氯乙烯生产过程的节能

I进●592●CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2009年第28卷第4期研究开发氯乙烯生产过程的节能韦海鸥'，李尤”, 李忠杰',项曙光'('青岛科技大学炼油化工高新技术研究所，山东青岛266042; 2中国石油工程建设公司华东设计分公司，山东青岛266071)摘要:用ASPENPLUS软件对某氯乙烯装置进行了严格的数学模拟，并进行了全过程的节能研究。通过减小vcl"塔的回流比，节省了高压蒸汽;通过提高EDC2"塔压，获得了高品位的热源，分别为EDC1"塔.脱水塔. EDC回收塔及HCI塔的再沸器供热，并为EDC2*塔的进料预热。提出的方案可节省低压蒸汽11 450.75 kgh,中压蒸汽4738.07 kgh,高压蒸汽6153.51 kgh,冷却水11 746 343.9kgh,年节省费用为2566.0万元.关键词:氯乙烯;热集成;节能中图分类号: TQ 320.6文献标识码: A文章编号: 1000- 6613 (2009) 04 - 0592 - 05Energy-saving technology in vinyl chloride monomer productionWEI Haiou', U You2, L Zhongjie', XIANG Shuguang'(4 Hi-Tech lnstitute for Petroleum and Chemical Industry, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao266042, Shandong, China; 2CPECC East-China Design Branch, Qingdao 266071, Shandong, China)Abstract: The energy-saving technology in balanced oxychlorination producing vinyl chloridemonomer(VCM) was studied. Based on the mahemaical simulation with ASPEN PLUS, the heatintegration between disillation columns or columns and processes was adopted. By reducing the refluxratio of VC1* disillation column and increasing the pressure of EDC2" disillation column，a highertemperature heat source was obtained. It could heat the reboilers of EDCI"', dehydration, EDC recoveryditillation column. This scheme could save 178 740 tly of steam, 9 425 000 tly of water and 25 660000yuan every year.Key words: chloroethylene; energy integration; energy saving聚氯乙烯作为我国消费量最大的合成通用树脂，件下，采用热集成技术来实现节能降耗是一-种具有近年来在化工、建筑、日用品等行业带动下，市场需现实意 义的途径!0 131。结合具体的平衡氧氯化法氯求量与日俱增"。我国虽是聚氯乙烯生产大国，但因乙烯生产工艺，本文对某氯乙烯装置进行严格的数市场需求过旺，供应较为紧张，每年都需要大量进学模拟，并进行全过程的节能研究。采用模拟基础口2。而在聚氯乙烯的生产中，氯乙烯单体的合成至上的热集成手段提出不改变装置操作参数和改变装关重要，氯乙烯几乎全部(98%以上)都用来生产聚置操作参数两个节能方案，比较两个方案的节能效氯乙烯。因此，作为聚氯乙烯生产基本原料,氯乙烯的生产工艺和节能研究一直为人们所关注1-61。收稿日-08 -30.目前世界上采用平衡氧氯化法生产氯乙烯的产基金项中国煤化工登开放基金项目量占氯乙烯总产量的90%以上,是采用最多的氯乙MHCNMHG第一作者简介。书海网(1983-)，女，领士研究生。E - mail烯生产方法，而其生产过程中需要消耗大量的新鲜xiali9369b@ 126.com.联系人:项曙光,博士,教授。博土生导师。蒸汽[-9。因此在特定的平衡氧氯化法生产工艺条E mail xs21@1a.cmo.第4期韦海鸿等:氯乙烯生产过程的节能●593●益，进而提出最终的节能方案，以达到大幅度降低衡。但在氯乙烯装置中，氧氯化单元涉及大量的氯乙烯装置能耗的目的。水、氯化氢以及碱液(包括氢氧化钠等),单纯的状态方程不能满足计算的需要。