變壓吸附技術在氯乙烯精餾尾氣回收中的應用

陳志輝

（福建省東南電化股份有限公司，福建福州350011）

變壓吸附技術在氯乙烯精餾尾氣回收中的應用

陳志輝

（福建省東南電化股份有限公司，福建福州350011）

介紹了變壓吸附技術在氯乙烯精餾尾氣凈化回收中的應用，對產(chǎn)品氣回收過程中存在的問題提出了改進建議。

氯乙烯；變壓吸附；尾氣凈化；產(chǎn)品氣回收

1 精餾尾氣回收的意義及方法

隨著國民經(jīng)濟的穩(wěn)定快速增長，國內(nèi)PVC行業(yè)結(jié)合中國煤炭資源相對豐富的國情，利用地區(qū)能源和材料優(yōu)勢，電石法PVC得到迅猛發(fā)展。

在國內(nèi)電石法生產(chǎn)PVC樹脂的廠家中，氯乙烯精餾工藝普遍采用低、高沸塔精餾的分離方法。在低沸塔系統(tǒng)中，系統(tǒng)將不凝性氣體（如H2、N2、O2、C2H2等）從尾氣冷凝器頂部排放，一是為了保證中間產(chǎn)品氯乙烯的質(zhì)量，二是為防止整個系統(tǒng)中不凝性氣體的積累。排空尾氣中夾帶的乙炔和氯乙烯，既增加了生產(chǎn)成本又造成嚴重的環(huán)境污染。

隨著清潔生產(chǎn)越來越受到人們的關注，控制氯乙烯等有害氣體對環(huán)境的污染，回收精餾尾氣中的氯乙烯和乙炔已非常必要。

精餾尾氣回收方法主要有以下幾種：有機溶劑吸收法；活性炭吸附真空解吸回收法；活性炭吸附蒸汽正壓解吸回收法；活性炭碳纖維變溫吸附回收法；變壓吸附回收法；膜分離法回收法。其中活性炭吸附回收工藝在較早時期為國內(nèi)大部分廠家采用，但是該工藝存在一些缺陷，如凈化回收效果難以令人滿意、系統(tǒng)運行能耗高、設備損耗大、維護難、易積炭、安全性差等，隨著國家對環(huán)保排放指標的控制越來越嚴格，目前已經(jīng)不能適應生產(chǎn)的要求。變壓吸附法回收氯乙烯工藝正受到更多的重視，也得到了廣泛的應用[1]。

變壓吸附法回收氯乙烯尾氣是近年來新開發(fā)的氯乙烯尾氣回收技術。目前，該技術日臻完善，由原來的四塔工藝改進為五塔工藝，并進一步向乙炔、氯乙烯單獨回收方向發(fā)展，克服了以往尾氣回收技術的諸多弊病。整套裝置操作簡單、安全性高、經(jīng)濟效益好，是目前達到國家環(huán)保要求的回收技術，在幾乎全部回收氯乙烯的同時，乙炔也得到了全部回收。因此，對現(xiàn)有尾氣回收裝置進行技術改造，采用先進的變壓吸附回收技術是非常必要的[2-3]。

2 變壓吸附回收技術的應用

2.1 變壓吸附法的吸附原理

吸附可以簡單定義為體系中組分在界面上的優(yōu)先富集。一些具有微孔結(jié)構(gòu)的固體材料對流體分子具有吸附作用，這類吸附材料被稱為吸附劑。不同的分子在吸附劑上呈現(xiàn)不同的吸附特性。外界條件如流體溫度、流體濃度、流體壓力會直接影響分子的吸附特性。利用不同分子在吸附劑上吸附特性的差異，通過改變溫度或壓力的方式可以實現(xiàn)混合物的分離和提純。變壓吸附過程是在一定壓力下進行吸附，在低壓下進行解吸。由于吸附循環(huán)周期短，吸附熱來不及散失，可供解吸之用，所以吸附熱和解吸熱引起的吸附床溫度變化一般不大，吸附過程近似等溫過程。

