腈纶聚合装置提高脱单塔脱单效果的技术改进

曾 化 勇

(大庆石化公司腈纶厂，黑龙江 大庆 163714)



腈纶聚合装置提高脱单塔脱单效果的技术改进

曾 化 勇

(大庆石化公司腈纶厂，黑龙江 大庆 163714)

介绍了腈纶聚合装置脱单塔工艺流程，分析了脱单塔塔底浆液中残余单体含量偏高的原因，为了提高脱单塔的脱单效果，从设备、工艺及操作方面提出了技术改进措施。结果表明：脱单塔填料波纹板变形及破损、脱单塔存在壁流现象及脱单塔蒸汽工艺参数不匹配是影响脱单效果的主要因素；通过更换脱单塔填料及进料喷嘴、优化蒸汽工艺参数等技术改进，脱单塔脱单效果明显提高，残余单体含量降低了37.88%，且节能降耗效果明显。

聚丙烯腈纤维脱单塔脱单效果残单值技术改进

大庆石化公司腈纶厂腈纶聚合装置引进美国氰胺公司专利技术，工艺上采用硫氰酸钠(NaSCN)二步湿法水相悬浮聚合。聚合反应单体的转化率为83%，还有17%的单体未发生反应，这部分单体残留在聚合物浆液中，必须在脱单塔中进行脱除。如果不脱除这些单体，进入物料中影响原液质量，最终影响纤维的性能；在水洗工序，这部分单体会挥发进入空气中，污染环境，伤害员工身体健康。聚合装置共有4条并列的生产线，每条生产线对应1台脱单塔。在生产过程中，脱单塔脱除单体的效果一直不太理想，脱单塔塔底聚合物浆液中的残余单体(主要是丙烯腈)含量(残单值)居高不下，严重影响了两单消耗和外排污水化学耗氧量(COD)值，进而制约着腈纶的生产发展。作者从工艺、设备、操作方面进行了分析，找出了影响脱单效果的主要因素，并加以技术改进，使脱单塔残单值得以大幅度降低。

1　聚合装置脱单塔工艺流程

腈纶聚合装置共有4条并列生产线，每条生产线对应1台脱单塔。从终止罐出来的聚合物浆液经泵输送至脱单塔顶部进料，在重力作用下，聚合物浆液向下流动[1]。0.4MPa蒸汽从塔底部进入，在抽真空条件下，绝压约为26kPa，蒸汽向上流动，与向下流动的聚合物浆液在脱单塔填料表面进行热量交换，将聚合物浆液中残余单体加热到沸点65 ℃以上而挥发；负压下，残余单体和部分水蒸气从塔顶抽走，再经冷却器冷凝形成丙烯腈、醋酸乙烯酯、水的混合液进入倾析罐回收[2]。最后，脱除残余单体后的聚合物浆液从塔底经泵输送至水洗工序。脱单塔工艺流程见图1。

图1　脱单塔工艺流程示意Fig.1　Process flow of monomer recovery distillation column1—脱单塔；2—填料；3—进料喷嘴；4—冷却器

目前，国内腈纶行业各企业的生产工艺不尽相同，只有中国石油大庆石化腈纶厂、中国石化安庆石化腈纶厂、中国石化上海石化腈纶事业部采用NaSCN二步湿法水相悬浮聚合生产工艺，上海石化腈纶事业部的脱单塔结构为浮阀塔，大庆石化腈纶厂和安庆石化腈纶厂的脱单塔结构相同，均为波纹板填料塔。

2　脱单塔存在的问题及原因分析

试验收集4台脱单塔在改进前连续6个月的平均残单值。由表1可以看出，各脱单塔平均残单值都在660mg/kg以上，残单值较高。脱单塔残单值越低，说明脱单塔脱除残余单体的效率越高，效果越好。生产中工艺控制指标要求残单值小于1 000mg/kg。

表1　改进前脱单塔平均残单值

经过对脱单塔在生产运行过程中出现问题的状态分析，以及检修拆塔后对塔内部检查确认，影响脱单效果的主要原因有：

(1)脱单塔填料波纹板变形、破损、减薄、不规整，物料很容易在变形的波纹板积聚，慢慢堵塞整块塔盘，一旦堵塞，聚合物浆液无法向下流动，蒸汽无法向上流动，脱单塔无法运行下去，从而影响脱单效果。

(2)脱单塔存在壁流现象，防壁流圈变形严重，起不到防壁流效果，进入脱单塔的聚合物浆液壁流到塔底，未经过脱单随浆液到下道工序，从而影响脱单效果。

(3)脱单塔蒸汽压力和加入量参数设置不合理。脱单塔蒸汽是加热聚合物浆液的热量来源，如果热值不够，残余单体不能充分受热达到沸点，影响脱单效果。

(4)脱单塔进料流量控制不稳定，使脱单塔传质传热始终处于不平衡状态，影响脱单效果。

3　技术改进措施及效果

3.1技术改进措施

(1)对脱单塔填料进行更换。通过对脱单塔进行物料、能量平衡计算和工艺模拟计算，找出脱单塔填料在运行中不合理的地方，这些不合理的地方在于：浆液在填料内部流动性差，塔内真空度波动时，浆液易附着在填料波纹板表面，传质效率低；填料液泛系数大，浆液不易连续通过填料，会在填料内部滞留，蒸汽和聚合物浆液在填料表面的换热效果差。在重新设计填料结构时，针对传质效率低的问题，通过调整填料盘的高度，利用填料盘与填料盘之间的液体喷溅传质提供填料表面之外的传质面，从而提高传质效率；针对换热效果差的问题，通过调整填料波纹板与水平面夹角角度，使浆液通过性增强，浆液会在波纹板表面散溅，靠大量飞溅的液滴表面和波纹板表面共同换热，增加了有效换热面积，提高了换热效率。

