氯气与氯乙烯气体的理化性质与毒理

1. 氯气

氯气（chlorine）是氯元素单质气体，化学式Cl2，分子量71。密度比空气大，易压缩，可液化为黄绿色的油状液氯。氯气具有强氧化性，助燃，许多物质都可在氯气中燃烧，红热的铁可以在氯气中燃烧生成三氯化铁(FeCl3），氯气透平机有时发生“氯火”而损坏就是这一机理造成的。氯气中混合体积分数为5%以上的氢气时遇强光即有爆炸危险。氯气剧毒，有窒息性，被列入《危险化学品名录》 ，并按照《危险化学品安全管理条例》管控。

2. 氯乙烯

氯乙烯(Vinyl chloride)，又名乙烯基氯，化学式是C2H3Cl，分子量62.5，一种有机化合物，是高分子化工的重要单体。其气体无色，具有醚样香味。氯乙烯化学性质活泼，易燃易爆。氯乙烯具有毒性，具有致畸致癌致突变性，被列入《危险化学品目录》危化品分类信息表。 理

3. 氯气与氯乙烯理化毒理性质的综合比较

由上表可以看出，氯乙烯的易压缩性略低于氯气但差别不大，仅从压缩角度看不存在技术问题；氯乙烯的急性毒性远低于氯气，作业场所允许浓度是氯气的30倍，现有氯气透平压缩机轴封技术完全满足氯乙烯压缩需要。

氯气透平压缩技术移植用于氯乙烯压缩的可行性

1. 研发氯乙烯透平机的难点

(1) 氯乙烯气体的压缩难度比氯气高

氯乙烯的分子量为62.5，较氯气分子量71为小，且有的PVC厂家提供的氯乙烯含量最低不足90%，平均分子量不足60，压缩难度比氯气大。

(2) 排气压力比现有氯气透平压缩机高

部分PVC厂家要求氯乙烯压缩机进气压力1~5kPa(G），排气压力≤0.6MPa(G)，由于各地大气压不同，压缩比约为7~9。限于已有螺杆机现场位置限制，只能考虑以整体齿轮增速型透平式压缩机取代，而现有的两级压缩氯气透平压缩机设计压缩比一般不超过6。

(3) 工艺介质有防爆要求

氯乙烯气体是易燃易爆气体，而且氯乙烯分子含有双键，为不饱和氯烃，化学性质比较活泼。这对设备的零部件材质、接地、密封提出了更高的要求。

(4) 有的PVC厂家提出氯乙烯的毒性为极毒

(5) 氯乙烯气体含水量比氯气高

各PVC厂家提供的氯乙烯气体含水量普遍较高，有的甚至超过1000ppm，这对于氯气透平压缩机是绝对不允许的。

(6) 客户一般都想用成熟产品，不愿第一个“吃螃蟹”

这才是问题的关键。但如大家都这么做，我们的技术与装备就很难进步，而实际上氯气透平压缩机是已成功运行四十余年的设备，在针对氯乙烯介质特点做必要改进后，技术上并无瓶颈。

2. 氯气透平压缩技术移植用于氯乙烯压缩的可行性

(1) 氯乙烯气体的压缩难度远小于氯化氢

氯乙烯气体分子量为62.5，即使有的PVC厂家所提数据氯乙烯含量偏低，但其平均分子量仍远高于氯化氢(分子量36.5)，而氯化氢透平机是早已投运多年的既有产品。

(2) 压缩比偏高的应对办法

PVC厂家要求的氯乙烯压缩比行业内现用透平式氯压机偏高，但进气压力普遍为微正压，相较于透平式氯压机普遍进气压力-10kPa及以下，对于压缩机设计是有利的。而进气温度10~15℃相较透平式氯压机的30℃为低，对于压缩机设计同样也是有利的。按照一般规律，离心(透平)式压缩机的压力升与进气密度成正比，与叶轮线速度的平方成正比，PVC厂家给的氯乙烯进气条件下的气体密度约为已有透平式氯化氢压缩机进气密度的1.6倍以上，因而氯乙烯透平压缩机叶轮设计难度并不太大。

