氯乙烯生產(chǎn)工藝過(guò)程優(yōu)化的方法

王利鋒 焦昌梅(鹽城師范學(xué)院，江蘇 鹽城 224007)

0 引言

氯乙烯是一種無(wú)色、易液化、易聚合的氣體，被廣泛的應(yīng)用在合成領(lǐng)域，尤其是其所合成聚氯乙烯被廣泛的應(yīng)用于塑料制作，至今為止聚氯乙烯在塑料領(lǐng)域中有著舉足輕重的地位。聚氯乙烯是由氯乙烯經(jīng)過(guò)聚合所形成的物質(zhì)，氯乙烯的生產(chǎn)工藝將會(huì)直接影響聚氯乙烯的產(chǎn)品質(zhì)量。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，氯乙烯的生產(chǎn)技術(shù)不斷更新?lián)Q代，生產(chǎn)規(guī)模也越來(lái)越壯大，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，為不斷提升企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，企業(yè)需要不斷的優(yōu)化生產(chǎn)工藝、降低生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

1 氯乙烯生產(chǎn)技術(shù)及現(xiàn)狀

1.1 氯乙烯生產(chǎn)技術(shù)

目前氯乙烯的工業(yè)生產(chǎn)方法有電石法、二氯乙烷/氯乙烯以及乙烯氧氯化法，其中乙烯氧氯化法的后端就是二氯乙烷/氯乙烯法，這就意味著氯乙烯的工業(yè)生產(chǎn)方法主要是乙烯氧氯化法和電石法。

乙烯氧氯化法是將乙烯和氧氣進(jìn)行反應(yīng)，生產(chǎn)二氯乙烷后，二氯乙烷再裂解生產(chǎn)氯乙烯和氯化氫，氯化氫可以和乙烯、氧氣再發(fā)生反應(yīng)，生產(chǎn)二氯乙烷和水。

電石法是氯乙烯最早工業(yè)化生產(chǎn)的方法，該方法是首先利用電石和水反應(yīng)生成乙炔，乙炔再與氯化氫反應(yīng)，氯化汞作為催化劑，進(jìn)而生產(chǎn)氯乙烯。

現(xiàn)今，我國(guó)氯乙烯生產(chǎn)企業(yè)兼具電石法、乙烯法以及二氯乙烷/氯乙烯法，并且呈現(xiàn)三足鼎立之勢(shì)。我國(guó)地大物博，各地區(qū)資源分布和環(huán)境各有差異，而電石法的工藝技術(shù)相對(duì)成熟，并且原材料資源豐富，使的采用電石法生產(chǎn)氯乙烯的方式還會(huì)長(zhǎng)期存在。另外，隨著國(guó)際局勢(shì)的日益緊張，原油和天然氣的價(jià)格逐年增長(zhǎng)，使得以乙烯為生產(chǎn)材料的生產(chǎn)方法其成本大幅增加，進(jìn)而凸顯出電石法的成本優(yōu)勢(shì)。此外，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷提升，自動(dòng)化技術(shù)以及大型電石爐的投入使用，大幅提升了電石的產(chǎn)量，使得電石市場(chǎng)價(jià)格平穩(wěn)，且質(zhì)量上乘。而以電石為原料的氯乙烯生產(chǎn)企業(yè)采用降本增效的方式，提升產(chǎn)品利潤(rùn)，進(jìn)一步促進(jìn)了電石法生產(chǎn)氯乙烯的發(fā)展。

1.2 電石法生產(chǎn)現(xiàn)狀

目前我國(guó)大部分的電石法氯乙烯生產(chǎn)設(shè)備仍然采用手動(dòng)控制和半自動(dòng)控制設(shè)備，自動(dòng)化水平較低，部分企業(yè)雖然采用了PLC控制系統(tǒng)，但是仍然需要人為的操作和干預(yù)。另外，電石法生產(chǎn)工藝過(guò)程十分復(fù)雜，反應(yīng)過(guò)程具有非線性、時(shí)變性以及不確定性的特點(diǎn)，難以建立控制模型。并且，企業(yè)對(duì)于氯乙烯的研究的重點(diǎn)在于生產(chǎn)工藝的研究，沒(méi)有與控制研究有效的結(jié)合，無(wú)法產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。目前在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中存在著許多問(wèn)題，首先是，建立自動(dòng)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)，需要明確控制變量和控制目標(biāo)，而電石法的反應(yīng)特性是非線性、時(shí)變性的，增加了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度；其次，乙炔生產(chǎn)工序中對(duì)于發(fā)生器溫度和壓力的控制是系統(tǒng)溫度運(yùn)行和生產(chǎn)的關(guān)鍵；再者氯化氫生產(chǎn)工序中氫氣與氯氣的配比，不僅會(huì)影響安全生產(chǎn)，也對(duì)氯乙烯的純度有著重要影響。最后，氯乙烯精餾階段，因其工藝參數(shù)受其它工藝過(guò)程的影響，變量之間的相互作用和相互關(guān)系，增加了控制系統(tǒng)的控制難度。

