黃自力

（重慶長(zhǎng)壽化工集團(tuán) 重慶 401220）

國(guó)產(chǎn)干法乙炔裝置工藝優(yōu)化及研究

黃自力

（重慶長(zhǎng)壽化工集團(tuán) 重慶 401220）

通過對(duì)干法生產(chǎn)裝置基本概況介紹，在工藝方面重點(diǎn)優(yōu)化電石和霧化水反應(yīng)溫度的檢測(cè)點(diǎn)及清凈系統(tǒng)的脫硫工藝。

干法乙炔；電石；水蒸汽；脫硫；優(yōu)化

1 概況

干法乙炔技術(shù)在節(jié)能、節(jié)水、環(huán)境保護(hù)及電石渣再利用等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，2007年5月被國(guó)家環(huán)保總局列入《國(guó)家先進(jìn)污染防治示范技術(shù)名錄》，為了環(huán)境保護(hù)和積極相應(yīng)國(guó)家環(huán)保局的政策，重慶長(zhǎng)壽捷圓化工有限公司（簡(jiǎn)稱捷圓公司）在2007年下半年開始實(shí)地考察、調(diào)研干法乙炔生產(chǎn)裝置。該公司針對(duì)原濕法乙炔生產(chǎn)過程中工業(yè)水消耗量大、電石渣漿處理費(fèi)用高、電石渣清液回用又產(chǎn)生新的廢氣污染等問題，結(jié)合前期的調(diào)研情況在2008年3月開始籌建干法乙炔裝置，最終于2010年11月全面建成了3套干法乙炔裝置并能連續(xù)投入使用（開2備1），徹底替代原濕法乙炔裝置。該干法乙炔裝置采用北京瑞思達(dá)有限公司技術(shù)，完全國(guó)產(chǎn)化，在安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)能減排等方面都取得了較好的效果。

國(guó)內(nèi)對(duì)干法乙炔裝置的理論研究起步較晚，特別是干法乙炔反應(yīng)過程的溫度控制及反應(yīng)時(shí)間控制研究較少；國(guó)外在20世紀(jì)初就開始了對(duì)干法乙炔發(fā)生裝置的探索與研究（美國(guó)和德國(guó)占據(jù)了領(lǐng)先地位），并逐漸開發(fā)出了一系列具有不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的干法乙炔發(fā)生器，這些發(fā)生裝置采用霧化水為氣化劑，噴灑在一定粒度的電石上，反應(yīng)完畢后，生成的氫氧化鈣廢渣，從干態(tài)從反應(yīng)器中排出，生成的乙炔氣體從反應(yīng)器的頂部排出。

國(guó)內(nèi)最早是北京化工二廠在20世紀(jì)70年代從日本引進(jìn)一條盤式乙炔發(fā)生工藝生產(chǎn)線，該條生產(chǎn)線的缺點(diǎn)是下層的電石粉料與水不能充分接觸，反應(yīng)不完全，致使乙炔收率較濕法乙炔低于5%，所產(chǎn)生的乙炔中伴有大量粒徑較小的電石渣，分離困難，從而影響乙炔工藝安全及乙炔氣的質(zhì)量。由于上述無法解決的技術(shù)問題，生產(chǎn)線于1987年被淘汰。

2005年3月，四川宜賓天原化工有限公司開始研究（專利號(hào)1752189A，2006203209。2006年3月公布）臥式干法乙炔裝置，此裝置由于發(fā)生器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及反應(yīng)機(jī)理存在缺陷，也在2007年12月被淘汰。

北京瑞思達(dá)公司在2006年開始研究干法乙炔裝置（2007年3月公布專利）——立式盤式干法乙炔裝置，較好地解決了干法乙炔裝置的各種缺陷及技術(shù)難題。

從國(guó)內(nèi)外干法乙炔裝置的實(shí)際應(yīng)用來看，仍需要對(duì)其反應(yīng)過程進(jìn)行研究，分析出反應(yīng)溫度及反應(yīng)時(shí)間的最佳控制方式。

目前已公開報(bào)道的干法乙炔工藝的反應(yīng)方程式均是采用電石顆粒與霧化水進(jìn)行反應(yīng)，而實(shí)際生產(chǎn)中干法乙炔發(fā)生器中反應(yīng)機(jī)理只有最上面二層是電石顆粒與霧化水進(jìn)行反應(yīng)，而3～6層基本都是電石顆粒與水蒸氣進(jìn)行反應(yīng)。本文重點(diǎn)研究電石與水蒸氣的反應(yīng)機(jī)理（即乙炔發(fā)生器中部和下部反應(yīng)狀況及反應(yīng)接觸時(shí)間）。