(2)在对新的填料进行重新设计制造时，考虑到原来的防壁流圈容易变形，防壁流效果不理想，所以在新填料的外围包上了引流圈，使脱单塔工作体积最大化，而且还提高了防壁流效果，解决了壁流问题。另外，还增加了填料厚度，保证填料在长周期运行的情况下，能够有较大强度和抗变形能力，从而解决填料腐蚀变形问题。

(3)更换新填料后，对脱单塔蒸汽参数进行优化。首先，保持原来的蒸汽流量参数550kg/h，现场调节蒸汽压力，稳定后采样进行化验分析；然后，蒸汽流量参数设定为650kg/h，现场调节蒸汽压力，稳定后采样进行化验分析。统计数据见表2。

表2　残单值分析统计

由表2可以看出，蒸汽流量适当提高，脱单效果较好。但是，蒸汽流量不能继续提高，因为在生产运行中，蒸汽流量增大，汽速增大，容易产生雾沫夹带，将聚合物带入脱单塔上封头、冷却器内，容易造成冷却器列管结垢堵塞。所以，蒸汽流量确定为650kg/h，蒸汽压力确定为0.21～0.23MPa是比较合适的。

(4)脱单塔进料喷嘴重新设计。脱单塔进料喷嘴原来为挡板式，这种喷嘴使进入脱单塔的物料容易发生喷溅，雾沫夹带现象严重。经过设计，采用螺旋式喷嘴取代原来的挡板式喷嘴，脱单塔进料稳定，物料分散均匀。另外，在操作调节上，不可大幅度调节进料阀门开度，使脱单塔进料始终处于稳定均匀进料状态。

3.2技术改进效果

通过采取以上措施进行技术改进后，脱单塔运行状态平稳。通过连续3个月的残单值收集统计(见表3)，脱单效果明显提高，各脱单塔残单值均在410mg/kg以下，较改进之前的平均残单值(660mg/kg以上)大幅度降低，降低幅度为37.88%。这对降低腈纶两单消耗和外排污水COD值起着非常重要的作用。

表3　技术改进后脱单塔平均残单值

另外，技术改进后，装置外排污水COD值明显降低，技术改进前污水COD值为1 650mg/L，改进后污水COD值为1 430mg/L，降低幅度为13%，这对减轻腈纶装置外排污水的环保压力和后续污水处理都是大有裨益的。

根据改进后残单值的统计计算，可减少单体损耗约20t/a，减少外排污水800t/a，每年可节约成本21万元，节约污水处理费用110万元，每年可获得的直接经济效益合计为131万元。另外，生产运行平稳，可减轻工人的劳动强度，提高设备的运行周期。

4　结论

a. 通过对腈纶聚合装置脱单塔的生产状态分析，影响脱单效果的主要原因为：脱单塔填料波纹板变形、破损造成填料容易堵塞；脱单塔存在壁流现象；脱单塔蒸汽工艺参数不匹配；进料控制不稳定。

b. 通过对脱单塔填料进行重新更换、对脱单塔蒸汽工艺参数优化、进料喷嘴的改进和操作规范化等措施，脱单塔的脱单效果明显提高，残单值降低了37.88%，装置生产运行更加平稳，且节能降耗效果明显。

[1]宋玉国.优化工艺参数提高残单脱除率[J].炼油与化工，2010,21(5):49-50.

SongYuguo.Optimizationofprocessparametersforincreasingresidualmonomerremovalrate[J].RefinChemInd, 2010, 21(5): 49-50.

[2]赵春波.优化聚合脱单工艺提高脱单效果[J].黑龙江石油化工，2000,11(3):12-13.

ZhaoChunbo.Optimizingpolymerizationdemonomerprocessimprovingdemonomerefficiency[J].HeilongjiangPetrolChemInd, 2000,11(3):12-13.

Technological innovation of polymerization unit of acrylic fiberplantforimprovingmonomerrecoverydistillationeffect

Zeng Huayong

(Acrylic Fiber Plant, SINOPEC Daqing Petrochemical Company, Daqing 163714)

Theprocessflowofmonomerrecoverydistillationcolumnofpolymerizationunitofacrylicfiberplantwasintroduced.Thereasonsfortheextremelyhighresidualmonomercontentinthecolumnbottomswereanalyzed.Thetechnologicalinnovationmeasuresweresuggestedforimprovingthemonomerrecoverydistillationeffectofthecolumnfromtheaspectsofequipments,processandoperation.Theresultsshowedthattheprimaryinfluentialfactorsonthemonomerrecoverydistillationeffectincludedthedeformationanddamageofcorrugatedsheetforpacking,thewall-flowphenomenonofthecolumnandthemismatchingsteamparameters;themonomerrecoverydistillationeffectwasprofoundlyimprovedandtheresidualmonomercontentwasdecreasedby37.88%byreplacingthepackingandfeedingnozzleofthemonomerrecoverydistillationcolumnandoptimizingsteamparameters;andthetechnologicalinnovationprovidedasignificantenergysavingandconsumptionreductioneffect.

polyacrylonitrilefiber;monomerrecoverydistillationcolumn;monomerrecoverydistillationeffect;residualmonomervalue;technologicalinnovation

2016- 01-16；修改稿收到日期：2016- 06- 02。

曾化勇(1981—)，男，工程师，主要从事腈纶生产工艺管理。E-mail：zenghuayong81@163.com。

TQ342+.31

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1001- 0041(2016)04- 0069- 03