變壓吸附氣體分離技術的原理就是利用氣體組分在固體吸附劑上吸附特性的差異以及吸附量隨壓力變化而變化的特性，通過周期性的壓力變換過程來實現(xiàn)氣體組分的分離和提純。在變壓吸附法從氯乙烯精餾尾氣中回收氯乙烯和乙炔的工藝中，采用復合吸附床，該復合床內(nèi)分層裝填了數(shù)種經(jīng)過改性的專用吸附劑。當富含氯乙烯和乙炔的尾氣在一定壓力下通過吸附床時，C2H3Cl、C2H2等易被吸附劑吸附，其余的N2、H2等通過吸附床后排放，而被吸附劑吸附的C2H3Cl和C2H2在解吸過程中回收，同時，吸附劑得到再生，周而往復，形成連續(xù)、穩(wěn)定的循環(huán)操作[3]。

2.2 變壓吸附法工藝特點

（1）變壓吸附工藝具有工藝流程簡單、操作方便、自動化程度高的優(yōu)點。變壓吸附工藝沒有復雜的預處理工序，在常溫和不高的壓力下操作，設備簡單，吸附床再生不需外加熱源和冷源，整個凈化、回收循環(huán)過程采用PLC系統(tǒng)進行控制，全部實現(xiàn)自動化操作，開、停車十分方便。

（2）變壓吸附工藝具有氯乙烯凈化度高、回收率高的優(yōu)點。采用變壓吸附法所得到的凈化氣中氯乙烯含量≤36mg/m3，達到國家環(huán)保排放標準，可直接排放至大氣，同時，抽空產(chǎn)品氣中氯乙烯得到濃縮，直接返回至生產(chǎn)系統(tǒng)中回收、利用，該工藝對氯乙烯的回收率≥99%。尤其是在回收氯乙烯的同時，乙炔也得到了同等程度的回收。

（3）變壓吸附工藝所用吸附劑使用壽命長。變壓吸附工藝使用期限為半永久性，吸附劑使用周期長。

（4）變壓吸附工藝能耗低、運行成本低。運行中只使用少量儀表空氣、冷卻水，無溶劑和輔助材料消耗，電耗少。

（5）變壓吸附工藝操作彈性大。變壓吸附是物理吸附，通過調(diào)整吸附時間等操作參數(shù)，適應原料不同氣量和組成的較大范圍的變化，可適應前工序的波動，保證凈化、回收效果。裝置調(diào)節(jié)能力強，操作彈性大。

2.3 變壓吸附法工藝流程簡述

該工藝主要流程為五塔工藝，當某臺吸附器上的程控閥因外部元件故障導致程控閥不能正常開關時可以手動切換成四塔工藝，切換后的原料氣負荷及氯乙烯和乙炔回收率均不受影響，可有效保障生產(chǎn)順利進行。該吸附裝置中的吸附劑分為4層裝填，由下而上第一層吸附劑起吸附水及保護上層吸附劑的作用，第二、三層吸附劑起到脫除大部分氯乙烯和乙炔的作用，第四層吸附劑主要起到控制氯乙烯和乙炔凈化程度的作用。

該公司從精餾崗位尾氣冷凝器送來的尾氣先經(jīng)原料氣加熱器加熱至20～40℃后經(jīng)流量計計量進入吸附塔。吸附劑在加壓時選擇吸附原料氣中的二氧化碳、氯乙烯和乙炔等易被吸附的組分，較不易被吸附的組分如氫氣、氮氣等作為凈化氣由吸附塔出口經(jīng)壓力調(diào)節(jié)閥和流量計排至大氣。

吸附器中的回收氯乙烯和乙炔作為產(chǎn)品氣分兩部分排出。第一部分是吸附塔逆向放壓排出的氣體，該部分氣體進入解吸氣緩沖罐；第二部分氣體為真空解吸氣，由真空泵抽出，經(jīng)冷卻器冷卻后進入解吸氣緩沖罐，與來自第一部分的逆放氣混勻后進入鼓風機，經(jīng)升壓后進入產(chǎn)品氣加熱器升溫，然后送入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。變壓吸附回收的工藝流程如圖1所示。

