魯南化工醋酸裝置產能提升中的關鍵核心技術探索

趙月東

（兗礦魯南化工有限公司，山東滕州 277527）

0 引 言

醋酸是重要的化學中間體和化學反應溶劑，主要用于生產醋酸乙烯、醋酐、醋酸纖維素、醋酸酯、對苯二甲酸（PTA）、氯乙酸和醋酸鹽等，其衍生物多達幾百種。目前醋酸生產方法主要為甲醇羰基合成法。甲醇羰基合成醋酸工藝于上世紀70年代由美國孟山都公司首創(chuàng)，近年來由于在催化劑研制領域的新進展，甲醇羰基合成醋酸工藝有了一些重大突破，包括BP公司的Cativa工藝、Celanese公司的低水含量工藝、UOP／Chiyoda的UOP／ChiyodaAcetica工藝、Haldor-Topsoe公司的甲醇／二甲醚生產醋酸新工藝以及我國西南化工研究設計院開發(fā)的蒸發(fā)流程等。總之，當前正值我國醋酸工業(yè)發(fā)展的關鍵時期，落后的工藝正在被逐步淘汰，醋酸生產企業(yè)只有不斷地進行關鍵核心技術的探索或生產管理精益化，才能在業(yè)內保持競爭優(yōu)勢。

兗礦魯南化工有限公司（簡稱魯南化工）的醋酸裝置（2套）是我國自主研發(fā)的首套甲醇低壓羰基合成醋酸工業(yè)化裝置，2套醋酸裝置原設計產能分別為200kt／a和300kt／a，所采用的技術具有我國自主知識產權，是當今極具經濟意義的醋酸生產工藝技術，打破了長期以來跨國公司的技術壟斷，在經濟效益方面具有較強的競爭力。2011—2019年期間，魯南化工經過多次產能提升技術攻關，2套醋酸裝置挖潛改造后實現了總產能由500kt／a提升至1000kt／a、總產能躋身國內前三的目標。魯南化工能取得如此的成績，主要得益于醋酸裝置擴產改造過程中持續(xù)開展技術攻關和探索并形成的多項關鍵核心技術，以下對有關情況作一總結。

1 醋酸合成系統(tǒng)新型換熱技術

1.1 采用新型換熱技術前存在的問題

甲醇低壓羰基合成醋酸反應為放熱反應，合成系統(tǒng)熱量平衡主要通過三個途徑實現：一是閃蒸循環(huán)帶走熱量，約占總反應熱的70%；二是通過母液換熱器換熱帶走，約占總反應熱的25%；三是精餾系統(tǒng)返回合成系統(tǒng)的稀酸（60℃）和重相（40℃）等物料吸熱，約占總反應熱的5%。醋酸合成系統(tǒng)采用新型換熱技術前，各換熱器均處于滿負荷運行狀態(tài)，由于換熱器冷卻介質為循環(huán)水，循環(huán)水與高溫反應液的溫差較大，造成反應釜溫度不易調節(jié)，醋酸合成系統(tǒng)溫度波動較大，尤其是當反應溫度過高時，反應加劇，會瞬間造成原料CO不足，在此情況下催化劑易形成RhI3沉淀，長期如此會造成羰基合成反應條件的持續(xù)惡化，并導致催化劑損失。

