己內(nèi)酰胺裝置重排反應(yīng)熱的回收利用

金小梅

（浙江工程設(shè)計(jì)有限公司，浙江 杭州 310001）

己內(nèi)酰胺是一種重要的有機(jī)化工原料，主要用于生產(chǎn)尼龍6工程塑料和尼龍6纖維，廣泛應(yīng)用于紡絲、輪胎、食品包裝等行業(yè)，用途十分廣泛。目前國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)增速放緩，己內(nèi)酰胺下游生產(chǎn)需求提升或?qū)⒂邢?，且近幾年?guó)內(nèi)己內(nèi)酰胺產(chǎn)能快速擴(kuò)張，產(chǎn)能出現(xiàn)過(guò)剩狀況，己內(nèi)酰胺工廠基本處在盈虧邊緣或處于虧損狀態(tài)，目前少數(shù)幾家己內(nèi)酰胺企業(yè)還能盈利的原因，主要還是得益于企業(yè)的綜合配套齊全、生產(chǎn)管理水平高等諸多因素，若要降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，優(yōu)化工藝降低能耗是根本。本文從節(jié)能降耗角度對(duì)己內(nèi)酰胺裝置反應(yīng)熱的回收利用進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 己內(nèi)酰胺裝置工藝技術(shù)簡(jiǎn)述

己內(nèi)酰胺的制備采用的是貝克曼重排、中和工藝技術(shù)。本設(shè)計(jì)采用二段重排工藝，一段重排反應(yīng)與二段重排反應(yīng)以串聯(lián)形式設(shè)置，發(fā)煙硫酸全部加入一段重排反應(yīng)器，環(huán)己酮肟按9∶1～8.5∶1.5的比例分別送入一段重排反應(yīng)器與二段重排反應(yīng)器。一段重排反應(yīng)生成的高酸肟比的重排混合物溢流進(jìn)入二段重排。一段重排反應(yīng)溫度為105℃，二段重排反應(yīng)溫度約120℃，均在常壓下進(jìn)行反應(yīng)，生成含有己內(nèi)酰胺硫酸酯的重排液，經(jīng)送至硫銨裝置進(jìn)行氨中和、硫銨結(jié)晶處理返回的粗己內(nèi)酰胺油，經(jīng)過(guò)苯萃取、水萃取、離子交換、加氫、蒸發(fā)、蒸餾得到液態(tài)己內(nèi)酰胺產(chǎn)品。

環(huán)己酮肟在含SO320%的發(fā)煙硫酸存在下，發(fā)生貝克曼分子重排反應(yīng)，生成己內(nèi)酰胺硫酸溶液，并放出大量的熱。主反應(yīng)式如下。

2 反應(yīng)熱回收技術(shù)方案

目前幾乎在所有己內(nèi)酰胺裝置設(shè)計(jì)中，重排反應(yīng)釋放出的熱量都是通過(guò)外循環(huán)經(jīng)重排液冷卻器移走熱量，采用的冷媒通常為循環(huán)水，均未考慮將該部分熱量利用起來(lái)。重排反應(yīng)放熱量為188 kJ/mol環(huán)己酮肟，同時(shí)發(fā)煙硫酸進(jìn)入反應(yīng)器后將產(chǎn)生溶解熱，所以重排反應(yīng)實(shí)際產(chǎn)生的熱量有260 kJ/mol環(huán)己酮肟，對(duì)于20萬(wàn)t/a己內(nèi)酰胺裝置，按年操作時(shí)間7200 h計(jì)，實(shí)際可利用的熱量為：

在裝置設(shè)計(jì)中，經(jīng)過(guò)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)重排反應(yīng)產(chǎn)生的熱量與苯蒸餾所需的熱量有匹配的可能性，為此制定了一個(gè)反應(yīng)熱回收技術(shù)方案，首先考慮將重排反應(yīng)熱冷卻冷媒由冷卻循環(huán)水改為70℃熱水，熱水在重排反應(yīng)系統(tǒng)和苯蒸餾系統(tǒng)之間循環(huán)，熱水通過(guò)重排冷卻器移走重排反應(yīng)熱，熱水溫度從75℃升至90℃左右，90℃熱水被送至苯蒸餾系統(tǒng)的再沸器作為熱源供苯蒸餾加熱使用后，溫度降至75℃，考慮到二系統(tǒng)間熱量的波動(dòng)及平衡，熱水系統(tǒng)中增加一臺(tái)熱水冷卻器來(lái)調(diào)節(jié)溫度，熱水冷卻器的冷卻負(fù)荷也考慮到在苯蒸餾停車(chē)時(shí)，通過(guò)循環(huán)水移走重排反應(yīng)熱的情況。此方案的實(shí)施一方面可以節(jié)能，另一方面也有利于提高己內(nèi)酰胺產(chǎn)品品質(zhì)，重排冷卻改用熱水換熱后降低了換熱器列管兩側(cè)溫差，避免長(zhǎng)期運(yùn)行造成換熱器列管兩側(cè)結(jié)垢現(xiàn)象。

