庚烷冷卻工藝在氯乙烯合成工序的應(yīng)用

李輝凱

(河南神馬氯堿發(fā)展有限責任公司，河南 平頂山 467200)

1 庚烷作為轉(zhuǎn)化器冷劑的優(yōu)點

庚烷不溶于水，只溶于醇，是無色易揮發(fā)的液體。利用庚烷沸點與水相近，但比水易揮發(fā)、易冷凝的特性，采用庚烷作為氯乙烯轉(zhuǎn)化器的冷劑，可使反應(yīng)熱及時移出，反應(yīng)溫度容易控制，轉(zhuǎn)化率提高，設(shè)備使用壽命延長，觸媒單耗降低。且庚烷不與乙炔、氯化氫、氯乙烯等發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)器即使發(fā)生輕微泄漏，也不會產(chǎn)生嚴重的腐蝕而影響生產(chǎn)，對實現(xiàn)氯乙烯合成系統(tǒng)自動化程序控制、高效生產(chǎn)、穩(wěn)定運行具有十分重要的意義。采用庚烷取代熱水作為氯乙烯合成換熱介質(zhì)符合我國氯堿行業(yè)技術(shù)更新的發(fā)展趨勢，在延長設(shè)備使用壽命及節(jié)約能耗等方面效果顯著。

2 工藝流程及技術(shù)指標

2.1 工藝流程

河南神馬氯堿發(fā)展有限責任公司(以下簡稱神馬氯堿)20萬t/a氯乙烯生產(chǎn)工藝采用庚烷作為轉(zhuǎn)化器冷劑。轉(zhuǎn)化器列管中裝載氯化汞觸媒，乙炔與氯化氫在列管中發(fā)生放熱反應(yīng)，庚烷在轉(zhuǎn)化器殼程內(nèi)受熱汽化帶走反應(yīng)熱，汽化后的庚烷氣體進入轉(zhuǎn)化器冷劑冷凝器，與反應(yīng)冷劑熱水泵送來的熱水進行間接換熱，由熱水帶走反應(yīng)熱，庚烷氣體經(jīng)冷凝而液化，熱水吸收熱量而升溫，升溫后的熱水供精餾和其他換熱設(shè)備使用。不凝性庚烷氣體進入轉(zhuǎn)化器排氣冷凝器進一步冷凝，冷凝液一部分進入反應(yīng)冷劑槽，另一部分進入轉(zhuǎn)化器進行循環(huán)。

2.2 庚烷冷卻工藝參數(shù)

轉(zhuǎn)化器反應(yīng)溫度為99～180 ℃，庚烷系統(tǒng)壓力為100～190 kPa，轉(zhuǎn)化器冷劑液位罐液位為20%～40%，庚烷的補充量為1.5 m3/h，粗氯乙烯體積分數(shù)≥90%。

2.3 制冷劑組成

正庚烷38%(質(zhì)量分數(shù)，下同)，其他鏈烷烴類38%，環(huán)烷烴類24%。

2.4 裝置主要消耗情況

庚烷冷卻工藝主要物料消耗情況見表1。

3 工藝改進

氯乙烯合成工序在整個PVC生產(chǎn)線中起著承上啟下的作用，主要生產(chǎn)任務(wù)是以乙炔和氯化氫為原料合成粗氯乙烯，再經(jīng)過精制生產(chǎn)出合格的精氯乙烯供聚合生產(chǎn)使用。氯乙烯合成反應(yīng)主要在轉(zhuǎn)化器內(nèi)進行，所以有效移走合成反應(yīng)熱，保持氯乙烯合成反應(yīng)溫度平穩(wěn)，提高設(shè)備利用率，達到最佳轉(zhuǎn)化率是首要研究問題。神馬氯堿氯乙烯合成工序存在的問題是生產(chǎn)系統(tǒng)負荷增大以及開停車過程中轉(zhuǎn)化系統(tǒng)波動大，混合脫水效果無法控制，導致氯乙烯單體質(zhì)量不合格，為此進行了如下改進。

表1 庚烷冷卻工藝主要物料消耗情況Table 1 Consumption of main materials in heptane cooling process

(1)在安全區(qū)域制作庚烷冷劑排放罐，開車前將庚烷儲存到庚烷冷劑排放罐中，然后用泵輸送到合成工序現(xiàn)場的反應(yīng)冷劑槽里，再用泵打入轉(zhuǎn)化器殼程作為換熱介質(zhì)。