对于这一问题我们注意到氯气的比热容比为1.307，氯乙烯气体的比热容比为1.179，在相同压缩比下，氯乙烯的排气温度要低于氯气，这就意味着氯乙烯允许更大的压缩比。因此，可考虑适当提高转速或加大叶轮直径，以提高叶轮线速度，适应其对压缩比较高的要求。

(3) 可以参考现用氯乙烯压缩机的防爆设计

氯乙烯气体虽是易燃气体，但只要含量不在爆炸极限范围内是不会燃烧爆炸的。氯乙烯爆炸极限是3.6~33%，其下限涉及作业场所的爆炸危险，其实质是压缩机的轴封问题。而氯气透平压缩机现场氯气允许浓度是1mg/m3，其密封技术完全满足氯乙烯压缩现场要求。其上限实质是输送介质问题，而进入压缩机的氯乙烯气体含量不可能低于33%。世界上同属易燃易爆气体的天然气、合成氨、甚至氢气，早已使用透平机压缩，因而氯乙烯压缩没有不可以使用透平机的道理。至于防爆问题，只需借鉴现用压缩装置，选用防爆电器仪表，过流部分运转配合件选用不易产生火花的材料比如较低碳含量的不锈钢，做好防静电及接地设计就行了。相信用户及相关设计单位在这方面更有经验，厂商自然非常愿意求得他们的合作。

(4) 关于对氯乙烯毒性的认知

尽管有PVC厂家提出氯乙烯是极毒，但从前面对于氯气和氯乙烯毒性的比较，可知氯乙烯的毒性主要表现为慢性、亚急性和积累危害，其短时的急性毒性远低于氯气，有资料直接称其属低毒类。国家规定的作业场所最高允许浓度氯乙烯比氯气高30倍，我们认为将氯碱行业广泛使用的氯气透平压缩技术移植用于氯乙烯压缩，不应存在职业危害问题，因而氯气透平压缩机的密封技术完全可以满足氯乙烯压缩需要。

(5) 关于氯乙烯透平压缩机的密封问题

咨询交流中PVC厂家强调氯乙烯气体易燃及毒性，对于透平机来说实质是个轴封问题，因为除此处为动密封外，其余部分都是静密封，与活塞机、螺杆机并无二致。我们对此考虑如下：

1）针对氯乙烯压缩排气压力比现在常用的透平式氯压机较高的情况，可以考虑为叶轮设计背叶片，靠其离心作用抵消叶轮背面的气体压力，从而保证现用透平式氯压机的轴封能够滿足氯乙烯压缩的密封要求。

2）PVC厂家提供的氯乙烯含量大多仅90%左右，透平式氯压机移植用于氯乙烯压缩，仍以少量氮气作为密封气，其对于氯乙烯含量的影响用户不应过于介意。

3) 如果PVC厂家刻意在乎氮气密封对氯乙烯纯度的影响，可以考虑以水蒸气密封，并将蒸汽密封尾气冷凝分离后回抽到一级进口。

(6) 关于氯乙烯气体含水偏高

现在透平式氯压机厂家要求氯气含水100ppm以下甚至更低，主要是氯气遇水会歧化生成盐酸和次氯酸，二者均对氯压机过流部件材料具有强烈腐蚀作用。我们注意到PVC厂家氯乙烯气柜、管道、设备基本为碳钢材料，且未做防腐处理，这就意味着只要不含视在明水，没有必要过于在意氯乙烯气体的含水量，更何况氯乙烯进入压缩机后，压缩过程是个过热过程，不会析出水滴。

(7) 透平式氯压机是多年成熟产品

自上世纪七十年代末透平式氯压机引入我国氯碱行业，已有四十多年的应用经验，其技术成熟，质量可靠，高效节能，故障率低，连续稳定运行数年基本无维修已不鲜见。

(8) 氯气透平压缩技术移植用于氯乙烯压缩已有充分技术储备

在接到PVC厂家咨询透平式氯乙烯压缩机后，临海市顺源机械有限公司马上与用户咨询交流，收集数据及技术信息，展开技术研发，目前已就压缩系统、工艺装置、轴封改进等申报多项专利。

