電石法氯乙烯精餾系統(tǒng)的工藝改進

苗春葆，周金麗，李軍強

（青島海晶化工集團有限公司，山東 青島 266042）

在電石法生產(chǎn)聚氯乙烯工藝中，乙炔和氯化氫在催化劑的作用下反應(yīng)生成氯乙烯。合成反應(yīng)后的氣體中，除了氯乙烯外，尚有過量的氯化氫、少量未反應(yīng)的乙炔以及氮氣、氫氣、二氧化碳等，還有生成的乙醛、二氯乙烷、二氯乙烯、三氯乙烯、乙烯基乙炔等副產(chǎn)物。為了生產(chǎn)適合聚合的高純度氯乙烯單體，應(yīng)盡可能將這些雜質(zhì)除掉。這部分氣體經(jīng)過水洗、堿洗工藝脫除氯化氫和二氧化碳后，再經(jīng)過冷卻除水后，經(jīng)壓縮送往精餾2段進行精餾。

青島海晶化工公司原有的精餾裝置共3套，包括 2 套小的（6 萬t VCM/a）和 1 套大的（10 萬t/a），一般情況下運行1大1小。低沸塔進料所采用的壓差輸送方式存在偏流、運行不穩(wěn)定、操作不便、安全度低等問題。2010年7月，該公司利用停車檢修時間對上述裝置進行了技術(shù)改造，解決了裝置存在的不足，使得精餾系統(tǒng)高效安全平穩(wěn)地運行。

1 改進前的氯乙烯精餾裝置情況

1.1 工藝流程

改造前的精餾工藝流程見圖1。由機后冷卻器（E4208A/B）送來的粗氯乙烯氣體進入全凝器（E4209A/B/C）與管間的7℃水進行換熱，使大部分氯乙烯氣體冷凝為液體，依靠位差進入水分離器（V4225），經(jīng)分離除水后，依靠壓差進入低沸塔（T4204A/B/C）進行精餾，塔底再沸器（E4211A/B/C）用來自熱水槽的95℃熱水加熱，將向下流的液體中低沸物蒸出。從塔頂出口的氣相中不只含有不凝的小分子氣體，還夾帶了大量的氯乙烯。經(jīng)低沸塔塔頂冷凝器冷卻后部分冷凝回流，在向下流的過程中，繼續(xù)進行精餾。底部的液相依靠壓差送到高沸塔進一步精餾，以脫除二氯乙烷等高沸點物質(zhì)，頂部的氣相經(jīng)成品冷凝器（E4215A～D）冷凝后送到成品VCM貯槽（V4201A/B）；從水分離器出來的不凝氣體與低沸塔頂部的不凝氣體一起進入尾氣冷凝器（E4212A～F）冷凝，以便于盡可能地回收夾帶的氯乙烯，從尾氣冷凝器出來的氣體再通過變壓吸附器將其中夾帶的氯乙烯和乙炔氣體進行變壓吸附進行回收，尾氣達到排放標準后排空。

1.2 改進前精餾工藝存在的問題

（1）存在偏流現(xiàn)象，操作強度非常大。由于精餾裝置是作為PVC擴改項目的一部分逐步改造的，1套16萬t/a的精餾裝置分為3套（2套6萬t/a，1套10萬t/a），總能力達到22萬t/a，但配套的全凝器、尾冷等能力不足，實際能力只能達到16萬t/a，根據(jù)負荷情況開2備1。水分離器中的液體是依靠位差進入低沸塔的。在未擴改前，單套精餾裝置采用這樣的工藝具有一定的節(jié)能優(yōu)勢。但擴改后，1臺水分離器出口對應(yīng)3臺低沸塔，而且各個低沸塔的流量都是通過人工現(xiàn)場手動控制。由于1套低沸塔能力有限，低沸塔需要同時開2臺，一般情況下開1大1?。?0萬t/a和6萬t/a），人工操作和自壓進料不可避免地存在偏流現(xiàn)象。如果一臺低沸塔內(nèi)部壓力稍高于另一臺，入口進料量就會減少，低沸塔液位就會下降，從而導(dǎo)致該塔內(nèi)的參數(shù)和高沸塔內(nèi)的參數(shù)發(fā)生變化；相反，另一臺進料量增多，導(dǎo)致偏流，操作參數(shù)也會發(fā)生變化，各個低沸塔的流量不能得到很好的控制，VCM質(zhì)量受到影響，進而影響到PVC生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量。