2 氯乙烯生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化

2.1 工藝參數(shù)的優(yōu)化

工藝參數(shù)的控制是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵所在，科學(xué)合理的工藝不僅能夠?yàn)槠髽I(yè)減少成本還能夠有效提升產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。氯乙烯的制備流程主要由轉(zhuǎn)化、壓縮以及精餾三個(gè)階段構(gòu)成，每個(gè)階段的核心工藝參數(shù)都是不同的，企業(yè)在優(yōu)化工藝參數(shù)時(shí)，往往是通過(guò)不斷的窄化工藝參數(shù)來(lái)提升工藝控制精度，進(jìn)而提升產(chǎn)品的質(zhì)量。

目前，我國(guó)電石法生產(chǎn)氯乙烯需要將氯化氫和乙炔的配比控制在1.00:1.05～1.00:1.10范圍內(nèi)，來(lái)確保乙炔和氯化氫的反應(yīng)速率以及氯乙烯的產(chǎn)品質(zhì)量。另外，在調(diào)節(jié)乙炔和氯化氫的配比時(shí)，要充分結(jié)合轉(zhuǎn)化器、脫汞器等設(shè)備出口的乙炔含量。盡量將反應(yīng)器的溫度控制在最佳的溫度范圍內(nèi)，一般是130～150℃。此外，為確保觸媒的使用壽命，應(yīng)該在反應(yīng)過(guò)程中，控制熱水循環(huán)系統(tǒng)將轉(zhuǎn)化器溫度控制在180℃引內(nèi)，使其處于最優(yōu)的反應(yīng)條件下，同時(shí)確保觸媒的使用壽命。精餾階段主要是對(duì)塔壓的控制，可以將高沸塔的壓差控制在15～30kPa范圍內(nèi)，確保兩個(gè)塔的精餾效果，提升產(chǎn)品的質(zhì)量。再對(duì)生產(chǎn)工藝參數(shù)優(yōu)化和壓縮時(shí)，要充分結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備能力，在確保產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，優(yōu)化工藝參數(shù)，加快反應(yīng)速率，整體提升產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

2.2 設(shè)計(jì)安裝新設(shè)備，提高工藝運(yùn)行質(zhì)量

在氯乙烯的制備過(guò)程中，會(huì)將乙炔和氯化氫氣體進(jìn)行混合，之后雖然會(huì)有干燥處理，但是仍然避免混合氣體中摻雜水分，若無(wú)法脫出水分，可能會(huì)造成一系列的副反應(yīng)，影響產(chǎn)線正常的運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，對(duì)酸霧捕集器的出口水分含量的控制就顯得尤為重要。另外，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備會(huì)出現(xiàn)老化現(xiàn)象，一旦設(shè)備老化就會(huì)導(dǎo)致進(jìn)出口壓差增大，出口的水分含量就高，進(jìn)而影響產(chǎn)品的生產(chǎn)。若配備備用設(shè)備，能夠在不停車的情況下，更換濾芯，不僅能夠保證生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行，還能夠確保產(chǎn)品的質(zhì)量。另外，在整個(gè)生產(chǎn)線中，可以使用廢堿液汽提塔來(lái)對(duì)氯乙烯進(jìn)行回收，將廢堿液變廢為寶，不僅僅實(shí)現(xiàn)了氯乙烯的回收再利用，起到了降本增效的作用，還可以減少尾氣的排放，為環(huán)保事業(yè)做出了重要貢獻(xiàn)。

2.3 優(yōu)化工藝控制過(guò)程，節(jié)能降耗

2.3.1 優(yōu)化轉(zhuǎn)化工段熱水循環(huán)

轉(zhuǎn)化器中的乙炔和氯化氫反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，需要水循環(huán)裝置將熱量帶走，防止熱量堆積導(dǎo)致轉(zhuǎn)化器損壞。在傳統(tǒng)的生產(chǎn)產(chǎn)線中，會(huì)配備熱水泵，通過(guò)強(qiáng)制循環(huán)的方式利用溫差將熱量帶走，熱水泵需要持續(xù)的工作才能夠源源不斷的將熱量帶走，這個(gè)過(guò)程會(huì)消耗大量的電能，經(jīng)濟(jì)性較差。對(duì)該工序進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，采用熱水自循環(huán)系統(tǒng)替換強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)，利用熱水的重力以及熱水受熱后所形成的膨脹動(dòng)能來(lái)實(shí)現(xiàn)熱水自循環(huán)，熱水溫差小和流速低是該熱水循環(huán)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠緩解轉(zhuǎn)化器內(nèi)部管道的沖擊力。此外，該方式能夠確保轉(zhuǎn)換器內(nèi)部反應(yīng)溫度的一致性，溫度波動(dòng)小，能夠延遲設(shè)備的使用壽命。通過(guò)優(yōu)化熱水循環(huán)系統(tǒng)，在滿足生產(chǎn)需要的基礎(chǔ)上，降低能耗，降低制造成本，提升產(chǎn)品利潤(rùn)，能夠有效提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2.3.2 尾氣變壓吸附工藝的優(yōu)化

