氯氣與氯乙烯氣體的理化性質(zhì)與毒理
1. 氯氣
氯氣（chlorine）是氯元素單質(zhì)氣體，化學(xué)式Cl2，分子量71。密度比空氣大，易壓縮，可液化為黃綠色的油狀液氯。氯氣具有強(qiáng)氧化性，助燃，許多物質(zhì)都可在氯氣中燃燒，紅熱的鐵可以在氯氣中燃燒生成三氯化鐵(FeCl3），氯氣透平機(jī)有時(shí)發(fā)生“氯火”而損壞就是這一機(jī)理造成的。氯氣中混合體積分?jǐn)?shù)為5%以上的氫氣時(shí)遇強(qiáng)光即有爆炸危險(xiǎn)。氯氣劇毒，有窒息性，被列入《危險(xiǎn)化學(xué)品名錄》 ，并按照《危險(xiǎn)化學(xué)品安全管理?xiàng)l例》管控。
2. 氯乙烯
氯乙烯(Vinyl chloride)，又名乙烯基氯，化學(xué)式是C2H3Cl，分子量62.5，一種有機(jī)化合物，是高分子化工的重要單體。其氣體無色，具有醚樣香味。氯乙烯化學(xué)性質(zhì)活潑，易燃易爆。氯乙烯具有毒性，具有致畸致癌致突變性，被列入《危險(xiǎn)化學(xué)品目錄》?；贩诸愋畔⒈怼?理
3. 氯氣與氯乙烯理化毒理性質(zhì)的綜合比較
| 序號(hào) | 項(xiàng) 目 | 氯 氣 | 氯乙 烯 | 備 注 |
| 一 | 物理性質(zhì) | |||
| 1 | 感觀性狀 | 黃綠色、有刺激性氣味的單質(zhì)氣體 | 無色，有醚樣、水果氣味的化合物氣體 | |
| 2 | 沸點(diǎn)（℃） | -34.0（101 kpa) | -13.4(101kPa) | |
| 3 | 氣體密度(kg/m3) | 3.17 (101kPa) | 2.79 (101kPa) | |
| 4 | 臨界溫度（℃） | 144 | 151.5 | |
| 5 | 臨界壓力(MPa) | 7.71 | 5.60 | |
| 6 | 飽和蒸汽壓(kPa) | 673 (20℃) | 343.5 (20℃) | |
| 7 | 比熱容比(絕熱指數(shù)) | 1.307 | 1.279 | |
| 二 | 化學(xué)性質(zhì) | 強(qiáng)氧化性，助燃 | 活潑，易燃易爆 | |
| 1 | 分子量 | 71 | 62.5 | |
| 2 | 燃點(diǎn) (℃) | 無 | 472 | |
| 3 | 閃點(diǎn) (℃) | 無 | -78 | |
| 4 | 爆炸極限(空氣中含量%) | 無 | 3.6~33 | 氯乙烯的化學(xué)爆炸危險(xiǎn)性高于氯，氯因沸點(diǎn)低于氯乙烯而物理爆炸危險(xiǎn)高于氯乙烯 |
| 三 | 毒性 | 被列入《危險(xiǎn)化學(xué)品名錄》 ，并按照《危險(xiǎn)化學(xué)品安全管理?xiàng)l例》管控。氯氣危險(xiǎn)特性標(biāo)識(shí)為第2.3類有毒氣體，現(xiàn)為劇毒危險(xiǎn)品，排列序號(hào)為84，危規(guī)號(hào)：23002。 | 2017年10月27日世衛(wèi)組織國際癌癥研究機(jī)構(gòu)致癌物清單中被列為1類致癌物(證據(jù)明確，會(huì)在人類中引發(fā)癌癥)，氯乙烯所致的肝血管肉瘤更是我國法定職業(yè)性腫瘤。 | 氯氣可致人急性中毒，少量吸入即可致人哮喘甚至休克、死亡。氯乙烯中毒表現(xiàn)為亞急性或慢性，具致癌致畸致突變性。 |
| 1 | 急性毒性 | LC50： 850mg/m3, 1小時(shí)（大鼠吸入）850mg/m3, 1小時(shí)（大鼠吸入）LD50：無資料 | LC50:無資料 LD50: 500mg/kg（大鼠經(jīng)口） | LC50為半致死氣體濃度 LD50半致死劑量 |