(2)在每臺轉(zhuǎn)化器的頂端安裝1臺轉(zhuǎn)化器冷劑冷凝器，用熱水作冷卻介質(zhì)，氣態(tài)庚烷從殼程換熱后直接進入轉(zhuǎn)化器冷劑冷凝器冷凝成液態(tài)，然后返回轉(zhuǎn)化器冷劑液位罐；未冷凝的氣態(tài)庚烷排入反應(yīng)冷劑排氣冷凝器，經(jīng)循環(huán)水冷卻成液態(tài)后排入反應(yīng)冷劑槽，每臺換熱器的換熱系統(tǒng)實現(xiàn)內(nèi)部小循環(huán)，縮短庚烷系統(tǒng)循環(huán)距離。

(3)在庚烷進入轉(zhuǎn)化器殼程的進口安裝流量調(diào)節(jié)閥及流量計，及時準確地向轉(zhuǎn)化器殼程補充庚烷，維持轉(zhuǎn)化器殼程內(nèi)的庚烷液位。

(4)在反應(yīng)冷劑泵出口增設(shè)開車冷劑加熱器，在開車初期用低壓蒸汽對庚烷進行升溫，保證轉(zhuǎn)化器內(nèi)的乙炔和氯化氫氣體接近最佳反應(yīng)溫度，提高轉(zhuǎn)化率。合成反應(yīng)溫度比采用熱水作冷劑時平穩(wěn)，反應(yīng)易于控制，合成轉(zhuǎn)化率提高。

(5)在反應(yīng)冷劑泵進口管線上增設(shè)1個手閥，在轉(zhuǎn)化器需要維修或需要更換觸媒時，將轉(zhuǎn)化器殼程內(nèi)的庚烷回收至庚烷冷劑排放罐。

(6)在反應(yīng)冷劑槽上設(shè)計安裝反應(yīng)冷劑排氣冷凝器，將一部分未冷凝的氣態(tài)庚烷液化，借助位差排入反應(yīng)冷劑槽；由于轉(zhuǎn)化器冷劑液位罐內(nèi)多余的庚烷靠轉(zhuǎn)化器與反應(yīng)冷劑槽的壓力差進入反應(yīng)冷劑槽，為防止庚烷系統(tǒng)壓力較低時，轉(zhuǎn)化器內(nèi)的庚烷難以回流至反應(yīng)冷劑槽，在轉(zhuǎn)化器冷劑液位罐溢流總管處設(shè)置1個冷劑中間槽，再增加2臺泵將庚烷輸送至反應(yīng)冷劑槽內(nèi)循環(huán)使用，保證轉(zhuǎn)化器殼程內(nèi)的庚烷實現(xiàn)自身循環(huán)，工藝流程見圖1。

圖1 轉(zhuǎn)化器殼程庚烷循環(huán)流程圖Fig.1 Diagram of heptane circulation inside shell pass of converter

(7)增加1臺30 m3轉(zhuǎn)化器庚烷緩沖罐，解決了冬季開車過程中轉(zhuǎn)化器升溫困難、時間長的問題。神馬氯堿氯乙烯合成工序共有35臺轉(zhuǎn)化器，分3組使用，冬季開車時庚烷溫度低，升溫時間長，轉(zhuǎn)化器內(nèi)的庚烷無法正常回到反應(yīng)冷劑槽進行循環(huán)升溫。增加庚烷緩沖罐后，利用位差將轉(zhuǎn)化器內(nèi)部庚烷通過轉(zhuǎn)化器出口自控閥調(diào)節(jié)流入緩沖罐，緩沖罐中的庚烷一部分回到反應(yīng)冷劑槽，一部分經(jīng)開車冷劑加熱器加熱后直接進入單組轉(zhuǎn)化器,大大減少了升溫時間，提高了系統(tǒng)初開車時的轉(zhuǎn)化率。

(8)庚烷是一種有毒、有害、易燃、易爆、易揮發(fā)物質(zhì)，停車時隨著轉(zhuǎn)化器溫度降低，庚烷系統(tǒng)壓力也會降低，甚至成為負壓，空氣易進入系統(tǒng)形成混合性爆炸氣體，存在安全隱患。為解決這一問題，對庚烷系統(tǒng)進行技術(shù)改造，增加1條充氮管線，當系統(tǒng)壓力低時，向庚烷系統(tǒng)充入氮氣，保證空氣不進入系統(tǒng)，增加生產(chǎn)裝置的安全系數(shù)。

(9)以庚烷為冷劑的生產(chǎn)工藝較以熱水為冷劑的復雜，操作難度大，且庚烷若發(fā)生泄漏，會對生產(chǎn)安全造成危險，對操作人員素質(zhì)要求較高，所以須定期對操作人員進行培訓，提高其應(yīng)急事故處理能力。

4 結(jié)語

目前，神馬氯堿20萬t/a氯乙烯庚烷冷卻工藝運行良好，工藝指標合格率為99%，與傳統(tǒng)熱水工藝相比，氯乙烯單體成本可降低100元/m3以上，按20萬t/a氯乙烯產(chǎn)能計算，可節(jié)約2 000萬元/a，經(jīng)濟效益顯著。