張沛存

(中國石油化工股份有限公司齊魯分公司腈綸廠，山東淄博255040)

干法腈綸溶劑回收裝置多效蒸發(fā)技術改造

張沛存

(中國石油化工股份有限公司齊魯分公司腈綸廠，山東淄博255040)

分析了干法腈綸裝置的能耗構成，降低蒸汽消耗是關鍵，節(jié)能改造的重點為溶劑回收裝置。介紹了多效蒸發(fā)工藝原理，自主開發(fā)了三效逆流蒸發(fā)技術，并采用該技術對溶劑回收裝置實施改造。結果表明:改造后腈綸產(chǎn)品的蒸汽消耗量比改造前降低了1.24 t/t，降幅達14.61%，產(chǎn)品能耗降低5.03 GJ/t，降幅達12.57%，節(jié)能效果顯著。

干法腈綸 溶劑回收 逆流蒸發(fā) 技術改造

中國石油化工股份有限公司齊魯分公司(簡稱齊魯石化)60 kt/a干法腈綸裝置原設計生產(chǎn)能力為45 kt/a，引進美國杜邦公司干法腈綸工藝技術［1－4］，采用 N，N-二甲基甲酰胺(DMF)二步法干法紡絲工藝路線，于1993年4月建成投產(chǎn)。2001年9月裝置改造為60 kt/a。干法腈綸工藝包括:聚合物制備、原液制備、紡絲、水洗拉伸、后處理以及單體和溶劑回收6個工序。

在全國12套腈綸裝置中，能耗最低的為上海石化金陽腈綸裝置，其能耗為31.4 GJ/t，齊魯石化腈綸裝置能耗為40 GJ/t，比金陽腈綸裝置高8.6 GJ/t［5］。作者針對齊魯石化干法腈綸裝置能耗高的問題，通過分析裝置能耗組成，找出影響裝置能耗高的原因，根據(jù)多效蒸發(fā)原理，自主開發(fā)成功溶劑回收裝置三效逆流蒸發(fā)技術，并對裝置實施改造。裝置運行結果表明，產(chǎn)品的蒸汽消耗量比改造前降低了 1.24 t/t，降幅達 14.61%，生產(chǎn)節(jié)能達5.03 GJ/t，節(jié)能效果十分顯著。

1 裝置能耗構成分析

齊魯石化干法腈綸裝置生產(chǎn)過程中使用的能源有電、蒸汽、氮氣、循環(huán)水、新鮮水、冷凍水(10℃)、脫鹽水、壓縮空氣等。在能耗組成中，蒸汽消耗所占的比例最大為69.1%;其次是電消耗占18.96%。因此，降低蒸汽消耗是降低腈綸裝置能耗的關鍵。

通過對比分析干法腈綸和濕法腈綸的能耗組成，齊魯石化腈綸裝置能耗比上海石化腈綸裝置能耗高 8.6 GJ/t，主要是蒸汽消耗偏高 1.1 t/t，造成能耗高出4.99 GJ/t。其原因是溶劑回收裝置的生產(chǎn)工藝不同，濕法腈綸溶劑回收裝置采用了多效蒸發(fā)技術［6－7］，而干法腈綸溶劑回收裝置采用傳統(tǒng)的常壓蒸餾方式［1］，因此，溶劑回收裝置技術改造成為降低干法腈綸能耗的首選方案。

2 溶劑回收裝置的技術改造

2.1 原溶劑回收裝置簡介

干法腈綸紡絲工藝采用DMF為溶劑，紡絲原液加壓后經(jīng)過噴絲板進入紡絲甬道，原液中的DMF被甬道內(nèi)的熱氮氣蒸發(fā)，抽出冷卻后形成濃DMF溶劑，初生纖維中含有的DMF在水洗牽伸機中用脫鹽水洗滌后形成稀DMF溶劑。生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的濃、稀DMF送入溶劑回收裝置經(jīng)過常壓蒸餾，將DMF與水及其他的一些雜質(zhì)分離后回用。

