羰基法醋酸生產中蒸汽系統優化

張幸磊

(河南龍宇煤化工有限公司,河南 永城 476600)

目前,國內醋酸生產常采用甲醇低壓羰基合成工藝，該工藝具有技術先進、反應條件溫和、甲醇生成醋酸的選擇率和轉化率均較高、精制系統工藝簡單、流程緊湊等特點。河南龍宇煤化工有限公司(以下簡稱龍宇煤化工)醋酸生產裝置主要包括反應系統、反應液冷卻及冷凝液回收系統、精餾系統等。生產醋酸的主要物料為CH3OH和CO，CH3OH和CO在催化劑的作用下，在反應器內進行低壓羰基化反應生產醋酸，生產的醋酸與反應液為混合物形態，經過降壓進入蒸發器內，蒸發出的粗醋酸輸送至精餾區,分步精餾提純，最終可得到純度99.85%以上的產品醋酸。

1 蒸汽系統穩定性優化

1.1 蒸汽規格及用戶使用特點

龍宇煤化工醋酸裝置共涉及4種規格的蒸汽，其中3種為公用物料管網提供，1種為裝置內部減壓自產，其主要參數見表1。

中壓蒸汽、次中壓蒸汽、低壓蒸汽均由公用工程管網提供，次低壓蒸汽通過醋酸裝置內設置的低壓降溫減壓器，將低壓蒸汽減溫減壓后產生。

表1 蒸汽規格

1.2 當前存在的問題

由于醋酸裝置處于生產工序的下游，裝置布置距離鍋爐較遠，蒸汽輸送管線距離較長，因此,在使用過程中經常出現流量波動、壓力不穩定等狀況，這其中影響最為明顯的是分離塔再沸器蒸汽流量，蒸汽的波動導致分離塔塔釜溫度的波動，進而導致自分離塔進入精制塔物料組成的波動，最終表現為產品中水含量和丙酸含量的不穩定乃至增長。

表2 1.7MPa(g)蒸汽主要用戶表

表2統計了1.7MPa(g)蒸汽主要用戶情況，精餾區三塔的再沸器為主要用戶。由于次中壓蒸汽管網是熱電裝置通過中壓蒸汽減溫、減壓后建立，管網分別供空分裝置和醋酸裝置使用。空分裝置使用該蒸汽用于分子篩再生氮氣加熱，用量約10t/h，通過分子篩程控控制，間斷使用，投用及退出在短時間內完成操作。而醋酸裝置處于管網末端，距離空分裝置約300 m，距離較遠。上述原因導致次中壓蒸汽管網運行不穩定，在分子篩再生用氣時，極易導致管用蒸汽供應不足。而根據表2，由于分離塔再沸器進汽阻力損失最大(壓差最小)，對該塔運行的影響最為明顯。

1.3 優化的措施

通過分析，可知以上問題主要是由次中壓蒸汽管網的波動導致，優化的措施從以下3個方面實施。

(1)增加輔助汽源(見圖1中①)。利用龍宇煤化工甲醇合成裝置汽包副產蒸汽作為輔助汽源，直接輸送至醋酸裝置界區使用。

(2)增加穩壓汽源(見圖1中②)。醋酸裝置內的中壓減溫減壓器，僅在裝置開停車期間使用，可利用該設備，增設連通管線，將中壓蒸汽減壓后輸送至次中壓蒸汽管網，當主管網出現蒸汽波動時，通過自控及時補充5～10t/h蒸汽，穩定管網。優化后的蒸汽管網示意見圖1。

圖1 優化后蒸汽系統示意

(3)對次中壓蒸汽總管減溫減壓閥PID參數進行重新整定，增加積分量，消除管線過長導致的參數滯后的影響。

通過實施這些措施，消除了管網波動頻繁的情況。

2 蒸汽系統節能優化

龍宇煤化工醋酸裝置設計噸醋酸蒸汽單耗1.2t/t，遠高于國際先進指標，導致了醋酸生產成本偏高。甲醇羰基化生產醋酸的反應本身為放熱反應(放熱量2265.1kJ/kg·HAc)，反應熱通過循環水間接移除，精餾區各再沸器產生的高溫冷凝液，也通過循環水降溫后外送，這些都導致了能量的浪費，需要合理利用。