| 2 | 亞急性與慢性毒性 | 大鼠吸入30~40mg/m3蒸氣，每天4h，5個(gè)月，20天后見心電圖改變，心搏徐緩，心律不齊；4個(gè)半月后出現(xiàn)房室傳導(dǎo)障礙。7900mg/m3，每天4h，每周5d，12個(gè)月，出現(xiàn)腦、肝、肺、腎病變及腫瘤。 | ||
| 四 | 作業(yè)場(chǎng)所允許濃度 | 1mg/m3 | 30mg/m3 |
由上表可以看出，氯乙烯的易壓縮性略低于氯氣但差別不大，僅從壓縮角度看不存在技術(shù)問題；氯乙烯的急性毒性遠(yuǎn)低于氯氣，作業(yè)場(chǎng)所允許濃度是氯氣的30倍，現(xiàn)有氯氣透平壓縮機(jī)軸封技術(shù)完全滿足氯乙烯壓縮需要。
氯氣透平壓縮技術(shù)移植用于氯乙烯壓縮的可行性
1. 研發(fā)氯乙烯透平機(jī)的難點(diǎn)
(1) 氯乙烯氣體的壓縮難度比氯氣高
氯乙烯的分子量為62.5，較氯氣分子量71為小，且有的PVC廠家提供的氯乙烯含量最低不足90%，平均分子量不足60，壓縮難度比氯氣大。
(2) 排氣壓力比現(xiàn)有氯氣透平壓縮機(jī)高
部分PVC廠家要求氯乙烯壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力1~5kPa(G），排氣壓力≤0.6MPa(G)，由于各地大氣壓不同，壓縮比約為7~9。限于已有螺桿機(jī)現(xiàn)場(chǎng)位置限制，只能考慮以整體齒輪增速型透平式壓縮機(jī)取代，而現(xiàn)有的兩級(jí)壓縮氯氣透平壓縮機(jī)設(shè)計(jì)壓縮比一般不超過6。
(3) 工藝介質(zhì)有防爆要求
氯乙烯氣體是易燃易爆氣體，而且氯乙烯分子含有雙鍵，為不飽和氯烴，化學(xué)性質(zhì)比較活潑。這對(duì)設(shè)備的零部件材質(zhì)、接地、密封提出了更高的要求。
(4) 有的PVC廠家提出氯乙烯的毒性為極毒
(5) 氯乙烯氣體含水量比氯氣高
各PVC廠家提供的氯乙烯氣體含水量普遍較高，有的甚至超過1000ppm，這對(duì)于氯氣透平壓縮機(jī)是絕對(duì)不允許的。
(6) 客戶一般都想用成熟產(chǎn)品，不愿第一個(gè)“吃螃蟹”
這才是問題的關(guān)鍵。但如大家都這么做，我們的技術(shù)與裝備就很難進(jìn)步，而實(shí)際上氯氣透平壓縮機(jī)是已成功運(yùn)行四十余年的設(shè)備，在針對(duì)氯乙烯介質(zhì)特點(diǎn)做必要改進(jìn)后，技術(shù)上并無瓶頸。
2. 氯氣透平壓縮技術(shù)移植用于氯乙烯壓縮的可行性
(1) 氯乙烯氣體的壓縮難度遠(yuǎn)小于氯化氫
氯乙烯氣體分子量為62.5，即使有的PVC廠家所提數(shù)據(jù)氯乙烯含量偏低，但其平均分子量仍遠(yuǎn)高于氯化氫(分子量36.5)，而氯化氫透平機(jī)是早已投運(yùn)多年的既有產(chǎn)品。
(2) 壓縮比偏高的應(yīng)對(duì)辦法
PVC廠家要求的氯乙烯壓縮比行業(yè)內(nèi)現(xiàn)用透平式氯壓機(jī)偏高，但進(jìn)氣壓力普遍為微正壓，相較于透平式氯壓機(jī)普遍進(jìn)氣壓力-10kPa及以下，對(duì)于壓縮機(jī)設(shè)計(jì)是有利的。而進(jìn)氣溫度10~15℃相較透平式氯壓機(jī)的30℃為低，對(duì)于壓縮機(jī)設(shè)計(jì)同樣也是有利的。按照一般規(guī)律，離心(透平)式壓縮機(jī)的壓力升與進(jìn)氣密度成正比，與葉輪線速度的平方成正比，PVC廠家給的氯乙烯進(jìn)氣條件下的氣體密度約為已有透平式氯化氫壓縮機(jī)進(jìn)氣密度的1.6倍以上，因而氯乙烯透平壓縮機(jī)葉輪設(shè)計(jì)難度并不太大。
