小孔徑溢流堰板式汽提塔運行總結(jié)

李 強

（山東恒通化工股份有限公司，山東 臨沂）

在懸浮聚合生產(chǎn)過程中， 當(dāng)轉(zhuǎn)化率達到80%后，PVC 樹脂顆粒形態(tài)、 疏松程度及結(jié)構(gòu)性能均處于較好的狀態(tài)， 此時可以加入終止劑結(jié)束聚合反應(yīng)。 但由于VCM 對樹脂顆粒的溶脹和吸附作用，使聚合出料漿料中仍有2.0%～3.0%的單體殘留， 即使按通常的單體回收工藝進行處理， 也會殘留1.0%～2.0%的單體。 PVC 漿料如果不經(jīng)過汽提直接進入干燥系統(tǒng)， 殘留的VCM 單體會在后續(xù)工序逐漸擴散逸出，污染環(huán)境，危害人們的身體健康[1]。 因此，PVC樹脂漿料必須經(jīng)過汽提脫除單體殘留后，才能應(yīng)用于生產(chǎn)和生活。

1 汽提原理

PVC 樹脂漿料中殘留的氯乙烯單體，一部分存在于水中，一部分存在于PVC 樹脂中。 當(dāng)漿料溫度達到100 ℃時，水中溶解的氯乙烯單體含量接近零。在PVC 樹脂中， 氯乙烯與PVC 樹脂之間的吸附力是很強的，其脫吸熱量約為71 kJ/kg。 因此，要使氯乙烯單體脫吸回收， 必須使溫度升高到一定值，氯乙烯才會脫離PVC 樹脂而逸出。

PVC 樹脂漿料汽提的機制為通過加熱給PVC樹脂漿料以克服氯乙烯吸附力的動能，使其不斷地從PVC 樹脂中析出，且不斷地移去氣相中的氯乙烯，使液相中不斷析出的氯乙烯有良好的擴散條件，這樣周而復(fù)始地進行，從而達到汽提回收氯乙烯的目的[2]。

2 汽提塔結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)PVC 生產(chǎn)企業(yè)的汽提方式分為釜式汽提和塔式汽提， 其中塔式汽提具有汽提效果好、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，成為大多數(shù)企業(yè)的首選。

山東恒通化工股份有限公司20 萬t/a PVC 生產(chǎn)裝置采用5 臺105 m3聚合釜。配套的是小孔徑溢流堰板式汽提塔， 此塔全容積175 m3， 共8 層塔盤，SG-5 疏松型樹脂采用6 層入料。 聚合反應(yīng)結(jié)束后，釜內(nèi)漿料用泵打入出料槽， 出料槽頂氣相VCM 由高壓壓縮機抽至冷凝器冷凝后再次使用。 漿料導(dǎo)入汽提供料槽， 汽提供料槽頂氣相壓力控制為微正壓，使?jié){料中的VCM 殘留盡量降低，以減輕汽提塔的負(fù)擔(dān)。 出料槽和汽提供料槽容積均為240 m3，通過槽底攪拌混合大大減少了產(chǎn)品的批次差異，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。汽提供料槽漿料溫度為40 ℃左右，經(jīng)過螺旋板換熱器預(yù)熱后的漿料溫度為90 ℃左右，從第六層進入汽提塔內(nèi)。 塔頂氣相為負(fù)壓，入塔后漿料中的VCM 發(fā)生閃蒸，氣化的VCM 和蒸汽被塔頂汽提真空泵抽走冷凝再利用。 殘留的VCM伴隨漿料流入下層塔盤進一步蒸汽脫除。 每層塔盤底部有若干上小下大的錐形塔孔，塔盤上有折流板和溢流堰，塔壁上有降液管。 0.7 MPa 的蒸汽作為熱源自下而上從小孔進入塔盤后傳熱、傳質(zhì)。 漿料在蒸汽作用下呈沸騰狀態(tài)，這時漿料中的樹脂顆粒與水均勻混合后按照折流板設(shè)定方向穩(wěn)定流動。溢流堰的高度決定了塔盤的漿料體積，高出溢流堰的漿料進入降液管，流入下一層塔盤。 每層塔盤底部設(shè)有盤管噴淋裝置，由DCS 控制沖洗流量、時間及頻次。當(dāng)下料不暢時，可根據(jù)汽提塔視鏡判斷位置，手動選擇塔盤沖洗。汽提塔底部蒸汽室壓力控制在40 kPa 左右，蒸汽室設(shè)有排放閥，定時排放冷凝液，保證蒸汽穩(wěn)定輸入。 經(jīng)汽提脫除后的漿料 （105～107 ℃）單體殘留≤5 mg/kg，漿料進入螺旋板換熱器換熱降溫（60～65 ℃）后送入干燥離心機。 小孔徑溢流堰板式汽堤塔工藝流程簡圖見圖1， 汽堤塔內(nèi)部構(gòu)造圖見圖2。