由于重排反應(yīng)熱用于苯蒸餾仍有富余，考慮剩余熱量用于苯殘液蒸餾系統(tǒng)，熱量回收技術(shù)方案示意圖如圖1所示。

圖1 熱量回收技術(shù)方案示意圖

3 設(shè)備計(jì)算

20萬(wàn)t/a己內(nèi)酰胺裝置按二套重排反應(yīng)系統(tǒng)設(shè)置，每套重排反應(yīng)器按10萬(wàn)t/a能力設(shè)計(jì)。

（一）重排液冷卻器計(jì)算

按單套10萬(wàn)t/a能力計(jì)算。

表1 重排液冷卻器工藝數(shù)據(jù)表

（二）熱水冷卻器計(jì)算

表2 熱水冷卻器工藝數(shù)據(jù)表

（三）苯蒸餾及苯殘液蒸餾系統(tǒng)設(shè)備計(jì)算

在工藝未優(yōu)化設(shè)計(jì)前，苯蒸餾塔操作壓力為0.02 MPaG，塔釜溫度為120℃，故在常壓下，90℃熱水不能滿(mǎn)足苯蒸餾加熱要求，所以苯蒸餾塔需采用減壓操作，經(jīng)計(jì)算，塔操作壓力控制在絕壓50 kPaA，塔釜溫控制在65℃較好。

3.1.1 工藝計(jì)算模擬流程圖

圖2 模擬流程圖

3.1.2 物料平衡計(jì)算結(jié)果

表3 物料平衡表

3.1.3 蒸餾系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

表4 蒸餾塔計(jì)算結(jié)果表

從表4可知，苯蒸餾再沸器與苯殘液蒸餾塔熱負(fù)荷共需55.04 GJ/h，再考慮部分熱損失，重排反應(yīng)產(chǎn)生的熱量與苯蒸餾所需熱值正好匹配。

表5 換熱器熱負(fù)荷表

由于操作工況由常壓改為減壓，苯蒸餾系統(tǒng)的塔、冷凝器、再沸器設(shè)備規(guī)格均比常壓時(shí)要大。由于苯蒸餾塔塔釜溫度為65℃，與熱水溫度90℃的溫差比較小，常規(guī)的熱虹吸再沸器不再適用，本設(shè)計(jì)采用降膜式再沸器。另外考慮到在裝置開(kāi)車(chē)時(shí)重排與苯蒸餾工序會(huì)不同步開(kāi)車(chē)，苯蒸餾塔仍需配備一臺(tái)采用蒸汽的再沸器供開(kāi)車(chē)時(shí)使用，待二工序正常運(yùn)行后，再切換至利用熱水的再沸器。

表6 再沸器參數(shù)表

4 設(shè)備技術(shù)規(guī)格

經(jīng)設(shè)備計(jì)算，各設(shè)備技術(shù)規(guī)格見(jiàn)表7。

表7 設(shè)備技術(shù)規(guī)格表

5 運(yùn)行情況和經(jīng)濟(jì)效益評(píng)估

重排反應(yīng)產(chǎn)生的熱量為63.91 GJ/h，用于苯蒸餾的熱量為55.04 GJ/h。與未優(yōu)化時(shí)進(jìn)行比較，既節(jié)省了苯蒸餾所需的蒸汽，又節(jié)省了反應(yīng)熱移走所需的循環(huán)冷卻水，故共節(jié)省能源110.08 GJ/h。低壓蒸汽每噸熱值為2.9601 GJ，換算成低壓蒸汽，則相當(dāng)于節(jié)省低壓蒸汽37.18 t/h，以每噸蒸汽150元、全年生產(chǎn)時(shí)間7200 h計(jì)，工藝優(yōu)化后20萬(wàn)t/a己內(nèi)酰胺裝置每年可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益4015萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

6 結(jié)語(yǔ)

化工行業(yè)屬于高能耗行業(yè)，節(jié)能減排是各個(gè)化工企業(yè)管理的重中之重。本文闡述的己內(nèi)酰胺裝置重排反應(yīng)熱的回收利用設(shè)計(jì)方案，該工藝的優(yōu)化，一定程度上降低了裝置的能耗，節(jié)省了能源，同時(shí)也降低了己內(nèi)酰胺生產(chǎn)成本，有利于提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。該優(yōu)化工藝既可以應(yīng)用在己內(nèi)酰胺新建裝置的設(shè)計(jì)中，也可以在已建成的己內(nèi)酰胺裝置上進(jìn)行改造，在己內(nèi)酰胺行業(yè)具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。