1.2 醋酸合成系統(tǒng)新型換熱技術的特點

傳統(tǒng)的循環(huán)水換熱器換熱模式，換熱器管程中的反應液溫度為190℃，殼程的循環(huán)水溫度為28～34℃，由于冷熱流體溫差大，導致醋酸合成系統(tǒng)溫度不易調控，且醋酸合成反應熱由循環(huán)水帶走，造成系統(tǒng)熱量的損失和浪費；同時，由于冷熱流體溫差大，異常工況下，換熱器在冷熱介質快速切換時，管殼及列管隨著流體溫度的變化而拉伸或收縮，由于管殼與列管的膨脹系數不同，極易造成列管與固定管板管頭焊縫處撕裂，進而造成換熱列管泄漏。為解決醋酸合成系統(tǒng)熱量平衡問題，通過技術攻關，魯南化工在醋酸合成系統(tǒng)采用了新型換熱技術——在開工泵外循環(huán)管路上增設1臺新型換熱器（見圖1，圖中的虛線為新增部分）。生產中，190℃的高溫母液與120～130℃的高溫鍋爐水通過新型換熱器的間壁換熱，高溫母液降溫至170℃，達到移出反應熱的目的，高溫鍋爐水則吸收反應熱而部分汽化，副產0.5MPa的蒸汽并入蒸汽管網供后系統(tǒng)使用；同時，該新型換熱器采用高溫鍋爐水為母液降溫，高溫鍋爐水與母液的溫差較小，相較于采用普通循環(huán)水換熱器對醋酸合成系統(tǒng)溫度進行調控的模式，其操作調節(jié)方便且系統(tǒng)運行更穩(wěn)定，通過進一步對DCS多回路控制技術的研究，利用新型換熱器和普通循環(huán)水換熱器串級多點控制，使得系統(tǒng)的自動化控制程度得到有效提升，從而解決了多年來醋酸合成系統(tǒng)溫度波動大、不易調節(jié)的疑難問題。

圖1 采用新型換熱技術后醋酸合成系統(tǒng)流程簡圖

1.3 采用新型換熱技術后系統(tǒng)運行狀況

采用在醋酸合成系統(tǒng)開工泵外循環(huán)管路上增設1臺新型換熱器后，新型換熱器利用生產過程中的高溫母液作為熱源副產蒸汽，其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力設備，不僅提升了醋酸合成系統(tǒng)整體的換熱能力，實現了醋酸合成系統(tǒng)溫度的自動化穩(wěn)定控制，滿足了醋酸產能擴至1000kt／a的需要，而且利用高溫母液的余熱副產0.5MPa蒸汽約15t／h，有效降低了系統(tǒng)能耗。

2 反應釜流體攪拌技術

2.1 采用流體攪拌技術前存在的問題

傳統(tǒng)的醋酸生產工藝中，一般采用機械攪拌技術（攪拌器）實現反應釜中氣液相的均勻混合，然而機械攪拌設備不僅結構較復雜，而且其軸封及傳動設備的軸承在運行過程中易損壞，難以保證醋酸裝置的連續(xù)、穩(wěn)定、安全運行。傳統(tǒng)醋酸反應釜機械攪拌裝置示意圖見圖2。

圖2 傳統(tǒng)醋酸反應釜機械攪拌裝置示意圖

2.2 反應釜流體攪拌技術的特點

為解決傳統(tǒng)醋酸生產工藝中反應釜采用機械攪拌技術存在的問題，通過技術攻關，魯南化工在反應釜中采用了流體攪拌技術。流體攪拌技術充分利用反應釜母液自身循環(huán)替代攪拌器的功能，通過改善CO氣及循環(huán)母液分布，實現反應釜內氣液相的充分混合，不僅使醋酸合成反應速率大大提升，而且可避免機械攪拌設備主體結構中的軸封損壞造成的減量事故。在反應釜流體攪拌技術攻關過程中，主要應用了以下技術方法開展研究與試驗。

計算流體技術（CFD）：流體在反應釜內的流動過程屬三維高速湍流，同時還伴隨著流體的脈動以及隨機湍動，為能夠客觀、準確地評定流動狀況并測定流速，采用計算流體技術（CFD）的方法對不同工藝條件下反應釜內流體的流動與混合進行計算預測。

軟件模擬與攝像對比技術：為使氣液相的混合效果達到預期效果，需對氣體分布與液體分布分別進行考慮，并用攝像法記錄試驗結果，為此，在優(yōu)化方案的設計中，先對優(yōu)化前氣液分布設備的混合特性進行了考察，之后提出幾種設計思想，并用Fluent軟件對各種設計方案進行對比和試驗研究，以考察各種設計方案的實際氣液分布效果。

數值模擬方法：反應釜內流體為單相液體或氣液兩相混合流體，水的密度為1000kg／m3、粘度為1cP，氣體的密度為1kg／m3、粘度為1cP，在CFD軟件Fluent平臺上，基于雷諾時均方程，結合標準k-ε雙方程湍流模型，對反應釜內的三維流場進行數值模擬，按照增加分布器開孔數量、調整氣體分布器開孔尺寸、優(yōu)化液體進口流速、改進液體進口高度、改變液體進口角度、增加噴頭數量的順序不斷優(yōu)化改進，模擬工況液面壓力分別進行考察，并用攝像法記錄試驗結果。

