EDC 精制工序真空塔系統改造

李 闖，李昆倫，朱志勇

（天津樂金渤海化學有限公司，天津300452）

天津樂金渤海化學有限公司的氯乙烯裝置采用乙烯路線的平衡氧氯化法，引進西方化學的專利技術。其過程是利用乙烯與氯氣生產1，2-二氯乙烷（EDC），經精制的EDC 進行裂解生成氯乙烯單體（VCM）與氯化氫（HCl），精制后的HCl 用于氧氯化生產EDC，VCM 送至聚合裝置生產聚氯乙烯（PVC）。裝置分為氧氯化、直接氯化、EDC 精制、EDC裂解和VCM 精制等5 個主要生產工序。主要原料為氧氣、氯氣和乙烯，其中氯氣來自該公司的燒堿裝置，氧氣由外部的氣體工廠提供，乙烯則依靠從國外進口。

上述各生產工序都涉及到含EDC 物料的處理，這些物料都需要送到EDC 精制工序。所以，雖然EDC 精制工序的主要設備為工作原理相對簡單的精餾塔，但是在流程上EDC 精制工序又有著一定的靈活性和復雜性。

1 EDC 精制工序原設計工藝流程

EDC 精制工序的作用是將反應工序生產的粗EDC、其他工序返回的循環EDC 及回收的含EDC物料通過精餾過程精制成裂解爐進料級精EDC。該工序主要設備包括頭塔系統、高沸塔系統、真空塔系統等。

氧氯化工序生產的粗EDC 進入頭塔。在頭塔中，水和低沸物從塔頂被除去，EDC 和高沸點組分走底部并送到高沸塔。在高沸塔中，精EDC 從靠近頂部的塔盤側線采出，包括固體、高沸物和鐵濃縮物的重組分則從塔底連續排放到真空塔。在真空塔中，來料EDC 中的雜質進一步濃縮到85%～89%的濃度從塔底輸出，塔頂抽出精EDC。真空噴射器和一個EDC 循環系統用于保持真空塔操作需要的真空度。另外，來自EDC 裂解工序和VCM 精制工序的回收EDC 和循環EDC 等各股物料，也會根據組成的不同進入真空塔或高沸塔的不同塔盤。正常運行時，頭塔和真空塔所需的熱量由各自的再沸器提供。在西方化學的技術中，考慮到熱量的充分利用，直接氯化工序的HTDC 反應器與高沸塔的關聯運行極為緊密。HTDC 反應器用于生產EDC，C2H4和Cl2在液態EDC 循環物料中，在FeCl3催化劑作用下發生放熱反應生成EDC。正常運行時，HTDC 反應器頂部氣相EDC 出料進入高沸塔最下層塔盤以下，借此將反應熱移出并提供給高沸塔用于精餾，而高沸塔底部液相物料被送到HTDC 反應器以保持反應器中的液位。EDC 精制工序原設計流程簡圖見圖1。

圖1 EDC精制工序原設計流程簡圖

2 真空塔系統的改造

由于EDC 精制工序在整個裝置中處于串連其他各工序的位置，本身的工藝流程又較為復雜，所以一直都是技術改造的主要著眼點。自原始開車，該工序經歷了大大小小多次技改，使得目前的工藝流程已和原設計有了很大不同。其中，真空塔系統在設備本身和流程上都有很大改變，下面就重點改造內容做詳細說明。

2.1 物料處理能力提高改造

（1）改造背景

2008 年，該公司進行了提升產能的技術改造，主要的改造對象為能力不足的輸送泵、換熱器及相關的儀表和調節閥等。EDC 精制工序的精餾塔在設計上的塔板負荷為正常運行的120%，理論計算的處理能力提高仍在該范圍之內，所以當時精餾塔未進行相應的改造。但在擴能后的實際運行中發現當裝置負荷較高時各工序的處理物料都不同幅度地增加，而如前文中所述EDC 精制工序在整個裝置中又處于串連各工序的位置，這導致了該工序精餾塔的物料處理量增加超出了預期，其操作彈性的犧牲過大，精餾塔的調節能力變差。2009 年開始開展節能降耗工作，嚴格控制乙烯、天然氣、蒸汽等原料和能源的消耗。EDC 精制工序的真空塔系統作為乙烯單耗控制中的重要一環，被要求進一步降低塔底高沸物中EDC 的含量，使得真空塔系統處理能力不足顯得尤為突出。

（2）改造方案實施

2010 年，正式啟動了真空塔擴能改造項目。在分析前期運行問題的基礎上，又與國內在精餾技術研發領域知名的高校、專家進行大量的交流，最終確定了符合該公司實際情況的改造方案。因改造施工只能在短暫的裝置檢修時間內完成，故要求該塔的外殼和進料口等都不變，并保留塔內原塔盤固定圈和降液管。改造工作主要集中在塔內件的改造上，通過改造塔內件達到提高全塔理論板數、降低壓力降、提高塔處理量的目的。真空塔原塔盤為40 層固定浮閥塔盤，改造方案將下部塔盤1#（底部）至7#、9#至13#、15#至19#，共17 層，全部更換為垂直篩板塔盤；將上部塔盤20#至40#（頂部）及下部因設進料管無法安裝垂直篩板的8#、14#塔盤，共23層，在原固定浮閥塔盤上均勻增加篩孔。另外，原進料位置也由14#塔盤改到20#塔盤。

