MVR技術(shù)在環(huán)己酮廢堿水濃縮中的應(yīng)用

王文輝

（中國(guó)石化湖南石油化工有限公司，湖南岳陽 414014）

環(huán)己酮是一種重要化工原料，具高溶解性和低揮發(fā)性，是制造尼龍、己內(nèi)酰胺和己二酸的主要中間體，同時(shí)也是重要的工業(yè)溶劑。世界上環(huán)己酮生產(chǎn)工藝主要有苯酚加氫法、環(huán)己烷液相氧化法、環(huán)己烯水合法以及環(huán)己烷氧化法。目前有55%的環(huán)己酮生產(chǎn)裝置采用環(huán)己烷氧化法[1-2]，該生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的皂化堿液主要通過廢堿焚燒處理，進(jìn)而得到有用的碳酸鈉鹽以及副產(chǎn)蒸汽。由于廢堿焚燒對(duì)皂化堿液濃度（固性物含量）有較高要求，皂化堿液經(jīng)簡(jiǎn)單分離后尚不能滿足，必須進(jìn)行濃縮，裝置上一般采用蒸汽加熱濃縮。機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR，Mechanical Vapor Recompression）技術(shù)，俗稱熱泵技術(shù)，是一項(xiàng)可對(duì)蒸發(fā)出的二次蒸汽冷凝潛熱重新利用、以減少蒸汽濃縮過程對(duì)外界蒸汽需求的先進(jìn)節(jié)能技術(shù)。MVR技術(shù)應(yīng)用于環(huán)己酮廢堿蒸汽濃縮可顯著減少蒸汽消耗。該文結(jié)合MVR技術(shù)在某環(huán)己酮裝置廢堿濃縮上的應(yīng)用實(shí)例，研究工藝、設(shè)備運(yùn)行情況，為MVR技術(shù)在環(huán)己酮廢堿濃縮中的推廣應(yīng)用提供參考。

1 MVR技術(shù)廢堿濃縮實(shí)例

某國(guó)內(nèi)環(huán)己酮裝置，設(shè)計(jì)產(chǎn)能10萬噸/年，其工藝采用國(guó)際主流的環(huán)己烷空氣氧化法。環(huán)己烷與空氣氧化反應(yīng)后產(chǎn)生的氧化產(chǎn)物經(jīng)分解、皂化后分離出廢堿水，堿水量約在8～12 t/h，其固性物含量約20%～30%，堿水密度約1.00～1.10 g/L；而配套裝置對(duì)焚燒廢堿的要求為固性物含量43%～45%，堿水密度≥1.23 g/L，二者相比差距明顯，因此需對(duì)初步分離的堿水進(jìn)一步濃縮。

2013年之前該裝置一直采用一次蒸汽直接濃縮工藝。通過廢堿塔底再沸器對(duì)廢堿液進(jìn)行加熱濃縮，經(jīng)蒸發(fā)濃縮的塔釜液滿足廢堿密度要求后通過管道輸送至廢堿焚燒裝置進(jìn)行焚燒處理。

2013年，該裝置將MVR技術(shù)引入廢堿濃縮工藝。將廢堿塔頂部蒸出的蒸汽引入蒸汽循環(huán)壓縮機(jī)，壓縮機(jī)出口增熱增壓后的蒸汽大部分進(jìn)入廢堿塔再沸器，作為熱源使用，一小部分通過回路管線至壓縮機(jī)進(jìn)口，實(shí)現(xiàn)了利用廢堿水中的水蒸氣蒸發(fā)濃縮廢堿水的過程。改造后廢堿蒸發(fā)塔頂蒸汽熱量得到回收利用，同時(shí)減少了塔頂冷凝器的冷卻水用量。改造后原流程保留，正常生產(chǎn)情況運(yùn)行MVR機(jī)組，廢堿塔頂蒸汽引入蒸汽循環(huán)壓縮機(jī)，MVR機(jī)組異常時(shí)可切換原流程運(yùn)行，不影響主裝置正常運(yùn)行。

