熱水自循環系統在氯乙烯合成中的應用

蔡 陽

（南寧化工股份有限公司，廣西 南寧，530031）

聚氯乙烯（PVC）是一種在工業和民用市場應用非常廣泛的樹脂，在電石法聚氯乙烯生產中，其單體——氯乙烯由氯化氫和乙炔在列管式固定床反應器（轉化器）中催化合成氯乙烯，反應式如下：

C2H2＋HCl→C2H3Cl＋124.7kJ·mol－1

轉化器管程內為觸媒催化劑，走原料氣；殼程為熱水。由于反應會放出大量熱量，考慮到各種因素，反應溫度在100～180℃之間轉化率最佳，故需移走反應熱。原有工藝是使用大功率水泵強制熱水循環帶走反應熱，近年來發展了轉化器熱水自循環系統，通過把轉化熱水系統的大循環改為單臺轉化器的小循環，不僅能滿足反應的溫度需要，還可以節能降耗，無需增加轉化器即可增加產能。本公司應用該技術進行了合成工序的改造，成效顯著，特介紹如下。

1 原有的熱水強制循環系統

南寧化工股份有限公司有2條PVC生產線，1＃ 生產線投產于 1983 年，原為 5kt·a－1生產線，經過多次技改擴建為50kt·a－1，合成工序現為28臺Φ2400×4710 轉化器 （613列管），6 臺熱水泵，單臺水泵 Q＝400m3·h－1，電機功率 37kW，正常情況下開 4 備 2；2＃生產線投產于 2005 年，為 60kt·a－1生產線，合成工序為36臺Φ2400×5600轉化器（827 列管），3 臺熱水泵， 單臺水泵 Q＝720m3·h－1，電機功率75kW，正常情況下開2備1。

熱水強制循環即是使用大功率的水泵把熱水槽里的去離子水輸送到轉化器夾套，轉化器熱水進、出口全開，熱水吸收反應熱量后匯集到換熱器，經常溫工業水冷卻后回到熱水槽進行循環，工藝流程見圖1。

圖1 熱水強制循環系統工藝流程圖

2 熱水自循環系統原理和工藝流程

2.1 熱水自循環系統原理及熱量衡算

利用熱動力學原理，在轉化器水路上增加氣液分離器，當轉化器夾套內的熱水吸收反應熱后，密度降低，溫度升高，少量熱水由于吸收了大量的熱量汽化成水蒸汽，形成汽水混合物一起升上頂部氣液分離器，部分蒸汽及高溫熱水在常壓的氣液分離器內減壓釋放，帶走了大部分熱量，同時進行汽液分離，降溫后的熱水借液柱高度差及密度差重新回流至轉化器夾套繼續循環換熱，這樣熱水即可在轉化器夾套中自行循環，無需借用外力來促其循環。

由于熱水蒸發會帶走部分水量，按60kt·a－1PVC產量計算，則：

1h 生產的 PVC 量為：60000/8000＝7.5t·h－1

聚合收率93%，消耗的氯乙烯單體為：7.5t／h/93%＝8.06t·h－1＝129.03kmol·h－1

總的反應熱為：129.03kmol·h－1×124.7kJ·mol－1＝1.61×107kJ·h－1

查表得水的蒸發潛熱 ΔHv＝40735.323kJ·mol－1，則蒸發的水量：

Q補＝1.61×107×18×10－3/40735.323＝7.11m3·h－1

由計算可知，只需開1臺水泵即可滿足生產需要，同時也可以得知原有上水閥門過大，需另外增加支管為轉化器持續補充熱水保證循環量。

2.2 熱水自循環系統工藝流程

轉化熱水自循環工藝流程圖見圖2。

圖2 熱水自循環系統工藝流程圖

原始開車時，關閉氣液分離器熱水溢流管閥門2，打開回氣管閥門1，全開轉化器熱水進、出口閥（原有閥門4、5），利用轉化器和氣液分離器的高度差進行熱水升溫，等熱水槽溫度達到80～85℃后通入物料氣開車，生產正常后即可打開溢流管閥門2，關閉閥門4、5，調節好補充水閥門3給轉化器補充熱水，轉為熱水自循環工藝。

需要注意的是，為了減少管路氣阻，熱水溢流管、回氣管配管至熱水槽時應保持一定的坡度，而不是按一般的橫平豎直原則來配管。

此外，由于下一個工序——精餾工序也使用同一個熱水槽的熱水，自循環會使槽內熱水溫度下降，達不到精餾的工藝要求，此時可以選2臺溫度高的轉化器切換到強制循環，以補充熱水槽損失熱量，或是不切換直接補加蒸汽以提高槽內熱水溫度。

3 應用效果和經濟效益

3.1 效果

首先解決了轉化器的超溫汽化現象。以前使用強制循環時常能聽到轉化器發出砰砰的響聲，那是由于轉化器局部溫度過高導致熱水汽化，循環熱水通不進去，積氣在夾套內發出的聲音，不僅易造成觸媒過快失效，生產負荷也無法提升。改造為熱水自循環后再未發生過這種現象。

其次是大大減少了熱水泵使用臺數，延長了水泵的使用壽命，相應也減少了維修頻率。

最后是顯著地提高了生產能力，1＃生產線原先最高乙炔流量為1600m3·h－1，改造后提升到了1900m3·h－1；2＃ 線原先最高乙炔流量為 2400m3·h－1，改造后提升到了3000m3·h－1，不用增加轉化器就把氯乙烯單體產能總量提高了約2萬t·a－1。

3.2 經濟效益

經過應用熱水自循環后，1＃線由于擴建時熱水系統未合并，需開2臺熱水泵，2＃線開1臺即可，使用水泵數量減少了50%，按全年運行8000h計算，動力電單價為 0.5 元·（kW·h）-1，則每年可節約動力電費用為：

1＃線：37kW×2×8000h×0.5 元 ／kW·h＝29.6 萬元

2＃線：75kW×1×8000h×0.5 元 ／kW·h＝30 萬元

4 結語

相對于熱水強制循環工藝，熱水自循環工藝運行費用明顯降低，而且尚未計算由于產能擴大而使成本下降帶來的效益，雖然改造有一定的初期投資，但節約的費用一年即可抵消，操作簡單，安全環保，優勢是很明顯的。其劣勢在于低負荷生產時用不起來，還是得使用強制循環，不是“全天候”通用。

目前，國內大多數電石法聚氯乙烯生產企業都改造投用了熱水自循環工藝，以達到節能降耗的目的，新生產線若從設計階段就采用熱水自循環工藝，則一次性投資比強制循環要降低很多，值得推廣使用。