采用電石法生產(chǎn)氯乙烯，在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的尾氣，尾氣中包含乙炔氣，不僅會(huì)污染環(huán)境，還會(huì)造成資源浪費(fèi)。針對(duì)該情況，可以采用變壓吸附工藝對(duì)尾氣進(jìn)行處理，一方面，可以選擇合適的吸附劑，提升尾氣處理效率，降低工藝能耗，另一方面，采用變壓的工藝能夠?yàn)橐恍┯袎毫Φ臍庠刺峁毫?，省去了再次加壓的能耗。另外，該工藝設(shè)備有計(jì)算機(jī)控制，自動(dòng)化程度較高，能夠迅速開(kāi)車和停車，對(duì)于產(chǎn)品的純度可以靈活調(diào)節(jié)，對(duì)于乙炔和乙烯的回收效率可以達(dá)到99.9%，尾氣排放滿足國(guó)家環(huán)保要求。

2.3.3 粗氯乙烯中氯化氫的利用

乙炔和氯化氫反應(yīng)的理論比值為1:1，但是為了加快乙炔轉(zhuǎn)換速率，又不明顯增加氯化氫的消耗和副產(chǎn)物，往往采用1:1.05～1:1.10的配比，若乙炔過(guò)量會(huì)導(dǎo)致觸媒中毒失效，而氯化氫如果超出范圍則會(huì)對(duì)設(shè)備造成腐蝕損壞，增加后續(xù)工序的負(fù)擔(dān)?？梢詫⒙然瘹淞髁孔鳛橹髁髁?，乙炔流量作為副流量，設(shè)置閉環(huán)控制系統(tǒng)，并將氯化氫和一段的溫度和壓力進(jìn)行補(bǔ)償，確保自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制精度，為設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提高保障。另外，對(duì)于未反應(yīng)的氯化氫氣體在經(jīng)過(guò)泡沫塔和水洗塔后會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣瘡U酸。脫析裝置能夠?qū)⒐瘡U酸脫析出氯化氫來(lái)，再將其輸送到合成系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)廢酸中氯化氫的回收再利用，節(jié)約生產(chǎn)成本。另外，脫析裝置還可以將產(chǎn)生的稀鹽酸二次利用，輸送到泡沫塔中，作為吸收液循環(huán)利用。除此之外，鹽酸脫析裝置的使用能夠大幅回收氯化氫，緩解設(shè)備的高負(fù)荷工作，提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2.4 工業(yè)控制方式的優(yōu)化

在工業(yè)生產(chǎn)者中，PID控制應(yīng)用十分廣泛，氯乙烯的生產(chǎn)設(shè)備中的自動(dòng)調(diào)節(jié)閥也多事采用PID控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)實(shí)際變量進(jìn)行分析和處理，合理地設(shè)置PID值，從而對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制。另外，在生產(chǎn)過(guò)程中，將異常事件的時(shí)間、發(fā)生問(wèn)題的原因以及超限值等異常數(shù)據(jù)信息記錄下來(lái)，

并且能夠通過(guò)報(bào)警器發(fā)出警報(bào)，再故障未清除的情況下，生產(chǎn)線無(wú)法正常使用。待設(shè)備故障清除后，設(shè)備將會(huì)顯示備用狀態(tài)，可以使用，確保生產(chǎn)安全性。

此外，還可以結(jié)合工廠實(shí)際情況，進(jìn)行合理改造，配置在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，快速識(shí)別故障點(diǎn)，安排人員迅速處理故障，不僅能夠保證生產(chǎn)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，還能夠借助在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)事故，識(shí)別潛在風(fēng)險(xiǎn)，并采取有效措施進(jìn)行處理，確保產(chǎn)線的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，氯乙烯的生產(chǎn)工藝十分復(fù)雜，不僅包含化學(xué)知識(shí)和動(dòng)力知識(shí)，還涉及自動(dòng)控制領(lǐng)域。采用電石法生產(chǎn)氯乙烯，需要優(yōu)化乙炔和氯化氫的配比，減少?gòu)U氣的排放。并且需要對(duì)氯乙烯的轉(zhuǎn)換和精餾等工序配置自動(dòng)化設(shè)備，優(yōu)化工藝控制，做到節(jié)能減排，提升氯化氫的利用率，降低氯乙烯的生產(chǎn)成本，提高氯乙烯成品的質(zhì)量。同時(shí)，氯化氫生產(chǎn)企業(yè)要正確識(shí)別出整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的特殊特性，采取相應(yīng)的措施確保該工序的正確性和穩(wěn)定性。此外，企業(yè)要加強(qiáng)人才建設(shè)，確保人員素質(zhì)水平和技能水平，以防人為誤操作對(duì)企業(yè)造成嚴(yán)重的損失。