下部提餾段包含17 層垂直篩板塔盤，每層塔盤56 個傳質單元（長190 mm，寬70 mm），同時保留降液區附近26 個原固定浮閥，垂直篩板塔盤的溢流堰高由20 mm 調整為33 mm。垂直篩板塔盤的工作原理不是通常的氣液兩相鼓泡接觸傳質，而是氣液并流噴射。來自上一層塔板的液體從降液管流出，橫向穿過各排帽罩，經帽罩底部縫隙被吸入罩內，并與高速氣流接觸后改變方向呈環狀膜向上運動，極不穩定的液膜被高速氣流破碎成液滴，帽罩內氣液兩相處于湍流狀態，進行激烈的傳熱與傳質，而后兩相流從罩壁小孔沿水平方向噴射而出，氣相升至上一層塔盤板，液相落入原塔盤板，一部分又被吸入帽罩進行再次循環，另一部分隨板上液流進入下排帽罩，最后通過溢流堰和降液管流入下一層塔板。所以，垂直篩板塔盤可以確保在空塔氣速很大時不發生液泛，在相同塔徑條件下可以處理更大量的汽液負荷并保持較高的分離效率。又由于兩相流的噴射方向是水平的而不是向上的，其霧沫夾帶率也很低。另外，由于塔盤上開孔較大且無活動部件，一般不易被較臟或粘性物料堵塞，氣液又是在噴射狀態下離開帽罩，高氣速對罩孔本身也有較強的自沖洗能力，也確保了塔盤的抗堵性能。進料位置的改變也使提餾段有足夠的理論板數進行傳質分離。

上部精餾段的各層塔盤均為在原塔盤的946 個固定浮閥的間隙上增開9.0 mm 的篩孔，每層塔盤共增開665 個，塔盤的開孔率對比原塔盤增加約4%。各塔盤的溢流堰高保持20 mm，其余結構均未做改變。這樣改造主要是考慮到擴能增加的氣相負荷及維持適合的塔段壓降。在方案檢討的過程中也設想過將精餾段全部更換為規整填料，但在綜合考慮施工難度、以后檢修難度等風險因素，最終沒有采用填料。

（3）改造效果

通過改造提高了全塔的傳質效率，對比原塔增加了1.5 塊理論板，因此實現了減小回流比的操作，對比單位處理量能夠節能，并基本達成提高10%處理能力和維持塔底料EDC 含量水平的改造目標。真空塔改造性能考核匯總見表1。

2.2 延長再沸器清理周期改造

（1）改造背景

2010 年以后，該公司VCM 裝置始終保持高負荷運行，一些問題也逐漸顯現。在高負荷運行下，HTDC 反應器的反應溫度偏高，副反應增加，母液中高沸物增加，繼而又會影響反應溫度，如此惡性循環會使反應效果再進一步變差。這種情況在2012 年至2013 年特別嚴重，當時工藝上主要的應對措施是增加HTDC 反應器底部的排污和補加FeCl3催化劑來穩定反應狀況，但效果有限。與此同時，由于HTDC 底部排污要送往真空塔處理，高排污量及排污中的高含鐵量也對真空塔系統的運行造成很大的影響，主要表現在真空塔再沸器的清理周期嚴重縮短，至2 次/月。并且真空塔底料EDC 含量也難以維持正常水平，在每個清理周期內都會有相當比例的時間處于高EDC 含量出料，高時達到30%。

上述問題反映到運營成本上主要包括2 個方面。首先，真空塔底料主要為高沸物，最終需要送廢氣廢液焚燒爐處理，底料中EDC 含量過高意味著原料乙烯的浪費。并且該公司的乙烯原料主要依靠國外進口，自2010 年乙烯進口價格一直維持高位，乙烯在VCM 生產總的原料成本中占比高達85%以上，這更使得成本惡化愈演愈烈。其次，高頻度的再沸器清理也占用了大量的維修費用，經統計每次清理中拆裝、吊車租用及高壓水清理等費用合計約六萬元，使得維修費超支嚴重，也影響了其他維修項目的進行。綜上，延長真空塔再沸器清理周期的改造勢在必行。

表1 真空塔改造性能考核匯總

（2）改造方案實施

2013 年該公司組織人員開展上述問題的研究工作。與之前合作過的高校、設計院、行業內的專家進行了深入的技術交流，形成了多個意向方案，其中以系統投加阻垢劑和真空塔并設一臺小精餾塔2 個方案最受關注。經討論，認為投加阻垢劑的方案雖然有同行業的工程應用，但仍存在引入其他不明雜質，這些雜質循環過程中對工藝系統造成不良影響等風險，最終沒有選用。通過天津大學精餾研究中心協助進行了模擬計算和實驗，最終結果也均在預期范圍內，認為真空塔并設小精餾塔的方案在實施上更為穩妥，確定采用。