结合实际情况，1氯乙烯装置的全流程模拟本文选用P-R方法用于装置全流程的模拟，但在氯乙烯生产装置主要由真接氯化单元、氧氯化氧氯化单元的部分装置中采用ELECNRTL方法来单元、二氯乙烷精制单元、二氯乙烷裂解单元和氯预测液液平衡。.乙烯净化单元5个工段组成[4。利用流程模拟软件1.2 模拟值与设计数据的比较ASPEN PLUS对氯乙烯全装置的5个工段进行严格为了验证模型的正确性，选择了各单元主要操的数学模拟。作参数的模拟值与设计数据进行比较。这些操作参1.1 物性方法的选择数对后续过程影响较大，结果见表1~表3。氯乙烯装置所涉及的组分有乙烷、乙烯、氯从表1~表3中可以看出，模拟的结果与设计气、氯化氢、二氯乙烷、氯乙烯、水及少量氯丁数据基本相符，能够作为节能模拟的依据，模拟计二烯等。根据对烃类体系的模拟经验可知，选用算中所选择的汽液平衡模型和物性计算方法能够基状态方程类物性方法能比较准确的预测汽液平本准确的反映氯乙烯装置的实际操作情况。表1直接氯化和氧氯化单 元主要操作参数模拟值与设计值比较DC反应器反应物oc反应器反应物oC忽冷塔顶oC洗涤塔项组分模拟值设计值温度/C95.0210.03.175.064.665.0压力(表压) MPa0.0500.050 .0.0200.1800.160流最tkg.h~'121 729.6121 726.538 729.338 730.037 346.137 350.343 937.1表2二氯乙烷精制单元主要操作参数模拟值与设计值比较脱水塔釜液EDCI'塔釜液EDC2"塔釜液EDC回收塔顶95.595.4101.2100.099.99.07.657.60.0350350.060.050-0.064流量kg.h-'24 515.524 519.488 040.788 044.938 083.338 110.6 .20 310.6表3二氯乙烷裂解和氯乙烯净化 单元主要操作参数模拟值与设计值比较EDC裂解炉反应物EDC急冷塔项HCI塔釜液vcl'塔顶vC2"塔釜液设计值.设计值模拟值 设计值 模拟值设计值模拟值温度心223.067.265.1104.0103.942.644.041.340.0压力(表压) /MPa2.0001.2500.5500.520流最/kg.b-'42933.69 42933.69 10710.2 10733.42 69705.9 6443.3 82000.0 82000.0 23 869.5 23 889.0的反应热，现有工艺是通过二氯乙烷汽化将这部分2节能方案反应热带出，而后汽化的二氯乙烷经冷凝后回流。在模拟基础上，通过对现有氯乙烯生产装置中由此可以看出，这部分反应热没有被利用。因此，主要换热设备热负荷进行分析，发现现有的氯厶烯考虑中国煤化工分反应热。生产工艺系统中热负荷主要集中在冷凝器和再沸2.1下节能器，而过程物流的显热量相对较少，因此，在考虑*MHCNMHG应首先考虑不系统节能时，应尽量利用潜热，实现塔间及塔与过改变过程操作参数的情况下的热集成。对现有工艺程之间的热集成。另外，直接氯化单元中产生大量过程的分析，确定方案-的具体方案如下。●594.化I进展2009年第28卷通过对整个过程的所有物流及设备的分析，直的进料，之后作为HCI塔再沸器的热源。这些过程接氯化反应产生的反应热可一部分直接为EDC回都是利用了EDC2"塔项蒸汽的冷凝潜热。直接氯化收塔再沸器提供热量，另一部分预热物流，减少反应产生的反应热可用于预热物流，减少EDC预EDC预热器的部分热负荷，减少蒸汽的消耗。由于热器的部分热负荷, EDC急冷塔的塔底出料为vC2"其温位不高，不能实现与其它塔的热集成。另外，塔的再沸器提供热量。可以利用EDC急冷塔底出料为VC2'塔的再沸器提操作参数改变以及热集成后，EDC2*塔和供热量，节省了该塔再沸器的加热蒸汽。整个方案EDC回收塔的进料状况改变, EDC2”塔的塔压改中增加了3台换热器。变及vC1*塔的回流比的减小。此方案增加了7台因为是对过程能量加以应用，并未改变整个系换热器。统的操作参数，所以热集成后各主要物流的温度、根据以上讨论，得到方案二的具体措施为:减压力以及各组分组成不会发生变化。只有个别换热小VC1*塔的回流比，减少高压然汽的消耗。通过提器进出口温度以及热负荷发生了变化。高EDC2塔的塔压，获得了高品位的热源，分别为2.2改变精馏塔 操作参数下节能EDC1"塔、脱水塔、EDC [则收塔以及HCl塔的再沸精馏是过程中耗能最多的过程，因此，改变精器供热，并为EDC2"塔的进料预热,取得良好的节馏塔的操作参数对整个系统的过程集成有很大影能效果。响。改变精馏过程中的操作参数，包括回流比、操3节能效益计算作压力、进料热状态等方面。最简便的方法通常是改变精馏塔的回流比;操作压力的大小受多种因素以年节能效益为日标函数，用公式表示为的制约，首先应满足工艺要求，使其能够分离出合F= F:+ Fr(1)格的产品;提高精馏塔进料温度使得进料部分汽化F=hr.W.R2)或全部汽化，可取得良好的节能效果。