干法腈纶溶剂回收装置多效蒸发技术改造

张沛存

(中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司腈纶厂，山东淄博255040)

干法腈纶溶剂回收装置多效蒸发技术改造

张沛存

(中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司腈纶厂，山东淄博255040)

分析了干法腈纶装置的能耗构成，降低蒸汽消耗是关键，节能改造的重点为溶剂回收装置。介绍了多效蒸发工艺原理，自主开发了三效逆流蒸发技术，并采用该技术对溶剂回收装置实施改造。结果表明:改造后腈纶产品的蒸汽消耗量比改造前降低了1.24 t/t，降幅达14.61%，产品能耗降低5.03 GJ/t，降幅达12.57%，节能效果显著。

干法腈纶 溶剂回收 逆流蒸发 技术改造

中国石油化工股份有限公司齐鲁分公司(简称齐鲁石化)60 kt/a干法腈纶装置原设计生产能力为45 kt/a，引进美国杜邦公司干法腈纶工艺技术［1－4］，采用 N，N-二甲基甲酰胺(DMF)二步法干法纺丝工艺路线，于1993年4月建成投产。2001年9月装置改造为60 kt/a。干法腈纶工艺包括:聚合物制备、原液制备、纺丝、水洗拉伸、后处理以及单体和溶剂回收6个工序。

在全国12套腈纶装置中，能耗最低的为上海石化金阳腈纶装置，其能耗为31.4 GJ/t，齐鲁石化腈纶装置能耗为40 GJ/t，比金阳腈纶装置高8.6 GJ/t［5］。作者针对齐鲁石化干法腈纶装置能耗高的问题，通过分析装置能耗组成，找出影响装置能耗高的原因，根据多效蒸发原理，自主开发成功溶剂回收装置三效逆流蒸发技术，并对装置实施改造。装置运行结果表明，产品的蒸汽消耗量比改造前降低了 1.24 t/t，降幅达 14.61%，生产节能达5.03 GJ/t，节能效果十分显著。

1 装置能耗构成分析

齐鲁石化干法腈纶装置生产过程中使用的能源有电、蒸汽、氮气、循环水、新鲜水、冷冻水(10℃)、脱盐水、压缩空气等。在能耗组成中，蒸汽消耗所占的比例最大为69.1%;其次是电消耗占18.96%。因此，降低蒸汽消耗是降低腈纶装置能耗的关键。

通过对比分析干法腈纶和湿法腈纶的能耗组成，齐鲁石化腈纶装置能耗比上海石化腈纶装置能耗高 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。其原因是溶剂回收装置的生产工艺不同，湿法腈纶溶剂回收装置采用了多效蒸发技术［6－7］，而干法腈纶溶剂回收装置采用传统的常压蒸馏方式［1］，因此，溶剂回收装置技术改造成为降低干法腈纶能耗的首选方案。

2 溶剂回收装置的技术改造

2.1 原溶剂回收装置简介

干法腈纶纺丝工艺采用DMF为溶剂，纺丝原液加压后经过喷丝板进入纺丝甬道，原液中的DMF被甬道内的热氮气蒸发，抽出冷却后形成浓DMF溶剂，初生纤维中含有的DMF在水洗牵伸机中用脱盐水洗涤后形成稀DMF溶剂。生产过程中产生的浓、稀DMF送入溶剂回收装置经过常压蒸馏，将DMF与水及其他的一些杂质分离后回用。

溶剂回收系统原设计为2套，并列运行。溶剂塔进料分浓溶剂和稀溶剂，浓溶剂w(DMF)为99%，稀溶剂w(DMF)约为30%。进入溶剂塔后的浓、稀溶液经蒸汽加热蒸馏后，w(DMF)为99.98%的DMF产品从塔的第5层塔板出来;溶剂塔顶排出的气体中含有99%以上的水，少量的DMF(6 mg/g)、二甲胺(DMA)(3 mg/g)和其他一些低沸点杂质，经冷却后，部分作为回流，其余部分送污水处理场进行处理;甲酸(FA)及高沸点杂质从塔底排出。工艺流程见图1，单套物料平衡见表1。

图1 原溶剂回收装置工艺流程Fig.1 Flow diagram of the original solvent recovery unit

表1 原溶剂回收装置物料平衡Tab.1 Material balance of the original solvent recovery unit

2.2 多效蒸发工艺

20世纪80年代初上海石化股份有限公司腈纶厂从美国水化学公司(Aqua-Chem)引进一套五效蒸发器用于溶剂回收。20世纪80年代后期，兰州化工公司化纤厂腈纶改造时也引进了一套五效卧式喷膜式蒸发器，用于溶剂回收。山东雪银化纤集团公司4 kt/a硫氰酸钠一步法腈纶装置，溶剂回收采用了双效蒸发工艺［6－7］。上述装置改造后装置能耗大幅降低，产品竞争力提高。