圖1 小孔徑溢流堰板式汽提塔工藝流程簡圖

圖2 汽提塔內(nèi)部構(gòu)造圖

3 汽提操作中常遇問題及解決方法

小孔徑溢流堰板式汽提塔自投入使用以來，曾多次遇到汽提波動、液泛、塔盤堵塞、死塔、運行周期短、雜質(zhì)超標(biāo)等問題。 為此，恒通化工有針對性地分析原因，找出解決問題的方法，延長了汽提的運行周期。

3.1 蒸汽用量與漿料量不匹配

3.1.1 問題及原因分析

蒸汽用量要平衡兼顧到每一層塔盤，使各層塔盤漿料都可以沸騰。 一旦某層漿料與蒸汽用量不匹配，就會發(fā)生下料異常，導(dǎo)致汽提工況波動。 蒸汽由塔盤底部進入， 與漿料充分接觸后進入上一層塔盤，層層衰減，六層以后剩余蒸汽和脫吸的VCM 一起在汽提真空泵的作用下進入汽提冷凝器冷凝。 一到六層塔盤溫度呈梯度遞減分布（相鄰兩層溫差控制在2 ℃左右）。 由于頂部塔盤受蒸汽影響相對較弱，六層塔盤對蒸汽用量較為敏感。 若入塔漿料流量或蒸汽壓力突然波動， 二者動態(tài)平衡被打破，汽提運行異常。

（1）蒸汽相對漿料用量偏小。 蒸汽流速慢，上部塔盤漿料沸騰程度下降，樹脂顆粒與水分層，含水多的稀料直接流走，密度大的樹脂顆粒會沉降在塔盤底部，封堵塔盤底部小孔。 一段時間后沉積的漿料逐漸沒過折流板和溢流堰板，走近路直接流向降液管。 氣液接觸面積下降，塔盤底部上升蒸汽受阻，只能由降液管進入上層塔盤，氣相進入使降液管下料阻力加大，產(chǎn)生液泛。 這時底層漿料會發(fā)生斷流，上層漿料累積到一定高度，當(dāng)液層的靜壓頭能夠克服塔盤間的壓差時（若靜壓頭不及壓差會繼續(xù)向上積料，直至滿塔），漿料會集中涌入底層塔盤，上層塔盤液層回落，塔頂壓力波動。 漿料間歇式流動讓塔盤始終在缺液和滿液間切換，導(dǎo)致塔底液位忽高忽低，塔底液位控制閥頻繁調(diào)節(jié)。 出塔熱料流量不穩(wěn)定，進一步導(dǎo)致冷料側(cè)換熱入塔漿料溫度忽高忽低，加劇汽提波動，最終向下層塔盤蔓延，造成死塔，必須停車清理。

（2）蒸汽相對漿料用量偏大。 當(dāng)蒸汽流量增加時，兩塔盤間的壓差也隨之增加。 當(dāng)蒸汽壓差大于降液管內(nèi)液層的靜壓頭時，降液管無法下料，液層逐漸升高。 若蒸汽用量過大，使得降液管內(nèi)的液層沒過上層溢流堰板，降液管內(nèi)漿料開始返流回上層塔盤。 上層塔盤液層開始升高，而此時入塔漿料量沒有變化，漿料會逐漸向上累積，形成液泛。