在氯乙烯和乙炔被解吸的同時吸附劑得到再生，氯乙烯、乙炔組分被吸附后在出口端輸出凈化后的氣體，凈化度能達到C2H2≤150 mg/m3、C2H3Cl≤36mg/m3，符合國家大氣污染物排放標準。

生產(chǎn)工藝控制指標見表1。

主要設備一覽表見表2。

3 變壓吸附工藝應用中的注意事項

（1）變壓吸附工藝中原料氣進料溫度和壓力的控制是非常關鍵的。因為對于氣－固吸附來說，溫度和壓力對吸附效果的影響相當大，所以有必要對原料氣進吸附器的溫度和壓力進行控制。

表1 生產(chǎn)工藝控制指標

表2 主要設備一覽表

（2）對吸附劑的保護措施也直接影響到吸附回收效果和吸附劑的使用壽命。吸附系統(tǒng)長時間停車時，需要用氮氣置換系統(tǒng)中的氣體，并以0.10～0.20 MPa的氮氣來保持壓力，這樣做是為了保護吸附劑的活性不受破壞。

（3）由于變壓吸附裝置程控閥門多，程控閥門切換時間短，動作頻繁，人工無法操作，以及裝置本身工藝的特殊性，即吸附過程連續(xù)，解吸再生過程壓力有較大幅度波動和裝置防爆要求等，故工藝對儀器儀表和控制系統(tǒng)的可靠性要求較高，儀表空氣壓力亦需大于0.50MPa。

4 變壓吸附工藝應用中的調(diào)整

4.1 吸附周期的調(diào)整

裝置開車并正常運轉(zhuǎn)后，經(jīng)對產(chǎn)品氣取樣分析,產(chǎn)品氣濃縮比僅為2倍，可調(diào)整空間較大。對吸附周期進行微調(diào)，主要針對幾個關鍵步驟，調(diào)整后正常生產(chǎn)時濃縮比基本維持3.5~4.0倍。

4.2 吸附壓力的調(diào)整

吸附劑的吸附量與吸附壓力成正比，吸附壓力越高，吸附量就越大，吸附塔的處理能力越高。由于分餾系統(tǒng)壓力由尾氣變壓吸附系統(tǒng)控制，選擇合適的吸附壓力對安全生產(chǎn)尤為關鍵。經(jīng)過長時間的摸索，發(fā)現(xiàn)尾氣吸附壓力維持在0.47～0.51MPa時，即不會影響分餾系統(tǒng)的生產(chǎn)也不會導致吸附塔發(fā)生吸附劑中毒和穿透現(xiàn)象。

4.3 生產(chǎn)異常放空管道調(diào)整

設備廠家設計，當生產(chǎn)發(fā)生異?；蛘邏毫Τ鲈O定值時，尾氣變壓吸附的原料氣進口管的程控閥自動開啟，并將尾氣放空，此法排放大量氯乙烯和乙炔氣，不僅對生態(tài)環(huán)境和安全生產(chǎn)造成影響，而且影響電石消耗和生產(chǎn)成本。對此，在設備安裝時，新增了1根通往氣柜的管道及閥門，當上述異常發(fā)生時，可直接回收回氣柜，提高安全生產(chǎn)系數(shù)。

4.4 產(chǎn)品氣溫度的調(diào)整

設備廠家設計方案中，產(chǎn)品氣經(jīng)鼓風機加壓后直接送入轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，未考慮到產(chǎn)品氣溫度對轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的影響（產(chǎn)品氣溫度夏天為50℃、冬天為35℃左右），由于產(chǎn)品氣溫度與轉(zhuǎn)換器內(nèi)溫度（80~180℃）溫差太大，從而影響了觸媒的活性，導致未轉(zhuǎn)化的乙炔和氯化氫含量升高。運轉(zhuǎn)一段時間后，在鼓風機后增加1臺產(chǎn)品氣預熱器，溫度控制為80～100℃，調(diào)整后轉(zhuǎn)化系統(tǒng)運作正常。