對(duì)于這一問題我們注意到氯氣的比熱容比為1.307，氯乙烯氣體的比熱容比為1.179，在相同壓縮比下，氯乙烯的排氣溫度要低于氯氣，這就意味著氯乙烯允許更大的壓縮比。因此，可考慮適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速或加大葉輪直徑，以提高葉輪線速度，適應(yīng)其對(duì)壓縮比較高的要求。
(3) 可以參考現(xiàn)用氯乙烯壓縮機(jī)的防爆設(shè)計(jì)
氯乙烯氣體雖是易燃?xì)怏w，但只要含量不在爆炸極限范圍內(nèi)是不會(huì)燃燒爆炸的。氯乙烯爆炸極限是3.6~33%，其下限涉及作業(yè)場(chǎng)所的爆炸危險(xiǎn)，其實(shí)質(zhì)是壓縮機(jī)的軸封問題。而氯氣透平壓縮機(jī)現(xiàn)場(chǎng)氯氣允許濃度是1mg/m3，其密封技術(shù)完全滿足氯乙烯壓縮現(xiàn)場(chǎng)要求。其上限實(shí)質(zhì)是輸送介質(zhì)問題，而進(jìn)入壓縮機(jī)的氯乙烯氣體含量不可能低于33%。世界上同屬易燃易爆氣體的天然氣、合成氨、甚至氫氣，早已使用透平機(jī)壓縮，因而氯乙烯壓縮沒有不可以使用透平機(jī)的道理。至于防爆問題，只需借鑒現(xiàn)用壓縮裝置，選用防爆電器儀表，過流部分運(yùn)轉(zhuǎn)配合件選用不易產(chǎn)生火花的材料比如較低碳含量的不銹鋼，做好防靜電及接地設(shè)計(jì)就行了。相信用戶及相關(guān)設(shè)計(jì)單位在這方面更有經(jīng)驗(yàn)，廠商自然非常愿意求得他們的合作。
(4) 關(guān)于對(duì)氯乙烯毒性的認(rèn)知
盡管有PVC廠家提出氯乙烯是極毒，但從前面對(duì)于氯氣和氯乙烯毒性的比較，可知氯乙烯的毒性主要表現(xiàn)為慢性、亞急性和積累危害，其短時(shí)的急性毒性遠(yuǎn)低于氯氣，有資料直接稱其屬低毒類。國家規(guī)定的作業(yè)場(chǎng)所最高允許濃度氯乙烯比氯氣高30倍，我們認(rèn)為將氯堿行業(yè)廣泛使用的氯氣透平壓縮技術(shù)移植用于氯乙烯壓縮，不應(yīng)存在職業(yè)危害問題，因而氯氣透平壓縮機(jī)的密封技術(shù)完全可以滿足氯乙烯壓縮需要。
(5) 關(guān)于氯乙烯透平壓縮機(jī)的密封問題
咨詢交流中PVC廠家強(qiáng)調(diào)氯乙烯氣體易燃及毒性，對(duì)于透平機(jī)來說實(shí)質(zhì)是個(gè)軸封問題，因?yàn)槌颂帪閯?dòng)密封外，其余部分都是靜密封，與活塞機(jī)、螺桿機(jī)并無二致。我們對(duì)此考慮如下：
1）針對(duì)氯乙烯壓縮排氣壓力比現(xiàn)在常用的透平式氯壓機(jī)較高的情況，可以考慮為葉輪設(shè)計(jì)背葉片，靠其離心作用抵消葉輪背面的氣體壓力，從而保證現(xiàn)用透平式氯壓機(jī)的軸封能夠滿足氯乙烯壓縮的密封要求。
2）PVC廠家提供的氯乙烯含量大多僅90%左右，透平式氯壓機(jī)移植用于氯乙烯壓縮，仍以少量氮?dú)庾鳛槊芊鈿?，其?duì)于氯乙烯含量的影響用戶不應(yīng)過于介意。
3) 如果PVC廠家刻意在乎氮?dú)饷芊鈱?duì)氯乙烯純度的影響，可以考慮以水蒸氣密封，并將蒸汽密封尾氣冷凝分離后回抽到一級(jí)進(jìn)口。
(6) 關(guān)于氯乙烯氣體含水偏高
