I進(jìn)●592●CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS2009年第28卷第4期研究開發(fā)氯乙烯生產(chǎn)過程的節(jié)能韋海鷗'，李尤”, 李忠杰',項(xiàng)曙光'('青島科技大學(xué)煉油化工高新技術(shù)研究所，山東青島266042; 2中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司，山東青島266071)摘要:用ASPENPLUS軟件對(duì)某氯乙烯裝置進(jìn)行了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模擬，并進(jìn)行了全過程的節(jié)能研究。通過減小vcl"塔的回流比，節(jié)省了高壓蒸汽;通過提高EDC2"塔壓，獲得了高品位的熱源，分別為EDC1"塔.脫水塔. EDC回收塔及HCI塔的再沸器供熱，并為EDC2*塔的進(jìn)料預(yù)熱。提出的方案可節(jié)省低壓蒸汽11 450.75 kgh,中壓蒸汽4738.07 kgh,高壓蒸汽6153.51 kgh,冷卻水11 746 343.9kgh,年節(jié)省費(fèi)用為2566.0萬元.關(guān)鍵詞:氯乙烯;熱集成;節(jié)能中圖分類號(hào): TQ 320.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào): 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聚氯乙烯作為我國消費(fèi)量最大的合成通用樹脂，件下，采用熱集成技術(shù)來實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗是一-種具有近年來在化工、建筑、日用品等行業(yè)帶動(dòng)下，市場需現(xiàn)實(shí)意 義的途徑!0 131。結(jié)合具體的平衡氧氯化法氯求量與日俱增"。我國雖是聚氯乙烯生產(chǎn)大國，但因乙烯生產(chǎn)工藝，本文對(duì)某氯乙烯裝置進(jìn)行嚴(yán)格的數(shù)市場需求過旺，供應(yīng)較為緊張，每年都需要大量進(jìn)學(xué)模擬，并進(jìn)行全過程的節(jié)能研究。采用模擬基礎(chǔ)口2。而在聚氯乙烯的生產(chǎn)中，氯乙烯單體的合成至上的熱集成手段提出不改變裝置操作參數(shù)和改變裝關(guān)重要，氯乙烯幾乎全部(98%以上)都用來生產(chǎn)聚置操作參數(shù)兩個(gè)節(jié)能方案，比較兩個(gè)方案的節(jié)能效氯乙烯。因此，作為聚氯乙烯生產(chǎn)基本原料,氯乙烯的生產(chǎn)工藝和節(jié)能研究一直為人們所關(guān)注1-61。收稿日-08 -30.目前世界上采用平衡氧氯化法生產(chǎn)氯乙烯的產(chǎn)基金項(xiàng)中國煤化工登開放基金項(xiàng)目量占氯乙烯總產(chǎn)量的90%以上,是采用最多的氯乙MHCNMHG第一作者簡介。書海網(wǎng)(1983-)，女，領(lǐng)士研究生。E - mail烯生產(chǎn)方法，而其生產(chǎn)過程中需要消耗大量的新鮮xiali9369b@ 126.com.聯(lián)系人:項(xiàng)曙光,博士,教授。博土生導(dǎo)師。蒸汽[-9。因此在特定的平衡氧氯化法生產(chǎn)工藝條E mail xs21@1a.cmo.第4期韋海鴻等:氯乙烯生產(chǎn)過程的節(jié)能●593●益，進(jìn)而提出最終的節(jié)能方案，以達(dá)到大幅度降低衡。但在氯乙烯裝置中，氧氯化單元涉及大量的氯乙烯裝置能耗的目的。水、氯化氫以及堿液(包括氫氧化鈉等),單純的狀態(tài)方程不能滿足計(jì)算的需要。結(jié)合實(shí)際情況，1氯乙烯裝置的全流程模擬本文選用P-R方法用于裝置全流程的模擬，但在氯乙烯生產(chǎn)裝置主要由真接氯化單元、氧氯化氧氯化單元的部分裝置中采用ELECNRTL方法來單元、二氯乙烷精制單元、二氯乙烷裂解單元和氯預(yù)測液液平衡。.乙烯凈化單元5個(gè)工段組成[4。