3.1.2 解決方法

（1）保證汽提蒸汽壓力的穩(wěn)定。 此時進塔漿料相對穩(wěn)定，漿料與蒸汽分配不均衡，頂部塔盤漿料沸騰及降液管下料均會受到影響，引起汽提工況波動，所以必須避免蒸汽壓力不必要的波動。

（2）合理利用蒸汽。 試驗數(shù)據(jù)表明，當(dāng)汽提脫吸溫度達到95 ℃及以上時，VCM 脫吸速度加快，樹脂中單體殘留量急劇下降[3]。 所以六層塔盤溫度控制在95～97 ℃為最佳。這時入塔漿料中的大部分VCM可以迅速脫除，有利于降液管氣液分離，減少氣相夾帶至下層塔盤。汽提頂部溫度不高于93.5 ℃，避免過量蒸汽超出汽提冷凝器冷卻能力被吸入真空泵和低壓回收壓縮機，引起第一冷凝器、第二冷凝器溫度過高。

（3）保證入塔漿料流量穩(wěn)定。 定期沖洗出料槽和汽提供料槽過濾器，避免塑化片堵塞過濾器引起汽提入料流量波動。入塔漿料含固量為25%～30%，出塔漿料含固量控制在≤20%。 汽提漿料含固量越低，漿料流動性越好，塔盤泡沫相對越少，但是裝置利用率低，產(chǎn)品能耗高，大量的廢水超出母液處理能力，不經(jīng)濟也不環(huán)保。

（4）合理調(diào)整塔盤沖洗時間及頻次。 為保證汽提效果，汽提塔盤沖洗水溫度控制在95 ℃，沖洗水泵壓力為0.5 MPa。 每層沖洗盤管的上部有不同角度開孔，保證可以無死角沖洗塔孔、塔壁及視鏡。 若發(fā)現(xiàn)某層塔盤沸騰程度不佳，在保證適當(dāng)蒸汽用量的基礎(chǔ)上，打開該層上部塔盤沖洗，讓水流入該層塔盤折流板內(nèi)， 保證該層塔盤的含固量要低一些，提高漿料的流動性。 然后開啟該層塔盤底部沖洗，沖洗該層塔盤底部錐形塔孔，讓底部蒸汽可以通過該層塔盤使?jié){料鼓泡沸騰。 沖水還可以防止降液管口下料困難導(dǎo)致的缺液斷流。 整個過程需要現(xiàn)場操作人員通過視鏡觀察配合進行，遵循少沖多次的原則，避免一次性沖水過多，超出降液管臨界流量，引起降液管液泛。

（5）根據(jù)聚合工序生產(chǎn)能力和干燥工序處理能力，計算好入塔漿料流量，減少調(diào)整頻次。 如需調(diào)整， 蒸汽和漿料加減量都采取小步慢跑的調(diào)整方法，加量時，先加蒸汽量再加漿料量；減量時，先減漿料量再減蒸汽量，加減量都要小范圍微調(diào)。 整個過程必須保證在各層塔盤（尤其是五、六層塔盤）鼓泡沸騰的情況下進行，保持汽提動態(tài)平衡。

3.2 塔頂氣相壓力異常

3.2.1 問題及原因分析

小孔徑溢流堰板式汽提塔頂部為負(fù)壓， 相同溫度下， 負(fù)壓汽提有助于降低PVC 漿料的VCM 蒸汽分壓，降低漿料液層高度，減小漿料的靜壓阻力，有利于漿料在塔板上的沸騰，提高VCM 脫吸速度[4]。負(fù)壓還可以降低蒸汽消耗，有助于蒸汽的通過性，使塔盤溫差均勻分布。在入塔蒸汽量不變的情況下，當(dāng)塔頂壓力升高時，蒸汽通過性變差，底部塔盤溫度升高，蒸汽室壓力增加，底層下料阻力加大。 頂層塔盤蒸汽流量變小，溫度降低，降液管內(nèi)液層升高，塔盤沸騰程度下降，漿料容易沉降，堵塞塔盤，引起汽提波動。 若頂部負(fù)壓低于-25 kPa 時，入塔漿料中的泡沫料及部分樹脂顆粒連同蒸汽被抽吸進入七、八層塔盤，甚至進入汽提冷凝器和汽提真空泵機組，引起真空泵工作液超溫，影響真空泵使用壽命，不利于汽提運行。另外過量的蒸汽影響后序第一冷凝器和第二冷凝器的冷凝效果，影響回收單體的質(zhì)量。