溶劑回收系統(tǒng)原設計為2套，并列運行。溶劑塔進料分濃溶劑和稀溶劑，濃溶劑w(DMF)為99%，稀溶劑w(DMF)約為30%。進入溶劑塔后的濃、稀溶液經(jīng)蒸汽加熱蒸餾后，w(DMF)為99.98%的DMF產(chǎn)品從塔的第5層塔板出來;溶劑塔頂排出的氣體中含有99%以上的水，少量的DMF(6 mg/g)、二甲胺(DMA)(3 mg/g)和其他一些低沸點雜質(zhì)，經(jīng)冷卻后，部分作為回流，其余部分送污水處理場進行處理;甲酸(FA)及高沸點雜質(zhì)從塔底排出。工藝流程見圖1，單套物料平衡見表1。

圖1 原溶劑回收裝置工藝流程Fig.1 Flow diagram of the original solvent recovery unit

表1 原溶劑回收裝置物料平衡Tab.1 Material balance of the original solvent recovery unit

2.2 多效蒸發(fā)工藝

20世紀80年代初上海石化股份有限公司腈綸廠從美國水化學公司(Aqua-Chem)引進一套五效蒸發(fā)器用于溶劑回收。20世紀80年代后期，蘭州化工公司化纖廠腈綸改造時也引進了一套五效臥式噴膜式蒸發(fā)器，用于溶劑回收。山東雪銀化纖集團公司4 kt/a硫氰酸鈉一步法腈綸裝置，溶劑回收采用了雙效蒸發(fā)工藝［6－7］。上述裝置改造后裝置能耗大幅降低，產(chǎn)品競爭力提高。

依據(jù)二次蒸汽和溶液流向，多效蒸發(fā)的流程可分為:①并流流程。溶液和二次蒸汽依次通過各效蒸發(fā)器。但末效溶液濃度高而溫度低，溶液黏度大，因此傳熱系數(shù)低。②逆流流程。溶液和二次蒸汽流向相反。需要用泵將溶液送至壓力高的前一效，各效蒸發(fā)器溶液的濃度和溫度對黏度的影響大致抵消，各效蒸發(fā)器傳熱條件基本相同。③錯流流程。二次蒸汽依次通過各效蒸發(fā)器，但料液每效單獨進出。

效數(shù)的確定應從以下兩方面考慮:其一，溫度差的分配。加熱蒸汽的壓力和蒸發(fā)室的真空度受多因素的限制，各效蒸發(fā)器也都有溫差損失，每效蒸發(fā)器的溫度差應大于5℃，其效數(shù)就被限制在一定范圍內(nèi)。其二，從經(jīng)濟上看，每增加一效蒸發(fā)器的效益并非是相等的，理論上1 kg蒸汽在一效蒸發(fā)器可蒸發(fā)1 kg水分;用二效蒸發(fā)器可蒸出2 kg水分，以此類推。然而在多效蒸發(fā)器系統(tǒng)中和操作過程中必然會有熱量損失，實際數(shù)值大約是1 kg蒸汽在一效蒸發(fā)器系統(tǒng)中可蒸發(fā)0.91 kg水分;在三效蒸發(fā)器系統(tǒng)中可蒸出2.7 kg水分，也就是水汽比為2.7。蒸發(fā)器效數(shù)越多蒸汽節(jié)約越多，但并不成正比，當蒸發(fā)器單效變雙效時可節(jié)約蒸汽93% 以上，而從蒸發(fā)器五效變六效時節(jié)約蒸汽在 10% 以下［6，8］。