改造后的流程如圖1所示。皂化廢堿液從皂化、水洗底部出料至環(huán)己烷閃蒸罐（V-241，以下簡(jiǎn)稱閃蒸罐），經(jīng)閃蒸罐蒸汽加熱，罐頂含烷閃蒸汽經(jīng)回收冷凝器（E-208）和回收尾冷器（E-213）冷凝后，液相排入回收水儲(chǔ)槽（V-207），不凝氣進(jìn)入烷塔尾氣壓縮機(jī)進(jìn)口總管。閃蒸后的廢堿液由廢堿塔加料泵（以下簡(jiǎn)稱加料泵）泵入廢堿閃蒸塔再沸器（E-209）。廢堿閃蒸塔（C-204）塔頂?shù)恼羝?jīng)蒸汽循環(huán)壓縮機(jī)（K-240，以下簡(jiǎn)稱壓縮機(jī)）增壓增熱后，供E-209循環(huán)使用。E-209疏水進(jìn)疏水收集罐（V-217），經(jīng)回收水輸送泵（P-241A/B）增壓，回收水冷凝器（E-241）降溫后進(jìn)入回收水儲(chǔ)槽（V-207）。加熱蒸發(fā)濃縮后的塔釜廢堿進(jìn)入廢堿船型槽（V-210），由廢堿泵（P-230A/B）輸送至廢堿罐或者廢堿焚燒裝置。

圖1 MVR廢堿濃縮流程

2 項(xiàng)目運(yùn)行情況

2.1 工藝運(yùn)行狀況

2.1.1 工藝數(shù)據(jù)分析

該裝置運(yùn)行后，以8小時(shí)為分析范圍，分別對(duì)正常負(fù)荷及低負(fù)荷條件下的運(yùn)行工藝參數(shù)及濃縮提純后的廢堿固性物含量進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)分別如表1、表2所示。

表1 正常負(fù)荷數(shù)據(jù)

表2 低負(fù)荷數(shù)據(jù)

由數(shù)據(jù)可知，在正常負(fù)荷及低負(fù)荷情況下，經(jīng)MVR機(jī)組壓縮做功、切斷外界蒸汽供應(yīng)后，廢堿塔釜溫、頂溫等工藝指標(biāo)控制穩(wěn)定，廢堿液密度維持在1.21 g/L以上，固性物含量在46%以上，可以達(dá)到工藝要求，整體運(yùn)行平穩(wěn)。

由于機(jī)組沒有配套使用變頻控制系統(tǒng)，低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)需打開MVR機(jī)組出口回路調(diào)節(jié)閥組的副線閥，減少機(jī)組輸出功率，此舉會(huì)相應(yīng)降低機(jī)組電能利用率。

2.1.2 工藝控制情況

（1）負(fù)荷調(diào)節(jié)

負(fù)荷調(diào)節(jié)是整個(gè)MVR系統(tǒng)的核心，影響廢堿濃縮程度及外部蒸汽需求量。通過閥組控制MVR機(jī)組的有用輸出功率和MVR機(jī)組進(jìn)出口壓差，調(diào)整輸出蒸汽熱量，進(jìn)而控制廢堿塔釜溫度。該回路調(diào)節(jié)閥組能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

（2）返冷水開度

MVR機(jī)組流程上設(shè)置有返冷水流程，即將外部溫度較低的水通入機(jī)組內(nèi)，一是降低機(jī)組出口溫度，二是產(chǎn)生蒸汽以適當(dāng)補(bǔ)充蒸汽量。對(duì)于該裝置而言，返冷水開度主要用于控制機(jī)組出口溫度，開度調(diào)整通過手動(dòng)閥門進(jìn)行。