3.2.2 解決方法

（1）在日常操作中，汽提塔頂部負(fù)壓一般控制在-15 kPa 左右。 汽提真空泵1 開1 備，一旦出現(xiàn)真空泵跳車，立即倒開備用泵，保證塔頂負(fù)壓值，減少對汽提工況的破壞。 為保證低壓回收壓縮機正常運行， 汽提真空泵出口壓力要控制在20 kPa 以內(nèi)，以免影響真空泵的抽吸能力。 及時清理真空泵工作液過濾器，保證工作液循環(huán)暢通。 真空泵工作液溫度控制在25～40 ℃，工作液溫度過高會發(fā)生氣蝕，損壞葉片且影響真空泵壽命。

（2）負(fù)壓過低時增加上層塔盤的沖洗次數(shù)，避免高溫下積料干結(jié)堵塞塔盤，影響氣相通路。

（3）汽提冷凝器定期清洗，保證冷凝效果。 汽提冷凝器水分控制在低液位，避免未冷凝的水蒸氣被吸入真空泵，影響真空泵的抽吸能力。

3.3 漿料在塔內(nèi)停留時間的影響

3.3.1 汽提塔負(fù)荷計算

（1）降液管的主要作用是塔盤間漿料傳輸，在蒸汽的作用下，氣相VCM 從漿液中分離脫出，為下層塔盤入口提供液體初始分布。 為了使液體通過降液管的阻力不會過大，并使氣體不被夾帶到下層塔盤，規(guī)定了降液管中液流速度的設(shè)置值應(yīng)小于降液管中氣泡上升極限速度的原則。 汽提漿料易起泡，所以降液管中液體流速宜控制在0.10～0.20 m/s。 降液管正常工作時始終處于液封狀態(tài)，液層不宜過高，以充液系數(shù)0.3～0.5 計 （降液管內(nèi)最大清液層高度與塔盤間距的比例）。 實驗結(jié)果表明，液層高度隨氣量、液量的增大而增大[5]，汽提漿料高負(fù)荷時，充液系數(shù)取0.5 計算， 汽提漿料低負(fù)荷時， 充液系數(shù)可以取0.3 計算。

（2）塔內(nèi)漿料停留時間計算

考慮到生產(chǎn)SG-5 型樹脂由六層塔盤入料，七層不做計算。 由汽提塔相關(guān)數(shù)據(jù)可以計算得出過料體積約為23.63 m3（計算平均每層塔板停留時間時，忽略變徑層體積差異）， 不同漿料負(fù)荷下塔內(nèi)停留時間見表1。

表1 不同漿料負(fù)荷下塔內(nèi)停留時間表

3.3.2 問題及原因分析

由表1 可知，汽提負(fù)荷越低，漿料流動越慢，漿料在塔盤和降液管的停留時間越長，樹脂和蒸汽接觸時間也就越長。 隨著汽提運行周期延長，各層塔盤溫度越來越高，并且塔盤之間溫差越來越小。 為控制底部溫度，不得不減少蒸汽用量，降液管內(nèi)液層高度下降，有氣相帶出。 漿料沸騰程度會越來越弱，漿料沉積在塔盤底部堵塞塔盤，造成死塔。 另外， 塔盤溫度過高，PVC 樹脂顆粒長時間高溫易導(dǎo)致分解變色，塔壁上容易殘留變色樹脂，脫落后影響樹脂質(zhì)量。 出塔漿料流量太低時，容易在螺旋板換熱器內(nèi)沉降，久而久之受熱會形成紅黃料殘留在死角處。 這種積料一般無法用沖洗水沖洗干凈，造成汽提長時間雜質(zhì)超標(biāo)，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量。