為了減少偏流想象，DCS操作人員必須經(jīng)常進行調(diào)節(jié)操作，現(xiàn)場操作人員也必須手動調(diào)節(jié)閥門，人工操作頻繁，尤其是在現(xiàn)場，該閥門處于地平面12 m的高度，勞動強度非常大。

（2）安全性太低。原有精餾框架是經(jīng)過多次填平補齊，各樓層的設(shè)備和管道非常多，且全凝器增加到3臺，尾氣冷凝器從3臺增加到6臺，成品冷卻器從2臺增加到4臺，還有附屬管道及管道內(nèi)的冷卻水，使得精餾工序的結(jié)構(gòu)框架承重太大，初步估算，頂部重量已經(jīng)大于底部重量，且承重已經(jīng)超過框架的承載能力（一、二期擴改時框架最初設(shè)計按8萬t/a，改造前承載重量達到16萬t/a），裝置安全性太低，嚴重影響生產(chǎn)運行。

（3）精餾運行不穩(wěn)定。精餾系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，主要表現(xiàn)在HCl純度不足時，系統(tǒng)內(nèi)的換熱系數(shù)變小，全凝器和尾氣冷凝器的效果不好，使得精餾體系中全凝器和低沸塔去尾氣冷凝器的氣量較大，尾氣冷凝器出口未凝氣體去變壓吸附量非常大。另外，當(dāng)合成工序的觸媒效率變低時，合成氣中的乙炔含量較高，也會出現(xiàn)上述狀況，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的氣量較大。上述現(xiàn)象的結(jié)果都是放空量快速增多，從而使得冷凝的液體液位提高，甚至封住氣相入口，管道阻力增大，系統(tǒng)壓力高，低沸塔頂部壓力高，破壞了低沸塔的平衡，使得精餾不夠徹底，低沸物脫除不完全；另一方面氣體夾帶液相氯乙烯進入變壓吸附系統(tǒng)，增加了去變壓吸附系統(tǒng)中的氯乙烯量，變壓吸附可能導(dǎo)致超壓，超出規(guī)定壓力時，安全連鎖啟動，導(dǎo)致尾氣不得不排空，使VC損失增加且污染了環(huán)境。

（4）裝置的操作彈性低。由于受市場的影響，例如電石供應(yīng)不足或PVC市場不景氣等，裝置的生產(chǎn)負荷不可避免地需要調(diào)整，但局限于裝置的工藝狀況，即使不做負荷調(diào)整，也需要很大的工作量才能使裝置平穩(wěn)運行。如果調(diào)整負荷，一方面要增加調(diào)節(jié)的難度、另一方面需要根據(jù)每套裝置的能力進行跨越式的調(diào)節(jié)。負荷為80%時，可以運行2套小的精餾裝置，能力為12萬t/a；負荷60%時，可以運行1套大的精餾裝置，能力為10萬t/a；40%左右時，可以運行1套小的精餾裝置，能力為6萬t/a，但很難進行連續(xù)調(diào)節(jié)，裝置的操作彈性較小。

2 精餾裝置的改造情況

2.1 工藝改進的內(nèi)容

（1）調(diào)整低沸塔進料工藝，由位差進料改為泵送進料。在液體從水分離器至低沸塔的管線中增加2臺泵，作為低沸塔進料泵，不再通過位差進料，此時水分離器不會滿液位，全凝器和尾氣冷凝器出口視鏡內(nèi)不會存留單體，冷凝液體非常順暢地落入水分離器。在這種情況下，既使尾氣放空量大也不會造成精餾放空不穩(wěn)的情況。通過1年來的運行觀察，精餾未再出現(xiàn)視鏡液面滿的情況。

