MVR技術在環己酮廢堿水濃縮中的應用

王文輝

（中國石化湖南石油化工有限公司，湖南岳陽 414014）

環己酮是一種重要化工原料，具高溶解性和低揮發性，是制造尼龍、己內酰胺和己二酸的主要中間體，同時也是重要的工業溶劑。世界上環己酮生產工藝主要有苯酚加氫法、環己烷液相氧化法、環己烯水合法以及環己烷氧化法。目前有55%的環己酮生產裝置采用環己烷氧化法[1-2]，該生產過程中產生的皂化堿液主要通過廢堿焚燒處理，進而得到有用的碳酸鈉鹽以及副產蒸汽。由于廢堿焚燒對皂化堿液濃度（固性物含量）有較高要求，皂化堿液經簡單分離后尚不能滿足，必須進行濃縮，裝置上一般采用蒸汽加熱濃縮。機械蒸汽再壓縮（MVR，Mechanical Vapor Recompression）技術，俗稱熱泵技術，是一項可對蒸發出的二次蒸汽冷凝潛熱重新利用、以減少蒸汽濃縮過程對外界蒸汽需求的先進節能技術。MVR技術應用于環己酮廢堿蒸汽濃縮可顯著減少蒸汽消耗。該文結合MVR技術在某環己酮裝置廢堿濃縮上的應用實例，研究工藝、設備運行情況，為MVR技術在環己酮廢堿濃縮中的推廣應用提供參考。

1 MVR技術廢堿濃縮實例

某國內環己酮裝置，設計產能10萬噸/年，其工藝采用國際主流的環己烷空氣氧化法。環己烷與空氣氧化反應后產生的氧化產物經分解、皂化后分離出廢堿水，堿水量約在8～12 t/h，其固性物含量約20%～30%，堿水密度約1.00～1.10 g/L；而配套裝置對焚燒廢堿的要求為固性物含量43%～45%，堿水密度≥1.23 g/L，二者相比差距明顯，因此需對初步分離的堿水進一步濃縮。

2013年之前該裝置一直采用一次蒸汽直接濃縮工藝。通過廢堿塔底再沸器對廢堿液進行加熱濃縮，經蒸發濃縮的塔釜液滿足廢堿密度要求后通過管道輸送至廢堿焚燒裝置進行焚燒處理。

2013年，該裝置將MVR技術引入廢堿濃縮工藝。將廢堿塔頂部蒸出的蒸汽引入蒸汽循環壓縮機，壓縮機出口增熱增壓后的蒸汽大部分進入廢堿塔再沸器，作為熱源使用，一小部分通過回路管線至壓縮機進口，實現了利用廢堿水中的水蒸氣蒸發濃縮廢堿水的過程。改造后廢堿蒸發塔頂蒸汽熱量得到回收利用，同時減少了塔頂冷凝器的冷卻水用量。改造后原流程保留，正常生產情況運行MVR機組，廢堿塔頂蒸汽引入蒸汽循環壓縮機，MVR機組異常時可切換原流程運行，不影響主裝置正常運行。

改造后的流程如圖1所示。皂化廢堿液從皂化、水洗底部出料至環己烷閃蒸罐（V-241，以下簡稱閃蒸罐），經閃蒸罐蒸汽加熱，罐頂含烷閃蒸汽經回收冷凝器（E-208）和回收尾冷器（E-213）冷凝后，液相排入回收水儲槽（V-207），不凝氣進入烷塔尾氣壓縮機進口總管。閃蒸后的廢堿液由廢堿塔加料泵（以下簡稱加料泵）泵入廢堿閃蒸塔再沸器（E-209）。廢堿閃蒸塔（C-204）塔頂的蒸汽經蒸汽循環壓縮機（K-240，以下簡稱壓縮機）增壓增熱后，供E-209循環使用。E-209疏水進疏水收集罐（V-217），經回收水輸送泵（P-241A/B）增壓，回收水冷凝器（E-241）降溫后進入回收水儲槽（V-207）。加熱蒸發濃縮后的塔釜廢堿進入廢堿船型槽（V-210），由廢堿泵（P-230A/B）輸送至廢堿罐或者廢堿焚燒裝置。

圖1 MVR廢堿濃縮流程

2 項目運行情況

2.1 工藝運行狀況

2.1.1 工藝數據分析

該裝置運行后，以8小時為分析范圍，分別對正常負荷及低負荷條件下的運行工藝參數及濃縮提純后的廢堿固性物含量進行分析，數據分別如表1、表2所示。

表1 正常負荷數據

表2 低負荷數據

由數據可知，在正常負荷及低負荷情況下，經MVR機組壓縮做功、切斷外界蒸汽供應后，廢堿塔釜溫、頂溫等工藝指標控制穩定，廢堿液密度維持在1.21 g/L以上，固性物含量在46%以上，可以達到工藝要求，整體運行平穩。