F:=hr.We .P2w(3)2.2.1减小回流比式中，F为年节能效益，元; F为蒸汽的年节对于已定的精馏塔和分离物系，回流比与产品能效益，元; Fr为冷却水的年节能效益，元; hr 为纯度密切相关。为了确保得到纯度合格的产品，回年生产时间， h; Ws为节省的加热蒸汽的质量流率，流比不能任意减小。在对各个精馏塔的模拟中发现，kg/h: Px为加热蒸汽单价,元/t; Wew 为冷却水的质只有VC1"塔能满足要求，其余的塔如果降低回流量流率，kg/h; Pew 为冷却水单价，元/t。比，对组分分率的影响较大。维持产品的组分分率其中，节省的加热蒸汽的质量流率Wx为不变，减小VC1*塔的回流比，从1.8 (质氧比)减W. =(Qm -Qu )/SH。= 0Qg/SH。(4)小到1.12 (质量比)。式中，OHb为改造前再沸器或加热器的热负荷,2.2.2增 加塔的操作压力kcalh;QHa为改造后再沸器或加热器的热负荷,对于EDC2*塔而言，其塔底再沸器的热负荷相kcal/h;SQu为再沸器或加热器热负荷的变化量,当大，塔项回流质最流率很大，塔项冷凝器的热负kcalh; AHx为加热蒸汽汽化潜热，kcal/kg。荷就高达11 697 931.6 kcal/h (1kcal=4.183 kJ)。于节省的冷却水的质量流率Ww是想到可以更好的利用塔顶燕汽的冷凝潜热向其它w. =(Q. -Qw)[C (T -TJ)]=Q,/[c(_-T)] (5)物流提供热笔。但由于它的塔顶蒸汽的品位较低，式中，Qo为改造前冷凝器的热负荷，kcal/h; Qan而其它物流的品位较高，不能直接实现供热。因此为改造后冷凝器的热负荷, kca/h; SQ.为冷凝器热负必须通过增大塔的操作压力，才能够实现向其它物荷变化量，kca/h; Cp为冷却水比热容, kcal(kg ●C);流供热。而月由于EDC2"塔的温度升高，因此进入T, Tco 为冷却水进、出口温度，C.EDC回收塔的物料的温度升高，相当于对EDC回3.1方案- 节能效益计算收塔的进料预热，减少了EDC回收塔的再沸器热中国煤化工热负荷以及相应负荷。的换EDC2*塔的塔顶蒸汽作为EDCI*塔的热源，然THCNMH G,由依7 TT1伏恐研恐贝何计算结果，根据后继续为脱水塔再沸器供热。之后为EDC回收塔公式(2) ~式(4)，得出目标函数F、Fz的计的再沸器供热。剩余的热量可先用于颅热EDC2*塔算结果。第4期韦海鹏等:氯乙烯生产过程的节能，595■年生产时间按8000 h计算，目标函数Fi的计3.2 方案二节能效益计算算结果见表5，目标函数F2的计算结果见表6。发生变化的换热器改进前后的热负荷以及相应表5和表6结果表明，改造后年节省蒸汽用量换热器的热负荷的变化值见表7。3.371 万吨，年效益为412.2万元，年节省冷却水用由表7中各个换热器热负荷计算结果，根据量167.4万吨，年效益为41.8万元。则总的年节省式(2) ~式(4)，得出目标函数F Fz的计算费用为454.0万元。结果。表4方案- -换热 器热负荷改变值的计算结果设备Qenlkcal.b~'Qas/hcal●h-1SQJkcal●h"'Qwkcal.h-Qxwkcal.hr0QWkcal●.n~EDC回收塔冉沸器0.1367 687.2BDC急冷塔冷凝器-3357 445.1-3711 568.4354 1233VC2#塔再沸器-一0.0354 123.3DC净凝器-9433 384.0-11 1500001731 616.0EDC预热器3584 575.14058 503.8473 928.7表5方案一目标函数F的计算结果蒸汽NH/keal. kg I总AQnlkcal.h"'Walkg.h-'单价1元●'目标两数F川j元低压蒸汽528.931721 810.53255.27120.00312.5中压蒸汽494.25958.88130.0099.7高压蒸汽26.45150.00年节省蒸汽量/万吨3.371总Fn值/万元412.2表6方案一目标函数F2的计算结果冷却水cp/cal.kg'.1总0Qe/hkcal.h"'wwn/kg.h~'单价/元.