根據(jù)蒸發(fā)傳熱速率方程，蒸發(fā)器真空度越高，平均溫差越大，溶劑溶液的沸點越低，蒸發(fā)強度就越大，水分蒸發(fā)也就越易進行;一效蒸發(fā)器加熱蒸汽的溫度越高，傳熱溫差越大，水分蒸發(fā)也越易進行。作為多效蒸發(fā)器，根據(jù)一效蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度永遠小于一效蒸發(fā)器加熱室加熱蒸汽溫度的基礎條件，一效蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度不可能提得太高。因此，齊魯石化干法腈綸溶劑回收裝置采用三效逆流蒸發(fā)技術，就是基于上述原理，保持各效蒸發(fā)器傳熱效率基本相同，溶液的濃度和溫度對黏度的影響可以抵消，有利于生產(chǎn)的連續(xù)性。操作壓力一效蒸發(fā)器設計為－87 kPa，二效蒸發(fā)器設計為－65 kPa;三效蒸發(fā)器為常壓。

2.3 三效逆流蒸發(fā)工藝流程簡述

來自稀液儲槽的含有w(DMF)30%左右的稀溶液經(jīng)過再沸器換熱蒸發(fā)，進入脫水Ⅰ塔進行脫水，塔釜得到濃度較高的DMF溶液;水蒸氣從塔頂排出，一部分進入脫水Ⅰ塔回流，另一部分直接去水洗牽伸機;經(jīng)過濃縮后的脫水Ⅰ塔釜液由脫水Ⅰ塔循環(huán)泵送入脫水Ⅱ塔再沸器換熱蒸發(fā)，進入脫水Ⅱ塔進一步脫水，得到濃度更高的DMF溶液;塔頂冷凝水，一部分進入脫水Ⅱ塔回流，另一部分也直接去水洗牽伸機;從脫水Ⅱ塔釜排出的w(DMF)為60%左右的溶液，由脫水Ⅱ塔循環(huán)泵送入稀液蒸發(fā)器，稀液蒸發(fā)器使用0.55 MPa蒸汽加熱蒸發(fā)，DMF稀溶液蒸汽由33號板處進入精餾塔;來自濃溶液儲槽的DMF濃溶液經(jīng)換熱器預熱，由18號板或20號板處進入精餾塔，產(chǎn)品DMF由精餾塔9號板或11號板抽出，經(jīng)過換熱器、冷卻器兩級冷卻，進入DMF成品中間罐;精餾塔頂排出的水蒸氣進入脫水Ⅱ塔再沸器換熱冷卻后，一部分進入精餾塔回流，另一部分排入脫氨塔或污水處理廠;精餾塔釜液排入殘液蒸發(fā)罐;精餾塔再沸器熱源由1.5 MPa蒸汽提供。溶劑回收裝置三效逆流蒸發(fā)技術流程見圖2，圖中虛線部分為主要改造內(nèi)容，精餾塔也進行了高效填料代替部分浮閥塔盤的改造。溶劑回收裝置三效逆流蒸發(fā)物料平衡見表2。

圖2 溶劑回收裝置三效逆流蒸發(fā)技術流程Fig.2 Three-effect countercurrent evaporationflow chart of the solvent recovery unit

表2 溶劑回收裝置三效逆流蒸發(fā)物料平衡Tab.2 Mass balance of three-effect countercurrent evaporation process of the solvent recovery unit

2.4 裝置改造及標定

2.4.1 裝置改造

齊魯石化干法腈綸溶劑回收系統(tǒng)節(jié)能改造項目由山東海成石化工程設計有限公司承擔基礎設計，撫順市化工研究設計院承擔詳細設計，上海嘉怡環(huán)保設備工程有限公司負責工程施工。2007年建成投用，總投資1 551萬元。改造的主要內(nèi)容:新增兩臺脫水塔及相應的塔頂冷凝器、氣液分離罐、塔釜循環(huán)泵、塔頂回流泵和再沸器，新增稀液蒸發(fā)器B和真空泵等設備管線，精餾塔為利用原2#溶劑塔進行改造，主要是將內(nèi)部原來的70塊浮閥塔板改為兩段:下部為浮閥塔板、上部為兩段規(guī)整填料。工藝操作由原來的單效常壓改為三效負壓操作。改造新增主要設備見表3。

