氯乙烯凈化脫水抽真空系統(tǒng)技術(shù)改造

劉勝軍，楊春輝

(1.天偉化工有限公司，新疆 石河子 832000；2.葫蘆島華遠(yuǎn)化工機(jī)械裝備有限公司，遼寧 葫蘆島 125003)

如何降低氯乙烯單體的水含量一直是PVC行業(yè)的難題，單體水含量過多易產(chǎn)生鐵離子，影響PVC樹脂質(zhì)量。氯乙烯脫水工藝有固堿干燥、聚結(jié)器、分子篩變溫等，其中分子篩變溫脫水工藝使用較多、效果較好。天偉化工有限公司的脫水工藝為分子篩變溫脫水，脫水后氯乙烯產(chǎn)品氣含水質(zhì)量濃度在100 mg/kg以下，減少了精餾裝置的自聚情況，提高了PVC樹脂的質(zhì)量。但在裝置運(yùn)行的過程中，分子篩吸附飽和后，用于脫附水的熱、冷吹環(huán)節(jié)的增壓機(jī)發(fā)生故障的頻率較高，其中增壓機(jī)的吸、排氣閥閥片易斷裂損壞，單臺增壓機(jī)平均每月就需要更換1次，不僅增加了維修成本，而且還影響了脫水效果。

1 工藝簡介及原因分析

1.1 工藝簡介

天偉化工有限公司的氯乙烯凈化分子篩變溫脫水工藝是5-3-2工藝過程，3臺干燥器用于吸附，2臺干燥器分別用于熱吹、冷吹，循環(huán)使用。干燥器吸附飽和后，主要通過循環(huán)流動的120 ℃氮?dú)鈹y帶的熱量將干燥器內(nèi)分子篩所吸附的水分汽化后帶出，再通過冷卻器降溫，變?yōu)橐簯B(tài)水匯聚到設(shè)備底部排出。當(dāng)熱吹干燥器出口溫度達(dá)到85 ℃時(shí)，表示此干燥器水分已全部脫出，運(yùn)行步序會自動進(jìn)行切換。本工藝是通過吸附、逆放、抽空、熱吹、冷吹、二次抽空及沖洗、升壓等步序完成的(見圖1)。

圖1 氯乙烯凈化分子篩變溫脫水工藝流程
Fig.1 Process flow of VCM purification by molecular sieve temperature-swing dewatering

1.2 增壓機(jī)故障率高的原因分析

由于氮?dú)鉃槎栊圆荒龤怏w，進(jìn)入精餾系統(tǒng)后無法冷凝，因此會加大精餾系統(tǒng)的壓力，增大系統(tǒng)的冷耗，同時(shí)還會加大精餾尾氣的放空量，從而造成一定的浪費(fèi)。凈化干燥器內(nèi)殘留的氮?dú)獗仨毰懦鱿到y(tǒng)外，殘留氮?dú)舛嗖捎眯箟?、?fù)壓抽空脫吸分離后放空處理，干燥器負(fù)壓抽空主要通過增壓機(jī)完成。

無油往復(fù)式增壓機(jī)作為凈化變溫脫水系統(tǒng)的主要設(shè)備，在實(shí)際操作過程中也存在一定的問題，如故障率高、維修較為頻繁，尤其是進(jìn)、排氣閥使用時(shí)間短，損壞較快；抽氣量波動大，且呈現(xiàn)逐漸下降趨勢。為了不影響系統(tǒng)熱吹效果，須增開1臺增壓機(jī)來增大循環(huán)氣量。單臺增壓機(jī)平均每月就要更換吸、排氣閥1次，每次更換8組閥片，不僅維修成本大幅度增加，而且脫水效果還會明顯降低。

分析原因如下。

(1)軸承箱內(nèi)的滑道和軸承部分容易產(chǎn)生磨損。增壓機(jī)軸承箱的潤滑主要通過潤滑油，要想有效潤滑就必須保證摩擦面的油膜厚度和完整度。但由于工況變化極大，特別是機(jī)前負(fù)壓至正壓轉(zhuǎn)化的過程中，剛剛平衡的油膜狀態(tài)會瞬間被破壞，而油膜的恢復(fù)速度達(dá)不到工況運(yùn)行所需要的響應(yīng)速度，其外觀表現(xiàn)為設(shè)備缺油潤滑運(yùn)行，極易產(chǎn)生滑道拉毛、軸承磨損現(xiàn)象。

