任国伟
(江苏奥克化学有限公司,江苏 扬州 211400)
环氧乙烷属于乙烯下游走的重要衍生物,仅次于聚乙烯,主要应用在化工原料生产中,比如:乙二醇、聚醚单体等,属于重要的化工产品。环氧乙烷主要原料为乙烯与氧气,在银催化剂上乙烯能选择性地氧化生成环氧乙烷。乙烯氧化生成环氧乙烷,工业上用的银催化剂是由活性组分银、载体和助催化剂所组成的。其中银催化剂属于技术的核心,其中低比表面、无孔隙或少孔隙或粗孔隙的惰性物质α-Al2O3作为载体,以Cs、Re等作为助催化剂,可以把银颗粒隔开,防止银烧结。随着环氧乙烷下游精细化学品的需求不断增加,对商品环氧乙烷/乙二醇的需求旺盛,为提升经济效益,工厂开工率不断提升,工厂安稳长满优运行至关重要,这一背景下,环氧乙烷/乙二醇装置的优化与改造属于关键课题,本文主要对此进行研讨。
来自界外的高纯度乙烯(99.9%mol)和空气分离单元的氧气(99.8%mol)在含催化剂的反应器中生成环氧乙烷,甲烷作为载气用于提高反应器燃烧极限,乙烯和氧气部分参与反应,未反应的乙烯、氧气与甲烷一期通过循环压缩机返回氧化反应器。循环气经EO吸收塔吸收环氧乙烷后,富吸收液经多次换热升温进入EO汽提塔,汽提后的EO水溶液经轻组分塔脱除轻组分后,含60%的EO溶液送入EO精制塔,从塔中获得高纯度的EO产品,并将部分釜液送入乙二醇反应蒸发系统。乙二醇工段处理环氧乙烷精制塔顶或脱醛物,确保全部转化为乙二醇[1]。环氧乙烷和过量水混合在反应器高温、高压下转化为粗产物。经多效蒸发后,干燥、脱水、精制后得到了MEG、DEG和TEG产品。
第一,为了更好地节省产品成本并减少能耗,工厂采取了多种对策。关键在于对环氧乙烷/乙二醇设备的预防性维护以及对部分设备的技术改造升级实施,解决生产过程中的缺陷与隐患。必须定期地、有计划地对设备进行预防性的和恢复性的检修,以便及时地检查、发现和消除设备存在的缺陷,消灭潜在的事故因素,提高设备健康水平,延长设备使用奉命,确保机组运行的安全性与经济性。(1)运用先进服务云,对现场主要设备进行数据监控,定期组织专业人员对设备运行进行详细数据评估,分享经验,统筹设备预防性维修体系,提高设备的故障诊断和维修技术水平。(2)利用检修期间解决换热器堵塞,调节阀泄漏、管道泄漏问题,解决现场跑冒滴漏现象,并清理带有腐蚀和残留物的换热机械与设备。(3)解决了乙二醇反应器水进料多级泵频繁故障的问题、循环气压缩机K201的振动值偏高的问题以及塔操作参数异常波动不稳定设备缺陷问题。(4)解决夏季循环冷却水温度高,制冷设备实际效果差,水轮机运行效率偏低问题。(5)处理翅片式风冷器换热效率低下,表面异物积存,翅片角度偏差影响散热问题。(6)对长时间影响乙二醇提浓塔再沸器封头焊缝热影响区安全运行的腐蚀问题,通过特殊工艺处理进行解决,以确保设备的长期安全运行。(7)经常组织员工提出建议,应对在夏季和冬季危及设备稳定性的生产瓶颈,并制定安全生产保护措施[2]。