3. 氯气透平压缩技术移植用于氯乙烯压缩的经济性

这里仅对螺杆机与透平机做对比。

(1) 与螺杆机在投资方面的比较

用户现在20万吨PVC/年在装5100m3/h螺杆机五台(四开一备)，购置价约六七百万元。如对其改造，可考虑以12000Nm3/h透平机置换现用五台螺杆机中的一台，另四台螺杆机作备机(拆下的一台可做这四台的备机)，处于市场开发阶段的透平机厂家，六七百万元的总价是可以接受的。对于新上项目，可考虑12000Nm3/h透平机两台(一开一备)，或6000Nm3/h透平机三台(两开一备)，如果再算上螺杆机比透平机因台数多而在管线、仪表、电器的投资差异，采用透平机的投资可能会少于螺杆机。

3. 氯气透平压缩技术移植用于氯乙烯压缩的经济性

(2) 与螺杆机功耗的比较

为了方便螺杆机、活塞机与透平机进行功耗比较，先要弄明白三者铭牌标称流量的含义。目前国内PVC装置所用螺杆机、活塞机可能由于通用机械厂家的习惯，其铭牌标称流量为压缩机进气状态下的体积流量，其单位为m3/min或m3/h。而透平式氯压机作为专用机械，其厂家给予的铭牌标称流量一般是折算为标准状态下的流量，其单位为Nm3/h。二者是有明显区别的。现以位于高原的某企业现场螺杆机为例，其铭牌标称流量5100m3/h，当地大气压82kPa，给定进气温度15℃，进气压力4kPa.G即0.086MPa.A，折算标态流量为4157.6Nm3/h，为铭牌数值的81.5%。该企业平时要开4台。该机单台配用电机功率450kW，投入运行电机功率达1800kW。如拆换一台12000Nm3/h透平机，单台配用电机功率为1250kW，轴功率的/1094kW，据说该企业自发电费约每kWh 0.50元，采用透平机每年可节约电费200多万元。如果考虑从发电站到电机的线损、变电效率、功率因数、电机效率等，实际节电费用会更高。(见下面综合比较表)

3. 氯气透平压缩技术移植用于氯乙烯压缩的经济性

(3) 与螺杆机维修费用的比较

由于螺杆机的压缩单元是由相互啮合的螺杆所组成，尽管它比活塞机中由缸体活塞组成的摩擦副磨损要低一些，但发生磨损仍是必然的。而透平机的压缩单元由缸体和叶轮所组成，它们的配合是非接触的，故不会产生机械磨损，因而故障率远低于螺杆机和活塞机。另外，螺杆机润滑油与氯乙烯直接接触，油品质下降需经常更换。事实上顺源机械研发氯乙烯透平压缩机的动议，正是由于部分PVC生产企业因螺杆机维修量大、费用较高而找上门的。由于透平机可长周期运行，每年可节约维修费用上百万元。（见下面综合比较表）

4. 氯乙烯透平压缩机与螺杆机、活塞机的综合比较

氯气透压缩技术移植用于氯乙烯压缩的意义

1. 国内PVC企业很多是由每年数千吨规模逐步发展而来的，早期用于氯乙烯气体压缩的多为往复活塞式压缩机，近年逐步由回转螺杆式压缩机所取代。但这两种压缩都存在单机流量小，维修费用多，综合能耗高的问题。

2. 2022年中国PVC生产企业71家，总产能2810万吨/年，平均规模已达40万吨/年，总产量约2090万吨/年。目前行业内用的氯乙烯气体压缩机大部分都是螺杆式，小部分仍停留在活塞式。但从上述分析看，这是行业发展惯性及设备使用习惯的结果，未必天然合理。鉴于透平式压缩机更适合大流量运行，且氯气透平压缩机已在行业内广泛使用多年，将氯气透平压缩技术移植到氯乙烯压缩就显得十分必要。

3. 近两年由于国内外PVC市场下滑，PVC生产亏损，厂家普遍感觉运营困难，甚至存在生存危机，一部分企业已经限产甚至停产。另一方面，国家双碳政策亦对仍在维持生产的PVC企业在节能降耗方面提出更高要求，这就必然促使企业在节能降耗上挖潜改造。

4. 我们相信，随着PVC厂家对氯乙烯透平压缩机的认识加深，逐步打消对其在安全方面的顾虑，氯乙烯透平压缩机必将象当年氯气透平机替代液环式压缩机那样逐步加快展开。