利用流程模擬軟件1.2 模擬值與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的比較ASPEN PLUS對(duì)氯乙烯全裝置的5個(gè)工段進(jìn)行嚴(yán)格為了驗(yàn)證模型的正確性，選擇了各單元主要操的數(shù)學(xué)模擬。作參數(shù)的模擬值與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。這些操作參1.1 物性方法的選擇數(shù)對(duì)后續(xù)過程影響較大，結(jié)果見表1~表3。氯乙烯裝置所涉及的組分有乙烷、乙烯、氯從表1~表3中可以看出，模擬的結(jié)果與設(shè)計(jì)氣、氯化氫、二氯乙烷、氯乙烯、水及少量氯丁數(shù)據(jù)基本相符，能夠作為節(jié)能模擬的依據(jù)，模擬計(jì)二烯等。根據(jù)對(duì)烴類體系的模擬經(jīng)驗(yàn)可知，選用算中所選擇的汽液平衡模型和物性計(jì)算方法能夠基狀態(tài)方程類物性方法能比較準(zhǔn)確的預(yù)測汽液平本準(zhǔn)確的反映氯乙烯裝置的實(shí)際操作情況。表1直接氯化和氧氯化單 元主要操作參數(shù)模擬值與設(shè)計(jì)值比較DC反應(yīng)器反應(yīng)物oc反應(yīng)器反應(yīng)物oC忽冷塔頂oC洗滌塔項(xiàng)組分模擬值設(shè)計(jì)值溫度/C95.0210.03.175.064.665.0壓力(表壓) 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2二氯乙烷精制單元主要操作參數(shù)模擬值與設(shè)計(jì)值比較脫水塔釜液EDCI'塔釜液EDC2"塔釜液EDC回收塔頂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凈化 單元主要操作參數(shù)模擬值與設(shè)計(jì)值比較EDC裂解爐反應(yīng)物EDC急冷塔項(xiàng)HCI塔釜液vcl'塔頂vC2"塔釜液設(shè)計(jì)值.設(shè)計(jì)值模擬值 設(shè)計(jì)值 模擬值設(shè)計(jì)值模擬值溫度心223.067.265.1104.0103.942.644.041.340.0壓力(表壓) /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的反應(yīng)熱，現(xiàn)有工藝是通過二氯乙烷汽化將這部分2節(jié)能方案反應(yīng)熱帶出，而后汽化的二氯乙烷經(jīng)冷凝后回流。在模擬基礎(chǔ)上，通過對(duì)現(xiàn)有氯乙烯生產(chǎn)裝置中由此可以看出，這部分反應(yīng)熱沒有被利用。因此，主要換熱設(shè)備熱負(fù)荷進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的氯厶烯考慮中國煤化工分反應(yīng)熱。生產(chǎn)工藝系統(tǒng)中熱負(fù)荷主要集中在冷凝器和再沸2.1下節(jié)能器，而過程物流的顯熱量相對(duì)較少，因此，在考慮*MHCNMHG應(yīng)首先考慮不系統(tǒng)節(jié)能時(shí)，應(yīng)盡量利用潛熱，實(shí)現(xiàn)塔間及塔與過改變過程操作參數(shù)的情況下的熱集成。對(duì)現(xiàn)有工藝程之間的熱集成。另外，直接氯化單元中產(chǎn)生大量過程的分析，確定方案-的具體方案如下。●594.化I進(jìn)展2009年第28卷通過對(duì)整個(gè)過程的所有物流及設(shè)備的分析，直的進(jìn)料，之后作為HCI塔再沸器的熱源。這些過程接氯化反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)熱可一部分直接為EDC回都是利用了EDC2"塔項(xiàng)蒸汽的冷凝潛熱。直接氯化收塔再沸器提供熱量，另一部分預(yù)熱物流，減少反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)熱可用于預(yù)熱物流，減少EDC預(yù)EDC預(yù)熱器的部分熱負(fù)荷，減少蒸汽的消耗。由于熱器的部分熱負(fù)荷, EDC急冷塔的塔底出料為vC2"其溫位不高，不能實(shí)現(xiàn)與其它塔的熱集成。另外，塔的再沸器提供熱量?？梢岳肊DC急冷塔底出料為VC2'塔的再沸器提操作參數(shù)改變以及熱集成后，EDC2*塔和供熱量，節(jié)省了該塔再沸器的加熱蒸汽。