現(xiàn)在透平式氯壓機(jī)廠家要求氯氣含水100ppm以下甚至更低，主要是氯氣遇水會(huì)歧化生成鹽酸和次氯酸，二者均對(duì)氯壓機(jī)過流部件材料具有強(qiáng)烈腐蝕作用。我們注意到PVC廠家氯乙烯氣柜、管道、設(shè)備基本為碳鋼材料，且未做防腐處理，這就意味著只要不含視在明水，沒有必要過于在意氯乙烯氣體的含水量，更何況氯乙烯進(jìn)入壓縮機(jī)后，壓縮過程是個(gè)過熱過程，不會(huì)析出水滴。
(7) 透平式氯壓機(jī)是多年成熟產(chǎn)品
自上世紀(jì)七十年代末透平式氯壓機(jī)引入我國氯堿行業(yè)，已有四十多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，其技術(shù)成熟，質(zhì)量可靠，高效節(jié)能，故障率低，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)年基本無維修已不鮮見。
(8) 氯氣透平壓縮技術(shù)移植用于氯乙烯壓縮已有充分技術(shù)儲(chǔ)備
在接到PVC廠家咨詢透平式氯乙烯壓縮機(jī)后，臨海市順源機(jī)械有限公司馬上與用戶咨詢交流，收集數(shù)據(jù)及技術(shù)信息，展開技術(shù)研發(fā)，目前已就壓縮系統(tǒng)、工藝裝置、軸封改進(jìn)等申報(bào)多項(xiàng)專利。
3. 氯氣透平壓縮技術(shù)移植用于氯乙烯壓縮的經(jīng)濟(jì)性
這里僅對(duì)螺桿機(jī)與透平機(jī)做對(duì)比。
(1) 與螺桿機(jī)在投資方面的比較
用戶現(xiàn)在20萬噸PVC/年在裝5100m3/h螺桿機(jī)五臺(tái)(四開一備)，購置價(jià)約六七百萬元。如對(duì)其改造，可考慮以12000Nm3/h透平機(jī)置換現(xiàn)用五臺(tái)螺桿機(jī)中的一臺(tái)，另四臺(tái)螺桿機(jī)作備機(jī)(拆下的一臺(tái)可做這四臺(tái)的備機(jī))，處于市場(chǎng)開發(fā)階段的透平機(jī)廠家，六七百萬元的總價(jià)是可以接受的。對(duì)于新上項(xiàng)目，可考慮12000Nm3/h透平機(jī)兩臺(tái)(一開一備)，或6000Nm3/h透平機(jī)三臺(tái)(兩開一備)，如果再算上螺桿機(jī)比透平機(jī)因臺(tái)數(shù)多而在管線、儀表、電器的投資差異，采用透平機(jī)的投資可能會(huì)少于螺桿機(jī)。
3. 氯氣透平壓縮技術(shù)移植用于氯乙烯壓縮的經(jīng)濟(jì)性
(2) 與螺桿機(jī)功耗的比較
為了方便螺桿機(jī)、活塞機(jī)與透平機(jī)進(jìn)行功耗比較，先要弄明白三者銘牌標(biāo)稱流量的含義。目前國內(nèi)PVC裝置所用螺桿機(jī)、活塞機(jī)可能由于通用機(jī)械廠家的習(xí)慣，其銘牌標(biāo)稱流量為壓縮機(jī)進(jìn)氣狀態(tài)下的體積流量，其單位為m3/min或m3/h。而透平式氯壓機(jī)作為專用機(jī)械，其廠家給予的銘牌標(biāo)稱流量一般是折算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量，其單位為Nm3/h。二者是有明顯區(qū)別的。現(xiàn)以位于高原的某企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)螺桿機(jī)為例，其銘牌標(biāo)稱流量5100m3/h，當(dāng)?shù)卮髿鈮?2kPa，給定進(jìn)氣溫度15℃，進(jìn)氣壓力4kPa.G即0.086MPa.A，折算標(biāo)態(tài)流量為4157.6Nm3/h，為銘牌數(shù)值的81.5%。