環氧乙烷/乙二醇裝置的優化與改造

任國偉

（江蘇奧克化學有限公司，江蘇 揚州 211400）

0 引言

環氧乙烷屬于乙烯下游走的重要衍生物，僅次于聚乙烯，主要應用在化工原料生產中，比如：乙二醇、聚醚單體等，屬于重要的化工產品。環氧乙烷主要原料為乙烯與氧氣，在銀催化劑上乙烯能選擇性地氧化生成環氧乙烷。乙烯氧化生成環氧乙烷，工業上用的銀催化劑是由活性組分銀、載體和助催化劑所組成的。其中銀催化劑屬于技術的核心，其中低比表面、無孔隙或少孔隙或粗孔隙的惰性物質α-Al2O3作為載體，以Cs、Re等作為助催化劑，可以把銀顆粒隔開，防止銀燒結。隨著環氧乙烷下游精細化學品的需求不斷增加，對商品環氧乙烷/乙二醇的需求旺盛，為提升經濟效益，工廠開工率不斷提升，工廠安穩長滿優運行至關重要，這一背景下，環氧乙烷/乙二醇裝置的優化與改造屬于關鍵課題，本文主要對此進行研討。

1 環氧乙烷/乙二醇裝置簡易工藝流程

來自界外的高純度乙烯（99.9%mol）和空氣分離單元的氧氣（99.8%mol）在含催化劑的反應器中生成環氧乙烷，甲烷作為載氣用于提高反應器燃燒極限，乙烯和氧氣部分參與反應，未反應的乙烯、氧氣與甲烷一期通過循環壓縮機返回氧化反應器。循環氣經EO吸收塔吸收環氧乙烷后，富吸收液經多次換熱升溫進入EO汽提塔，汽提后的EO水溶液經輕組分塔脫除輕組分后，含60%的EO溶液送入EO精制塔，從塔中獲得高純度的EO產品，并將部分釜液送入乙二醇反應蒸發系統。乙二醇工段處理環氧乙烷精制塔頂或脫醛物，確保全部轉化為乙二醇[1]。環氧乙烷和過量水混合在反應器高溫、高壓下轉化為粗產物。經多效蒸發后，干燥、脫水、精制后得到了MEG、DEG和TEG產品。

2 升級和升級設備的加工技術

第一，為了更好地節省產品成本并減少能耗，工廠采取了多種對策。關鍵在于對環氧乙烷/乙二醇設備的預防性維護以及對部分設備的技術改造升級實施，解決生產過程中的缺陷與隱患。必須定期地、有計劃地對設備進行預防性的和恢復性的檢修，以便及時地檢查、發現和消除設備存在的缺陷，消滅潛在的事故因素，提高設備健康水平，延長設備使用奉命，確保機組運行的安全性與經濟性。（1）運用先進服務云，對現場主要設備進行數據監控，定期組織專業人員對設備運行進行詳細數據評估，分享經驗，統籌設備預防性維修體系，提高設備的故障診斷和維修技術水平。（2）利用檢修期間解決換熱器堵塞，調節閥泄漏、管道泄漏問題，解決現場跑冒滴漏現象，并清理帶有腐蝕和殘留物的換熱機械與設備。（3）解決了乙二醇反應器水進料多級泵頻繁故障的問題、循環氣壓縮機K201的振動值偏高的問題以及塔操作參數異常波動不穩定設備缺陷問題。（4）解決夏季循環冷卻水溫度高，制冷設備實際效果差，水輪機運行效率偏低問題。（5）處理翅片式風冷器換熱效率低下，表面異物積存，翅片角度偏差影響散熱問題。（6）對長時間影響乙二醇提濃塔再沸器封頭焊縫熱影響區安全運行的腐蝕問題，通過特殊工藝處理進行解決，以確保設備的長期安全運行。（7）經常組織員工提出建議，應對在夏季和冬季危及設備穩定性的生產瓶頸，并制定安全生產保護措施[2]。