（3）廢堿進(jìn)料輸送

投用廢堿塔MVR系統(tǒng)需配套使用廢堿閃蒸罐和廢堿輸送系統(tǒng)，皂化廢堿液從皂化、水洗底部出料至廢堿閃蒸罐進(jìn)行蒸汽加熱，罐頂含烷閃蒸汽經(jīng)回收冷凝器和回收尾冷器冷凝后，產(chǎn)生的液相排入裝置冷凝液回收水儲(chǔ)槽，不凝氣進(jìn)入裝置尾氣壓縮機(jī)。閃蒸后的廢堿液由廢堿塔加料泵送入廢堿閃蒸塔再沸器。運(yùn)行中，通過控制廢堿加料泵出口的調(diào)節(jié)閥組來控制進(jìn)入廢堿塔的流量和廢堿閃蒸罐的液位，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

（4）疏水輸送

MVR機(jī)組出口供應(yīng)廢堿塔再沸器使用后，冷凝的疏水經(jīng)回收水輸送泵增壓、回收水冷凝器降溫后進(jìn)入裝置冷凝液回收水儲(chǔ)槽。系統(tǒng)通過泵出口的調(diào)節(jié)閥組進(jìn)行液位自動(dòng)控制。

（5）機(jī)組聯(lián)鎖

MVR機(jī)組設(shè)置了兩個(gè)工藝聯(lián)鎖，一是機(jī)組出口溫度過高，二是進(jìn)出口壓差過高。當(dāng)機(jī)組出口溫度超過128 ℃，進(jìn)出口壓差超過54 kPa時(shí)，機(jī)組聯(lián)鎖停機(jī)并自動(dòng)切換流程。兩個(gè)聯(lián)鎖的設(shè)置目的均是保證機(jī)組的安全。

（6）不凝氣

考慮到進(jìn)廢堿塔原料廢堿中存在部分不凝氣會(huì)影響蒸汽品質(zhì)和傳熱效果，在進(jìn)廢堿塔之前的流程上設(shè)置了一個(gè)特有的閃蒸罐，讓原料廢堿中的不凝氣以及低沸點(diǎn)的有機(jī)物在罐內(nèi)閃蒸，再通過閃蒸罐系統(tǒng)頂部管線排放至尾氣管線。另外，廢堿塔的再沸器頂部設(shè)置了不凝氣排放管線，用于不凝氣的進(jìn)一步排放。

（7）廢堿塔內(nèi)操作壓力

因MVR機(jī)組進(jìn)口氣源為廢堿塔頂?shù)钠羝?，MVR機(jī)組運(yùn)行后，進(jìn)口會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大吸力使塔內(nèi)壓力降為負(fù)壓。但壓力的改變對(duì)廢堿塔工況影響不大。

2.2 設(shè)備運(yùn)行狀況

2.2.1 機(jī)組風(fēng)機(jī)

因MVR機(jī)組出口溫度較高，為保護(hù)機(jī)泵機(jī)組，風(fēng)機(jī)必須與機(jī)組同步運(yùn)行。

2.2.2 機(jī)組主機(jī)

機(jī)組主機(jī)的電流及軸承溫度均處于允許范圍內(nèi)，但由于機(jī)組本身建設(shè)在架空層上，振動(dòng)超過允許值。經(jīng)減震改造，振動(dòng)值有所減小，但仍處于高位。

2.2.3 廢堿輸送系統(tǒng)

廢堿輸送系統(tǒng)由廢堿閃蒸罐及配套的兩臺(tái)機(jī)泵組成，通過機(jī)泵出口的調(diào)節(jié)閥來控制液位保持穩(wěn)定，機(jī)泵運(yùn)行平穩(wěn)。

2.2.4 再沸器疏水罐系統(tǒng)

MVR機(jī)組出口的蒸汽進(jìn)入再沸器換熱冷凝后，進(jìn)入再沸器疏水罐，疏水經(jīng)輸送泵送入水槽供其他工序使用，使機(jī)泵運(yùn)行穩(wěn)定。