2 反應(yīng)溫度檢測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化及效果

2.1 頂部測(cè)溫點(diǎn)的優(yōu)化

優(yōu)化前，乙炔發(fā)生器的頂部溫度主要是檢測(cè)發(fā)生器上部空間內(nèi)氣相溫度，但是該部位氣相流動(dòng)性差，不能及時(shí)反應(yīng)出電石和霧化水的反應(yīng)情況。優(yōu)化后，將檢測(cè)氣相溫度的溫度計(jì)移動(dòng)到出氣管處，能夠及時(shí)反映出發(fā)生器上部空間氣體的溫度變化，可及時(shí)根據(jù)該溫度變化進(jìn)行水比調(diào)節(jié)，使電石與霧化水的比值保持在最佳的反應(yīng)區(qū)內(nèi)。

2.2 中部測(cè)溫點(diǎn)的優(yōu)化

在乙炔發(fā)生器中部增加1個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)，并且伸入到發(fā)生器中心孔的下料部位，該部位的電石渣在發(fā)生器正常液位時(shí)是連續(xù)向下流動(dòng)的，因此檢測(cè)該溫度可以實(shí)時(shí)判斷發(fā)生器下部的反應(yīng)情況。而底部的溫度檢測(cè)點(diǎn)，當(dāng)發(fā)生器底部攪拌不均時(shí)，發(fā)生局部高溫或低溫給水比的設(shè)定造成誤判斷，最終影響電石反應(yīng)的徹底性及危及安全生產(chǎn)。

2.3 測(cè)溫點(diǎn)的優(yōu)化后的效果

為了驗(yàn)證溫度檢測(cè)點(diǎn)優(yōu)化效果，先期改造了1臺(tái)乙炔發(fā)生器（該公司總共有3臺(tái)干法乙炔發(fā)生器），在2014年8月5日將改造后與未改造的乙炔發(fā)生器同時(shí)并聯(lián)開車，并且2臺(tái)發(fā)生器的產(chǎn)能基本一樣，然后對(duì)乙炔發(fā)生器排出的電石渣做殘余電石發(fā)氣量分析，結(jié)果見表1。

重慶長(zhǎng)壽捷園化工通常情況每年產(chǎn)生電石干渣（即干法乙炔裝置）10萬t，則每年可回收乙炔氣體100 000×（1.89-0.76）=113 000（m3），折標(biāo)為 300 L/kg的電石發(fā)氣量可以回收電石377 t。

3 預(yù)處理脫硫系統(tǒng)

3.1 干法乙炔氣預(yù)處理原因

由于干法乙炔是適量水與對(duì)應(yīng)量的電石進(jìn)行反應(yīng)，生成乙炔氣和氫氧化鈣干粉末，同時(shí)生成副產(chǎn)物硫化氫、磷化氫，而濕法乙炔反應(yīng)是在水中進(jìn)行，故大部分雜質(zhì)溶解在水中，干法乙炔裝置產(chǎn)生的乙炔氣中副產(chǎn)物的含量較高，所以必須對(duì)硫、磷雜質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理后才能送往乙炔次氯酸鈉清凈系統(tǒng)。

電石遇水反應(yīng)生成粗乙炔氣，其主要組成見表2。

表1 乙炔發(fā)生器排出的電石渣做殘余電石發(fā)氣量分析對(duì)比

表2 干法乙炔氣副產(chǎn)物

硫化氫、磷化氫的溶解度為：PH3微溶于水，20℃時(shí)能溶解0.26體積磷化氫；H2S水中的溶解度為 1∶2.6。

該公司在原有干法乙炔生產(chǎn)裝置的基礎(chǔ)上，新上2套脫硫塔，對(duì)粗乙炔氣進(jìn)行簡(jiǎn)單預(yù)處理來降低粗乙炔氣中的硫磷雜質(zhì)含量，減小了乙炔次氯鈉清凈系統(tǒng)的壓力。

3.2 干法乙炔氣預(yù)處理工藝設(shè)計(jì)

3.2.1 設(shè)計(jì)的分離要求

因后序工藝中有次氯酸鈉清凈，故本設(shè)計(jì)的分離要求是H2S的去除率為90%。

3.2.2 物料平衡計(jì)算 （只考慮穩(wěn)態(tài)條件下物料平衡表，見表3）

3.2.3 脫硫的工藝評(píng)定

取溫度35℃；壓力為7 kPa（表壓）；當(dāng)?shù)卮髿鈮簽?.097 96 MPa。

（1）空塔速度

塔徑確定。根據(jù)填料廠家提供的F因子=3.5

式中：F因子—?dú)庀鄤?dòng)能因子，用于計(jì)算規(guī)整填料塔的空塔氣速，m/s（kg/m）0.5；Vf—泛點(diǎn)氣速，m/s；ρv—?dú)庀嗝芏龋琸g/m3。

