聚合装置生产能力的提升

孙志刚，田智龙，郑云龙

(中盐吉兰泰氯碱化工有限公司，内蒙古 阿拉善 750336)

2016年，我国PVC产能2 400万t/a，装置开工率维持在60%～80%，市场竞争激烈。只有具备成本优势、质量优势的企业才能在竞争中占得先机。降低PVC成本的一个有效手段就是提升产能。为了提升聚合装置产能，中盐吉兰泰氯碱化工有限公司树脂厂(以下简称中盐吉兰泰)通过分析、研究找到了攻关方向，消除了装置瓶颈，并进行了技术创新和系统改造，使40万t/a PVC装置产能提升了2万t/a。

1 攻关方向

中盐吉兰泰PVC装置于2011年全面竣工，装置运行逐渐稳定，聚合产能逐步提升，但与理想产能还有一定差距。技术人员在生产运行中不断摸索、试验和研究，逐步确立了提升产能的方向：①缩短聚合辅助时间；②缩短聚合反应时间。在生产天数相同、转化率基本相同的情况下，缩短单釜生产时间，就意味着提升生产效率，从而获得更大的产能。

(1)缩短聚合辅助时间。

缩短聚合辅助时间主要是提高聚合的加料速度和出料速度，尽量减少时间的浪费。根据装置自身的特点，中盐吉兰泰将工作重点主要放在缩短加料时间上。

(2)缩短聚合反应时间。

缩短聚合反应时间的重点是在聚合反应剧烈期尽可能快地移除反应热。在换热面积不变的情况下，提高移热效率就需要保证聚合釜换热部分的传热系数，同时尽量加大聚合反应与换热介质的温差，因此保证传热效果和降低循环水温度就成为主要的攻关方向。

2 缩短聚合加料时间

2.1 聚合加料过程

由电厂送来的去离子水经过脱氧塔脱氧后，进入冷纯水储罐；储槽中的冷水经板式换热器加热后进入热纯水储罐。加料前须涂釜，以防止粘釜，然后打入冷纯水、回收单体和新鲜单体，再打入热纯水，达到反应温度后开始反应。此加料过程其他PVC企业大约需要70 min，而中盐吉兰泰由于生产系统存在缺陷，需要80 min才可完成，具体时间如下。

(1)喷涂防粘釜剂，以防止PVC浆料粘壁，此过程需要约15 min。

(2)按配方将冷纯水与各种助剂一起加入釜内，此过程需要约15 min。

(3)将回收单体与新鲜单体按配方加入聚合釜内，此过程需要约30 min。

(4)将热纯水按配方加入聚合釜内，高温水与釜内物料直接接触，将反应液温度提升至接近聚合温度，此过程需要约15 min。

(5)将热水通入聚合釜夹套进行间接强制升温，直至釜内温度达到反应温度，此过程需要约5 min。

2.2 入料控制瓶颈问题

(1)中盐吉兰泰的顺序入料技术具有控制平稳、产品质量波动小及操作简单等优点，但由于步序偏多，存在入料时间长的缺陷。目前国内同行企业常用的等温水入料技术可实现热纯水与单体同时加入，步序较少，既缩短了入料时间，也提高了反应前的升温效果，同釜型下，以上两个过程时间可控制在25 min以内。而中盐吉兰泰入料时间明显偏长，导致聚合整体周期长，产能受限。

(2)国内同釜型企业单体加入时间大体上控制在20 min以内，而中盐吉兰泰由于单体泵设计能力偏小，使得加入时间在30 min左右，同样拉长了聚合周期。

(3)中盐吉兰泰入料过程末段釜内温度偏低，造成最后强制升温时间偏长。

2.3 缩短入料时间的改造方案和效果

2.3.1 冷水单体混入技术

目前，PVC悬浮聚合主流的加料方式有2种：①等温水加料，②顺序加料[1]。中盐吉兰泰采用的是后者，这种方式每一步都独立进行，所需时间较长；另外，在每步程序进行切换时，都需要等待启动泵或打开自动阀的回馈时间，延长了整个聚合周期，不利于产能的提升。

中盐吉兰泰的优化方案为：在冷水加入程序开始的同时启动单体加入程序，即冷水和单体同时加入，节省了冷水的加入时间。这种入料方式的最大风险在于单体与各种助剂若不能均匀混合，将会产生粗料。技术人员通过大量数据评估，确认中盐吉兰泰搅拌系统在入料和反应过程中能使冷水和单体充分搅拌，形成均匀液滴，从而避免粗料的产生。另外，冷水和单体加入过程并非同时结束，加完冷水后，还需大约15 min剩余单体才能加完，这与修改前的工艺完全一致，因此风险较小。