2.3 節(jié)能創(chuàng)效效益分析

2.3.1 正效益

MVR機(jī)組投入運(yùn)行后可有效回收廢堿塔頂蒸汽熱量，該部分蒸汽經(jīng)壓縮加溫加壓后用于廢堿塔再沸器，相當(dāng)于大部分蒸汽潛熱得到了重復(fù)利用，加上返冷水的補(bǔ)充，廢堿塔底部再沸器可直接停用外部公用工程提供的低壓蒸汽；同時(shí)，廢堿塔頂蒸汽冷凝器熱負(fù)荷下降，循環(huán)水用量相應(yīng)減少。根據(jù)測(cè)算，廢堿塔每小時(shí)蒸汽消耗為4 t/h，循環(huán)水價(jià)值較低，此部分效益暫忽略。

2.3.2 負(fù)效益

正常運(yùn)行情況下機(jī)組運(yùn)行需要增加部分電耗，主要來自以下三部分：MVR機(jī)組（355 kW·h），廢堿輸送泵（5.5 kW·h），疏水輸送泵（5.5 kW·h）。

2.3.3 效益測(cè)算

按照電價(jià)0.68元/kW·h，蒸汽價(jià)格214元/t計(jì)算，可知每小時(shí)產(chǎn)生效益214×4–（355＋5.5＋5.5）×0.68＝607.12元，如表3所示。

表3 效益測(cè)算

按照年生產(chǎn)時(shí)間8 000小時(shí)計(jì)算，每年可產(chǎn)生效益607.12×8 000=485.7萬元。

上述效益測(cè)算采用企業(yè)內(nèi)部能源價(jià)格，改造后節(jié)能效果明顯，但涉及廠區(qū)蒸汽與用電的使用平衡，需根據(jù)企業(yè)實(shí)際汽、電平衡合理安排運(yùn)行模式。

3 項(xiàng)目運(yùn)行探討

3.1 返冷水供給方式

疏水除去被利用的部分外，還有部分直接外排。如能將疏水直接用于MVR機(jī)組的返冷水，可減少外部的供水消耗。然而，疏水流量并不穩(wěn)定，在以穩(wěn)定疏水罐液位為控制目標(biāo)的前提下，疏水外送存在中斷的可能。返冷水雖用量較小但不能中斷，一旦斷供，MVR機(jī)組出口溫度會(huì)迅速升高，引起聯(lián)鎖停車。因此，返冷水一般由外部直接供給，雖增加了一次水消耗，但能夠保證機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行。若在后續(xù)改造中可保證疏水作為返冷水穩(wěn)定不斷流，該供給方式則較為理想。

3.2 廢堿閃蒸罐除沫

流程中為去除廢堿內(nèi)的環(huán)己烷等有機(jī)相，設(shè)置了一個(gè)環(huán)己烷閃蒸罐，該閃蒸罐頂部氣相管線直接與原廢堿閃蒸塔氣相管線相連，冷凝水會(huì)部分排往污水系統(tǒng)。因該閃蒸罐氣相管線設(shè)計(jì)較短，如來料量或閃蒸罐蒸汽壓力波動(dòng)，則會(huì)造成環(huán)己烷閃蒸罐液位和溫度波動(dòng)，導(dǎo)致閃蒸罐內(nèi)產(chǎn)生大量的廢堿泡沫，隨冷凝水進(jìn)入污水系統(tǒng)，引起環(huán)保事故。因此，廢堿閃蒸罐的液位和溫度控制十分關(guān)鍵。增大廢堿閃蒸罐體積、增加閃蒸罐頂部氣相管高度被認(rèn)為是非常好的改造方向，能夠大幅降低堿水進(jìn)入污水系統(tǒng)的概率。