表3 物料平衡表

空塔氣速V選擇為泛點(diǎn)氣速0.5倍，該塔的操作彈性大。即 V=0.5 Vf=1.6（m/s）。

式中：V總—全塔氣體體積流量，設(shè)計(jì)給定為2 500Nm3/h；V—空塔氣速，m/s。

（2）噴淋密度

堿液循環(huán)量Q=50 m3/h

3.2.4 塔高的計(jì)算

NaOH吸收H2S的過程中，由于NaOH濃度大大過量，在反應(yīng)過程中可視為濃度不變，故可視為一級(jí)不可逆反應(yīng)，又由于小試過程中反應(yīng)速度快，可視為氣膜控制，在10%～15%濃度吸收低濃度H2S的kya查文獻(xiàn)值與小試值可認(rèn)為kya=2.7×10-2（kmol/m2·s）。

根據(jù)填料吸收塔塔高計(jì)算式：

取h=4 m。

式中：Kya—總體積傳質(zhì)吸收系數(shù)；

G—全塔氣體摩爾流量，kmol/s；

V總—全塔氣體體積流量，Nm3/h；

ρv—乙炔氣體在標(biāo)況下的密度，kg/Nm3；

M—乙炔摩爾質(zhì)量，kmol/kg；

y1—進(jìn)塔氣體中含硫化氫氣體的質(zhì)量百分比；

y2—出塔氣體中含硫化氫氣體的質(zhì)量百分比。

3.2.5 脫硫塔參數(shù)

基本尺寸：?1 000×11 500 mm；

材質(zhì)：Q235-B；

填料類型：規(guī)整波紋填料；

填料高度：4 000 mm。

3.2.6 壓降

規(guī)整波紋填料的壓降很小，一般為100～150Pa/m，因此本設(shè)備的壓降為400～600 Pa。

3.2.7 持液量

持液量為填料容積的5%，即0.05 m3液體/m3填料。

3.3 乙炔氣預(yù)脫硫工藝指標(biāo)的控制

3.3.1 入塔乙炔氣溫度控制

入脫硫塔的乙炔溫度不能太高，否則進(jìn)氣溫度高，而脫硫塔為自循環(huán)，本身不帶走熱量，氣出溫也會(huì)升高，導(dǎo)致后工序次氯酸鈉清凈系統(tǒng)存在安全隱患。入脫硫塔的溫度也不能太低，如果溫度太低，H2S于堿液的反應(yīng)速率就會(huì)降低，去除硫化氫的效果就會(huì)變差，否則就要增加塔填料的高度，這樣就會(huì)增加投資。

3.3.2 堿液濃度控制

堿液濃度過低，脫硫效果差，而且堿量消耗大，堿的更換頻率就會(huì)升高，會(huì)增加操作人員的工作量。堿液濃度過高會(huì)導(dǎo)致堿液在塔內(nèi)及管道內(nèi)結(jié)晶，堵塞塔或管道，冬季尤為嚴(yán)重，影響正常生產(chǎn)。因此，新配制的堿液濃度宜控制在10%～15%。

3.3.3 稀堿溫度控制

稀堿液的溫度是影響脫硫效果的重要因素，稀堿液溫度升高，H2S與NaOH的反應(yīng)速率會(huì)加快，對(duì)脫硫效果有利，但是稀堿液溫度過高會(huì)使乙炔氣體的溫度升高，進(jìn)而對(duì)后工序產(chǎn)生不利影響，稀堿液溫度過低會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)速度減慢，影響脫硫效果，而且因?yàn)闇囟鹊蜁?huì)導(dǎo)致塔管道，液面計(jì)等堵塞。影響連續(xù)開車。因此，稀堿液的濃度一般控制在常溫就可以了。

3.3.4 稀堿循環(huán)量控制

稀堿循環(huán)量過大、過小，都會(huì)影響脫硫效果，如果循環(huán)量過大，液氣比超過泛點(diǎn)就會(huì)發(fā)生液泛，會(huì)將大量的堿液隨乙炔氣帶入下一個(gè)工序，影響下一個(gè)工序的生產(chǎn)。如果堿液循環(huán)量過小，則塔內(nèi)噴淋密度不足，將導(dǎo)致液流不易維持均勻、穩(wěn)定，氣液不能充分接觸或沒有接觸，更會(huì)影響脫硫效果。

4 干法乙炔裝置工藝優(yōu)化的結(jié)論

通過對(duì)國(guó)產(chǎn)干法乙炔裝置反應(yīng)溫度檢測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化，可以提高電石水解率0.5%，達(dá)到降低成本，提高安全運(yùn)行的目的；通過對(duì)國(guó)產(chǎn)干法乙炔裝置增加乙炔氣預(yù)脫硫工藝，可以解決由于干法乙炔氣中硫、磷雜質(zhì)含量高而導(dǎo)致次氯酸鈉清凈系統(tǒng)無法正常運(yùn)行的問題。

Process optimization and research of domestic dry acetylene plant

HUANG Zi-li
（Chongqing Changshou Chemical Group.,Chongqing 401220，China）

The basic situation of dry process acetylene production equipment is introduced.In the process，the key points of the reaction temperature of calcium carbide and atomized water，as well as the desulfurization process of the cleaning system are optimized.

dry acetylene；calcium carbide；water vapor；desulfurization；optimization

B

1009－1785(2017)09-0013-03

2017-08-28