（2）提高控制水平。在泵和低沸塔之間，增加流量計和自控閥，根據(jù)各低沸塔的負荷控制流量，無需現(xiàn)場操作人員進行操作，且運行正常。

（3）改變?nèi)臀怖涞膿Q熱模式。a.改變結(jié)構(gòu)形式。為了提高換熱效果，較少設(shè)備占地面積，對全凝器和尾氣冷凝器的結(jié)構(gòu)進行了改造，由立式改為臥式；由傳統(tǒng)的單管程和單殼程的換熱器改為單管程四殼程結(jié)構(gòu)型式。這樣，大大提高了換熱效果。b.調(diào)整換熱流程。尾氣冷凝器雖然仍采用-20℃冷凍鹽水冷卻，氯乙烯從管程改為殼程運行，冷凍鹽水改走管程，傳熱流程由逆流傳熱改為錯流傳熱。

（4）部分設(shè)備易地改造，確保裝置安全。由于低沸塔進料由位差進料改為泵送進料，全凝器和尾氣冷凝器的高度可以適當(dāng)降低，改造時，水分離器、全凝器和尾氣冷凝器另起框架。

2.2 改進后的運行效果

2.2.1 改進低沸塔進料工藝后的效果

通過對低沸塔進料方式的改造，根據(jù)低沸塔的負載調(diào)節(jié)低沸塔的流量，解決了偏流問題，也能夠順利應(yīng)對負荷波動的異常情況，可以連續(xù)進行負荷調(diào)節(jié)，裝置的操作彈性明顯增大。氣相夾帶液相的現(xiàn)象消除，低沸塔的精餾運行穩(wěn)定，減少了低沸物脫除不凈的可能，改善了精餾效果，減少了污染大氣的可能。

2.2.2 采用自控調(diào)節(jié)的效果

采用自控閥門調(diào)節(jié)，自動化程度提高，低沸塔運行較原有工藝平穩(wěn)很多，現(xiàn)場人工操作量大大減少，降低了勞動強度，VCM產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性大大增加（見表1），保證了PVC產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性（見表2）。

表1 2009-2011年VCM單體質(zhì)量情況

表2 2009-2011年海晶化工PVC產(chǎn)品質(zhì)量情況

從表1可以看出，精餾改造后，單體純度穩(wěn)步提高，乙炔、1.1-二氯乙烷等雜質(zhì)明顯減少，表明精餾裝置的運行更加穩(wěn)定可靠，精餾效果大大提高。

從表2可以看出，改造后，PVC優(yōu)等品率明顯提高，雖然2011年受到電石價格高漲等方面的影響，PVC裝置開工率有所下降，對PVC產(chǎn)品質(zhì)量造成一定的影響，但總體情況好于往年。由此可以看出，精餾系統(tǒng)的改造不僅提高了VCM的質(zhì)量，也提高了PVC產(chǎn)品的品質(zhì)。

2.2.3 改進設(shè)備換熱模式的效果

通過全凝器和尾氣冷凝器換熱方式的改進，大大提高了設(shè)備的傳熱系數(shù)，換熱效果也明顯提高。在全凝器、尾氣量相對減少，降低了尾氣處理變壓吸附裝置的負荷，提高了催化劑的使用壽命，降低了運行成本，經(jīng)濟效益顯著，也沒有出現(xiàn)過因變壓吸附裝置引起生產(chǎn)裝置異常的情況。

2.2.4 異地改造效果

通過部分設(shè)備異地改造，不僅通過改變?nèi)骱臀矚饫淠鞯戎饕獡Q熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式的方式減少了設(shè)備數(shù)量和占地面積，而且也減去原有框架上的全凝器、尾氣冷凝器及其附屬管道和流體的重量，改善了裝置框架的超載狀況，增加了操作空間，提高了精餾裝置生產(chǎn)和操作的安全性，保證了生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)、安全運行。

3 結(jié)論

經(jīng)過對精餾工藝的技術(shù)改進，解決了原精餾工序中自壓輸送存在的偏流問題，使得精餾工序更加高效更加平穩(wěn)運行，提高了自動化程度，節(jié)省了勞動力，增加了裝置的安全性，減少尾氣中氯乙烯夾帶量，降低了尾氣處理裝置的生產(chǎn)負荷，確保尾氣中不含氯乙烯等污染物質(zhì)，改善了工作場所的環(huán)境。此項改造對建設(shè)精餾尾氣變壓吸附裝置給后續(xù)生產(chǎn)裝置產(chǎn)生不良影響的企業(yè)具有一定的借鑒意義。