整個(gè)方案EDC回收塔的進(jìn)料狀況改變, EDC2”塔的塔壓改中增加了3臺(tái)換熱器。變及vC1*塔的回流比的減小。此方案增加了7臺(tái)因?yàn)槭菍?duì)過程能量加以應(yīng)用，并未改變整個(gè)系換熱器。統(tǒng)的操作參數(shù)，所以熱集成后各主要物流的溫度、根據(jù)以上討論，得到方案二的具體措施為:減壓力以及各組分組成不會(huì)發(fā)生變化。只有個(gè)別換熱小VC1*塔的回流比，減少高壓然汽的消耗。通過提器進(jìn)出口溫度以及熱負(fù)荷發(fā)生了變化。高EDC2塔的塔壓，獲得了高品位的熱源，分別為2.2改變精餾塔 操作參數(shù)下節(jié)能EDC1"塔、脫水塔、EDC [則收塔以及HCl塔的再沸精餾是過程中耗能最多的過程，因此，改變精器供熱，并為EDC2"塔的進(jìn)料預(yù)熱,取得良好的節(jié)餾塔的操作參數(shù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的過程集成有很大影能效果。響。改變精餾過程中的操作參數(shù)，包括回流比、操3節(jié)能效益計(jì)算作壓力、進(jìn)料熱狀態(tài)等方面。最簡便的方法通常是改變精餾塔的回流比;操作壓力的大小受多種因素以年節(jié)能效益為日標(biāo)函數(shù)，用公式表示為的制約，首先應(yīng)滿足工藝要求，使其能夠分離出合F= F:+ Fr(1)格的產(chǎn)品;提高精餾塔進(jìn)料溫度使得進(jìn)料部分汽化F=hr.W.R2)或全部汽化，可取得良好的節(jié)能效果。F:=hr.We .P2w(3)2.2.1減小回流比式中，F(xiàn)為年節(jié)能效益，元; F為蒸汽的年節(jié)對(duì)于已定的精餾塔和分離物系，回流比與產(chǎn)品能效益，元; Fr為冷卻水的年節(jié)能效益，元; hr 為純度密切相關(guān)。為了確保得到純度合格的產(chǎn)品，回年生產(chǎn)時(shí)間， h; Ws為節(jié)省的加熱蒸汽的質(zhì)量流率，流比不能任意減小。在對(duì)各個(gè)精餾塔的模擬中發(fā)現(xiàn)，kg/h: Px為加熱蒸汽單價(jià),元/t; Wew 為冷卻水的質(zhì)只有VC1"塔能滿足要求，其余的塔如果降低回流量流率，kg/h; Pew 為冷卻水單價(jià)，元/t。比，對(duì)組分分率的影響較大。維持產(chǎn)品的組分分率其中，節(jié)省的加熱蒸汽的質(zhì)量流率Wx為不變，減小VC1*塔的回流比，從1.8 (質(zhì)氧比)減W. =(Qm -Qu )/SH。= 0Qg/SH。(4)小到1.12 (質(zhì)量比)。式中，OHb為改造前再沸器或加熱器的熱負(fù)荷,2.2.2增 加塔的操作壓力kcalh;QHa為改造后再沸器或加熱器的熱負(fù)荷,對(duì)于EDC2*塔而言，其塔底再沸器的熱負(fù)荷相kcal/h;SQu為再沸器或加熱器熱負(fù)荷的變化量,當(dāng)大，塔項(xiàng)回流質(zhì)最流率很大，塔項(xiàng)冷凝器的熱負(fù)kcalh; AHx為加熱蒸汽汽化潛熱，kcal/kg。荷就高達(dá)11 697 931.6 kcal/h (1kcal=4.183 kJ)。于節(jié)省的冷卻水的質(zhì)量流率Ww是想到可以更好的利用塔頂燕汽的冷凝潛熱向其它w. =(Q. -Qw)[C (T -TJ)]=Q,/[c(_-T)] (5)物流提供熱筆。但由于它的塔頂蒸汽的品位較低，式中，Qo為改造前冷凝器的熱負(fù)荷，kcal/h; Qan而其它物流的品位較高，不能直接實(shí)現(xiàn)供熱。因此為改造后冷凝器的熱負(fù)荷, kca/h; SQ.為冷凝器熱負(fù)必須通過增大塔的操作壓力，才能夠?qū)崿F(xiàn)向其它物荷變化量，kca/h; Cp為冷卻水比熱容, kcal(kg ●C);流供熱。而月由于EDC2"塔的溫度升高，因此進(jìn)入T, Tco 為冷卻水進(jìn)、出口溫度，C.EDC回收塔的物料的溫度升高，相當(dāng)于對(duì)EDC回3.1方案- 節(jié)能效益計(jì)算收塔的進(jìn)料預(yù)熱，減少了EDC回收塔的再沸器熱中國煤化工熱負(fù)荷以及相應(yīng)負(fù)荷。