該企業(yè)平時(shí)要開4臺(tái)。該機(jī)單臺(tái)配用電機(jī)功率450kW，投入運(yùn)行電機(jī)功率達(dá)1800kW。如拆換一臺(tái)12000Nm3/h透平機(jī)，單臺(tái)配用電機(jī)功率為1250kW，軸功率的/1094kW，據(jù)說該企業(yè)自發(fā)電費(fèi)約每kWh 0.50元，采用透平機(jī)每年可節(jié)約電費(fèi)200多萬元。如果考慮從發(fā)電站到電機(jī)的線損、變電效率、功率因數(shù)、電機(jī)效率等，實(shí)際節(jié)電費(fèi)用會(huì)更高。(見下面綜合比較表)
3. 氯氣透平壓縮技術(shù)移植用于氯乙烯壓縮的經(jīng)濟(jì)性
(3) 與螺桿機(jī)維修費(fèi)用的比較
由于螺桿機(jī)的壓縮單元是由相互嚙合的螺桿所組成，盡管它比活塞機(jī)中由缸體活塞組成的摩擦副磨損要低一些，但發(fā)生磨損仍是必然的。而透平機(jī)的壓縮單元由缸體和葉輪所組成，它們的配合是非接觸的，故不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械磨損，因而故障率遠(yuǎn)低于螺桿機(jī)和活塞機(jī)。另外，螺桿機(jī)潤滑油與氯乙烯直接接觸，油品質(zhì)下降需經(jīng)常更換。事實(shí)上順源機(jī)械研發(fā)氯乙烯透平壓縮機(jī)的動(dòng)議，正是由于部分PVC生產(chǎn)企業(yè)因螺桿機(jī)維修量大、費(fèi)用較高而找上門的。由于透平機(jī)可長周期運(yùn)行，每年可節(jié)約維修費(fèi)用上百萬元。（見下面綜合比較表）
4. 氯乙烯透平壓縮機(jī)與螺桿機(jī)、活塞機(jī)的綜合比較
| 序號(hào) | 項(xiàng)目 | 機(jī) 種 | ||
| 活塞機(jī) | 螺桿機(jī) | 透平機(jī) | ||
| 1 | 機(jī)型 | LN-40/8-D9臺(tái)開7備2 | LU450W-7T5臺(tái)開4備1 | LYX-0.7/120001臺(tái) |
| 2 | 銘牌流量 | 40m3/min | 5100m3/h | 12000Nm3/h |
| 3 | 軸功率 | 單臺(tái)240kW，運(yùn)行總軸功率1680kW | 單臺(tái)410kW，運(yùn)行總軸功率1640kW | 1094kW |
| 4 | 配用功率 | 單臺(tái)250kW總計(jì)2250kW | 單臺(tái)450kW總計(jì)2250kW | 1250kW |
| 5 | 排氣是否帶油 | 無油 | 帶油 | 無油 |
| 6 | 流量調(diào)節(jié)方式 | 進(jìn)氣手動(dòng)閥門調(diào)節(jié) | 進(jìn)氣手動(dòng)閥門調(diào)節(jié) | 變頻調(diào)節(jié) |
| 7 | 流量調(diào)節(jié)范圍 | 20~100% | 20~100% | 0~100% |
| 8 | 節(jié)能百分比 | 增加2.4% | 比較基準(zhǔn)(以軸功率計(jì)) | 33.3% |
| 9 | 每年節(jié)省電費(fèi)(按8000h/a，0.5元/kWh) | 增加16萬元 | 比較基準(zhǔn)(以軸功率計(jì)) | 218.4萬元 |
| 10 | 大修周期 | 1年 | 2~2.5年 | 5~8年 |
| 11 | 備件需求 | 曲柄、連桿、十字頭、大小軸瓦、活塞、活塞環(huán)、活塞桿、閥座、閥片、軸承、注油泵及配件、油濾芯、潤滑油等 | 油濾芯、油分濾芯、進(jìn)氣濾芯、軸承、機(jī)械密封、螺桿、潤滑油等 | 油濾芯、油霧濾芯、氣封環(huán)、潤滑油等。視檢測(cè)確定是否更換油封環(huán)、可傾瓦塊等 |