真空塔并設小精餾塔的方案初衷是降低真空塔的塔底溫度，即提高塔底采出量至適當值，以延長其再沸器的清理周期；而高含量EDC 的塔底料可以送入小塔再進行回收EDC，最終使整個真空塔系統的高沸排放中的EDC 含量控制在合理范圍內。小塔的設計以高負荷運行下的實際工況為基礎數據，并且在設計過程中也要考慮設備型式的創新，盡可能避免堵塔、再沸器結焦快和方便檢修等問題。即使小塔的再沸器清理周期比較短，也只是清理小再沸器，維修費用會大幅降低。實施該方案可以極大地緩解上運營成本上的壓力。另外，小塔通過極小的流程改造就可以實現從原EDC 流程中切出，便于以后開展有關增加阻垢劑的測試工作。

在工藝流程上，僅增加小精餾塔及再沸器和底料輸送泵，小精餾塔可用于處理真空塔底料和HTDC 反應器母液置換排料。小精餾塔的塔底料直接送高沸物儲罐，頂部氣相并入真空塔頂部冷凝系統，即該塔的操作壓力與真空塔相同，其回流由真空塔回流泵供應。真空塔并設小精餾塔流程簡圖見圖2。

具體的設備設計方案，小塔的內徑為800 mm，全塔高9 330 mm（僅筒體未計封頭）。由于塔徑較小不適合開設人孔，故小塔設計成塔釜、提餾段、精餾段及頂封頭可拆解型式，各段用法蘭連接。其中，提餾段采用8 層大孔穿流篩板塔盤，板間距430 mm，最下層塔盤固定后通過拉桿和定距管實現其余塔盤的固定，在檢修時可以在塔段拆解后整體抽出。提餾段塔盤這樣設計的目的主要是考慮到防堵，以及避免在小空間內加入降液管、溢流堰等常規結構形成過多的死角。精餾段采用型號為250Y 的規整填料，填料高度為1 600 mm，上下分別用柵板式填料壓圈和支撐對其固定，填料之上設有槽式液體分布器，塔段拆解后也可以方便取出。精餾段采用填料設計，主要依據天津大學精餾研究中心進行的有關工藝模擬、水力學計算和實驗。另外，也是為了驗證填料應用于處理含有高沸物這類粘性物料的可行性。小塔再沸器采用立式管殼式換熱器，共2 臺一開一備，換熱面積為47 m2，換熱管尺寸為Φ38×2.5 mm，長2 000 mm，共207 根，與真空塔再沸器相比主要是加大的換熱管的內徑，并提高了換熱面積裕量，以延緩結焦時間。

圖2 真空塔并設小精餾塔流程簡圖

在實施過程中，天津大學精餾研究中心負責全部塔內件的設計，并配合設計院完成小塔筒體及再沸器等承壓設備的設計。考慮到改造現場管線錯綜復雜，對現場的熟悉程度和減少現場測繪工作量，設備和管道布置、土建及鋼結構等設計由該公司自行完成，并利用CADWorx 軟件生成了3D 模型和管道單線圖用于指導具體施工。設備布置設計時主要考慮的內容是在真空精餾操作下，再沸器的上管板要高于塔釜正常液位，以確保靜壓頭不大于換熱管長度。管道布置過程中，也考慮到再沸器氣相出口管線增加安全閥連接并接入原真空塔排放點。

（3）改造效果

改造增設的小精餾塔處理物料為HTDC 反應器母液和真空塔釜液，其實際處理能力為2 種物料合計進料量4 000～4 500 kg/h，其中真空塔釜液最大進料量為2 000 kg/h，操作彈性為75%～125%，滿足設計要求。通過本次改造，實現了真空塔再沸器清理周期的延長，清理次數由22 次/a 以上下降到2 次/a；小塔的再沸器清理的頻次為每年兩三次，且清理時間和費用大幅縮減；真空塔系統排出的高沸殘液中EDC 含量由改造前的平均28%下降到10%；能源消耗方面，小塔再沸器的蒸汽用量為650～740 kg/h 的7 kg/cm2g 蒸汽，塔底泵的額定功率為3.7 kW，有少量增加。但由于改造后真空塔釜液的EDC 含量要求放寬，使其再沸器的蒸汽用量有一定減小。經計算，此次改造的年綜合收益為三百萬元左右，投資回收期約為八個月。另外，此次改造成功的案例也驗證了只要設計合理，填料完全可以勝任含有大量高沸物的粘性物料的分離。

3 結語

EDC 精制工序在整個VCM 裝置中屬于原理上簡單但流程上復雜。也正因如此，該工序才存在更多的改善機會。本文所述的真空塔系統的有關提高處理能力和延長再沸器清理周期的改造，從本質上講都未超出基本的傳熱傳質原理，在通過模擬計算和實驗充分論證的基礎上，從設備本身和工藝流程上進行嘗試、創新和突破，如采用垂直篩板塔盤、并設小精餾塔分擔真空塔分離負擔的流程設計以及有針對性的小精餾塔內件設計等。在上述改造實施后，均達到了設定目標，實現了裝置產能提升和運營成本的降低。上述改造的成功也為以后成功地實施更多的改造拓寬了思路。