2.1 增加廢熱鍋爐

龍宇煤化工醋酸裝置反應熱移除主要通過反應液循環冷卻泵P201和冷卻器E201實現，來自反應器溫度約為193 ℃的反應液，通過P201泵加壓后輸送至E201管程，與殼程內的低溫冷凝液換熱后，溫度減至約150 ℃，然后返回反應器內繼續使用。被加熱后的低溫冷凝液，溫度由60 ℃上升至95 ℃左右，返回至低溫凝液罐內，與回收自精餾區的高溫冷凝液混合后，通過冷凝液輸送泵P202加壓，大部分送至冷凝液冷卻器E203殼程內，與管程內的循環水換熱后降溫至60 ℃左右，然后送入E201換熱，少部分外送(見圖2)。

圖2 優化后蒸汽系統示意

通過在P201泵出口管線上設置廢熱鍋爐E204(見圖2虛線部分)，將約193 ℃的反應液，首先送入E204管程內，加熱殼程內的鍋爐水產生0.5MPa蒸汽，反應液降溫至約160 ℃，然后再進入冷卻器E201管程內，調節至所需的溫度，此舉一方面回收反應熱產生蒸汽，另一方面通過廢熱鍋爐利用一部分反應熱，可間接降低E203的循環水用量，一舉兩得。

計算時，考慮熱效率及損失，反應液進廢鍋溫度按照191 ℃計算，出廢鍋溫度按照171 ℃計算，流量500 000kg/h，平均比熱0.634 3kcal/kg· ℃，則產生熱量：Q=500 000×0.634 3×(191-171)=6 343 000kcal/h。

0.5MPa(g)蒸汽汽化熱為499.4kcal/kg，則對應可生產的蒸汽量為：F=6343 000/499.4=127 00kg/h=12.7t/h。

即通過廢熱鍋爐回收熱量，可實現副產0.5MPa蒸汽12.7t/h。

2.2 高溫冷凝液閃蒸

按照表2中數據，精餾區各塔再沸器產生大量的高溫冷凝液，通過增加高溫凝液罐，將這部分高溫冷凝液收集至高溫凝液罐，在高溫凝液罐頂部設置氣相管線連通至0.3MPa蒸汽管網，回收高溫凝液閃蒸出的蒸汽，供伴熱系統使用(見圖3中③)。同時將0.3MPa蒸汽管網引出一路至冷水機組，可在伴熱系統停用時，將這部分閃蒸蒸汽作為冷水機組的汽源使用(見圖3中④)。閃蒸出蒸汽后的高溫凝液，作為凝液回收再送入低溫凝液罐。實際運行中，通過該項措施，一方面可減少0.8MPa蒸汽消耗約2.5t/h，另一方面可再次間接降低E203的換熱負荷，減少循環水用量。

圖3 高溫冷凝液系統

2.3 反應液體系的優化

通過對反應液體系進行優化，調整反應液系統組成，將反應液水含量降低至6%～7%，將系統總碘含量降低至20%～25%，使反應液體系中醋酸含量增加至70%，進而降低了進入精餾區粗醋酸中水、碘的含量，從根本上降低精餾區處理負荷。通過生產數據統計，此舉使噸醋酸的次中壓蒸汽單耗減低至1.0t/t。

綜上所述，若考慮廢熱鍋爐回收的冷凝液及高溫冷凝液閃蒸回收的冷凝液，通過這些措施的實施，可實現噸醋酸蒸汽綜合消耗0.75t/t左右，相比原設計值實現了大幅度降低，按照GB 29437-2012工業冰醋酸單位產品能源消耗限額折算醋酸綜合能耗EZH=107.6kgce/t，基本與該標準中羰基法(年產20萬t醋酸)單位產品綜合能耗先進值≤106 kgce/t接近。

3 結語

龍宇煤化工醋酸裝置自開車運行4年來，通過增加輔助汽源及穩壓汽源等措施，穩定醋酸裝置所使用的蒸汽管網;通過增加廢熱鍋爐回收反應熱、高溫冷凝液閃蒸回收低品位熱源,以及通過對反應液體系的優化等措施，大幅降低了蒸汽系統能耗。這些優化措施的實施，對提高醋酸裝置運行穩定性、降低產品生產成本大有裨益，可供同類裝置建設或生產運行參考借鑒。