3.3.3 解決方法

（1）極力避免汽提長時間低負(fù)荷運轉(zhuǎn)。 當(dāng)前后工序突發(fā)異常，無法滿足汽提正常運行時，可視工況靈活處理。 離心機供料槽要保持中低液位，一旦工況異常，汽提可以直接停車，也可以先改熱水入料，塔內(nèi)漿料含固量降低后，打開放空，停蒸汽通氮氣，打循環(huán)處理，待工況正常后再投料運行。

（2）汽提低負(fù)荷運行時，要適當(dāng)降低入塔漿料溫度，讓漿料入塔后有梯度升溫的余地，保證蒸汽的使用量，使塔盤漿料沸騰。

（3）若汽提漿料出現(xiàn)雜質(zhì)粒子，需要停車打開人孔全面清理汽提塔，打開螺旋板換熱器封頭，徹底清洗螺旋板組件。

3.4 泡沫料對汽提的影響

3.4.1 問題及原因分析

聚合生產(chǎn)使用的分散劑體系起到類似表面活性劑的作用， 在出料和汽提過程中容易產(chǎn)生泡沫。在采用汽提塔脫除并回收未反應(yīng)單體的操作中，漿料由塔頂流向塔底，而蒸汽由塔底向上與漿料逆流進行充分的熱交換，在此過程中每層塔板上的漿料都會產(chǎn)生泡沫。 這些泡沫會阻礙漿料中VCM 的揮發(fā)，增加脫除VCM 的阻力。 留在塔壁上的泡沫時間長了還會產(chǎn)生“黑黃粒子”，影響產(chǎn)品質(zhì)量[6]。 漿料中泡沫多，上升的蒸汽不可避免會夾帶液沫進入上一層塔盤，塔盤上液層逐漸加厚，在蒸汽和真空泵作用下，氣泡變多、變大，大量泡沫占據(jù)了塔盤上的氣液換熱空間，兩層塔盤間距縮小，直至泡沫冒到上一層塔盤，如不及時處理，會導(dǎo)致滿塔。

3.4.2 解決方法

（1）為了消除汽提操作時產(chǎn)生的泡沫，需要使用消泡劑。 每釜出料程序啟動時，DCS 控制向出料槽緩慢加入一定量的聚醚型消泡劑，出料槽中泡沫被抑制后，漿料導(dǎo)入汽提供料槽供汽提塔使用。

（2）為減少塔盤中泡沫的產(chǎn)生，應(yīng)控制汽提供料槽保持微正壓。 漿料沸騰會加劇泡沫的產(chǎn)生，塔盤漿料沸騰有兩種現(xiàn)象，一是蒸汽由塔盤下方小孔進入塔盤，塔盤漿液產(chǎn)生氣泡，VCM 受熱氣化，漿液呈沸騰狀態(tài)； 二是漿液進入塔盤后，VCM 壓力發(fā)生急劇變化，閃蒸引起沸騰。 后者沸騰主要與壓力變化有關(guān)，與小孔蒸汽鼓泡無關(guān)。 過量的閃蒸沸騰使塔盤增加不必要的泡沫，對汽提運行不利。 所以汽提供料槽壓力必須經(jīng)高壓壓縮機回收到微正壓，一般控制不超過50 kPa， 避免大量VCM 伴隨漿料入塔后閃蒸沸騰，形成泡沫料引起液泛。

4 結(jié)語

蒸汽量與漿料量合理搭配， 塔頂略低的真空度，塔內(nèi)漿料適中的停留時間，減少漿料泡沫的產(chǎn)生等都是小孔徑溢流堰板式汽提塔的控制要點。恒通化工針對汽提運行中出現(xiàn)的問題進行分析，優(yōu)化操作，大大延長了汽提塔的使用周期，提升了優(yōu)等品率，降低了消耗，為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。