己內酰胺聚合裝置萃取蒸發系統節能改造技術經濟分析

胡 騰 飛

(中石化巴陵石油化工有限公司，湖南 岳陽 414014)

己內酰胺水解開環聚合得到的聚合物中含質量分數90%左右的聚酰胺6(PA 6)和10%左右的己內酰胺和低聚物[1-3]。己內酰胺和低聚物的存在不僅增加了裝置己內酰胺單體的消耗，而且對PA 6后序紡絲、注塑等非常不利。工業上一般先通過逆流熱脫鹽水萃取PA 6切片中的己內酰胺和低聚物，然后再經蒸發系統將固含量為10%(己內酰胺和低聚物占開環聚合物總量的質量分數)左右的萃取水濃縮至固含量為80%左右的己內酰胺水溶液。但是萃取蒸發系統耗能較高，在聚合裝置運行成本中占很大的比重，因此降低萃取蒸發系統的能耗對降低整個聚合裝置運行成本至關重要。作者以60 kt/a己內酰胺聚合裝置萃取蒸發系統為例，探討了影響萃取蒸發系統能耗的因素，分析了裝置節能改造的方案和效果，以期為同類裝置節能降耗提供參考。

1 聚合裝置萃取蒸發系統工藝流程

60 kt/a己內酰胺聚合裝置萃取蒸發系統采用二效蒸發逆流工藝，其工藝流程為：萃取水經加料泵加壓送入一效再沸器，被來自二效蒸發塔的二次蒸汽加熱后進入一效蒸發塔，塔頂蒸出的水分經冷凝器冷凝冷卻后，部分冷凝液經回流泵送入蒸發塔作回流，部分冷凝液送入萃取工序；不凝氣經真空噴射泵抽出，以維持塔頂負壓操作條件；濃縮的萃取水從二效蒸發塔塔底流出，經加料泵輸送至己內酰胺配置系統。萃取蒸發系統工藝流程見圖1。

圖1 萃取蒸發系統工藝流程Fig.1 Process flow of extraction evaporation system1一效蒸發塔；2一效再沸器；3一二效蒸發塔；4一二效再沸器；5一冷凝器

2 影響萃取蒸發系統能耗的因素

2.1 萃取水量

萃取水量直接與蒸汽消耗及切片質量息息相關。正常情況下，萃取水量越大，PA 6切片中可萃取物含量越低，蒸汽用量越小。這是因為在逆流萃取過程中， PA 6切片密度比萃取水密度大，PA 6切片在重力作用下向下流動，萃取水則向上流動，所以提高萃取浴比(水與切片質量比)，PA 6切片中可萃取物含量和萃取水中己內酰胺的濃度降低，但是蒸汽用量會隨之增大[4]。在其他影響因素不變的情況下，不同萃取浴比時PA 6切片中可萃取物含量、萃取水中己內酰胺含量及蒸汽用量見表1。

表1 不同萃取浴比下的蒸汽用量Tab.1 Vapor consumption under different extraction bath ratio

從表1 可知：可萃取物含量、蒸汽用量隨萃取浴比的提高而減小；當萃取浴比為0.8:1.0時，可萃取物質量分數超過0.6%，此時成品切片等級降為一等品；當萃取浴比為0.9:1.0時，此時蒸汽用量為4.39 t/h，可萃取物質量分數小于0.6%，同時兼顧了萃取效果和能耗。

2.2 萃取水溫度

萃取水溫度主要影響PA 6切片中可萃取物含量和蒸發系統進料溫度。通常萃取水溫度越高，蒸發系統進料溫度越高，蒸汽用量越大，但是萃取水溫度過高，容易在萃取塔內形成氣泡，氣泡的形成易打破萃取塔系統濃度梯度，反而導致萃取效果不佳[5]。在其他影響因素不變的情況下，不同萃取塔底部進水溫度時PA 6切片中可萃取物含量與蒸汽用量見表2。

