AKD装置光气破坏工艺优化

2018-04-24刘金萍黄云浩

中国氯碱 2018年3期

刘金萍，黄云浩

（中海油石化工程有限公司，山东济南 250101）

1 概述

烷基烯酮二聚体（AKD）是目前化学工业中一种比较先进的中性造纸施胶剂[1，2]。AKD的主要生产工艺是硬脂酸同光气反应生成硬脂酰氯、HCl和CO2气体，然后再进行缩合反应。光气破坏是该工艺的安全吸收工段，主要目的是用NaOH溶液吸收事故状态下系统内的光气和HCl气体，并达标排放[3]。其主要反应如下：

所有反应全部为放热反应。由于与碱液的反应速度是HCl〉光气〉CO2，且光气吸收效率受限于NaOH溶液的浓度，要想光气排放浓度达标，碱液浓度必须控制在5%以上。

目前中国现有的光气破坏工艺装置图见图1[4]。

主要工艺流程如下：事故状态下，来自光气合成及光化过程的废气和大量事故光气进入光气破坏塔，与塔顶喷淋的碱液进行中和反应；随着反应的进行，碱液浓度逐渐降低，待碱液浓度降低到一定程度时，塔底碱液储槽排出阀门开启，低浓度碱液排出。待塔底碱液储槽低至一定液位时，开启碱液储槽进料阀，将碱液储槽液位升至规定高度。由于光气等气体与碱液反应放出热量，故在碱液循环管路设换热器将系统中的热量移出。光气破坏塔顶设置2台引风机（1开1备），可维持系统负压状态。处理后的气体进入塔顶分离器，再经引风机达标排放至大气。事故状态下为了将光气完全破坏以达标排放，装置内采用了大量的碱液与光气反应。

图1 光气破坏工艺流程示意图

非事故状态下，进入光气破坏塔的光气量较事故状态下小得多，但为了维持系统的稳定性，塔内碱液循环量与事故状态下相同，这使得大量碱液与空气中的二氧化碳反应，造成了碱液的浪费，生产成本较高，废水量较多。

由于两种状态下大量碱液均在系统中循环，使得相关机泵、碱液罐、换热器及连接管道等选型较大，装置能耗较大，设备投资及操作费用均较高，并且工艺装置的生产规模及扩能改造也受到了极大的制约。因此降低光气破坏装置的能耗和投资，提高破坏塔的吸收效率具有重要意义。

2 工艺优化

通过对制约原有光气破坏装置能耗和投资的主要原因进行分析，并且有针对性的对光气破坏装置进行优化，提出了一种吸收效率高、碱液消耗量低、检修次数少、生产成本低的光气处理装置，见图2。

2.1 优化填料选型，控制碱液pH值

事故光气中含有大量的CO2气体，NaOH溶液与CO2反应生成Na2CO3和NaHCO3，如果填料类型选择不当，填料直径太小，Na2CO3和NaHCO3容易析出堵塞填料，造成塔的维护量大。

图2 优化后光气破坏工艺流程图

对此，光气破坏塔材质采用碳钢内涂环氧树脂，填料选择DN50的聚丙烯鲍尔环，耐腐蚀性好，且较现有的以哈氏合金为材料的光气破坏塔的成本低。同时控制塔内碱液的pH值在8.0～9.0，pH值小于9时需及时将碱液排出，补充新鲜碱液，保证Na2CO3和NaHCO3低于饱和浓度，防止结晶析出。

通过优化填料选型和准确控制塔内的pH值，达到了控制Na2CO3和NaHCO3浓度的目的，降低了正常状态下光气破坏塔的堵塞频率，减少了检修次数，延长了装置的操作时间。

2.2 正常工况减少碱液循环量，制定事故工况的应急措施

正常工况下没有光气泄漏时碱液在塔内也会与空气中CO2反应，造成碱液消耗量大，泵和风机耗电量高，设备选型大，废水量大，不经济。为此，采用正常工况减少碱液循环量，并制定事故工况应急措施的方案。

光气破坏塔底设12%～15%碱液储槽，塔顶设20%～25%应急碱液高位槽，塔底设置3台碱液循环泵（1开2备），塔顶设置2台风机。正常状态下只需开启塔底1台碱液循环泵使得12%～15%碱液在塔内循环，塔顶开启1台风机，碱液满足塔的最小润湿面积即可。事故状态下开启塔底另外1台碱液循环泵和塔顶另1台风机，同时20%～25%应急碱液可从光气破坏塔顶部迅速进入塔内与光气反应，提高了吸收效率，降低了正常状态下对碱液和电的消耗。

设置应急碱液高位槽，大幅度减小了塔底碱液储槽的容积和装置占地面积，同等规模下所用机泵、换热器和管线的尺寸和容量随之减小，节省了投资费用。

2.3 改变操作和控制方案

正常工况和事故工况塔的进气量和进气组成不同，塔内压力波动较大，操作不够稳定和灵活。因此，需要改变操作和控制方案。光气破坏塔顶部设置压力调节阀，避免进塔光气量减少时塔内压力偏低对塔的影响，可提高塔的操作稳定性和系统的安全性。