第二，工廠進一步在優化了三劑使用。工廠環氧乙烷裝置選用殼牌專利技術，自投入運行，已更換多次脫硫劑，而之前脫硫劑選用進口，采購時間長并且價格相對昂貴，通過技術對比與交流，選用國內新型脫硫劑替代進口，降低單位產品成本。在乙烯氧化反應的整個過程中，在銀催化劑上生成EO的反應異常劇烈，為了抑制乙烯過度氧化成二氧化碳和水，通常在反應器進料中加入抑制劑。以前，殼牌、SD、聯碳等公司的專利均采用二氯乙烷作為抑制劑，目前大多改用一氯乙烷作為抑制劑。與二氯乙烷相比，采用一氯乙烷具有加入量較大，易于控制，毒性較小，在系統內形成氯化物雜質較少等優點，對設備尤其是不銹鋼設備的長期使用有利，而且添加工藝更為簡單，不需要泵或載氣加以運輸。我裝置選用一氯乙烷作抑制劑，并在國內選擇質量優良的一氯乙烷生產廠家，獲得了較好的經濟效益[3]。

離開極冷區和循環氣與30℃的貧吸收液逆向接觸吸收環氧乙烷，并向貧吸收液中連續添加苛性堿以保持貧液pH值在7.3至7.5之間，以確保環氧乙烷被吸收。在調整鍋爐水系統PH值，使用國產多功能緩蝕劑，從而降低了生產成本。

3 環氧乙烷/乙二醇設備升級改造

3.1 新型設備設施應用

節能是化工企業工藝優化的重點，通過對系統蒸汽系統確認能源結構，通過運行工況參數整理收集，進行熱平衡分析，診斷引起高耗能的各種原因，并采取先進技術手段優化蒸汽系統，實現節能降耗。通過收集信息，蒸汽節能方向相當可觀，先后在工廠對蒸汽梯級利用進行優化、應用特殊節流型文丘里管疏水器、氣旋隆技術、新型疏水器應用、蒸汽噴射器節能優化等，提升蒸汽高效利用，節省能源。采用高效節能電機對部分耗能高的電機進行改造，并對流量波動工況較大設備增加變頻器，便于設備節約電力[4]。

3.2 用膜分離設備技術應用

生產 EO/ EG 過程中需排空由原料和致穩氣帶入的雜質，但在排空過程中會損失少量未反應的原料乙烯，氧氣法工藝中乙烯損失占原料量的 1 %以下，空氣法工藝中乙烯損失量較大。乙烯回收有許多方法，其中最具有技術先進性及應用經濟價值的是膜分離技術和變壓吸附技術。為了更好地避免氬氣在循環中的積累，減少乙烯損耗，降低壓縮機功率，減少原乙烯料消耗和產品成本。依據項目所需排放的氣量和回收氣壓縮機能力情況，通過更換膜組件形式與大小，對乙烯膜分離進行改造，將大大節省乙烯原料，從而節省產品成本。

3.3 高效旋殼泵應用

工廠乙二醇運行工況復雜，在正常生產時，乙二醇反應單元水合比例控制較低，但在開停車或者乙二醇效益高的時候進行切換操作，而該輸送泵原設計流量大揚程高的多級離心泵，日常運行中該多級泵故障率偏高，且維修成本高。查閱相關低流量高揚程，且運行穩定控制輸送泵最終選擇為旋殼泵。該泵有三個基本部件，一個是轉動的轉子，一個是靜止的集液管、連接頭部件，另一個是軸承箱部件。該泵本質上也是單級離心泵，但不像結構復雜的多級離心泵與脈動的往復泵。該泵工作原理是液體從泵進口吸入，經旋轉的轉子蓋進入轉子腔，由于離心力，增加了液體的流速和壓力，使的液體噴入位于轉子腔中的集液管，這樣將液體的動能轉化為壓力能，最后從出液管排出高壓液體。該泵可實現變頻控制，具有耗能低，運行平穩的特點。

4 工藝設備優化改造方向

4.1 識別風險來源和危害要素

乙烯：CAS號74-85-1;與氣體混合可產生易燃化合物，爆炸極限為36%（V/V），下限為2.7%（V/V），對身心健康具有非常強的麻醉作用，其作用對自然環境有害。CO2：CAS號7782-44-7；適用于點火。這是著火和爆炸的基本先決條件之一。它可以氧化空氣中的大多數活性物質。它與丁二烯和甲烷氣體一起產生易燃化合物。甲烷（致穩氣）：CAS編號74-82-8；與氣體混合會產生易燃化合物。蒸氣的爆炸極限為15%（V/V），下限為5.3%（V/V）。一氯乙烷（抑制劑）：CAS號75-00-3;與氣體混合可產生易燃化合物，蒸氣爆炸極限為14.8%（V/V），下限為3.6%（V/V），對身心健康有害，具有刺激和麻醉作用，并且有害自然環境。