試驗結果表明，采用流體攪拌技術后的反應釜內氣液分布均勻，氣體與液體混合效果明顯提升，氣液相接觸面積明顯增大，使得醋酸合成反應速率大大提升。于是，根據試驗結果，開發(fā)出了新型反應釜流體攪拌系統(tǒng)，其關鍵部件——流體攪拌噴頭和CO分配器的結構示意見圖3。

圖3 反應釜流體攪拌系統(tǒng)關鍵部件結構示意圖

針對大容積醋酸反應釜單噴嘴流體攪拌及傳統(tǒng)CO分配器無法實現氣液相充分混合的問題，開發(fā)出的新型反應釜流體攪拌系統(tǒng)包含流體攪拌裝置和CO分配器。其中，流體攪拌裝置由動力泵、換熱器、流體攪拌管及噴頭構成，反應液從反應釜中部流出，進入動力泵，動力泵出口連接換熱器，通過換熱器對反應液進行降溫后，反應液從反應釜頂部側向進入反應釜繼續(xù)參與反應，反應釜內設有流體攪拌管，運行時，從反應釜頂部側向進入反應釜的反應液沿釜壁高速向下流動，帶動周邊的液體發(fā)生矢量的改變，并從反應釜下部翻轉而上，形成多個主流動層不同的循環(huán)流動狀態(tài)；CO分配器由多層多孔環(huán)式管體構成，多層多孔環(huán)式管體俯視角度為同心結構，上管體和下管體通過連接管連接，為使CO原料氣進入反應釜后能均勻地分布且與反應液充分接觸，在每個環(huán)式管體上半部分分布有多圈氣孔，氣孔直徑由毫米～厘米級調控至微米～毫米級，通過CO分布器微氣泡技術研究與應用，使得相界面積和氣液兩相傳質速率得到大幅提升，從而有效地促進了醋酸合成反應的進行。

2.3 采用流體攪拌技術后系統(tǒng)運行狀況

采用新型反應釜流體攪拌系統(tǒng)后，消除了動密封點，解決了傳統(tǒng)機械攪拌設備的軸封以及傳動設備的軸承在運行過程中易損壞的技術難題，極大地提高了系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性；同時，針對大容積醋酸合成反應釜單噴嘴流體攪拌及傳統(tǒng)CO分配器無法實現氣液相充分混合的情況，新型反應釜流體攪拌系統(tǒng)采用流體攪拌形式，并采用新型CO分配器，CO氣分布更加均勻，氣液相的混合效果得到有效改善，醋酸合成反應速率大幅提升，系統(tǒng)反應狀態(tài)明顯優(yōu)化，從而為醋酸裝置產能提升至1000kt／a提供了技術支撐。

3 高速泵國產化技術

3.1 高速泵國產化前存在的問題

高速泵，又稱高速部分流泵，屬離心泵的一種，在小流量、高揚程參數范圍內（低比轉速下）具有性能優(yōu)良、可靠性高和使用壽命長的特點，在石油化工行業(yè)已得到廣泛應用。

高速泵國產化之前，魯南化工醋酸裝置共有22臺高速泵，均為美國圣達因公司制造的LMV-311和LMV-322型立式單級離心高速泵，為原裝整機進口設備，應用在醋酸裝置各關鍵部位。實際生產中主要存在以下問題：①圣達因高速泵技術含量高、裝配精度要求高、價格昂貴；②隨著近幾年醋酸裝置的產能提升改造，由于圣達因高速泵為部分流限流離心泵，使得先期設計的高速泵性能參數已經無法滿足系統(tǒng)產能提升后對其流量和揚程等方面的要求，嚴重制約了擴產后醋酸裝置的連續(xù)化運行，阻礙了醋酸裝置產能的進一步提升，成為制約醋酸裝置產能提升及安全穩(wěn)定運行的瓶頸問題。

