醋酸生產(chǎn)裝置性能提升關(guān)鍵技術(shù)探討

趙月東

（兗礦魯南化工有限公司，山東 滕州 277527）

醋酸是重要的化學(xué)中間體和化學(xué)反應(yīng)溶劑，主要用于生產(chǎn)醋酸乙烯、醋酐、醋酸纖維素、醋酸酯類、對(duì)苯二甲酸（PTA）、氯乙酸和醋酸鹽類等，其衍生物多達(dá)幾百種。目前生產(chǎn)方法主要為甲醇羰基合成法，由上世紀(jì)70年代美國(guó)孟山都公司首創(chuàng)。近年來，由于在催化劑研制領(lǐng)域的新進(jìn)展，因而該工藝發(fā)生了一些重大突破：如BP公司的Cativa工藝，Celanese公司的低水含量工藝，UOP/Chiyoda的UOP/Chiyoda Acetica工藝，HaldorTopsoe的甲醇/二甲醚生產(chǎn)醋酸新工藝，以及我國(guó)西南化工研究設(shè)計(jì)院開發(fā)的蒸發(fā)流程等[1]。

近年來，隨著醋酸市場(chǎng)不斷擴(kuò)張，競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，國(guó)內(nèi)各廠家不斷探索技術(shù)突破來優(yōu)化降低物料消耗，以降低單位生產(chǎn)成本。目前國(guó)內(nèi)技術(shù)革新中普通存在的瓶頸問題在于合成系統(tǒng)傳質(zhì)傳熱，以及國(guó)產(chǎn)化設(shè)備開發(fā)與技術(shù)升級(jí)。某公司從實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行出發(fā)，通過開展自主技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)出新型合成換熱技術(shù)、反應(yīng)釜新型流體攪拌技術(shù)、高速泵國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，帶來了產(chǎn)能提升、消耗降低、產(chǎn)品質(zhì)量提高等諸多優(yōu)勢(shì)，以更低的成本優(yōu)勢(shì)和更高的質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)積極參與行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)。

1 技術(shù)難題及分析

1.1 合成系統(tǒng)換熱效果差

羰基合成醋酸反應(yīng)為放熱反應(yīng)，合成系統(tǒng)熱量平衡主要通過3種途徑：一是閃蒸循環(huán)帶走熱量，約占70%；二是母液換熱器，約占25%；三是精餾系統(tǒng)返回合成的稀酸（60℃）和重相（40℃）等物料，約占5%。該公司采用關(guān)鍵技術(shù)前，各換熱器已全部處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，合成溫度波動(dòng)幅度大，催化劑活性較差，容易造成醋酸甲酯積聚或瞬間釋放導(dǎo)致放熱量不穩(wěn)定。當(dāng)反應(yīng)溫度過高時(shí)，反應(yīng)速率加劇，瞬間造成CO缺乏，在此情況下催化劑易形成RhI3沉淀，長(zhǎng)期如此，反應(yīng)會(huì)持續(xù)惡化并導(dǎo)致催化劑損失。

1.2 反應(yīng)釜機(jī)械攪拌故障

傳統(tǒng)醋酸工藝中，一般采用機(jī)械攪拌達(dá)到氣液的均勻混合，然而，機(jī)械攪拌設(shè)備結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且機(jī)械攪拌主體結(jié)構(gòu)中的軸封以及傳動(dòng)裝置中的軸承在設(shè)備運(yùn)輸以及裝置運(yùn)行過程中易損壞，難以實(shí)現(xiàn)裝置持續(xù)、穩(wěn)定、安全運(yùn)行。該公司自醋酸裝置原始開車后，曾多次出現(xiàn)因反應(yīng)釜攪拌器機(jī)械密封泄漏而造成系統(tǒng)停車，給公司造成巨大損失。

1.3 高速泵運(yùn)行性能低

該公司醋酸裝置共22臺(tái)高速泵，均為美國(guó)某公司出品的LMV-311和LMV-322型立式單級(jí)離心高速泵，使用在醋酸系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，高速泵技術(shù)含量高，裝配要求精度要求高，價(jià)格昂貴。項(xiàng)目建設(shè)后，高速泵以其性能可靠、運(yùn)行穩(wěn)定、檢修周期長(zhǎng)等絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)滿足了連續(xù)化生產(chǎn)運(yùn)行的需求。