第二,工厂进一步在优化了三剂使用。工厂环氧乙烷装置选用壳牌专利技术,自投入运行,已更换多次脱硫剂,而之前脱硫剂选用进口,采购时间长并且价格相对昂贵,通过技术对比与交流,选用国内新型脱硫剂替代进口,降低单位产品成本。在乙烯氧化反应的整个过程中,在银催化剂上生成EO的反应异常剧烈,为了抑制乙烯过度氧化成二氧化碳和水,通常在反应器进料中加入抑制剂。以前,壳牌、SD、联碳等公司的专利均采用二氯乙烷作为抑制剂,目前大多改用一氯乙烷作为抑制剂。与二氯乙烷相比,采用一氯乙烷具有加入量较大,易于控制,毒性较小,在系统内形成氯化物杂质较少等优点,对设备尤其是不锈钢设备的长期使用有利,而且添加工艺更为简单,不需要泵或载气加以运输。我装置选用一氯乙烷作抑制剂,并在国内选择质量优良的一氯乙烷生产厂家,获得了较好的经济效益[3]。
离开极冷区和循环气与30℃的贫吸收液逆向接触吸收环氧乙烷,并向贫吸收液中连续添加苛性碱以保持贫液pH值在7.3至7.5之间,以确保环氧乙烷被吸收。在调整锅炉水系统PH值,使用国产多功能缓蚀剂,从而降低了生产成本。
节能是化工企业工艺优化的重点,通过对系统蒸汽系统确认能源结构,通过运行工况参数整理收集,进行热平衡分析,诊断引起高耗能的各种原因,并采取先进技术手段优化蒸汽系统,实现节能降耗。通过收集信息,蒸汽节能方向相当可观,先后在工厂对蒸汽梯级利用进行优化、应用特殊节流型文丘里管疏水器、气旋隆技术、新型疏水器应用、蒸汽喷射器节能优化等,提升蒸汽高效利用,节省能源。采用高效节能电机对部分耗能高的电机进行改造,并对流量波动工况较大设备增加变频器,便于设备节约电力[4]。
生产 EO/ EG 过程中需排空由原料和致稳气带入的杂质,但在排空过程中会损失少量未反应的原料乙烯,氧气法工艺中乙烯损失占原料量的 1 %以下,空气法工艺中乙烯损失量较大。乙烯回收有许多方法,其中最具有技术先进性及应用经济价值的是膜分离技术和变压吸附技术。为了更好地避免氩气在循环中的积累,减少乙烯损耗,降低压缩机功率,减少原乙烯料消耗和产品成本。依据项目所需排放的气量和回收气压缩机能力情况,通过更换膜组件形式与大小,对乙烯膜分离进行改造,将大大节省乙烯原料,从而节省产品成本。
工厂乙二醇运行工况复杂,在正常生产时,乙二醇反应单元水合比例控制较低,但在开停车或者乙二醇效益高的时候进行切换操作,而该输送泵原设计流量大扬程高的多级离心泵,日常运行中该多级泵故障率偏高,且维修成本高。查阅相关低流量高扬程,且运行稳定控制输送泵最终选择为旋壳泵。该泵有三个基本部件,一个是转动的转子,一个是静止的集液管、连接头部件,另一个是轴承箱部件。该泵本质上也是单级离心泵,但不像结构复杂的多级离心泵与脉动的往复泵。该泵工作原理是液体从泵进口吸入,经旋转的转子盖进入转子腔,由于离心力,增加了液体的流速和压力,使的液体喷入位于转子腔中的集液管,这样将液体的动能转化为压力能,最后从出液管排出高压液体。该泵可实现变频控制,具有耗能低,运行平稳的特点。
乙烯:CAS号74-85-1;与气体混合可产生易燃化合物,爆炸极限为36%(V/V),下限为2.7%(V/V),对身心健康具有非常强的麻醉作用,其作用对自然环境有害。CO2:CAS号7782-44-7;适用于点火。这是着火和爆炸的基本先决条件之一。它可以氧化空气中的大多数活性物质。它与丁二烯和甲烷气体一起产生易燃化合物。甲烷(致稳气):CAS编号74-82-8;与气体混合会产生易燃化合物。蒸气的爆炸极限为15%(V/V),下限为5.3%(V/V)。一氯乙烷(抑制剂):CAS号75-00-3;与气体混合可产生易燃化合物,蒸气爆炸极限为14.8%(V/V),下限为3.6%(V/V),对身心健康有害,具有刺激和麻醉作用,并且有害自然环境。
