VCM轉(zhuǎn)化器熱水自循環(huán)工藝

徐國(guó)欽，齊念先

(1.平頂山市工業(yè)學(xué)校，河南平頂山 467001;2.河南神馬氯堿發(fā)展有限責(zé)任公司，河南平頂山 467242)

河南神馬氯堿發(fā)展有限責(zé)任公司PVC生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為30萬t/a，分為一期10萬t/a、二期20萬t/a兩條生產(chǎn)線。10萬t/a生產(chǎn)線于2006年10月投產(chǎn)，其工藝流程為:電石破碎后水解生產(chǎn)乙炔，乙炔加壓進(jìn)行清凈，制得純度≥98.5%不含S、P的乙炔氣，與氯氫廠送來的純度≥93%的氯化氫氣體先經(jīng)混合脫水，在催化劑觸媒作用下轉(zhuǎn)化合成粗氯乙烯，后經(jīng)加壓精餾，獲得純度≥99.9%的氯乙烯供聚合使用，氯乙烯聚合后經(jīng)汽提、干燥包裝成產(chǎn)品聚氯乙烯出售。

在氯乙烯(VCM)轉(zhuǎn)化合成中共有Φ2400×4810×8的轉(zhuǎn)化器48臺(tái)(前、后各24臺(tái))，原采用大流量熱水強(qiáng)制循環(huán)換熱工藝，循環(huán)熱水系統(tǒng)由100 m3熱水槽及10臺(tái)熱水泵組成(開8備2)，因熱水泵功率較大(N=110 kW，揚(yáng)程=50 m，Q=550 m3/h)，使用臺(tái)數(shù)多，電能消耗高;同時(shí)，熱水補(bǔ)充量大，成本高，制約了企業(yè)進(jìn)一步的發(fā)展，也不符合公司提出的節(jié)能降耗要求。因此，在2009年5月，公司對(duì)VCM合成熱水系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造，經(jīng)過近幾年的運(yùn)行，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

1 處理方法及存在問題

平煤神馬氯堿一期生產(chǎn)線年產(chǎn)10萬t PVC，聚合收率約為98%，需VCM約10.2萬t/a，乙炔流量為4 600m3/h，約合2.054 ×105mol/h，轉(zhuǎn)化器48 臺(tái)(前、后各24臺(tái))。乙炔與氯化氫在轉(zhuǎn)化器內(nèi)進(jìn)行的反應(yīng)為放熱反應(yīng):

計(jì)算總反應(yīng)熱為:Q(總)=2.054×105mol/h×124.8 kJ/mol=2.57 ×107kJ/h。

反應(yīng)熱除少部分通過轉(zhuǎn)化器外壁向外界擴(kuò)散外，大部分熱量需要用熱水泵提供的90℃熱水強(qiáng)制循環(huán)帶走，才能使轉(zhuǎn)化器內(nèi)的合成反應(yīng)得以在規(guī)定溫度范圍內(nèi)繼續(xù)進(jìn)行。若溫度過高，易使催化劑觸媒內(nèi)吸附的氯化汞升華，隨氣流帶走，降低了催化劑的使用壽命，并且副反應(yīng)增加，易產(chǎn)生副產(chǎn)品C2H4Cl2，增加消耗;同時(shí)，要提高轉(zhuǎn)化率，殼程循環(huán)水的溫度又不能太低，一般控制在90～98℃，熱水在移走轉(zhuǎn)化器內(nèi)反應(yīng)熱的循環(huán)過程中有一部分汽化，以蒸汽的形式存在于轉(zhuǎn)化器及管道內(nèi)，產(chǎn)生氣阻現(xiàn)象，影響轉(zhuǎn)化器反應(yīng)熱及時(shí)帶出，從而逐漸影響氯化汞催化劑的使用壽命及轉(zhuǎn)化器壓力，而且管道內(nèi)的蒸汽大量積聚還會(huì)造成管道震動(dòng)大，影響安全生產(chǎn);在熱水循環(huán)過程中水量會(huì)因沸騰蒸發(fā)而減少，就需要不斷向熱水槽內(nèi)補(bǔ)充大量水才能保證槽內(nèi)液位，以滿足生產(chǎn)所需水量。

如何及時(shí)移走反應(yīng)熱并將汽化的水冷卻回收，減少循環(huán)水的補(bǔ)充量，保證轉(zhuǎn)化器內(nèi)反應(yīng)溫度控制在最佳值，同時(shí)減少熱水泵使用臺(tái)數(shù)，減少電能消耗是循環(huán)水工藝改造的目的。

2 工藝改造方案

2.1 配置汽液分離器和冷卻塔

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況及科學(xué)論證，公司對(duì)VCM轉(zhuǎn)化器強(qiáng)制循環(huán)熱水系統(tǒng)進(jìn)行了改造，每臺(tái)轉(zhuǎn)化器配置一臺(tái)汽液分離器(共48臺(tái))，同時(shí)安裝一臺(tái)冷卻塔。