表3 改造新增設備Tab.3 New equipments for transformation

2.4.2 裝置標定

為了準確評價多效蒸發(fā)技術改造后的節(jié)能效果，對溶劑回收裝置裝置進行了72 h的標定，標定結果見表4。

表4 裝置標定結果Tab.4 Calibration results of the unit

標定期間，稀溶劑進料量為 18.00 t/h，w(DMF)為25.0%，濃溶劑進料量為12.97 t/h，w(DMF)為99.0%，經(jīng)過兩個脫水塔脫水濃縮后，得到濃縮液w(DMF)為60.0%。經(jīng)過計算兩次脫水后，共脫掉水10.5 t/h，從理論上計算，相當于節(jié)約蒸汽10.5 t/h。由表4可知，實際節(jié)約0.55 MPa蒸汽9.30 t/h。裝置標定共節(jié)約能量換算為39.4 GJ/t?？紤]到蒸發(fā)效率的影響，數(shù)據(jù)吻合，達到設計指標。

2.4.3 改造后裝置運行情況

改造后裝置運行穩(wěn)定，操作簡單，能夠滿足長周期運行的要求，蒸汽消耗明顯降低，雖因增加了部分機泵而導致用電增加，但裝置整體能耗大幅度下降。改造前后裝置運行能耗對比見表5。

表5 改造前后裝置運行能耗對比Tab.5 Energy consumption contrast of the unit before and after transformation

由表5可知，腈綸產(chǎn)品的蒸汽單耗改造后比改造前降低1.24 t/t，降幅達 14.61%，產(chǎn)品能耗降低5.03 GJ/t，降幅達12.57%，節(jié)能效果非常顯著。腈綸產(chǎn)品的蒸汽單耗改造后比改造前降低1.24 t/t，改造后全年可以節(jié)約蒸汽量 75 001.4 t，每噸蒸汽按185元(稅后)計算，改造后可降低成本1 387.53 萬元/a。

3 結論

a.齊魯公司干法腈綸溶劑回收裝置經(jīng)過三效逆流蒸發(fā)技術改造后，腈綸產(chǎn)品的蒸汽單耗改造后比改造前降低 1.24 t/t，降幅達14.61%，產(chǎn)品能耗降低5.03 GJ/t，降幅達12.57%，節(jié)能效果十分顯著。

b.裝置改造后，可以降低成本 1 387.53萬元/a，提升了干法腈綸產(chǎn)品的競爭力。

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Multi-effect evaporation technology transformation for dry-spun acrylic fiber solvent recovery unit

Zhang Peicun
(Acrylic Fiber Plant，SINOPEC Qilu Company，Zibo255040)

The energy consumption constitution of dry-spun acrylic fiber plant was analyzed.The key was to decrease vapor consumption.The energy-saving reconstruction was emphasized on the solvent recovery unit.The multi-effect evaporation principle was introduced.The three-effect countercurrent evaporation technology was self-developed.This technology was applied in the transformation of solvent recovery unit.The results showed that after the transformation，the vapor consumption of acrylic fiber production was decreased by 1.24 t/t with the decreasing range of 14.61%and the energy consumption was decreased by 5.03 GJ/t with the decreasing range of 12.57%，which proved that a remarkable energy-saving effect had been achieved.

dry-spun acrylic fiber;solvent recovery;countercurrent evaporation;technological transformation

TQ342.31;TQ340.5

A

1001-0041(2012)04-0057-04

2012-11-28;修改稿收到日期:2012-05-20。

張沛存(1962—)，碩士，教授級高級工程師，長期從事丙烯腈、腈綸的生產(chǎn)與技術管理。

* 通訊聯(lián)系人。E-mail:zhangpcun.qlsh@sinopec.com。