(2)氣閥閥片、彈簧片壽命短。氣體壓力引起靜載荷，在靜載荷的作用下，閥片產(chǎn)生彎曲變形。 由于氣缸內(nèi)的壓力是由較低的吸氣壓力變化到較高的排氣壓力，也由于氣流本身的脈動變化，使閥片承受的載荷具有脈動循環(huán)的特點(diǎn)，在脈動循環(huán)靜載荷的作用下，閥片易出現(xiàn)彎曲疲勞破壞。負(fù)壓狀態(tài)的氣閥和正壓狀態(tài)的氣閥結(jié)構(gòu)上有所差異：負(fù)壓時(shí)，為了保證氣閥密封面的可靠密封，必須使用彈簧片提供初始壓緊力，但這個(gè)初始壓緊力在正壓時(shí)會成為一個(gè)附加力，增加閥片和閥座密封面的沖擊應(yīng)力，從而影響閥片和彈簧片的使用壽命。另外，狀態(tài)頻繁變化也會破壞閥片的平衡穩(wěn)定性，從而進(jìn)一步降低閥片的壽命預(yù)期。增壓機(jī)進(jìn)口壓力曲線見圖2，技改前熱、冷吹循環(huán)氣量見圖3。

圖2 增壓機(jī)進(jìn)口壓力曲線圖Fig.2 Chart of booster intake pressure

圖3 技改前熱、冷吹循環(huán)氣量Fig.3 Change in circulating gas flow rate with operation period before technical innovation

從圖2可見：增壓機(jī)進(jìn)口壓力波動較大。從圖3可見：以1個(gè)月為周期，運(yùn)行3臺增壓機(jī)，在不更換吸、排氣閥閥片的情況下，循環(huán)氣量隨著運(yùn)行周期的延長而逐漸下降，直至中、后期無法滿足熱吹循環(huán)氣量的要求。

通過上述原因分析可知：增壓機(jī)進(jìn)口壓力頻繁變化是增壓機(jī)閥片使用壽命降低和機(jī)械部件損壞的主要原因。

2 工藝技術(shù)改造

增壓機(jī)進(jìn)口壓力波動加大是造成增壓機(jī)閥片損壞的主要原因，因此穩(wěn)定增壓機(jī)進(jìn)口壓力是解決問題的關(guān)鍵。氯乙烯凈化脫水系統(tǒng)須增加抽空系統(tǒng)，通過理論論證并依據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，天偉化工有限公司與工藝設(shè)計(jì)單位共同制定了工藝技改方案。

(1)工藝改造：在原有裝置的基礎(chǔ)上新增2臺真空泵，單臺干燥器分別增加充氮閥和抽空閥，同時(shí)配合工藝需求，對程序運(yùn)行步序也進(jìn)行改動，對相應(yīng)管道及儀器儀表配置也進(jìn)行改造。

(2)改造后的裝置主工藝流程還是為5塔工藝，正常工作時(shí)，改為任意時(shí)刻總有2臺干燥器處于吸附干燥階段，其余3臺干燥器處于再生過程中的不同階段。5臺干燥器循環(huán)操作，從而達(dá)到連續(xù)輸入原料氣和輸出產(chǎn)品氣的目的(參見圖4)。

通過新增程控閥，實(shí)現(xiàn)了由真空泵獨(dú)立完成抽空，原有的增壓機(jī)只用于干燥器熱、冷吹循環(huán)系統(tǒng)。工藝運(yùn)行步序整體沒有發(fā)生變化，各分周期運(yùn)行時(shí)間分配更合理，干燥器熱、冷吹時(shí)間相比技改前的480～520 min延長至600 min左右(如圖4所示)。

圖4 改造后氯乙烯凈化分子篩變溫脫水工藝流程
Fig.4 Improved process flow of VCM purification by molecular sieve temperature-swing dewatering

3 改造后主要運(yùn)行效果

(1)改造后的工藝，實(shí)現(xiàn)了抽空步驟由真空泵獨(dú)立完成，增壓機(jī)只作用于干燥器脫附水的熱、冷吹循環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)口壓力基本穩(wěn)定在0.205 MPa左右的工藝目標(biāo)(詳見圖5)，運(yùn)行過程中增壓機(jī)機(jī)身振動幅度明顯下降，電流也趨于穩(wěn)定。