經(jīng)過近幾年的裝置產(chǎn)能提升，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了許多新問題，在醋酸系統(tǒng)產(chǎn)能提升改造實(shí)施過程中，高速泵為部分流限流量離心泵，原先期設(shè)計(jì)產(chǎn)能的高速泵流量等性能參數(shù)，無法滿足系統(tǒng)產(chǎn)能提升后對(duì)流量及揚(yáng)程的相關(guān)運(yùn)行指標(biāo)要求，嚴(yán)重制約了擴(kuò)產(chǎn)后裝置的順利連續(xù)運(yùn)行，阻礙醋酸產(chǎn)能的進(jìn)一步提升，醋酸系統(tǒng)各個(gè)工況高速泵流量等性能提升問題成為制約系統(tǒng)產(chǎn)能提升及安全穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸。

目前生產(chǎn)使用高速泵全部為美國(guó)某公司原裝整機(jī)進(jìn)口設(shè)備，如果按照系統(tǒng)提升改造要求新購(gòu)設(shè)備，成本太高，且造成高速泵閑置損失，而如利用原設(shè)備進(jìn)行性能提升優(yōu)化，關(guān)鍵技術(shù)廠家壟斷必須從國(guó)外引進(jìn)，需付出高昂的專利費(fèi)用及原廠的優(yōu)化部件費(fèi)用，既影響了擴(kuò)產(chǎn)優(yōu)化項(xiàng)目的建設(shè)質(zhì)量和時(shí)間進(jìn)度，也大大降低了擴(kuò)產(chǎn)優(yōu)化項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。

2 技術(shù)升級(jí)及特點(diǎn)

2.1 新型合成換熱技術(shù)

新型合成換熱技術(shù)在開工泵外循環(huán)管路上增加1臺(tái)新型換熱器。該新型換熱器是利用生產(chǎn)過程中的高溫母液作為熱源來生產(chǎn)蒸汽，它既是工藝流程中高溫母液的冷卻器，又是利用余熱提供蒸汽的動(dòng)力裝置。

操作時(shí)，190℃的高溫母液與120～130℃的高溫鍋爐水間壁換熱，高溫母液降溫至170℃，達(dá)到移除反應(yīng)熱的目的。而高溫鍋爐水則吸收熱量部分汽化，生產(chǎn)0.5 MPa蒸汽，并入蒸汽管網(wǎng)供后系統(tǒng)使用。

同時(shí)該新型換熱器利用高溫鍋爐水降溫，與母液溫差較小，溫度比普通循環(huán)水換熱器利于調(diào)節(jié)，通過進(jìn)一步DCS多回路控制技術(shù)研究，利用新型換熱器和普通循環(huán)水換熱器串級(jí)多點(diǎn)控制，提升系統(tǒng)自動(dòng)化控制程度，解決多年來合成溫度波動(dòng)大、不易調(diào)節(jié)的問題。改造后的工藝流程見圖1。

圖1 新型換熱器改造前后工藝流程Fig 1 New heater exchanger process flow before and after modification

2.2 新型反應(yīng)釜流體攪拌技術(shù)

流體攪拌充分利用了反應(yīng)釜母液自身循環(huán)，通過改善CO氣體及循環(huán)母液分布，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜內(nèi)氣液相的充分混合，使反應(yīng)速率大大提高，從而起到替代攪拌器的功能，而且避免軸封損壞造成減量事故發(fā)生。

計(jì)算流體技術(shù)（CFD）。流體在反應(yīng)器中的流動(dòng)過程是三維高速湍流，同時(shí)還伴隨著流體的脈動(dòng)以及隨機(jī)湍動(dòng)。為了能夠客觀、準(zhǔn)確的評(píng)定以及測(cè)定流速，采用計(jì)算流體技術(shù)的方法對(duì)不同工藝條件下反應(yīng)器內(nèi)的流動(dòng)與混合進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)。

軟件模擬與攝像對(duì)比技術(shù)。為了使得氣液混合效果達(dá)到預(yù)期的目的，需對(duì)氣體分布與液體分布分別進(jìn)行考慮，并用攝像法記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)中，先考察原先的氣液分布設(shè)備的混合特性；然后，在原先的基礎(chǔ)上提出幾種設(shè)計(jì)思想，并用Fluent軟件將各種方案進(jìn)行對(duì)比并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，考察實(shí)際狀況下的氣液分布效果。