在近幾年的醋酸裝置產能提升改造中，如果按照提產改造要求新購高速泵，投入成本太高，且會造成先期設計產能的圣達因高速泵閑置；而利用原圣達因高速泵進行性能提升優(yōu)化改造，又因關鍵技術廠家壟斷（必須從國外引進）而需付出高昂的專利費及優(yōu)化部件費用，如此既會影響醋酸裝置產能提升改造項目的進度，又會大大降低產能提升改造項目的經濟效益。因此，如何通過高速泵的國產化，提升高速泵的各項性能，滿足醋酸裝置高負荷、安全、連續(xù)運行要求，并通過高速泵的性能提升研究開發(fā)走出一條國產化技術研究應用的道路、掌握先進的高速泵技術、減少對外國技術專家的依賴、節(jié)省高速泵的投資及維修成本，成為魯南化工醋酸裝置產能提升優(yōu)化中的重要攻關目標。

3.2 高速泵國產化技術的特點

醋酸裝置中先期設計的甲醇加料泵及重相泵均為美國圣達因公司制造的高速泵，以這兩類泵為例，高速泵國產化技術升級改造方案及具體核算如下。

輸出軸（高速軸）軸徑核算：甲醇加料泵和重相泵選用圣達因標準泵軸系列的d＝20mm平鍵驅動、利用葉輪鎖緊螺母固定葉輪的標準高速軸，并進行國產化的設計與應用。

葉輪輪轂直徑核算：甲醇加料泵原葉輪葉片24片、外徑為120mm，進行模塊式計算并修正后，選用適用于性能曲線上揚截止型的葉片24片、外徑為196mm的整體葉輪，渦室直徑為224mm，對葉輪及渦室進行國產化設計；重相泵原葉輪葉片24片、外徑為112mm，性能提升后選用葉片24片、外徑為162mm的整體葉輪，渦室直徑為184mm。

擴散器喉部面積（At）的確定：甲醇加料泵采用全蝸殼單喉孔發(fā)散型的擴散器，喉口直徑為16.5mm，并對擴散器及喉口進行國產化設計；重相泵采用全蝸殼單喉孔發(fā)散型的擴散器，喉口直徑為18.56mm。

擴散器厚度與擴散器壓蓋厚度的確定：性能提升后，甲醇加料泵擴散器厚度優(yōu)化為65mm，擴散器壓蓋厚度優(yōu)化為10.5mm，并對擴散器壓蓋進行國產化設計及加工應用；性能提升后，重相泵擴散器厚度優(yōu)化為64mm，擴散器壓蓋厚度優(yōu)化為24mm。

誘導輪的核算與選型：據性能提升后高速泵葉輪及蝸室的直徑，誘導輪在圣達因高速泵專用系列中選用適用于高吸入比轉速的專用錐形3葉片不等距螺旋誘導輪。

3.3 高速泵國產化技術應用后系統(tǒng)運行狀況

對原有圣達因高速泵國產化技術的研究與應用，是在保持原有泵體、變速箱的基礎上，根據工況需求，通過研究高速泵流道的設計，研究開發(fā)出新型國產化技術的擴散器及擴散器壓蓋，并對相關配套葉輪、誘導輪等零部件進行相應的匹配選型，從而實現高速泵性能的提升和優(yōu)化，確保醋酸裝置各高速泵在高負荷下的安全、穩(wěn)定、連續(xù)運行，從而滿足醋酸裝置產能提升后的連續(xù)化生產運行需求。

4 結束語

近年來，醋酸市場的持續(xù)低迷和國內外產能的不斷擴張，使得醋酸生產企業(yè)之間的競爭愈發(fā)激烈，企業(yè)如不采取積極有效的應對措施，必將被行業(yè)淘汰。為此，魯南化工著力于自身實際，苦練內功，依靠多年來沉淀下來的醋酸生產技術經驗，開展了持續(xù)的技術攻關，技術攻關過程中形成了多項關鍵核心技術，如醋酸合成系統(tǒng)新型換熱技術、反應釜流體攪拌技術、高速泵國產化技術等，實現了醋酸裝置產能的有效提升，穩(wěn)固了魯南化工在國內醋酸領域的地位，同時在一定程度上助推了我國醋酸工業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。