4.2 風險處理方法

4.2.1 泵溫控對策

針對環氧乙烷泵采取有效措施以防止泵的溫度升高。循環系統的流體從導向輪排出，并根據屏蔽套，滾動軸承和側板的孔按照較小的管道返回到泵內空間。確保泵的溫度低于0℃。（1）在泵中，液體持續動態流動，輸送液體溫度設有高報警和高高報警聯鎖。正常情況使用-15℃低溫冷凍對儲罐、泵體和連接管道進行降溫。（2）EO罐組及泵棚設有自動消防噴淋，該噴淋設置可現場啟動、中控DCS畫面啟動與消防柜上聯鎖啟動，當在炎熱的夏天，泵體或者罐內溫度高時，可手動啟動消防噴淋進行降溫。（3）設有低低液位聯鎖，采取有效措施避免環氧乙烷泵空運轉，以防泵的機械動能轉化為熱量，使泵殼和物料溫度升高[5]。

4.2.2 環氧乙烷泵防泄漏控制方法

（1）含環氧乙烷的輸送設備泄漏是環氧乙烷爆炸的主要原因。在化工廠中，常見的23%的泵故障是由設備泄漏引起的，因此設備使用、設備質量和安裝質量尤為重要。（2）泵振動很大（也就是說，泵本身是由于機械設備或實際操作而引起的，例如滾動軸承損壞，密封液潤滑失效等），并引起泄漏或溫度上升，導致物料泄漏，環氧乙烷爆炸。泵的運行風險取決于操作人員的專業知識與實際操作水平、管理方法以及機器和設備的狀況直接相關。因此，根據上述情況在風險矩陣中定義風險，以找出相應對策來降低風險。（3）生產和運行過程中的大波動，靜電感應充放電，易導致環氧乙烷爆炸。這必須改善工作環境與加強專項學習和培訓，以降低風險。

4.2.3 罐區保護操作

含環氧乙烷儲罐設有液位低低聯鎖，當液位達到低低值時，聯鎖動作停泵。當泵出口流量低于聯鎖值時，延遲10秒后，聯鎖停泵，防止泵空轉，溫度升高產生危險。根據泵的密封罐液位計線和氮氣調壓閥，對泵體穩壓罐進行壓力調整，維持罐內工作壓力保持在一定壓力范圍。環氧乙烷儲存必須動態低溫儲存，設置環氧乙烷罐外循環，與低溫冷凍水換熱，將罐內溫度降低。當罐內溫度達

到高報警值時，打開外部控制回路調節閥，以將罐內物料輸送到產品循環冷卻器，將溫度降至-5℃。

4.2.4 系統冷量耦合

-35℃低溫液態乙烯氣化需要熱源，該熱源一般選用50%乙二醇水溶液，在工廠里這部分冷量非常可觀。在考慮環氧乙烷球罐冰機受夏季高溫環境影響，冰機制冷效果差。通過核算，增加一臺換熱器可以把EO精制塔側線采出高純環氧乙烷溫度從20℃將低到10℃，復熱后的乙二醇水溶液通過溫度控制調節閥繼續與冷水換熱升溫，達到一定溫度后作為低溫乙烯的加熱介質，通過工藝系統冷量耦合，解決了夏季高負荷運轉罐區冰機冷量不足的問題。

5 結語

通常，環氧乙烷設備的生產過程中，無論是主要的，輔助的材料還是產品，都具有巨大的風險因素，一旦安全事故造成嚴重的不利影響，就必須對所有設備進行風險評估。安全風險矩陣它是識別風險評估和風險值的關鍵特殊工具。在中石化，中石化要求中國石化能夠接受安全隱患規范，評估指標值和剩余風險值管理方法的最低安全規定。您只需要掌握以上要點，在化學過程設計中適當使用風險與可操作性（HAZOP），保護層分析（LOPA），安全檢查表（SCL），工藝安全分析（JSA）、基于風險評估的設備檢驗技術（RBI）等特殊工具與風險矩陣緊密集成，并且將設備根據實際設備標準分析風險清單和對中情況，采取可行的對策以降低風險并接受。風險管理和控制是預先管理的方法，可以向前移動，這是對癥狀和根本原因的一種治愈方法，可以避免安全事故。