氯乙烯凈化脫水抽真空系統技術改造

劉勝軍，楊春輝

(1.天偉化工有限公司，新疆 石河子 832000；2.葫蘆島華遠化工機械裝備有限公司，遼寧 葫蘆島 125003)

如何降低氯乙烯單體的水含量一直是PVC行業的難題，單體水含量過多易產生鐵離子，影響PVC樹脂質量。氯乙烯脫水工藝有固堿干燥、聚結器、分子篩變溫等，其中分子篩變溫脫水工藝使用較多、效果較好。天偉化工有限公司的脫水工藝為分子篩變溫脫水，脫水后氯乙烯產品氣含水質量濃度在100 mg/kg以下，減少了精餾裝置的自聚情況，提高了PVC樹脂的質量。但在裝置運行的過程中，分子篩吸附飽和后，用于脫附水的熱、冷吹環節的增壓機發生故障的頻率較高，其中增壓機的吸、排氣閥閥片易斷裂損壞，單臺增壓機平均每月就需要更換1次，不僅增加了維修成本，而且還影響了脫水效果。

1 工藝簡介及原因分析

1.1 工藝簡介

天偉化工有限公司的氯乙烯凈化分子篩變溫脫水工藝是5-3-2工藝過程，3臺干燥器用于吸附，2臺干燥器分別用于熱吹、冷吹，循環使用。干燥器吸附飽和后，主要通過循環流動的120 ℃氮氣攜帶的熱量將干燥器內分子篩所吸附的水分汽化后帶出，再通過冷卻器降溫，變為液態水匯聚到設備底部排出。當熱吹干燥器出口溫度達到85 ℃時，表示此干燥器水分已全部脫出，運行步序會自動進行切換。本工藝是通過吸附、逆放、抽空、熱吹、冷吹、二次抽空及沖洗、升壓等步序完成的(見圖1)。

圖1 氯乙烯凈化分子篩變溫脫水工藝流程
Fig.1 Process flow of VCM purification by molecular sieve temperature-swing dewatering

1.2 增壓機故障率高的原因分析

由于氮氣為惰性不凝氣體，進入精餾系統后無法冷凝，因此會加大精餾系統的壓力，增大系統的冷耗，同時還會加大精餾尾氣的放空量，從而造成一定的浪費。凈化干燥器內殘留的氮氣必須排出系統外，殘留氮氣多采用泄壓、負壓抽空脫吸分離后放空處理，干燥器負壓抽空主要通過增壓機完成。

無油往復式增壓機作為凈化變溫脫水系統的主要設備，在實際操作過程中也存在一定的問題，如故障率高、維修較為頻繁，尤其是進、排氣閥使用時間短，損壞較快；抽氣量波動大，且呈現逐漸下降趨勢。為了不影響系統熱吹效果，須增開1臺增壓機來增大循環氣量。單臺增壓機平均每月就要更換吸、排氣閥1次，每次更換8組閥片，不僅維修成本大幅度增加，而且脫水效果還會明顯降低。

分析原因如下。

(1)軸承箱內的滑道和軸承部分容易產生磨損。增壓機軸承箱的潤滑主要通過潤滑油，要想有效潤滑就必須保證摩擦面的油膜厚度和完整度。但由于工況變化極大，特別是機前負壓至正壓轉化的過程中，剛剛平衡的油膜狀態會瞬間被破壞，而油膜的恢復速度達不到工況運行所需要的響應速度，其外觀表現為設備缺油潤滑運行，極易產生滑道拉毛、軸承磨損現象。

(2)氣閥閥片、彈簧片壽命短。氣體壓力引起靜載荷，在靜載荷的作用下，閥片產生彎曲變形。 由于氣缸內的壓力是由較低的吸氣壓力變化到較高的排氣壓力，也由于氣流本身的脈動變化，使閥片承受的載荷具有脈動循環的特點，在脈動循環靜載荷的作用下，閥片易出現彎曲疲勞破壞。負壓狀態的氣閥和正壓狀態的氣閥結構上有所差異：負壓時，為了保證氣閥密封面的可靠密封，必須使用彈簧片提供初始壓緊力，但這個初始壓緊力在正壓時會成為一個附加力，增加閥片和閥座密封面的沖擊應力，從而影響閥片和彈簧片的使用壽命。另外，狀態頻繁變化也會破壞閥片的平衡穩定性，從而進一步降低閥片的壽命預期。增壓機進口壓力曲線見圖2，技改前熱、冷吹循環氣量見圖3。

圖2 增壓機進口壓力曲線圖Fig.2 Chart of booster intake pressure

圖3 技改前熱、冷吹循環氣量Fig.3 Change in circulating gas flow rate with operation period before technical innovation

從圖2可見：增壓機進口壓力波動較大。從圖3可見：以1個月為周期，運行3臺增壓機，在不更換吸、排氣閥閥片的情況下，循環氣量隨著運行周期的延長而逐漸下降，直至中、后期無法滿足熱吹循環氣量的要求。