门日标角数F/jii .0.9972085 739.3209 201.530.2541.8年节省冷却水/万吨表7方案二换热器热负荷改变值的计算结果Qa/kcal ●h"'QorAkcal.h"'4QJkcal●r'QnuNAcal.h~'Qmkcal●h" '0Qwkcal●h-'脱水塔再沸器1337 120.5EDCI塔再沸器4707 297.8EDC2"塔再沸器1269 7613.711 697 931.6-999 682.1EDC回收塔再滤器1080073.91080 073.8预热器422 28.0-422 285.0EDC2'塔冷凝器-2193 426.0 -11 608 064.09414 638.0EDC急冷塔冷凝器一3711 568.4HCI塔再洗器1867 863.5VCI'塔冉沸器4455 443.35848 905.91393 462.6VCI'塔冷凝器一4347 6899 - -5751 343.81403 653.9中国煤化工VC2"塔冉沸器MHCNMHGDC冷凝器-10591071.0 -11 165 00.0573 928.7●596●化进展2009年第28卷年生产时间按8000 h计算，得到目标函数F1、万吨，年效益为2330.4 万元，年节省冷却水用量F2的结算结果，见表8、表9。942.5万吨,年效益为235.6万元。则总的年节省费表8和表9结果表明，年节省蒸汽用量17.874用为2566.0万元。.表8方案二目标函数F的计算结果蒸汽AH:_Jkcal ●h-'总0Qrnnceal●h" .wl/kg.b-'单价/元月标用数F万元低压蒸汽528.936056 648.311 450.75120.001099.2中压蒸汽494.252341 792.24738.07130.00492.8高压蒸汽226.451393 462.66153.51150.00738.4年节省蒸汽量/万吨17.874总F仇历元2330.4表9方案二目标函数F2的计算结果项目cpJhcal.kg'.c-总Qchkcal.b" 'WoAg.h"'单价1元.门目标所数F;元冷却水0.99711 746 343.91178 168.900.25235.6年节省冷却水万盹942.54结论参考文献以某氯厶烯装置全流程的模拟为基础,通过对现[1] 任萍.乙烷氧氯化制氯乙婚催化剂的研制DI.吉林:吉林大学，200有氯乙烯生产装置中主要换热设备热负荷进行分析，2] 刘焕举，李金钟，刘淑娩电石法VCM生产工艺探计办聚氯乙烯，2005 (12): 12-14.提出不改变装置操作参数和改变装置操作参数两个3] 李红海.吴犬祥,苏保卫. C孀直接取代氯化合成氯厶烯的研究[U].节能方案,比较两个方案的节能效益,得到如下结论。化学反应工程与工艺，20040 20 (2): 167-174.(1)在方案一中,用直接氯化单元反应热提供4] 郑进.厶烷氧氯化制备氯乙烯工艺1,中国氯碱，2004, (3);1416.EDC回收塔底再沸器所需热量和部分预热裂解炉5] Young G H, Cowfer J A, Jobnston V J. Improved catalyst and processfor oxychlorinaion of ethylene to EDC: GR，3023509T[P].进料，用EDC急冷塔底循环物料给VC2'塔的再沸1997-08-29.器供热。需要新增3台换热器。计算结果表明，采6] 赵新来.直接氟化法生产氯乙烯的新工艺U].齐鲁石油化工，2003,用本方案可以节省低压蒸汽3255.27 kg/h, 中乐蒸31 (1); 37-40.汽958.88 kg/h,冷却水2 085 739.3 kg/h.年节省费7] 程建发，顾晓双效变压精馏节能技术的应用[],.上海氟鲅化工信息，2002 (9); 7-10.用为454.0万元。8] 娄损良.乙烯法VCM生产装置的节能措施[].聚氯C垢，2007,(2)在方案二中，通过减小VC1"塔的回流比，(1): 45-49.节省了高压蒸汽;通过提高EDC2*塔压，获得了高91 刘岭梅，张永春二氯乙烷裂解生产氯厶烯技术的改进[0].聚氟乙品位的热源，分别为EDC1*塔、脱水塔、EDC回收烯，2006(3); 1417.塔及HCI塔的再沸器供热,并为EDC2#塔的进料预[10]杨学辉， 牛彦红. 氯乙烯装置裂解炉节能改造方案[刀齐鲁石油化工，2007, 35 (3): 186-188.热。需要新增7台换热器。计算结果表明，本方案[] Mizsey R. Fonyo z, Toward a more ralisics overnll proces节省低压蒸气11 450.75 kg/h，中压蒸汽4738.07synthesis-he combined approach[I]. Computers and Chemicalkg/h,高压蒸汽6153.51 kg/h, 冷却水11 746 343.9Engineering. 1990, 14 (11): 1213-1236.[12]姚平经。 樊希山匡国柱。等.过程系统能量集成技术[I.石油和kg/h。年节省费用为2566.0万元。化工节能，2005 (5): 12-14.(3)比较两个方案的节能效益,确定方案二是[13]冯當化T节能省理与技术MI北吉化学工业出版社，2004.最终的节能方案，每年可节省费用2566.0万元，可[14]中国煤化工陉模拟软件的开发(1)以达到大幅度降低氯乙烯装置能耗的目的。YHCNMHG.19.14(2); 1.7.