表2 不同萃取水溫度下的蒸汽用量Tab.2 Vapor consumption at different extraction water temperature

從表2可知，萃取水溫度低于118 ℃時，萃取水溫度越高，可萃取物萃取效果越好，蒸汽用量越大，而萃取水溫度高于118 ℃時，可萃取物濃度反而上升，萃取效果變差。造成這種現象的主要原因是萃取塔濃度梯度被打破，塔頂出現大量水汽，大量切片在塔內沸騰，所以萃取效果變差。萃取水溫度控制在110 ℃，可兼顧萃取效果和能耗。

2.3 蒸發回流量

萃取所用冷凝液中己內酰胺含量越高，萃取效果越差，但是萃取和蒸發系統內的水是循環利用的，所以冷凝液中己內酰胺質量分數一般控制在0.3%以下，而塔頂冷凝液中己內酰胺的含量由蒸發回流量決定，回流量的多少直接影響蒸汽用量。在其他影響因素不變的情況下，不同蒸發回流量時冷凝液中己內酰胺含量、蒸汽用量見表3。從表3可知，蒸發回流量增加時冷凝液中己內酰胺含量降低，PA 6切片中可萃取物含量同時也降低，蒸汽用量增加。

表3 不同蒸發回流量下的蒸汽用量Tab.3 Vapor consumption under different evaporation reflux

2.4 蒸發濃縮液固含量

蒸發出的濃縮液物料可與己內酰胺單體混合后直接聚合使用，理論上加入的水的最佳質量分數為3%左右，但是濃縮液固含量過高，會導致聚合反應堵管，且后期聚合需要補加水，過低則會導致系統能耗增加。在其他影響因素不變的情況下，不同蒸發濃縮液固含量時的物料狀態見表4。從表4可知，當出料溫度超過128.5 ℃時，濃縮液固含量超過86%，此時濃縮液開始變稠，極易導致堵管發生。

表4 不同濃縮液濃度下的物料狀態Tab.4 Material state at different solid content of concentrated solution and different discharge temperature

3 蒸發技術及改造方案

3.1 蒸發技術

當前，己內酰胺聚合裝置的萃取蒸發系統主要采用多效蒸發(MEE)、熱力蒸汽再壓縮(TVR)、機械蒸汽再壓縮(MVR)3種工藝技術實現節能降耗的目的。這3種技術可單獨應用，也可聯合應用[6]。

3.1.1 MEE技術

MEE技術是將多個蒸發器串聯起來，前一個蒸發器產生的二次蒸汽不進入冷凝器，而是作為后一個蒸發器的加熱介質得以再次利用，即第一效的最高加熱溫度與最后一效的最低沸點溫度形成總溫差，分布于各個效，從而提高蒸汽的利用率[7-8]。

3.1.2 TVR技術

TVR技術是利用蒸汽噴射泵，以少量高壓蒸汽為動力將部分二次蒸汽壓縮并混合一起進入加熱室作為加熱蒸汽使用[9-10]。TVR系統結構簡單，消耗蒸汽而不消耗電能，費用較低，但該技術二次蒸汽利用率只有70%左右，其余二次蒸汽則送往冷凝器冷凝。

3.1.3 MVR技術

MVR技術是通過軸流式或離心式壓縮機對蒸發器中產生的二次蒸汽進行壓縮，讓壓力、溫度升高，熱焓增加，然后再送到蒸發器的加熱室當作加熱蒸汽使用，使被加工的料液維持沸騰狀態，而加熱蒸汽本身則冷凝成水[11-12]。

從節能效果來看，MEE技術節能率隨著效數的增多而增大，三效比二效蒸發節能20%～30%，但效數達到五效后，節能效果已不太明顯；TVR技術綜合能耗為介于二效蒸發和三效蒸發之間；MVR技術綜合能耗為三效蒸發的30%左右，能耗最低[12,7]。從投資來看，TVR技術投資與三效蒸發投資接近，投資較少，關鍵部件蒸汽噴射泵工作安全可靠性高；MVR技術投資是三效蒸發投資的3倍左右，投資較大，且設備維修費用較高、操作控制較難。

