庚烷冷卻工藝在氯乙烯合成工序的應用

李輝凱

(河南神馬氯堿發展有限責任公司，河南 平頂山 467200)

1 庚烷作為轉化器冷劑的優點

庚烷不溶于水，只溶于醇，是無色易揮發的液體。利用庚烷沸點與水相近，但比水易揮發、易冷凝的特性，采用庚烷作為氯乙烯轉化器的冷劑，可使反應熱及時移出，反應溫度容易控制，轉化率提高，設備使用壽命延長，觸媒單耗降低。且庚烷不與乙炔、氯化氫、氯乙烯等發生反應，反應器即使發生輕微泄漏，也不會產生嚴重的腐蝕而影響生產，對實現氯乙烯合成系統自動化程序控制、高效生產、穩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符合我國氯堿行業技術更新的發展趨勢，在延長設備使用壽命及節約能耗等方面效果顯著。

2 工藝流程及技術指標

2.1 工藝流程

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

2.2 庚烷冷卻工藝參數

轉化器反應溫度為99～180 ℃，庚烷系統壓力為100～190 kPa，轉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≥90%。

2.3 制冷劑組成

正庚烷38%(質量分數，下同)，其他鏈烷烴類38%，環烷烴類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生產線中起著承上啟下的作用，主要生產任務是以乙炔和氯化氫為原料合成粗氯乙烯，再經過精制生產出合格的精氯乙烯供聚合生產使用。氯乙烯合成反應主要在轉化器內進行，所以有效移走合成反應熱，保持氯乙烯合成反應溫度平穩，提高設備利用率，達到最佳轉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系統負荷增大以及開停車過程中轉化系統波動大，混合脫水效果無法控制，導致氯乙烯單體質量不合格，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場的反應冷劑槽里，再用泵打入轉化器殼程作為換熱介質。

(2)在每臺轉化器的頂端安裝1臺轉化器冷劑冷凝器，用熱水作冷卻介質，氣態庚烷從殼程換熱后直接進入轉化器冷劑冷凝器冷凝成液態，然后返回轉化器冷劑液位罐；未冷凝的氣態庚烷排入反應冷劑排氣冷凝器，經循環水冷卻成液態后排入反應冷劑槽，每臺換熱器的換熱系統實現內部小循環，縮短庚烷系統循環距離。

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

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

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

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

圖1 轉化器殼程庚烷循環流程圖Fig.1 Diagram of heptane circulation inside shell pass of converter

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

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

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

4 結語

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氯乙烯產能計算，可節約2 000萬元/a，經濟效益顯著。