温开关的设定值时,该阀自动关闭,可防止液氯未汽化而窜入氯气管线中。在一定的汽化临界温度下,氯的压力低

13、于其饱和蒸汽压时,氯就呈气态。降低管线上氯气的压力,相当于其再液化温度下降,可以防止再液化现象的出现。因此,自动关闭阀多设计为电动减压阀的型式。蒸发器气出口处,氯气温度比周围环境温度要高得多,很容易散热,所以自动关闭减压阀的设置离蒸发器越近越好,一般控制在1.5m以内。若空间条件限制满足不了这个要求,笔者建议在减压阀的上游增设电加热液氯捕集器,并且将氯气管线坡向蒸发器,可让冷凝的气体流回蒸发器蒸发室中。另外,在氯气进入自动关闭阀前,应设置氯气过滤器,还可以在蒸发器出口与泄压阀装置之间选择性地设置压力开关,设定值为200psi(1.4MPa,可防止氯气管线超压但未达到泄压阀释放时动作,起到预报警

14、作用。4.3给排水管线蒸发器的给排水管线包括热水箱的给水管,溢流管,蒸气管和放空管。给水管上设有进水电磁阀,蒸发器的恒水位开关或低水位开关自动控制其开启,保持热水箱中水位恒定。溢流管和放空管合并一根管排入下水道,蒸气管宜接至室外,或接入溢流管,使水蒸气在其中冷凝。给排水管线的连接,可根据蒸发器的布置现场确定。需要注意的是,要防止水管滴漏,保持房间干燥。5 电气及仪表控制系统蒸发器系统的用电负荷不大,主要用于电加热器的供电,一般多采用三相电源。容量为120kg/h,160kg/h,200kg/h的加热器的功率分别为:12kW,15kW, 18kW。供电还包括各种报警触点和控制回路,还应考虑蒸发器

15、系统的各种报警输出的设计。控制盘、仪表盘的设计,各种型号差别不大。50-200系列的控制盘设在蒸发器的上方,上面设有电源接线端子,纳入所有控制功能和报警接点的印刷电路板,控制开关,电源指示灯,报警灯(高水温红色,低水温为琥珀色,低水位为红色,水位观测窗,气温表,气压表,水温计,阴极保护电流计,阴极保护控制按钮和电源熔断开关等。设备内部输入、输出回路在该控制盘中已经接好,我们需要再做的工作是将3个报警信号(低水位,低水温,高水温输出接至PLC 中,另外,蒸发器前后的超压泄放报警信号也要接至PLC中。VAX4600系列,71V1100B系列的设计思想与50-200系列大致相同。E-2000型的仪表

16、盘与控制盘分开,仪表盘设在蒸发器上方前面板上,包括水位计、水温计及阴极保护电流计。控制盘单独设于墙上,包括全部蒸发器和报警的自动回路,所有重要的操作及报警信号以信号光的形式显示在控制盘上。另外,还可以将蒸发器系统的控制集中设计在整个加氯单元的中心控制系统中。6 设计中注意的问题及建议(1W&T公司50-200系列的蒸发器系统中以电动真空调压器代替了自动关闭减压阀,因此,电动真空调压器与蒸发器的出气口设置距离更应尽量短,应选择配备有电加热环的调节器,并考虑其它的氯气管线上防液化的措施,如前文所述。(2有人认为蒸发器系统已经有了一套完善的防超压安全设施,就主张在蒸发器间不设置漏氯报警的探头

17、。其实,防超压与可能泄漏不是一回事,设置气体探测仪仍然是必要的。(3蒸发器的设计能力绝不能小于加氯机的最大能力,否则蒸发器的液氯会来不及蒸发而窜入氯气管线,进入加氯机等设备中。(4蒸发器房间的布置要能满足蒸发器柜的安装及蒸发器缸能顺利起吊、拆卸等要求,起吊装置下最小净高度为3m。管线安装设备时,应注意配备适当数量的AM(ammonia法兰,保证某些部件能顺利地安装及拆卸。尤其是蒸发器进液口,出气口合适的位置上均应装AM法兰,保证蒸发器缸能从柜中抽出。(5管线布置应在整个加氯工艺系统中综合考虑,力求管道较短,蒸发器离氯瓶距离越近越好。液氯管线上的膨胀室宜设在液氯管线上最高点。氯气管线上泄放管应独立接至室外,不能接分支管。(6蒸发器系统应有一套备用。采用液氯供应系统,也应设计氯气汇流排供应氯气管线,不仅可作为液氯供应系统故障或清洗蒸发器时的备用旁路,还可以在夏季气