的換EDC2*塔的塔頂蒸汽作為EDCI*塔的熱源，然THCNMH G,由依7 TT1伏恐研恐貝何計(jì)算結(jié)果，根據(jù)后繼續(xù)為脫水塔再沸器供熱。之后為EDC回收塔公式(2) ~式(4)，得出目標(biāo)函數(shù)F、Fz的計(jì)的再沸器供熱。剩余的熱量可先用于顱熱EDC2*塔算結(jié)果。第4期韋海鵬等:氯乙烯生產(chǎn)過程的節(jié)能，595■年生產(chǎn)時(shí)間按8000 h計(jì)算，目標(biāo)函數(shù)Fi的計(jì)3.2 方案二節(jié)能效益計(jì)算算結(jié)果見表5，目標(biāo)函數(shù)F2的計(jì)算結(jié)果見表6。發(fā)生變化的換熱器改進(jìn)前后的熱負(fù)荷以及相應(yīng)表5和表6結(jié)果表明，改造后年節(jié)省蒸汽用量換熱器的熱負(fù)荷的變化值見表7。3.371 萬噸，年效益為412.2萬元，年節(jié)省冷卻水用由表7中各個(gè)換熱器熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，根據(jù)量167.4萬噸，年效益為41.8萬元。則總的年節(jié)省式(2) ~式(4)，得出目標(biāo)函數(shù)F Fz的計(jì)算費(fèi)用為454.0萬元。結(jié)果。表4方案- -換熱 器熱負(fù)荷改變值的計(jì)算結(jié)果設(shè)備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凈凝器-9433 384.0-11 1500001731 616.0EDC預(yù)熱器3584 575.14058 503.8473 928.7表5方案一目標(biāo)函數(shù)F的計(jì)算結(jié)果蒸汽NH/keal. kg I總AQnlkcal.h"'Walkg.h-'單價(jià)1元●'目標(biāo)兩數(shù)F川j元低壓蒸汽528.931721 810.53255.27120.00312.5中壓蒸汽494.25958.88130.0099.7高壓蒸汽26.45150.00年節(jié)省蒸汽量/萬噸3.371總Fn值/萬元412.2表6方案一目標(biāo)函數(shù)F2的計(jì)算結(jié)果冷卻水cp/cal.kg'.1總0Qe/hkcal.h"'wwn/kg.h~'單價(jià)/元.門日標(biāo)角數(shù)F/jii .0.9972085 739.3209 201.530.2541.8年節(jié)省冷卻水/萬噸表7方案二換熱器熱負(fù)荷改變值的計(jì)算結(jié)果Qa/kcal ●h"'QorAkcal.h"'4QJkcal●r'QnuNAcal.h~'Qmkcal●h" '0Qwkcal●h-'脫水塔再沸器1337 120.5EDCI塔再沸器4707 297.8EDC2"塔再沸器1269 7613.711 697 931.6-999 682.1EDC回收塔再濾器1080073.91080 073.8預(yù)熱器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中國煤化工VC2"塔冉沸器MHCNMHGDC冷凝器-10591071.0 -11 165 00.0573 928.7●596●化進(jìn)展2009年第28卷年生產(chǎn)時(shí)間按8000 h計(jì)算，得到目標(biāo)函數(shù)F1、萬噸，年效益為2330.4 萬元，年節(jié)省冷卻水用量F2的結(jié)算結(jié)果，見表8、表9。942.5萬噸,年效益為235.6萬元。則總的年節(jié)省費(fèi)表8和表9結(jié)果表明，年節(jié)省蒸汽用量17.874用為2566.0萬元。.表8方案二目標(biāo)函數(shù)F的計(jì)算結(jié)果蒸汽AH:_Jkcal ●h-'總0Qrnnceal●h" .wl/kg.b-'單價(jià)/元月標(biāo)用數(shù)F萬元低壓蒸汽528.936056 648.311 450.75120.001099.2中壓蒸汽494.252341 792.24738.07130.00492.8高壓蒸汽226.451393 462.66153.51150.00738.4年節(jié)省蒸汽量/萬噸17.874總F仇歷元2330.4表9方案二目標(biāo)函數(shù)F2的計(jì)算結(jié)果項(xiàng)目cpJhcal.kg'.c-總Qchkcal.b" 'WoAg.h"'單價(jià)1元.