塔底碱液循环泵、塔顶风机和应急碱液进塔管线开关阀均需设置SIS联锁，事故状态下触发该联锁，打开应急碱液开关阀、启动另一台碱液循环泵和另一台塔顶风机，使塔在大碱液循环量下运行。根据塔釜pH值自动控制碱液排出量，当塔釜pH值小于9时，需及时将碱液排出并补充新鲜碱液，保证塔内Na2CO3和NaHCO3浓度低于饱和浓度，减少堵塞。

根据实际工艺的需要，可以将风机设置在光气破坏塔顶部或者塔中部光气总管上。前者适用于敞开式厂房，后者适用于封闭式厂房。优化控制方案后，装置适用范围变泛，操作更灵活。

3 光气破坏塔的模拟计算与优化

以甘肃银光聚银化工有限公司2万t/a AKD技改项目为例，对光气破坏塔进行计算。单个光化反应器的事故光气组成见表1，新鲜碱液浓度为15%NaOH。

表1 事故光气组成

3.1 碱液循环量的计算

根据光气破坏反应式（a）（b）（c）计算碱液消耗量，碱液排出时浓度为9%。

所消耗的碱液量：

根据设计经验，事故工况下所需的碱液体积为120 m3/h，正常工况取体积为60 m3/h。

3.2 泛点气速和压降

气体质量流率：G=3 720 kg/h；

液体质量流率：L=120×1 125=135 000（kg/h）；

气体密度：ρG=2.013 kg/m3；

液体密度：ρL=1 125 kg/m3；

液相粘度：μL=1.2 cp；

由于物料为腐蚀性介质且容易结晶析出，填料选DN50的聚丙烯鲍尔环，查得填料因子：φF=140

采用Eckert压降通用关联图[5]，横坐标：

进而可查得纵坐标：

得出液泛气速：UGF=0.74（m/s）。

取空塔气速为液泛气速的70%，则空塔气速：

U0=0.74×70%=0.518（m/s）。

塔径：

则气体的实际流速：

液泛因子：

由此计算塔的实际压降，已知X=1.495，

查Eckert通用关联图得：

由于光气破坏塔为带化学反应的吸收塔，且化学反应复杂，填料高度只能由经验或实验装置测得，根据以往项目经验，此塔填料高度选取11 m。则塔压降：ΔP总=8×11 mmH2O=0.86（kPa）

3.3 最小喷淋量的计算

式中：σ—填料的比表面积，m2/m3；Umin—最小喷淋密度，m3/（m2·h）；Lmin—最小润湿速率，m3/（m·h）。

光气破坏塔填料选择DN50的聚丙烯鲍尔环，Lmin为0.08 m3/（m·h），σ为130 m2/m3，代入式（1）计算得Umin=10.4[m3/（m2·h）]。

式中：Vmin—最小喷淋量，m3/h；S—塔截面积，m3/（m·h）。

由3.2所知，塔径为2 m，填料高度11 m，则Vmin=32.66 m3/h〈60 m3/h。所以正常状况下选用60 m3/h的喷淋密度可以满足最小喷淋密度要求。

3.4 塔温升计算

根据光气破坏反应式（a）（b）（c）计算反应的放热量如下：

则总放热量为Q=10.038 106 kJ/h。

取 NaOH 溶液的比热容为 C=3.8（kJ/kg·℃），由于塔顶蒸汽带走热量较少可忽略，假设反应放热全部由碱液吸收。

塔内碱液温升为：

塔的温升取保守值为25℃。故而塔顶循环碱液进料温度应该定为40℃为合适，则塔釜温度为65℃左右。此外为加快碱液带出热量的速度，碱液喷淋密度尽可能的选取大值。

3.5 其他设备选型与优化

由上面计算可知，事故状态消耗的碱液量：

2.01 +1.23+2.46=5.7（t/h）（以 NaOH 计）。

要求事故光气在0.5 h内处理完毕，则此时系统内储存的碱液量应为：

5.7 ×2=11.4（t）（以 NaOH 计）。

选择塔底碱液储槽体积为65 m3，塔顶碱液高位槽体积为20 m3，此时装置内碱液储量为：

20×0.8×1 200×0.2+65×0.8×1 125×0.15=12.6（t）〉11.4（t），满足要求。

由于事故工况下所需的碱液体积为120 m3/h，正常工况取体积为60 m3/h，则选取塔底3台泵的流量均为60 m3/h。正常工况时1台泵运转，1台泵备用，事故状态时开启另一台泵。换热器换热面积为198 m2，循环水流量为138.6 t/h（温度由32℃升至40℃）。风机风量4 000 Nm3/h，塔顶压力-6 kPa。

通过以上对光气破坏装置的工艺优化和设备选型，将现有运行项目与优化后项目进行对比，结果见表2。