依据二次蒸汽和溶液流向，多效蒸发的流程可分为:①并流流程。溶液和二次蒸汽依次通过各效蒸发器。但末效溶液浓度高而温度低，溶液黏度大，因此传热系数低。②逆流流程。溶液和二次蒸汽流向相反。需要用泵将溶液送至压力高的前一效，各效蒸发器溶液的浓度和温度对黏度的影响大致抵消，各效蒸发器传热条件基本相同。③错流流程。二次蒸汽依次通过各效蒸发器，但料液每效单独进出。

效数的确定应从以下两方面考虑:其一，温度差的分配。加热蒸汽的压力和蒸发室的真空度受多因素的限制，各效蒸发器也都有温差损失，每效蒸发器的温度差应大于5℃，其效数就被限制在一定范围内。其二，从经济上看，每增加一效蒸发器的效益并非是相等的，理论上1 kg蒸汽在一效蒸发器可蒸发1 kg水分;用二效蒸发器可蒸出2 kg水分，以此类推。然而在多效蒸发器系统中和操作过程中必然会有热量损失，实际数值大约是1 kg蒸汽在一效蒸发器系统中可蒸发0.91 kg水分;在三效蒸发器系统中可蒸出2.7 kg水分，也就是水汽比为2.7。蒸发器效数越多蒸汽节约越多，但并不成正比，当蒸发器单效变双效时可节约蒸汽93% 以上，而从蒸发器五效变六效时节约蒸汽在 10% 以下［6，8］。

根据蒸发传热速率方程，蒸发器真空度越高，平均温差越大，溶剂溶液的沸点越低，蒸发强度就越大，水分蒸发也就越易进行;一效蒸发器加热蒸汽的温度越高，传热温差越大，水分蒸发也越易进行。作为多效蒸发器，根据一效蒸发器蒸发温度永远小于一效蒸发器加热室加热蒸汽温度的基础条件，一效蒸发器蒸发温度不可能提得太高。因此，齐鲁石化干法腈纶溶剂回收装置采用三效逆流蒸发技术，就是基于上述原理，保持各效蒸发器传热效率基本相同，溶液的浓度和温度对黏度的影响可以抵消，有利于生产的连续性。操作压力一效蒸发器设计为－87 kPa，二效蒸发器设计为－65 kPa;三效蒸发器为常压。

2.3 三效逆流蒸发工艺流程简述

来自稀液储槽的含有w(DMF)30%左右的稀溶液经过再沸器换热蒸发，进入脱水Ⅰ塔进行脱水，塔釜得到浓度较高的DMF溶液;水蒸气从塔顶排出，一部分进入脱水Ⅰ塔回流，另一部分直接去水洗牵伸机;经过浓缩后的脱水Ⅰ塔釜液由脱水Ⅰ塔循环泵送入脱水Ⅱ塔再沸器换热蒸发，进入脱水Ⅱ塔进一步脱水，得到浓度更高的DMF溶液;塔顶冷凝水，一部分进入脱水Ⅱ塔回流，另一部分也直接去水洗牵伸机;从脱水Ⅱ塔釜排出的w(DMF)为60%左右的溶液，由脱水Ⅱ塔循环泵送入稀液蒸发器，稀液蒸发器使用0.55 MPa蒸汽加热蒸发，DMF稀溶液蒸汽由33号板处进入精馏塔;来自浓溶液储槽的DMF浓溶液经换热器预热，由18号板或20号板处进入精馏塔，产品DMF由精馏塔9号板或11号板抽出，经过换热器、冷却器两级冷却，进入DMF成品中间罐;精馏塔顶排出的水蒸气进入脱水Ⅱ塔再沸器换热冷却后，一部分进入精馏塔回流，另一部分排入脱氨塔或污水处理厂;精馏塔釜液排入残液蒸发罐;精馏塔再沸器热源由1.5 MPa蒸汽提供。溶剂回收装置三效逆流蒸发技术流程见图2，图中虚线部分为主要改造内容，精馏塔也进行了高效填料代替部分浮阀塔盘的改造。溶剂回收装置三效逆流蒸发物料平衡见表2。

图2 溶剂回收装置三效逆流蒸发技术流程Fig.2 Three-effect countercurrent evaporationflow chart of the solvent recovery unit