以上工艺试运行时，聚合整体入料时间缩短约10 min，效果显著，成功实现了缩短聚合入料时间的目标。

2.3.2 入料单体泵改型

单体加入时间是聚合入料时间的重要组成部分，提高单体加入速度是缩短加料时间的关键。中盐吉兰泰通过采用上述冷水和单体混入技术，缩短了部分时间，但冷水加完后，单体还需要15 min才能加完，仍有继续提升的空间。通过仔细查阅相关技术资料，认为可通过更换单体泵来提升单体加入流量。2016年9月，利用年度大修机会对单体泵进行了更换，使新鲜单体输送流量由1 500 kg/ min提升至2 500～3 000 kg/min，加完冷水后，只需要继续加10 min单体就可以达到配方量，单体加入时间较改造前缩短了5 min。

2.3.3 冷纯水升温改造

根据现有工艺，单体加完后，需要加入热纯水进行升温，从而使聚合体系达到反应温度，因此热纯水的温度非常关键。中盐吉兰泰首先增加了冷纯水与热纯水换热器的换热面积，期望通过增大换热面积来提升热纯水温度，但由于现场设备及管道的限制，热纯水温度有所增加但未达到理想值，同时带来了新的问题，即增加换热器后需要使用更多的蒸汽，蒸汽换热后产生的乏汽无法处理。因此又将研究重点转移至提升冷纯水温度来减轻换热器的升温压力，同时有效利用换热器产生的乏汽。

经过多次论证后，在冷纯水管道上增加了换热器，利用蒸汽乏汽对其进行升温，取得了明显的效果。新增换热器后，入料冷纯水温度由15～20 ℃提升至30 ℃以上，热水加入时间及强制升温时间由原来的20 min缩短至15 min，加料时间节省了约5 min。

2.3.4 小结

通过技术创新、工艺及设备改造，加料时间由80 min缩短至60 min，缩短了20 min；加料效率的提升使聚合釜利用率提高，产能提升了1.5万t/a以上。

3 缩短聚合反应时间的研究

3.1 聚合反应时间影响因素

聚合反应时间主要受引发体系与聚合釜换热能力的影响。中盐吉兰泰使用过氧化物复合引发剂，使用效果良好，无须改变。聚合釜换热方面，釜壁采用半管夹套换热，冷却水系统最初设计时夏季采用15 ℃水换热，冬季采用循环水换热，但15 ℃水机组能耗较大，为节能降耗，聚合换热只采用了循环水。

聚合反应时间主要由引发剂加入量决定，而引发剂的加入量主要取决于反应能否控制平稳，反应控制的关键是聚合过程中能否有效移除反应热。

根据移热公式，移热量为导热系数、换热面积及换热介质温差的积。在不增加换热面积且聚合反应温度和换热介质不变的情况下，提高聚合釜的导热系数、降低循环水温度成为移除反应热的关键。

3.2 化学清洗聚合釜夹套，保证传热效果

由于中盐吉兰泰聚合釜夹套长时间通循环水，夹套内水沉淀物滋生，造成夹套及内冷管传热效果变差，从而使反应不能按预期进行，出现高温、高压现象，制约了PVC装置产能的提升。针对这一问题，通过对聚合釜换热情况进行评估，决定制定聚合釜夹套化学清洗计划，并请业内清洗专家到厂研究、制定方案，随后逐台进行化学清洗。通过化学清洗，可以有效除去聚合釜夹套的水垢、杂质。清洗后夹套换热能力显著提升，为聚合装置产能的释放提供了基础。

3.3 优化聚合冷却水系统，增强换热能力

3.3.1 循环水系统补水外接冷源

通过与周边企业比较，发现中盐吉兰泰循环水温度明显偏高，为此，中盐吉兰泰积极寻找冷源，对循环水进行换热。通过对周边企业进行综合评估，发现一家企业的地下水管道可以用来换热。通过改造循环水池补水管线，增加板式换热器，使循环水与地下水进行热量交换，利用地下水温度低(14～16 ℃)的特点降低循环水温度。2014年改造完成后，夏季循环水最高温度控制在26 ℃，较往年同期降低1 ℃左右。

3.3.2 聚合循环水系统增加冷却塔

2016年6月，通过分析、计算，技术人员发现中盐吉兰泰循环水总系统冷却能力有富余，故切出1组冷却塔专供聚合系统，使聚合循环水干、湿球温差达到3 ℃以内，夏季循环水温度又降低了2 ℃以上。

3.3.3 小结

经以上改造后，聚合反应时间整体缩短约10 min，产能较往年提升约5 000 t/a。

4 结语

在PVC生产中，通过认真评估系统，积极消除瓶颈，对自身工艺进行改进与创新，在不增加大型设备的情况下，也可以达到提升装置产能的目的。中盐吉兰泰通过对聚合辅助时间、反应时间的系统评估，进行了有针对性的改造，从一定程度上解决了夏季产能受限、入料时间偏长等瓶颈问题，通过创新成果的巩固和管理措施的完善，使40万t/a聚合装置产能提升了2万t/a。

[参考文献]

[1] 严福英.聚氯乙烯工艺学[M].北京：化学工业出版社，1990：108.