改造后，新工藝原理是:轉(zhuǎn)化器夾套內(nèi)未達(dá)到沸點(diǎn)的熱水受熱達(dá)到沸騰后，一部分氣化，形成水蒸氣，一方面在其汽化過程中帶走轉(zhuǎn)化器合成反應(yīng)產(chǎn)生的大量的熱量;另一方面熱水汽化成水蒸氣后，由于轉(zhuǎn)化器夾套內(nèi)的汽水混合物和循環(huán)管內(nèi)未沸騰的熱水形成密度差，在膨脹動(dòng)能和密度差的作用下，產(chǎn)生液體的循環(huán);汽水混合物上升到轉(zhuǎn)化器頂部新增的汽液分離器內(nèi)，因減壓而部分汽化達(dá)到汽液分離的目的并移走熱量，分離得到的水通過分離器底部借重力回流到轉(zhuǎn)化器殼程繼續(xù)換熱;由于熱水槽位置比汽液分離器的位置高，分離器多余的水無法回到熱水槽內(nèi)，為使熱水能進(jìn)行循環(huán)，在地面(EL0.00 m)新增回流水槽，使多余的水進(jìn)入回流水槽;汽液分離器內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽通過分離器頂部的蒸汽管排出，進(jìn)入冷卻塔下部，在冷卻塔內(nèi)，利用精餾再沸器及混合氣預(yù)熱器回路的熱水與進(jìn)入下部的上升蒸汽逆向接觸換熱，冷凝的熱水從冷卻塔底部排入熱水槽，少量的惰性氣體可從冷卻塔頂部放空。

回流水槽位于地面(EL0.00 m)，原熱水槽位置較高(EL6.00 m)，故在回流水槽出口處增加一臺(tái)小水泵(功率:18.5 kW)，將回流水槽內(nèi)的水打入原熱水槽，熱水槽內(nèi)的熱水通過熱水泵輸送至轉(zhuǎn)化器殼程作為補(bǔ)充用水。

轉(zhuǎn)化器熱水自循環(huán)工藝流程如圖1所示:

圖1 轉(zhuǎn)化器熱水自循環(huán)工藝流程

2.2 汽液分離器安裝要求

汽液分離器傳熱面在高于轉(zhuǎn)化器上部一定高度的液面下才能使減壓后的熱水在此汽化釋放蒸汽，移走熱量，它的安裝高度必須科學(xué)合理。根據(jù)有關(guān)資料，我們首先對(duì)一臺(tái)轉(zhuǎn)化器進(jìn)行改造，生產(chǎn)實(shí)踐證明，汽液分離器安裝在轉(zhuǎn)化器上部，距轉(zhuǎn)化器平臺(tái)2.5 m處即可滿足工藝要求。

2.3 減少熱水泵使用數(shù)量

因轉(zhuǎn)化器所需的循環(huán)補(bǔ)充水等于水蒸氣帶走的水量，從理論來講，熱水泵只需提供這部分循環(huán)補(bǔ)充水即可滿足生產(chǎn)需求，通過以下理論計(jì)算:

經(jīng)查0.1 MPa、100℃時(shí)水的汽化潛熱:

據(jù)轉(zhuǎn)化總反應(yīng)熱為2.57×107kJ/h可知:

蒸發(fā)的水量:

經(jīng)查95℃熱水的密度:ρ=962 kg/m3

循環(huán)需補(bǔ)充熱水的流量為:

但考慮到:轉(zhuǎn)化系統(tǒng)預(yù)熱器、精餾系統(tǒng)高、低沸塔再沸器等設(shè)備加熱所需的循環(huán)熱水量，設(shè)備安裝較高及管道等的阻力，使用兩臺(tái)熱水泵即可滿足生產(chǎn)需要。

3 經(jīng)濟(jì)效益核算

3.1 電能消耗

改造前用8臺(tái)熱水泵，改造后用2臺(tái)熱水泵(回流水槽出口增加一臺(tái)回流水泵，功率:18.5 kW)，熱水泵功率為110 kW，每年工作時(shí)間按8 000 h計(jì)算:

增加一臺(tái)回流水泵年用電:

工業(yè)電按0.5元/(kW·h)計(jì)算，每年可節(jié)約電費(fèi)256.6萬元。

3.2 維修費(fèi)用

使用8臺(tái)熱水泵，每年維修更換備件至少為機(jī)封5套/a、葉輪3套/a、軸承5套/a。工藝改造后，因熱水泵的數(shù)量減少為2臺(tái)，維修費(fèi)用每年節(jié)約10萬余元。

4 存在的問題及注意事項(xiàng)

因轉(zhuǎn)化器殼程上熱水回水口距轉(zhuǎn)化器上管板還有280 mm的高度，此次改造并未對(duì)轉(zhuǎn)化器熱水回水水口位置進(jìn)行改造，在實(shí)際生產(chǎn)中，因殼程熱水水位較低，循環(huán)過程中產(chǎn)生的蒸汽不能及時(shí)排入汽液分離器，一部分蒸汽聚集在轉(zhuǎn)化器熱水回水口上部的殼程，從而在轉(zhuǎn)化器上部發(fā)出較大的震動(dòng)聲響，公司就此成立攻關(guān)小組，經(jīng)分析、探討，準(zhǔn)備在轉(zhuǎn)化器殼程緊貼上管板下部安裝排氣管與升氣管連接，一并進(jìn)入汽水分離器來解決此問題。在生產(chǎn)過程中，要按時(shí)分析熱水的pH值(8～9)及Cl－含量。

5 結(jié)束語

通過對(duì)轉(zhuǎn)化器熱水循環(huán)工藝的改進(jìn)，不僅保證了安全生產(chǎn)，提高了轉(zhuǎn)化器的生產(chǎn)能力，又使轉(zhuǎn)化工藝得到平穩(wěn)控制，同時(shí)達(dá)到了節(jié)能降耗的目的，生產(chǎn)效益得到提高。轉(zhuǎn)化器熱水自循環(huán)工藝與原來的強(qiáng)制循環(huán)工藝相比，運(yùn)行成本明顯降低，目前，國(guó)內(nèi)越來越多的聚氯乙烯生產(chǎn)企業(yè)采用轉(zhuǎn)化器熱水自循環(huán)工藝。