機(jī)械攪拌與流體攪拌對(duì)比分別見圖2。

圖2 機(jī)械和流體攪拌裝置Fig 2 Difference between mechanical stirring and fluid mixing

數(shù)值模擬方法。在CFD軟件FLUENT平臺(tái)上，基于雷諾時(shí)均方程，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型，對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的三維流動(dòng)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。反應(yīng)器內(nèi)流體為單相液體或氣液兩相操作，水密度為1 000 kg/m3，黏度為1 mPs；氣體密度為1 kg/m3，黏度為1 mPs，模擬工況液面壓力分別進(jìn)行考慮，并用攝像法記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，按照如下方案進(jìn)行改進(jìn)：1）增加分布器開孔的數(shù)量；2）調(diào)整氣體分布器開孔的尺寸；3）優(yōu)化液體進(jìn)口的流速；4）改進(jìn)液體進(jìn)口的高度；5）改變液體進(jìn)口的角度；6）增加噴頭數(shù)量。

改進(jìn)后的氣體與液體混合效果比改進(jìn)前有大幅提高，氣體與液體的混合效果提高，氣液分布均勻，增大了接觸面積，提高了反應(yīng)速率，并根據(jù)結(jié)果開發(fā)出新型流體攪拌系統(tǒng)[2]。關(guān)鍵設(shè)備見圖3和圖4。

圖3 流體攪拌噴頭Fig 5 Sprayer structure in the reactor

圖4 CO分配器Fig 4 CO distributor in the reactor

流體攪拌裝置升級(jí)改造，以滿足大容積反應(yīng)釜?dú)庖簝上喑浞只旌弦?，每套裝置有動(dòng)力泵、換熱器、流體攪拌管及噴頭構(gòu)成，流程為：反應(yīng)液通過中部流出，進(jìn)入動(dòng)力泵，動(dòng)力泵出口連接換熱器，通過換熱器對(duì)反應(yīng)液進(jìn)行降溫后，從反應(yīng)釜頂部側(cè)向進(jìn)入反應(yīng)釜繼續(xù)參加反應(yīng)，反應(yīng)釜內(nèi)部設(shè)有流體攪拌管，運(yùn)行時(shí)，反應(yīng)液從反應(yīng)釜頂部側(cè)向進(jìn)入反應(yīng)釜，沿釜壁高速向下流動(dòng)，帶動(dòng)周邊的液體發(fā)生矢量的改變，并從反應(yīng)釜下部翻轉(zhuǎn)而上，形成了多個(gè)主流動(dòng)層不同的循環(huán)流動(dòng)狀態(tài)。

CO分配器有多層多孔環(huán)式管體構(gòu)成，其特征為：多層多孔環(huán)式管體俯視角度為同心結(jié)構(gòu)，上管體和下管體通過連接管連接，為了使原料氣體進(jìn)入反應(yīng)器后能均勻的分布，且與反應(yīng)液充分接觸，在每個(gè)環(huán)式管體上半部分分布多圈氣孔，氣孔直徑尺寸縮小。幾何尺度由毫-厘米級(jí)別調(diào)控至微-毫米級(jí)，通過CO分布器微氣泡技術(shù)研究與應(yīng)用，在數(shù)量級(jí)上大幅提高相界面積和氣液兩相的傳質(zhì)速率，促進(jìn)系統(tǒng)反應(yīng)。

2.3 高速泵國(guó)產(chǎn)化技術(shù)升級(jí)

以甲醇加料泵及重相泵為例，介紹具體核算及技術(shù)升級(jí)改造方案。

輸出軸（高速軸）軸徑核算。甲醇加料泵和重相泵選用標(biāo)準(zhǔn)泵軸系列的d=20 mm平鍵驅(qū)動(dòng)，利用葉輪鎖緊螺母固定葉輪的標(biāo)準(zhǔn)高速軸，并進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化的設(shè)計(jì)與應(yīng)用；

葉輪的輪轂直徑核算。甲醇加料泵原葉輪葉片24片、外徑120 mm，進(jìn)行模塊式計(jì)算并修正后，選用適用于性能曲線上揚(yáng)截止型的24片、外徑196 mm的整體葉輪；渦室直徑224 mm；對(duì)葉輪及渦室進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用。重相泵原葉輪葉片24片、外徑112 mm，性能提升后，選用24片、外徑為162 mm的整體葉輪；渦室直徑184 mm。