由于機組沒有配套使用變頻控制系統，低負荷運行時需打開MVR機組出口回路調節閥組的副線閥，減少機組輸出功率，此舉會相應降低機組電能利用率。

2.1.2 工藝控制情況

（1）負荷調節

負荷調節是整個MVR系統的核心，影響廢堿濃縮程度及外部蒸汽需求量。通過閥組控制MVR機組的有用輸出功率和MVR機組進出口壓差，調整輸出蒸汽熱量，進而控制廢堿塔釜溫度。該回路調節閥組能夠實現自動調節。

（2）返冷水開度

MVR機組流程上設置有返冷水流程，即將外部溫度較低的水通入機組內，一是降低機組出口溫度，二是產生蒸汽以適當補充蒸汽量。對于該裝置而言，返冷水開度主要用于控制機組出口溫度，開度調整通過手動閥門進行。

（3）廢堿進料輸送

投用廢堿塔MVR系統需配套使用廢堿閃蒸罐和廢堿輸送系統，皂化廢堿液從皂化、水洗底部出料至廢堿閃蒸罐進行蒸汽加熱，罐頂含烷閃蒸汽經回收冷凝器和回收尾冷器冷凝后，產生的液相排入裝置冷凝液回收水儲槽，不凝氣進入裝置尾氣壓縮機。閃蒸后的廢堿液由廢堿塔加料泵送入廢堿閃蒸塔再沸器。運行中，通過控制廢堿加料泵出口的調節閥組來控制進入廢堿塔的流量和廢堿閃蒸罐的液位，可以實現自動控制。

（4）疏水輸送

MVR機組出口供應廢堿塔再沸器使用后，冷凝的疏水經回收水輸送泵增壓、回收水冷凝器降溫后進入裝置冷凝液回收水儲槽。系統通過泵出口的調節閥組進行液位自動控制。

（5）機組聯鎖

MVR機組設置了兩個工藝聯鎖，一是機組出口溫度過高，二是進出口壓差過高。當機組出口溫度超過128 ℃，進出口壓差超過54 kPa時，機組聯鎖停機并自動切換流程。兩個聯鎖的設置目的均是保證機組的安全。

（6）不凝氣

考慮到進廢堿塔原料廢堿中存在部分不凝氣會影響蒸汽品質和傳熱效果，在進廢堿塔之前的流程上設置了一個特有的閃蒸罐，讓原料廢堿中的不凝氣以及低沸點的有機物在罐內閃蒸，再通過閃蒸罐系統頂部管線排放至尾氣管線。另外，廢堿塔的再沸器頂部設置了不凝氣排放管線，用于不凝氣的進一步排放。

（7）廢堿塔內操作壓力

因MVR機組進口氣源為廢堿塔頂的汽化蒸汽，MVR機組運行后，進口會產生強大吸力使塔內壓力降為負壓。但壓力的改變對廢堿塔工況影響不大。

2.2 設備運行狀況

2.2.1 機組風機

因MVR機組出口溫度較高，為保護機泵機組，風機必須與機組同步運行。

2.2.2 機組主機

機組主機的電流及軸承溫度均處于允許范圍內，但由于機組本身建設在架空層上，振動超過允許值。經減震改造，振動值有所減小，但仍處于高位。

2.2.3 廢堿輸送系統

廢堿輸送系統由廢堿閃蒸罐及配套的兩臺機泵組成，通過機泵出口的調節閥來控制液位保持穩定，機泵運行平穩。

2.2.4 再沸器疏水罐系統

MVR機組出口的蒸汽進入再沸器換熱冷凝后，進入再沸器疏水罐，疏水經輸送泵送入水槽供其他工序使用，使機泵運行穩定。

2.3 節能創效效益分析

2.3.1 正效益

MVR機組投入運行后可有效回收廢堿塔頂蒸汽熱量，該部分蒸汽經壓縮加溫加壓后用于廢堿塔再沸器，相當于大部分蒸汽潛熱得到了重復利用，加上返冷水的補充，廢堿塔底部再沸器可直接停用外部公用工程提供的低壓蒸汽；同時，廢堿塔頂蒸汽冷凝器熱負荷下降，循環水用量相應減少。根據測算，廢堿塔每小時蒸汽消耗為4 t/h，循環水價值較低，此部分效益暫忽略。