表2 溶剂回收装置三效逆流蒸发物料平衡Tab.2 Mass balance of three-effect countercurrent evaporation process of the solvent recovery unit

2.4 装置改造及标定

2.4.1 装置改造

齐鲁石化干法腈纶溶剂回收系统节能改造项目由山东海成石化工程设计有限公司承担基础设计，抚顺市化工研究设计院承担详细设计，上海嘉怡环保设备工程有限公司负责工程施工。2007年建成投用，总投资1 551万元。改造的主要内容:新增两台脱水塔及相应的塔顶冷凝器、气液分离罐、塔釜循环泵、塔顶回流泵和再沸器，新增稀液蒸发器B和真空泵等设备管线，精馏塔为利用原2#溶剂塔进行改造，主要是将内部原来的70块浮阀塔板改为两段:下部为浮阀塔板、上部为两段规整填料。工艺操作由原来的单效常压改为三效负压操作。改造新增主要设备见表3。

表3 改造新增设备Tab.3 New equipments for transformation

2.4.2 装置标定

为了准确评价多效蒸发技术改造后的节能效果，对溶剂回收装置装置进行了72 h的标定，标定结果见表4。

表4 装置标定结果Tab.4 Calibration results of the unit

标定期间，稀溶剂进料量为 18.00 t/h，w(DMF)为25.0%，浓溶剂进料量为12.97 t/h，w(DMF)为99.0%，经过两个脱水塔脱水浓缩后，得到浓缩液w(DMF)为60.0%。经过计算两次脱水后，共脱掉水10.5 t/h，从理论上计算，相当于节约蒸汽10.5 t/h。由表4可知，实际节约0.55 MPa蒸汽9.30 t/h。装置标定共节约能量换算为39.4 GJ/t。考虑到蒸发效率的影响，数据吻合，达到设计指标。

2.4.3 改造后装置运行情况

改造后装置运行稳定，操作简单，能够满足长周期运行的要求，蒸汽消耗明显降低，虽因增加了部分机泵而导致用电增加，但装置整体能耗大幅度下降。改造前后装置运行能耗对比见表5。

表5 改造前后装置运行能耗对比Tab.5 Energy consumption contrast of the unit before and after transformation

由表5可知，腈纶产品的蒸汽单耗改造后比改造前降低1.24 t/t，降幅达 14.61%，产品能耗降低5.03 GJ/t，降幅达12.57%，节能效果非常显著。腈纶产品的蒸汽单耗改造后比改造前降低1.24 t/t，改造后全年可以节约蒸汽量 75 001.4 t，每吨蒸汽按185元(税后)计算，改造后可降低成本1 387.53 万元/a。

3 结论

a.齐鲁公司干法腈纶溶剂回收装置经过三效逆流蒸发技术改造后，腈纶产品的蒸汽单耗改造后比改造前降低 1.24 t/t，降幅达14.61%，产品能耗降低5.03 GJ/t，降幅达12.57%，节能效果十分显著。

b.装置改造后，可以降低成本 1 387.53万元/a，提升了干法腈纶产品的竞争力。

［1］汪维良，任铃子，王精铎.腈纶生产工艺:第四讲腈纶干法纺丝［J］.合成纤维工业，1994，17(1):55－59.

［2］金离尘.我国睛纶工业的发展［J］.合成纤维工业，2007，30(5):56－59.

［3］邹志量，夏延致，记全，等.中国腈纶工业的现状和发展方向的探讨［J］.合成纤维，2009，43(6):1－5.

［4］孙晓波，陈锡宏.我国干法腈纶的发展现状与对策分析［J］.合成纤维，2006，40(8):5 －8.

［5］中国化学纤维工业协会腈纶专业委员会.二ΟΟ七年十二月全国腈纶行业技术经济指标汇编［C］.上海:中国化学纤维工业协会腈纶专业委员会，2007.

［6］马国骏.腈纶生产中溶剂硫氰酸钠回收强化技术［J］.合成纤维工业，1999，22(2):26 －29.

［7］徐光明，杨彦功，杜广林.溶剂硫氰酸钠蒸发装置扩产改造［J］.合成纤维工业，2003，26(1):52－54.

［8］岳德隆.蒸发及结晶［M］.北京:纺织工业出版社，1985:1～32.

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。

张沛存(1962—)，硕士，教授级高级工程师，长期从事丙烯腈、腈纶的生产与技术管理。

* 通讯联系人。E-mail:zhangpcun.qlsh@sinopec.com。