擴(kuò)散器喉部面積At的確定。甲醇加料泵采用全蝸殼單喉孔發(fā)散型的擴(kuò)散器，喉口直徑16.5 mm，并對(duì)擴(kuò)散器及喉口進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)應(yīng)用；重相泵采用全蝸殼單喉孔發(fā)散型擴(kuò)散器，喉口直徑18.56 mm。

擴(kuò)散器厚度與擴(kuò)散器壓蓋厚度的確定。甲醇加料泵擴(kuò)散器厚度優(yōu)化為65 mm，擴(kuò)散器壓蓋厚度10.5 mm，并對(duì)擴(kuò)散器壓蓋進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化的設(shè)計(jì)及加工應(yīng)用；重相泵擴(kuò)散器厚度優(yōu)化為64 mm，擴(kuò)散器壓蓋厚度24 mm。

誘導(dǎo)輪的核算與選型。根據(jù)性能提升后葉輪及蝸室直徑，誘導(dǎo)輪在高速泵專用系列中選用適用于高吸入比轉(zhuǎn)速的專用錐形3葉片不等距螺旋誘導(dǎo)輪。

3 技術(shù)升級(jí)后效果

3.1 新型合成換熱技術(shù)

傳統(tǒng)的換熱器換熱模式由于冷熱流體溫差大，合成溫度不易調(diào)控，而且產(chǎn)生熱量經(jīng)循環(huán)水帶走，造成熱損失[3]。采用關(guān)鍵技術(shù)新增1臺(tái)新型換熱器，該新型換熱器利用生產(chǎn)過程中的高溫母液作為熱源來生產(chǎn)蒸汽，它既是工藝流程中高溫母液的冷卻器,又是利用余熱產(chǎn)生蒸汽的動(dòng)力裝置，在實(shí)際生產(chǎn)過程中又能起到優(yōu)化調(diào)整合成溫度的功能。采用關(guān)鍵技術(shù)后，一是提升了系統(tǒng)整體換熱余量，滿足1 Mt/a擴(kuò)產(chǎn)需求；二是實(shí)現(xiàn)合成溫度自動(dòng)化穩(wěn)定控制；三是利用余熱副產(chǎn)低品位蒸汽（0.5 MPa）約15 t/h，降低能源消耗。

3.2 新型反應(yīng)釜流體攪拌技術(shù)

該新型醋酸反應(yīng)釜流體混合系統(tǒng)改變了機(jī)械攪拌軸封及傳動(dòng)裝置在運(yùn)行過程中易損壞的情況，將動(dòng)密封點(diǎn)消除，極大地提高了系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)大容積醋酸反應(yīng)釜裝置，單噴嘴流體攪拌及傳統(tǒng)CO分配器無法達(dá)到氣液兩相充分混合要求，該新型醋酸反應(yīng)釜流體混合系統(tǒng)升級(jí)流體攪拌形式，并采用新型CO分配器，CO氣體分布更加均勻，改善氣液兩相混合效果，提高了CO利用率，提升了反應(yīng)速率，CO單耗降低5 m3/t，同時(shí)實(shí)現(xiàn)醋酸裝置1 Mt/a產(chǎn)能的優(yōu)化提升。

3.3 高速泵國(guó)產(chǎn)化技術(shù)

利用目前設(shè)備通過國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的研究應(yīng)用，提升設(shè)備的各項(xiàng)性能滿足系統(tǒng)高負(fù)荷的安全連續(xù)化運(yùn)行；研究開發(fā)的技術(shù)路線是在保持原有的泵體、變速箱基礎(chǔ)上，根據(jù)要求工況，通過研究高速泵流道的設(shè)計(jì)，研究開發(fā)新型國(guó)產(chǎn)化技術(shù)的擴(kuò)散器及擴(kuò)散器壓蓋，并且對(duì)相關(guān)配套葉輪、誘導(dǎo)論等零部件的匹配選型，實(shí)現(xiàn)高速泵性能提升優(yōu)化，滿足產(chǎn)能提升需求，并確保機(jī)泵高負(fù)荷安全連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

醋酸裝置產(chǎn)能提升后，產(chǎn)量效應(yīng)帶動(dòng)生產(chǎn)成本降低，以更低的成本優(yōu)勢(shì)和更高的質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)積極參與行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)，以避免在還有可能繼續(xù)加劇的行業(yè)整合過程中停滯不前或者被后來者趕超的不利局面?？萍脊リP(guān)過程中形成的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，助推我國(guó)醋酸工業(yè)的快速發(fā)展。