4.5產(chǎn)品氣送出方向的調(diào)整

設備廠家設計方案中，產(chǎn)品氣可送至3個方向，分別為轉(zhuǎn)化一道、轉(zhuǎn)化二道和氣柜。經(jīng)過一段時間運行后，發(fā)現(xiàn)將產(chǎn)品氣送入轉(zhuǎn)化二道較為合理。送入一道時，因為產(chǎn)品氣壓力高（0.050～0.055MPa）容易形成氣堵，導致乙炔和氯化氫送出壓力升高（最高時超過0.060MPa）。同時，送一道的產(chǎn)品氣由于還含有大量的不凝氣及VCM，其工藝管線較長，不僅增加氣流量及氣速，影響公用工程消耗及觸媒單耗，而且增加副反應產(chǎn)物，對成本及產(chǎn)品質(zhì)量有一定影響。而送入二道，克服了以上問題，但存在溫差較大，靠近入口附近的部分轉(zhuǎn)換器反應效率低，且有觸媒中毒可能；送入氣柜時，由于乙炔氣的富集累積使生產(chǎn)存在安全隱患（仍部分使用活塞式壓縮機）。

5 改進建議

（1）增大原料氣加熱器換熱面積，設備廠家設計的換熱面積為6.35m2，當生產(chǎn)發(fā)生異常，原料氣溫度波動范圍過大，溫度太低會引起原料氣帶水，影響吸附效果和吸附劑壽命。

（2）提高產(chǎn)品氣溫度，使其與出口溫度接近，降低溫差。

（3）產(chǎn)品氣進二道總管附近的轉(zhuǎn)化器，適當開啟單臺干燥HCl閥門，避免乙炔過量引起的觸媒中毒。

（4）在吸附塔內(nèi)設置測溫元件，以便直接觀察吸附層移動情況，也能保證吸附劑不被穿透，發(fā)生尾氣排放超標情況。

（5）在幾次處理真空泵和鼓風機異常狀況時，自控系統(tǒng)無法在第一時間發(fā)現(xiàn)問題。為保證系統(tǒng)平穩(wěn)運轉(zhuǎn)，建議在自控系統(tǒng)中增設1組真空泵和鼓風機運轉(zhuǎn)時電流波動情況的儀表控制點。

6 小結(jié)

采用變壓吸附工藝代替活性炭吸附蒸汽，正壓解吸工藝來凈化回收氯乙烯尾氣項目完成后，放空凈化氣C2H3Cl≤36mg/m3、C2H2≤150mg/m3，凈化氣完全達到國家環(huán)保排放標準且各工藝步驟全自動控制，大大減輕了勞動強度，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益，保護了環(huán)境。

[1]鄭石子，等.聚氯乙烯生產(chǎn)與操作.北京：化學工業(yè)出版社，2008：323－335.

[2]陶北平，等.變壓吸附（PSA）技術凈化回收氯乙烯尾氣的應用.聚氯乙烯，2005，（5）：39－42.

[3]關剛，等.變壓吸附在精餾尾氣回收中的應用.中國氯堿，2007，（2）：27－29.

Application of pressure sw ing adsorption in tailgas rectification of vinylchloride

CHEN Zhi-hui
（Fujian Dongnan ElectrochemicalCo.,Ltd.,Fuzhou 350011,China）

The application of pressure swing adsorption in purification of tail gas rectification of vinyl chloridewas introduced,and the improvement suggestions of the problems existing in productgas recycling processwere put forward.

vinyl chloride;pressure swingadsorption;tailgaspurification;recyclingofproductgas

book=39,ebook=176

TQ325.3

B

1009－1785(2010)08－0039-04

2009-08-20