| 12 | 每年維修費(fèi)用 | 100~150萬元 | 100~150萬元 | 10萬元 |
| 13 | 每年節(jié)的維修費(fèi) | 持平 | 基準(zhǔn)費(fèi)用 | 百萬元以上 |
| 14 | 設(shè)備特點(diǎn) | 壓縮缸體無油潤滑。設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行振動(dòng)大，噪音高，氣流脈動(dòng)。設(shè)備磨損快，維修頻繁，費(fèi)用高且對(duì)生產(chǎn)保障差。能耗偏高。單機(jī)排量小致多機(jī)占地面積大，土建投資高；運(yùn)行系統(tǒng)復(fù)雜，控制難度提高，難以適應(yīng)PVC裝置日益大型化需要。 | 排氣帶油，不利于產(chǎn)品質(zhì)量。檢修周期短，維修費(fèi)用高，噪音高，生產(chǎn)保障差。能耗偏高。單機(jī)排量小致多機(jī)占地面積大，廠房投資高；運(yùn)行系統(tǒng)復(fù)雜，控制難度提高，難以適應(yīng)PVC裝置日益大型化需要。 | 壓縮缸體葉輪非接觸，軸封配合件非接觸，檢修周期長，費(fèi)用低。設(shè)備效率高，耗能低。單臺(tái)流量大，裝機(jī)數(shù)量少，占地面積小，土建費(fèi)用低；運(yùn)行系統(tǒng)簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高；能夠適應(yīng)PVC裝置日益大型化需要。必將成為活塞機(jī)、螺桿機(jī)的升級(jí)換代設(shè)備。 |
氯氣透壓縮技術(shù)移植用于氯乙烯壓縮的意義
1. 國內(nèi)PVC企業(yè)很多是由每年數(shù)千噸規(guī)模逐步發(fā)展而來的，早期用于氯乙烯氣體壓縮的多為往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，近年逐步由回轉(zhuǎn)螺桿式壓縮機(jī)所取代。但這兩種壓縮都存在單機(jī)流量小，維修費(fèi)用多，綜合能耗高的問題。
2. 2022年中國PVC生產(chǎn)企業(yè)71家，總產(chǎn)能2810萬噸/年，平均規(guī)模已達(dá)40萬噸/年，總產(chǎn)量約2090萬噸/年。目前行業(yè)內(nèi)用的氯乙烯氣體壓縮機(jī)大部分都是螺桿式，小部分仍停留在活塞式。但從上述分析看，這是行業(yè)發(fā)展慣性及設(shè)備使用習(xí)慣的結(jié)果，未必天然合理。鑒于透平式壓縮機(jī)更適合大流量運(yùn)行，且氯氣透平壓縮機(jī)已在行業(yè)內(nèi)廣泛使用多年，將氯氣透平壓縮技術(shù)移植到氯乙烯壓縮就顯得十分必要。
3. 近兩年由于國內(nèi)外PVC市場(chǎng)下滑，PVC生產(chǎn)虧損，廠家普遍感覺運(yùn)營困難，甚至存在生存危機(jī)，一部分企業(yè)已經(jīng)限產(chǎn)甚至停產(chǎn)。另一方面，國家雙碳政策亦對(duì)仍在維持生產(chǎn)的PVC企業(yè)在節(jié)能降耗方面提出更高要求，這就必然促使企業(yè)在節(jié)能降耗上挖潛改造。
4. 我們相信，隨著PVC廠家對(duì)氯乙烯透平壓縮機(jī)的認(rèn)識(shí)加深，逐步打消對(duì)其在安全方面的顧慮，氯乙烯透平壓縮機(jī)必將象當(dāng)年氯氣透平機(jī)替代液環(huán)式壓縮機(jī)那樣逐步加快展開。