熱水自循環(huán)系統(tǒng)在氯乙烯合成中的應(yīng)用

蔡 陽

（南寧化工股份有限公司，廣西 南寧，530031）

聚氯乙烯（PVC）是一種在工業(yè)和民用市場應(yīng)用非常廣泛的樹脂，在電石法聚氯乙烯生產(chǎn)中，其單體——氯乙烯由氯化氫和乙炔在列管式固定床反應(yīng)器（轉(zhuǎn)化器）中催化合成氯乙烯，反應(yīng)式如下：

C2H2＋HCl→C2H3Cl＋124.7kJ·mol－1

轉(zhuǎn)化器管程內(nèi)為觸媒催化劑，走原料氣；殼程為熱水。由于反應(yīng)會(huì)放出大量熱量，考慮到各種因素，反應(yīng)溫度在100～180℃之間轉(zhuǎn)化率最佳，故需移走反應(yīng)熱。原有工藝是使用大功率水泵強(qiáng)制熱水循環(huán)帶走反應(yīng)熱，近年來發(fā)展了轉(zhuǎn)化器熱水自循環(huán)系統(tǒng)，通過把轉(zhuǎn)化熱水系統(tǒng)的大循環(huán)改為單臺(tái)轉(zhuǎn)化器的小循環(huán)，不僅能滿足反應(yīng)的溫度需要，還可以節(jié)能降耗，無需增加轉(zhuǎn)化器即可增加產(chǎn)能。本公司應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行了合成工序的改造，成效顯著，特介紹如下。

1 原有的熱水強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)

南寧化工股份有限公司有2條PVC生產(chǎn)線，1＃ 生產(chǎn)線投產(chǎn)于 1983 年，原為 5kt·a－1生產(chǎn)線，經(jīng)過多次技改擴(kuò)建為50kt·a－1，合成工序現(xiàn)為28臺(tái)Φ2400×4710 轉(zhuǎn)化器 （613列管），6 臺(tái)熱水泵，單臺(tái)水泵 Q＝400m3·h－1，電機(jī)功率 37kW，正常情況下開 4 備 2；2＃生產(chǎn)線投產(chǎn)于 2005 年，為 60kt·a－1生產(chǎn)線，合成工序?yàn)?6臺(tái)Φ2400×5600轉(zhuǎn)化器（827 列管），3 臺(tái)熱水泵， 單臺(tái)水泵 Q＝720m3·h－1，電機(jī)功率75kW，正常情況下開2備1。

熱水強(qiáng)制循環(huán)即是使用大功率的水泵把熱水槽里的去離子水輸送到轉(zhuǎn)化器夾套，轉(zhuǎn)化器熱水進(jìn)、出口全開，熱水吸收反應(yīng)熱量后匯集到換熱器，經(jīng)常溫工業(yè)水冷卻后回到熱水槽進(jìn)行循環(huán)，工藝流程見圖1。

圖1 熱水強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)工藝流程圖

2 熱水自循環(huán)系統(tǒng)原理和工藝流程

2.1 熱水自循環(huán)系統(tǒng)原理及熱量衡算

利用熱動(dòng)力學(xué)原理，在轉(zhuǎn)化器水路上增加氣液分離器，當(dāng)轉(zhuǎn)化器夾套內(nèi)的熱水吸收反應(yīng)熱后，密度降低，溫度升高，少量熱水由于吸收了大量的熱量汽化成水蒸汽，形成汽水混合物一起升上頂部氣液分離器，部分蒸汽及高溫?zé)崴诔旱臍庖悍蛛x器內(nèi)減壓釋放，帶走了大部分熱量，同時(shí)進(jìn)行汽液分離，降溫后的熱水借液柱高度差及密度差重新回流至轉(zhuǎn)化器夾套繼續(xù)循環(huán)換熱，這樣熱水即可在轉(zhuǎn)化器夾套中自行循環(huán)，無需借用外力來促其循環(huán)。

由于熱水蒸發(fā)會(huì)帶走部分水量，按60kt·a－1PVC產(chǎn)量計(jì)算，則：

1h 生產(chǎn)的 PVC 量為：60000/8000＝7.5t·h－1

聚合收率93%，消耗的氯乙烯單體為：7.5t／h/93%＝8.06t·h－1＝129.03kmol·h－1

總的反應(yīng)熱為：129.03kmol·h－1×124.7kJ·mol－1＝1.61×107kJ·h－1

查表得水的蒸發(fā)潛熱 ΔHv＝40735.323kJ·mol－1，則蒸發(fā)的水量：

Q補(bǔ)＝1.61×107×18×10－3/40735.323＝7.11m3·h－1

由計(jì)算可知，只需開1臺(tái)水泵即可滿足生產(chǎn)需要，同時(shí)也可以得知原有上水閥門過大，需另外增加支管為轉(zhuǎn)化器持續(xù)補(bǔ)充熱水保證循環(huán)量。