3.2 改造方案

考慮到項目為改造項目，雖然采用雙效蒸發+MVR技術單位產品綜合能耗最低，但改造需增加一臺蒸汽循環壓縮機，在現有框架上無法滿足設備布置要求，且MVR技術設備投資較大，因此項目選擇采用三效蒸發+濃縮液閃蒸技術進行改造，以提高蒸汽的利用率，達到節能降耗的目的。主要改造措施為：新增設備一效蒸發塔, 一效再沸器；將原有一效蒸發塔改為二效蒸發塔，二效蒸發塔改為三效蒸發塔；新增閃蒸釜系統。

改造后的三效蒸發工藝流程見圖2。自萃取工序來的萃取水經加料泵送至一效再沸器，經二效蒸發塔來的二次蒸汽加熱后進入一效蒸發塔，塔頂蒸出的水分經冷凝器冷卻后進入回流液收集罐，塔底提濃后的萃取水通過進料泵送入二效再沸器，經三效蒸發塔來的二次蒸汽加熱后進入二效蒸發塔，二效蒸發采用微正壓操作。二效蒸發塔塔底濃縮液通過進料泵送入三效再沸器，三效再沸器的熱源為新鮮的低壓蒸汽0.6 MPa，三效蒸發為正壓操作，三效蒸發塔提濃后濃縮液輸送至濃縮液儲罐，配置后經過加熱器進一步加熱，然后進入閃蒸釜和填料塔進行閃蒸，供聚合裝置生產使用。

圖2 改造后萃取蒸發系統工藝流程Fig.2 Improved extraction evaporation system process1一一效蒸發塔；2一一效再沸器；3一二效蒸發塔；4一二效再沸器；5一三效蒸發塔；6一三效再沸器；7一冷凝器；8一閃蒸釜

工藝參數方面，控制萃取浴比為0.9:1.0，萃取水溫度為110 ℃，蒸發系統萃取水進料量為8～10 t/h，一效系統壓力為-0.061～-0.055 MPa，二效系統壓力為常壓，三效系統壓力為0.3 MPa左右，蒸發回流量在900 kg/h，出料濃縮液固含量為86%左右。

4 改造效果

4.1 節能效果

從表5可以看出，項目改造后，蒸發系統蒸汽消耗由改造前的4.69 t/h下降至3.38 t/h，下降幅度27.9%，循環水消耗下降80 t/h，儀表空氣消耗下降8 Nm3/h，電耗增加16.4 kWh。按ZBG 01001—88《化工企業能源消耗量和節約量計算通則》進行計算，改造后每年可節約能耗3.48×107MJ，達到了節能降耗的目的。

表5 改造前后系統綜合能耗對比Tab.5 Comparison of comprehensive energy consumption before and after transformation

4.2 經濟效益

項目改造后，除能耗大幅降低外，廢水減排量、己內酰胺原料消耗也有一定程度下降。項目總成本費用見表6。

表6 項目總成本費用Tab.6 Total project cost

從表6可以看出，新增投資415萬元(不含增值稅)后，每年可降低總成本151.41萬元，即實施后以較小的投資，可顯著降低生產成本, 獲得較好的投資回報。

5 結論

a. 影響己內酰胺聚合裝置萃取蒸發系統蒸汽消耗的因素包括萃取水量、萃取水溫度、蒸發回流量、蒸發濃縮液固含量。

b. 采用三效蒸發+濃縮液閃蒸技術對60 kt/a己內酰胺聚合裝置進行改造，同時控制萃取水浴比為0.9:1.0、萃取水溫度為110 ℃、蒸發回流量為900 kg/h、濃縮液固含量為86%，PA 6切片中可萃取物含量控制在0.6%以內，每年可節約能耗3.48×107MJ，降低總成本151.41萬元。