門目標(biāo)所數(shù)F;元冷卻水0.99711 746 343.91178 168.900.25235.6年節(jié)省冷卻水萬盹942.54結(jié)論參考文獻(xiàn)以某氯厶烯裝置全流程的模擬為基礎(chǔ),通過對(duì)現(xiàn)[1] 任萍.乙烷氧氯化制氯乙婚催化劑的研制DI.吉林:吉林大學(xué)，200有氯乙烯生產(chǎn)裝置中主要換熱設(shè)備熱負(fù)荷進(jìn)行分析，2] 劉煥舉，李金鐘，劉淑娩電石法VCM生產(chǎn)工藝探計(jì)辦聚氯乙烯，2005 (12): 12-14.提出不改變裝置操作參數(shù)和改變裝置操作參數(shù)兩個(gè)3] 李紅海.吳犬祥,蘇保衛(wèi). C孀直接取代氯化合成氯厶烯的研究[U].節(jié)能方案,比較兩個(gè)方案的節(jié)能效益,得到如下結(jié)論。化學(xué)反應(yīng)工程與工藝，20040 20 (2): 167-174.(1)在方案一中,用直接氯化單元反應(yīng)熱提供4] 鄭進(jìn).厶烷氧氯化制備氯乙烯工藝1,中國氯堿，2004, (3);1416.EDC回收塔底再沸器所需熱量和部分預(yù)熱裂解爐5] Young G H, Cowfer J A, Jobnston V J. Improved catalyst and processfor oxychlorinaion of ethylene to EDC: GR，3023509T[P].進(jìn)料，用EDC急冷塔底循環(huán)物料給VC2'塔的再沸1997-08-29.器供熱。需要新增3臺(tái)換熱器。計(jì)算結(jié)果表明，采6] 趙新來.直接氟化法生產(chǎn)氯乙烯的新工藝U].齊魯石油化工，2003,用本方案可以節(jié)省低壓蒸汽3255.27 kg/h, 中樂蒸31 (1); 37-40.汽958.88 kg/h,冷卻水2 085 739.3 kg/h.年節(jié)省費(fèi)7] 程建發(fā)，顧曉雙效變壓精餾節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用[],.上海氟鲅化工信息，2002 (9); 7-10.用為454.0萬元。8] 婁損良.乙烯法VCM生產(chǎn)裝置的節(jié)能措施[].聚氯C垢，2007,(2)在方案二中，通過減小VC1"塔的回流比，(1): 45-49.節(jié)省了高壓蒸汽;通過提高EDC2*塔壓，獲得了高91 劉嶺梅，張永春二氯乙烷裂解生產(chǎn)氯厶烯技術(shù)的改進(jìn)[0].聚氟乙品位的熱源，分別為EDC1*塔、脫水塔、EDC回收烯，2006(3); 1417.塔及HCI塔的再沸器供熱,并為EDC2#塔的進(jìn)料預(yù)[10]楊學(xué)輝， 牛彥紅. 氯乙烯裝置裂解爐節(jié)能改造方案[刀齊魯石油化工，2007, 35 (3): 186-188.熱。需要新增7臺(tái)換熱器。計(jì)算結(jié)果表明，本方案[] Mizsey R. Fonyo z, Toward a more ralisics overnll proces節(jié)省低壓蒸氣11 450.75 kg/h，中壓蒸汽4738.07synthesis-he combined approach[I]. Computers and Chemicalkg/h,高壓蒸汽6153.51 kg/h, 冷卻水11 746 343.9Engineering. 1990, 14 (11): 1213-1236.[12]姚平經(jīng)。 樊希山匡國柱。等.過程系統(tǒng)能量集成技術(shù)[I.石油和kg/h。年節(jié)省費(fèi)用為2566.0萬元?；す?jié)能，2005 (5): 12-14.(3)比較兩個(gè)方案的節(jié)能效益,確定方案二是[13]馮當(dāng)化T節(jié)能省理與技術(shù)MI北吉化學(xué)工業(yè)出版社，2004.最終的節(jié)能方案，每年可節(jié)省費(fèi)用2566.0萬元，可[14]中國煤化工陘模擬軟件的開發(fā)(1)以達(dá)到大幅度降低氯乙烯裝置能耗的目的。YHCNMHG.19.14(2); 1.7.