通過上述原因分析可知：增壓機進口壓力頻繁變化是增壓機閥片使用壽命降低和機械部件損壞的主要原因。

2 工藝技術改造

增壓機進口壓力波動加大是造成增壓機閥片損壞的主要原因，因此穩定增壓機進口壓力是解決問題的關鍵。氯乙烯凈化脫水系統須增加抽空系統，通過理論論證并依據生產實踐經驗，天偉化工有限公司與工藝設計單位共同制定了工藝技改方案。

(1)工藝改造：在原有裝置的基礎上新增2臺真空泵，單臺干燥器分別增加充氮閥和抽空閥，同時配合工藝需求，對程序運行步序也進行改動，對相應管道及儀器儀表配置也進行改造。

(2)改造后的裝置主工藝流程還是為5塔工藝，正常工作時，改為任意時刻總有2臺干燥器處于吸附干燥階段，其余3臺干燥器處于再生過程中的不同階段。5臺干燥器循環操作，從而達到連續輸入原料氣和輸出產品氣的目的(參見圖4)。

通過新增程控閥，實現了由真空泵獨立完成抽空，原有的增壓機只用于干燥器熱、冷吹循環系統。工藝運行步序整體沒有發生變化，各分周期運行時間分配更合理，干燥器熱、冷吹時間相比技改前的480～520 min延長至600 min左右(如圖4所示)。

圖4 改造后氯乙烯凈化分子篩變溫脫水工藝流程
Fig.4 Improved process flow of VCM purification by molecular sieve temperature-swing dewatering

3 改造后主要運行效果

(1)改造后的工藝，實現了抽空步驟由真空泵獨立完成，增壓機只作用于干燥器脫附水的熱、冷吹循環系統，進口壓力基本穩定在0.205 MPa左右的工藝目標(詳見圖5)，運行過程中增壓機機身振動幅度明顯下降，電流也趨于穩定。

圖5 增壓機進口壓力曲線圖Fig.5 Chart of booster intake pressure

(2)技改后的裝置投入運行近10個月，2臺增壓機循環氣量較平穩，穩定在7 400 m3/h左右(見圖6)，能滿足干燥器熱吹溫度的要求，期間共更換吸排氣閥3次，沒有出現其他大的機械故障。

圖6 技改后熱、冷吹循環氣量Fig.5 Change in circulating gas flow rate with operation period after technical innovation

(3)運行效果。技改后的工藝運行近10個月，整體運行比較穩定，增壓機進口壓力穩定，熱、冷吹循環氣量比較平穩，檢測氯乙烯產品氣含水質量濃度小于100 mg/kg，脫解水pH值也在7以上，各項指標較穩定。

(4)經濟效益。

①技改前運行3臺增壓機才能滿足干燥器熱、冷吹的循環氣量，技改后2臺增壓機就能滿足工藝要求。

單臺增壓機電動機功率為135 kW，每月可節約電耗約9.7萬kW·h，全年可節約用電116.4萬kW·h，電價按0.35元/(kW·h)計算，則節約電費：116.4×0.35≈40(萬元/a)。

②增壓機在技改完成后已運行了近10個月，此期間吸、排氣閥片共更換3次，已達到預期效果。

改造前3臺增壓機的閥片更換頻率為每月3次，技改后增壓機閥片更換頻率為每3個月1次，每次更換閥片需0.9萬元，3個月可節省(3×3-1)×0.9=7.2(萬元)，全年可節約維修資金：7.2×4=28.8(萬元)。

③社會效益。降低了增壓機的維修頻率，減輕了操作人員、維修人員的勞動強度，減少了環境污染，裝置運行平穩，穩定了后續精餾系統氯乙烯單體的水含量及PVC產品質量。

4 技改后工藝存在的問題

工藝技改完成后，裝置運行整體穩定，但運行過程中也存在一些問題。

(1)新增真空泵及備用真空泵的氣缸內都有微量的積水，須1 h進行1次排水。積水過多易造成真空泵氣缸液擊，引發機械事故。氣缸內積水是因為吸附塔在抽空步序時間長(360 min)，真空度較高(0.095 kPa)，抽真空過程中，干燥器內殘留的微量水分進入真空泵，在真空泵出口出現壓力變化，氣態水霧變為液態水聚集在氣缸內 。

(2)吸附塔在抽空過程中，-0.095 kPa狀態下運行時間達360 min，法蘭泄漏或誤操作時空氣易進入系統，引發安全事故，存在一定的安全風險。需要定時對真空泵出口氣進行氧含量分析，以保證整個系統安全運行。

5 結語

從氯乙烯凈化脫水抽真空系統改造后近10個月的運行情況來看，增壓機的進口壓力穩定、維修頻率降低，基本上達到了預期的目的和效果；但運行時間較短，還須隨著運行周期的延長，跟蹤增壓機的運行情況及維修頻率，而且在抽真空步序時真空度高且時間較長，存在一定的安全風險，須進一步完善。