2.3.2 負效益

正常運行情況下機組運行需要增加部分電耗，主要來自以下三部分：MVR機組（355 kW·h），廢堿輸送泵（5.5 kW·h），疏水輸送泵（5.5 kW·h）。

2.3.3 效益測算

按照電價0.68元/kW·h，蒸汽價格214元/t計算，可知每小時產生效益214×4–（355＋5.5＋5.5）×0.68＝607.12元，如表3所示。

表3 效益測算

按照年生產時間8 000小時計算，每年可產生效益607.12×8 000=485.7萬元。

上述效益測算采用企業內部能源價格，改造后節能效果明顯，但涉及廠區蒸汽與用電的使用平衡，需根據企業實際汽、電平衡合理安排運行模式。

3 項目運行探討

3.1 返冷水供給方式

疏水除去被利用的部分外，還有部分直接外排。如能將疏水直接用于MVR機組的返冷水，可減少外部的供水消耗。然而，疏水流量并不穩定，在以穩定疏水罐液位為控制目標的前提下，疏水外送存在中斷的可能。返冷水雖用量較小但不能中斷，一旦斷供，MVR機組出口溫度會迅速升高，引起聯鎖停車。因此，返冷水一般由外部直接供給，雖增加了一次水消耗，但能夠保證機組的平穩運行。若在后續改造中可保證疏水作為返冷水穩定不斷流，該供給方式則較為理想。

3.2 廢堿閃蒸罐除沫

流程中為去除廢堿內的環己烷等有機相，設置了一個環己烷閃蒸罐，該閃蒸罐頂部氣相管線直接與原廢堿閃蒸塔氣相管線相連，冷凝水會部分排往污水系統。因該閃蒸罐氣相管線設計較短，如來料量或閃蒸罐蒸汽壓力波動，則會造成環己烷閃蒸罐液位和溫度波動，導致閃蒸罐內產生大量的廢堿泡沫，隨冷凝水進入污水系統，引起環保事故。因此，廢堿閃蒸罐的液位和溫度控制十分關鍵。增大廢堿閃蒸罐體積、增加閃蒸罐頂部氣相管高度被認為是非常好的改造方向，能夠大幅降低堿水進入污水系統的概率。

3.3 MVR機組的長周期運行

由于是在環己酮廢堿濃縮領域首次使用MVR技術，缺乏有效的參考資料，最初MVR進口管線被設計成翻高后進入機組，沒有充分考慮蒸汽冷凝水在翻高管線內聚集的影響。在實際過程中，會有冷凝液在進口管中不斷形成，到達一定量后會突然封住進口管，造成機組做功迅速增加，引發機組聯鎖停車。裝置目前采用的臨時解決辦法是定期抽出進口管內的凝結水。改造進口管配管方位或增加進口管分液罐是兩種解決進口管冷凝水聚集的辦法，實施后可從根本上解決MVR機組進口管積水引發跳停的問題。

3.4 廢堿水濃度、蒸汽消耗和電耗之間的平衡

廢堿水的濃度是一項硬性指標，實際需要關注的是在保證廢堿濃度的情況下，優化蒸汽和電使用。對于項目而言，可由蒸汽、電的用量和價格計算出蒸汽消耗和電消耗的理論臨界點，即：（355＋5.5＋5.5）×0.68/214＝1.16 t，當廢堿塔所需蒸汽量＜1.16 t時，使用外部蒸汽比使用MVR機組更為經濟。需要注意的是，由于原料廢堿的固性物含量隨上游工況變化而變化，需技術人員對MVR機組的運行做好跟蹤和分析，判斷廢堿塔所需蒸汽消耗量， 根據裝置實際選取更為經濟的能源消耗方式。另外，蒸汽價格和電價的變動等因素也會對蒸汽和電量的使用選擇造成影響。

3.5 水洗工序優化

環己酮氧化液經分解反應后，進入皂化水洗工序，經第一、第二水洗分離器，通過加入洗水對其中的堿水相和有機相進一步分離。項目改造前，為控制裝置廢堿塔能耗、保證外送廢堿液濃度，洗水量控制在1.0～2.0 m3/h之間，但無法保證堿水分離效果。經改造，MVR系統投入正常運行后，裝置一洗、二洗洗水加入量可調大至3.0 m3/h以上，以增強水洗液的堿水分離效果，從而減少隨有機相帶至烷塔系統的堿水量，降低烷塔再沸器結垢速度，延長烷塔再沸器運行周期。

4 總結

國內首次將MVR技術應用于環己酮行業廢堿液濃縮領域，裝置的應用實例表明MVR技術在環己酮廢堿濃縮項目上可行，可顯著降低裝置低壓蒸汽消耗；雖會增加一定電耗，但總體節能效果明顯，每年可創效約486萬元。由于是在環己酮廢堿濃縮領域首次應用，項目還存在一些缺陷或待優化點，優化后可保證MVR技術在環己酮裝置廢堿濃縮工序中有更好的實踐和應用，并對后續MVR技術在廢堿濃縮及其他類似濃縮蒸發領域的推廣應用提供參考。