4.2.1 泵温控对策
针对环氧乙烷泵采取有效措施以防止泵的温度升高。循环系统的流体从导向轮排出,并根据屏蔽套,滚动轴承和侧板的孔按照较小的管道返回到泵内空间。确保泵的温度低于0℃。(1)在泵中,液体持续动态流动,输送液体温度设有高报警和高高报警联锁。正常情况使用-15℃低温冷冻对储罐、泵体和连接管道进行降温。(2)EO罐组及泵棚设有自动消防喷淋,该喷淋设置可现场启动、中控DCS画面启动与消防柜上联锁启动,当在炎热的夏天,泵体或者罐内温度高时,可手动启动消防喷淋进行降温。(3)设有低低液位联锁,采取有效措施避免环氧乙烷泵空运转,以防泵的机械动能转化为热量,使泵壳和物料温度升高[5]。
4.2.2 环氧乙烷泵防泄漏控制方法
(1)含环氧乙烷的输送设备泄漏是环氧乙烷爆炸的主要原因。在化工厂中,常见的23%的泵故障是由设备泄漏引起的,因此设备使用、设备质量和安装质量尤为重要。(2)泵振动很大(也就是说,泵本身是由于机械设备或实际操作而引起的,例如滚动轴承损坏,密封液润滑失效等),并引起泄漏或温度上升,导致物料泄漏,环氧乙烷爆炸。泵的运行风险取决于操作人员的专业知识与实际操作水平、管理方法以及机器和设备的状况直接相关。因此,根据上述情况在风险矩阵中定义风险,以找出相应对策来降低风险。(3)生产和运行过程中的大波动,静电感应充放电,易导致环氧乙烷爆炸。这必须改善工作环境与加强专项学习和培训,以降低风险。
4.2.3 罐区保护操作
含环氧乙烷储罐设有液位低低联锁,当液位达到低低值时,联锁动作停泵。当泵出口流量低于联锁值时,延迟10秒后,联锁停泵,防止泵空转,温度升高产生危险。根据泵的密封罐液位计线和氮气调压阀,对泵体稳压罐进行压力调整,维持罐内工作压力保持在一定压力范围。环氧乙烷储存必须动态低温储存,设置环氧乙烷罐外循环,与低温冷冻水换热,将罐内温度降低。当罐内温度达
到高报警值时,打开外部控制回路调节阀,以将罐内物料输送到产品循环冷却器,将温度降至-5℃。
4.2.4 系统冷量耦合
-35℃低温液态乙烯气化需要热源,该热源一般选用50%乙二醇水溶液,在工厂里这部分冷量非常可观。在考虑环氧乙烷球罐冰机受夏季高温环境影响,冰机制冷效果差。通过核算,增加一台换热器可以把EO精制塔侧线采出高纯环氧乙烷温度从20℃将低到10℃,复热后的乙二醇水溶液通过温度控制调节阀继续与冷水换热升温,达到一定温度后作为低温乙烯的加热介质,通过工艺系统冷量耦合,解决了夏季高负荷运转罐区冰机冷量不足的问题。
通常,环氧乙烷设备的生产过程中,无论是主要的,辅助的材料还是产品,都具有巨大的风险因素,一旦安全事故造成严重的不利影响,就必须对所有设备进行风险评估。安全风险矩阵它是识别风险评估和风险值的关键特殊工具。在中石化,中石化要求中国石化能够接受安全隐患规范,评估指标值和剩余风险值管理方法的最低安全规定。您只需要掌握以上要点,在化学过程设计中适当使用风险与可操作性(HAZOP),保护层分析(LOPA),安全检查表(SCL),工艺安全分析(JSA)、基于风险评估的设备检验技术(RBI)等特殊工具与风险矩阵紧密集成,并且将设备根据实际设备标准分析风险清单和对中情况,采取可行的对策以降低风险并接受。风险管理和控制是预先管理的方法,可以向前移动,这是对症状和根本原因的一种治愈方法,可以避免安全事故。