3.3 MVR機(jī)組的長(zhǎng)周期運(yùn)行

由于是在環(huán)己酮廢堿濃縮領(lǐng)域首次使用MVR技術(shù)，缺乏有效的參考資料，最初MVR進(jìn)口管線被設(shè)計(jì)成翻高后進(jìn)入機(jī)組，沒有充分考慮蒸汽冷凝水在翻高管線內(nèi)聚集的影響。在實(shí)際過程中，會(huì)有冷凝液在進(jìn)口管中不斷形成，到達(dá)一定量后會(huì)突然封住進(jìn)口管，造成機(jī)組做功迅速增加，引發(fā)機(jī)組聯(lián)鎖停車。裝置目前采用的臨時(shí)解決辦法是定期抽出進(jìn)口管內(nèi)的凝結(jié)水。改造進(jìn)口管配管方位或增加進(jìn)口管分液罐是兩種解決進(jìn)口管冷凝水聚集的辦法，實(shí)施后可從根本上解決MVR機(jī)組進(jìn)口管積水引發(fā)跳停的問題。

3.4 廢堿水濃度、蒸汽消耗和電耗之間的平衡

廢堿水的濃度是一項(xiàng)硬性指標(biāo)，實(shí)際需要關(guān)注的是在保證廢堿濃度的情況下，優(yōu)化蒸汽和電使用。對(duì)于項(xiàng)目而言，可由蒸汽、電的用量和價(jià)格計(jì)算出蒸汽消耗和電消耗的理論臨界點(diǎn)，即：（355＋5.5＋5.5）×0.68/214＝1.16 t，當(dāng)廢堿塔所需蒸汽量＜1.16 t時(shí)，使用外部蒸汽比使用MVR機(jī)組更為經(jīng)濟(jì)。需要注意的是，由于原料廢堿的固性物含量隨上游工況變化而變化，需技術(shù)人員對(duì)MVR機(jī)組的運(yùn)行做好跟蹤和分析，判斷廢堿塔所需蒸汽消耗量， 根據(jù)裝置實(shí)際選取更為經(jīng)濟(jì)的能源消耗方式。另外，蒸汽價(jià)格和電價(jià)的變動(dòng)等因素也會(huì)對(duì)蒸汽和電量的使用選擇造成影響。

3.5 水洗工序優(yōu)化

環(huán)己酮氧化液經(jīng)分解反應(yīng)后，進(jìn)入皂化水洗工序，經(jīng)第一、第二水洗分離器，通過加入洗水對(duì)其中的堿水相和有機(jī)相進(jìn)一步分離。項(xiàng)目改造前，為控制裝置廢堿塔能耗、保證外送廢堿液濃度，洗水量控制在1.0～2.0 m3/h之間，但無法保證堿水分離效果。經(jīng)改造，MVR系統(tǒng)投入正常運(yùn)行后，裝置一洗、二洗洗水加入量可調(diào)大至3.0 m3/h以上，以增強(qiáng)水洗液的堿水分離效果，從而減少隨有機(jī)相帶至烷塔系統(tǒng)的堿水量，降低烷塔再沸器結(jié)垢速度，延長(zhǎng)烷塔再沸器運(yùn)行周期。

4 總結(jié)

國(guó)內(nèi)首次將MVR技術(shù)應(yīng)用于環(huán)己酮行業(yè)廢堿液濃縮領(lǐng)域，裝置的應(yīng)用實(shí)例表明MVR技術(shù)在環(huán)己酮廢堿濃縮項(xiàng)目上可行，可顯著降低裝置低壓蒸汽消耗；雖會(huì)增加一定電耗，但總體節(jié)能效果明顯，每年可創(chuàng)效約486萬元。由于是在環(huán)己酮廢堿濃縮領(lǐng)域首次應(yīng)用，項(xiàng)目還存在一些缺陷或待優(yōu)化點(diǎn)，優(yōu)化后可保證MVR技術(shù)在環(huán)己酮裝置廢堿濃縮工序中有更好的實(shí)踐和應(yīng)用，并對(duì)后續(xù)MVR技術(shù)在廢堿濃縮及其他類似濃縮蒸發(fā)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供參考。