2.2 熱水自循環(huán)系統(tǒng)工藝流程

轉(zhuǎn)化熱水自循環(huán)工藝流程圖見圖2。

圖2 熱水自循環(huán)系統(tǒng)工藝流程圖

原始開車時(shí)，關(guān)閉氣液分離器熱水溢流管閥門2，打開回氣管閥門1，全開轉(zhuǎn)化器熱水進(jìn)、出口閥（原有閥門4、5），利用轉(zhuǎn)化器和氣液分離器的高度差進(jìn)行熱水升溫，等熱水槽溫度達(dá)到80～85℃后通入物料氣開車，生產(chǎn)正常后即可打開溢流管閥門2，關(guān)閉閥門4、5，調(diào)節(jié)好補(bǔ)充水閥門3給轉(zhuǎn)化器補(bǔ)充熱水，轉(zhuǎn)為熱水自循環(huán)工藝。

需要注意的是，為了減少管路氣阻，熱水溢流管、回氣管配管至熱水槽時(shí)應(yīng)保持一定的坡度，而不是按一般的橫平豎直原則來配管。

此外，由于下一個(gè)工序——精餾工序也使用同一個(gè)熱水槽的熱水，自循環(huán)會(huì)使槽內(nèi)熱水溫度下降，達(dá)不到精餾的工藝要求，此時(shí)可以選2臺(tái)溫度高的轉(zhuǎn)化器切換到強(qiáng)制循環(huán)，以補(bǔ)充熱水槽損失熱量，或是不切換直接補(bǔ)加蒸汽以提高槽內(nèi)熱水溫度。

3 應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益

3.1 效果

首先解決了轉(zhuǎn)化器的超溫汽化現(xiàn)象。以前使用強(qiáng)制循環(huán)時(shí)常能聽到轉(zhuǎn)化器發(fā)出砰砰的響聲，那是由于轉(zhuǎn)化器局部溫度過高導(dǎo)致熱水汽化，循環(huán)熱水通不進(jìn)去，積氣在夾套內(nèi)發(fā)出的聲音，不僅易造成觸媒過快失效，生產(chǎn)負(fù)荷也無法提升。改造為熱水自循環(huán)后再未發(fā)生過這種現(xiàn)象。

其次是大大減少了熱水泵使用臺(tái)數(shù)，延長了水泵的使用壽命，相應(yīng)也減少了維修頻率。

最后是顯著地提高了生產(chǎn)能力，1＃生產(chǎn)線原先最高乙炔流量為1600m3·h－1，改造后提升到了1900m3·h－1；2＃ 線原先最高乙炔流量為 2400m3·h－1，改造后提升到了3000m3·h－1，不用增加轉(zhuǎn)化器就把氯乙烯單體產(chǎn)能總量提高了約2萬t·a－1。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

經(jīng)過應(yīng)用熱水自循環(huán)后，1＃線由于擴(kuò)建時(shí)熱水系統(tǒng)未合并，需開2臺(tái)熱水泵，2＃線開1臺(tái)即可，使用水泵數(shù)量減少了50%，按全年運(yùn)行8000h計(jì)算，動(dòng)力電單價(jià)為 0.5 元·（kW·h）-1，則每年可節(jié)約動(dòng)力電費(fèi)用為：

1＃線：37kW×2×8000h×0.5 元 ／kW·h＝29.6 萬元

2＃線：75kW×1×8000h×0.5 元 ／kW·h＝30 萬元

4 結(jié)語

相對于熱水強(qiáng)制循環(huán)工藝，熱水自循環(huán)工藝運(yùn)行費(fèi)用明顯降低，而且尚未計(jì)算由于產(chǎn)能擴(kuò)大而使成本下降帶來的效益，雖然改造有一定的初期投資，但節(jié)約的費(fèi)用一年即可抵消，操作簡單，安全環(huán)保，優(yōu)勢是很明顯的。其劣勢在于低負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)用不起來，還是得使用強(qiáng)制循環(huán)，不是“全天候”通用。

目前，國內(nèi)大多數(shù)電石法聚氯乙烯生產(chǎn)企業(yè)都改造投用了熱水自循環(huán)工藝，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的，新生產(chǎn)線若從設(shè)計(jì)階段就采用熱水自循環(huán)工藝，則一次性投資比強(qiáng)制循環(huán)要降低很多，值得推廣使用。