氯乙烯合成危險化工工藝自動化改造方案

易立明，易 凡

（中國能源建設集團湖南化工設計院有限公司，湖南長沙 410007）

1 氯乙烯合成工段流程說明

氯化氫氣體經冷卻除濕后與乙炔氣通過分子比調節一起送至混合器，在混合器中充分混合后，先后經冷凍干燥后進入混合氣體預熱器。在預熱器中與轉化器出來的熱水換熱，預熱到85℃左右，送入轉化反應器，混合氣在催化劑HgCl2（活性炭為載體）的作用下，進行氣相催化加成反應，生成VCM氣體和少量副產物1.1-二氯乙烷、乙醛等。

化學反應：

主反應：C2H2+HCl →C2H3C1

副反應：C2H2+H2O →C2H4O

轉化反應器分兩組布置，前一組裝低活性觸媒（從第二組換下來的），第二組裝新觸媒，混合氣經第一組轉化器反應后約70%的乙炔轉化為VCM 氣體，剩下的經第二組轉化器的高活性觸媒層，可使氣炔的總轉化率＞95%。反應溫度控制在130～180℃，反應熱通過95℃左右的循環熱水移出。

2 危險化工工藝辨識

根據國家安全監管總局《關于公布首批重點監管的危險化工工藝目錄的通知》（安監總管三〔2009〕116號）、《關于公布第二批重點監管危險化工工藝目錄和調整首批重點監管危險化工工藝中部分典型工藝的通知》安監總管三〔2013〕3號，危險化學品生產企業涉及的高危工藝是指光氣及光氣化、電解、硝化、氯化、氟化、氨化、磺化、加氫、重氮化、氧化、過氧化、裂解、聚合、氨基化、烷基化等具有較高危險性的生產工藝。本項目乙炔和氯化氫加成生產氯乙烯工藝屬于需重點監管的“氯化”危險化工工藝范疇。

3 采用HAZOP進行安全性分析

采用HAZOP 方法分析合成轉化器的安全性，根據同類工程實際運行經驗，合成轉化器存在超溫事件，所以選取合成轉化器超溫事件作為研究對象。

VCM 的合成反應為放熱反應，為了控制轉化器反應溫度，采用外循環移熱工藝，當冷卻能力下降時，反應溫度會增加，從而導致反應速度加快，轉化器壓力增加。若轉化器內壓力超過轉化器的承受能力，就會發生物理爆炸并燒壞反應觸媒。該工藝反應安全性主要取決于溫度的控制，而溫度又與冷卻水流量有關，因此，冷卻水流量的控制至關重要，選取冷卻水進口管路為研究對象，以冷卻水流量為關鍵詞進行HAZOP分析，結果見表1所示，LOPA 定級見表2。

4 工藝過程分析

4.1 傳統工藝流程

國內現有氯乙烯合成反應工藝流程見圖1。

圖1 國內現有氯乙烯合成反應器工藝傳統流程

物料進出分別設置手動調節蝶閥，用于正常生產時物料的偏流調整，閥門始終處于打開狀態；以及離線時與系統的切斷；熱水循環冷卻系統，正常生產時只需開DN25的補水小閥，DN80閥門只在開車時打開，正常情況處關閉狀態。

4.2 系統配置能力

以100kt/a 氯乙烯單體設計能力為例計算說明，單體產量折：210kmol/h。合成轉化器共計30臺，前段16臺，完成70%的轉化率，后段14臺完成約30%的轉化率，所以前段反應任務大于后段，本改造方案以前段進行物料與熱量計算說明。

前段單臺轉化器生產能力=210×70%/16=9.19kmol/h。

合成反應為放熱反應，反應熱q=-85 000kJ/kmol。

單臺轉化器反應熱=-85 000×9.19=-780 938kJ/h

反應熱主要依靠蒸發水蒸氣帶走熱量，查110℃溫度下的水蒸氣汽化潛熱為2 256.146kJ/（kg.℃），計算得到需補充熱水量約348kg/h（約0.35m3/h），DN25補水管正常流量為（0～2m3/h），所以正常情況完全能滿足生產要求。

依設計，正常情況下反應溫度控制130～180℃，熱水上水95℃，升溫至110℃并進行汽化移熱（保守計算只考慮汽化潛熱），傳熱對數平均溫度差Tm=26.8℃，換熱方式為氣-液換熱，傳熱系數取：K=20kcal/(kg.℃)，計算移走反應熱所需面積S=350m2，合成轉化器面積為865m2，說明設備有較大的調節范圍。

表1 氯乙烯合成反應器HAZOP分析

表2 LOPA定級工作表

4.3 安全生產自動化改造方案

4.3.1 過程概述

反應器管程（物料側）的工作壓力最高為0.06MPa，設計壓力為0.08MPa。通過HAZOP 分析，轉化器的安全運行與否主要取決于反應熱的移出，由物料、熱量計算知，裝置配置均有富余，只有當熱水給水閥門（DN25閥門）誤關時才會出現轉化器熱點溫度升高造成反應器超壓，產生物理性爆炸。

氯乙烯合成反應器溫度計測點布置見圖2。

圖2 氯乙烯合成反應器溫度計測點布置

正常生產時反應氣體由上往下、熱水循環則由下往上，所以轉化器觸媒層溫度會從上往下逐漸升高，如圖2示，上點溫度120℃，最下點溫度150℃。

非正常工況，即反應器缺水，則隨著設備內熱水的蒸發，上部空間逐步露出水面，由于液-氣傳熱系數遠大于氣-氣傳熱系數，此時上部溫度將出現高于下部溫度的現象。

4.3.2 安全生產自動化改造方案

將原系統中的DN80給水截止閥改為遠傳開關閥，取TI-2408A、TI-2408C（上、中部）進入DCS 系統，當兩點之一溫度達180℃時，聯鎖打開給水閥門；取TS-2408B、TS-2408D（中、下部）進入SIS 系統，當兩點之一溫度達200℃時，聯鎖關閉進合成工段原料氣（氯化氫與乙炔）。

4.3.3 安全生產自動化改造后工藝流程

安全生產自動化改造后工藝流程見圖3。

圖3 安全生產自動化改造后工藝流程

5 結論

2020年我國PVC 總產能約25Mt，國內PVC 裝置的生產工藝主要分為電石法和乙烯法，其中電石法生產PVC 產能約16.50Mt，行業內保守估計氯乙烯合成反應器現存數量不少于4 000臺。本文通過對氯乙烯合成反應器的反應過程、引起超溫原因進行了分析，提出了安全生產自動化改造方案。并根據危險化工工藝本質安全性要求，進行了HAZOP 分析，并對SIF 回路完成了SIF 定級，為同行業氯乙烯合成危險化工自動化改造提供參考依據。