圖5 增壓機(jī)進(jìn)口壓力曲線圖Fig.5 Chart of booster intake pressure

(2)技改后的裝置投入運(yùn)行近10個(gè)月，2臺增壓機(jī)循環(huán)氣量較平穩(wěn)，穩(wěn)定在7 400 m3/h左右(見圖6)，能滿足干燥器熱吹溫度的要求，期間共更換吸排氣閥3次，沒有出現(xiàn)其他大的機(jī)械故障。

圖6 技改后熱、冷吹循環(huán)氣量Fig.5 Change in circulating gas flow rate with operation period after technical innovation

(3)運(yùn)行效果。技改后的工藝運(yùn)行近10個(gè)月，整體運(yùn)行比較穩(wěn)定，增壓機(jī)進(jìn)口壓力穩(wěn)定，熱、冷吹循環(huán)氣量比較平穩(wěn)，檢測氯乙烯產(chǎn)品氣含水質(zhì)量濃度小于100 mg/kg，脫解水pH值也在7以上，各項(xiàng)指標(biāo)較穩(wěn)定。

(4)經(jīng)濟(jì)效益。

①技改前運(yùn)行3臺增壓機(jī)才能滿足干燥器熱、冷吹的循環(huán)氣量，技改后2臺增壓機(jī)就能滿足工藝要求。

單臺增壓機(jī)電動機(jī)功率為135 kW，每月可節(jié)約電耗約9.7萬kW·h，全年可節(jié)約用電116.4萬kW·h，電價(jià)按0.35元/(kW·h)計(jì)算，則節(jié)約電費(fèi)：116.4×0.35≈40(萬元/a)。

②增壓機(jī)在技改完成后已運(yùn)行了近10個(gè)月，此期間吸、排氣閥片共更換3次，已達(dá)到預(yù)期效果。

改造前3臺增壓機(jī)的閥片更換頻率為每月3次，技改后增壓機(jī)閥片更換頻率為每3個(gè)月1次，每次更換閥片需0.9萬元，3個(gè)月可節(jié)省(3×3-1)×0.9=7.2(萬元)，全年可節(jié)約維修資金：7.2×4=28.8(萬元)。

③社會效益。降低了增壓機(jī)的維修頻率，減輕了操作人員、維修人員的勞動強(qiáng)度，減少了環(huán)境污染，裝置運(yùn)行平穩(wěn)，穩(wěn)定了后續(xù)精餾系統(tǒng)氯乙烯單體的水含量及PVC產(chǎn)品質(zhì)量。

4 技改后工藝存在的問題

工藝技改完成后，裝置運(yùn)行整體穩(wěn)定，但運(yùn)行過程中也存在一些問題。

(1)新增真空泵及備用真空泵的氣缸內(nèi)都有微量的積水，須1 h進(jìn)行1次排水。積水過多易造成真空泵氣缸液擊，引發(fā)機(jī)械事故。氣缸內(nèi)積水是因?yàn)槲剿诔榭詹叫驎r(shí)間長(360 min)，真空度較高(0.095 kPa)，抽真空過程中，干燥器內(nèi)殘留的微量水分進(jìn)入真空泵，在真空泵出口出現(xiàn)壓力變化，氣態(tài)水霧變?yōu)橐簯B(tài)水聚集在氣缸內(nèi) 。

(2)吸附塔在抽空過程中，-0.095 kPa狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)間達(dá)360 min，法蘭泄漏或誤操作時(shí)空氣易進(jìn)入系統(tǒng)，引發(fā)安全事故，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。需要定時(shí)對真空泵出口氣進(jìn)行氧含量分析，以保證整個(gè)系統(tǒng)安全運(yùn)行。

5 結(jié)語

從氯乙烯凈化脫水抽真空系統(tǒng)改造后近10個(gè)月的運(yùn)行情況來看，增壓機(jī)的進(jìn)口壓力穩(wěn)定、維修頻率降低，基本上達(dá)到了預(yù)期的目的和效果；但運(yùn)行時(shí)間較短，還須隨著運(yùn)行周期的延長，跟蹤增壓機(jī)的運(yùn)行情況及維修頻率，而且在抽真空步序時(shí)真空度高且時(shí)間較長，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，須進(jìn)一步完善。