MVR技术在环己酮废碱水浓缩中的应用

王文辉

（中国石化湖南石油化工有限公司，湖南岳阳 414014）

环己酮是一种重要化工原料，具高溶解性和低挥发性，是制造尼龙、己内酰胺和己二酸的主要中间体，同时也是重要的工业溶剂。世界上环己酮生产工艺主要有苯酚加氢法、环己烷液相氧化法、环己烯水合法以及环己烷氧化法。目前有55%的环己酮生产装置采用环己烷氧化法[1-2]，该生产过程中产生的皂化碱液主要通过废碱焚烧处理，进而得到有用的碳酸钠盐以及副产蒸汽。由于废碱焚烧对皂化碱液浓度（固性物含量）有较高要求，皂化碱液经简单分离后尚不能满足，必须进行浓缩，装置上一般采用蒸汽加热浓缩。机械蒸汽再压缩（MVR，Mechanical Vapor Recompression）技术，俗称热泵技术，是一项可对蒸发出的二次蒸汽冷凝潜热重新利用、以减少蒸汽浓缩过程对外界蒸汽需求的先进节能技术。MVR技术应用于环己酮废碱蒸汽浓缩可显著减少蒸汽消耗。该文结合MVR技术在某环己酮装置废碱浓缩上的应用实例，研究工艺、设备运行情况，为MVR技术在环己酮废碱浓缩中的推广应用提供参考。

1 MVR技术废碱浓缩实例

某国内环己酮装置，设计产能10万吨/年，其工艺采用国际主流的环己烷空气氧化法。环己烷与空气氧化反应后产生的氧化产物经分解、皂化后分离出废碱水，碱水量约在8～12 t/h，其固性物含量约20%～30%，碱水密度约1.00～1.10 g/L；而配套装置对焚烧废碱的要求为固性物含量43%～45%，碱水密度≥1.23 g/L，二者相比差距明显，因此需对初步分离的碱水进一步浓缩。

2013年之前该装置一直采用一次蒸汽直接浓缩工艺。通过废碱塔底再沸器对废碱液进行加热浓缩，经蒸发浓缩的塔釜液满足废碱密度要求后通过管道输送至废碱焚烧装置进行焚烧处理。

2013年，该装置将MVR技术引入废碱浓缩工艺。将废碱塔顶部蒸出的蒸汽引入蒸汽循环压缩机，压缩机出口增热增压后的蒸汽大部分进入废碱塔再沸器，作为热源使用，一小部分通过回路管线至压缩机进口，实现了利用废碱水中的水蒸气蒸发浓缩废碱水的过程。改造后废碱蒸发塔顶蒸汽热量得到回收利用，同时减少了塔顶冷凝器的冷却水用量。改造后原流程保留，正常生产情况运行MVR机组，废碱塔顶蒸汽引入蒸汽循环压缩机，MVR机组异常时可切换原流程运行，不影响主装置正常运行。

改造后的流程如图1所示。皂化废碱液从皂化、水洗底部出料至环己烷闪蒸罐（V-241，以下简称闪蒸罐），经闪蒸罐蒸汽加热，罐顶含烷闪蒸汽经回收冷凝器（E-208）和回收尾冷器（E-213）冷凝后，液相排入回收水储槽（V-207），不凝气进入烷塔尾气压缩机进口总管。闪蒸后的废碱液由废碱塔加料泵（以下简称加料泵）泵入废碱闪蒸塔再沸器（E-209）。废碱闪蒸塔（C-204）塔顶的蒸汽经蒸汽循环压缩机（K-240，以下简称压缩机）增压增热后，供E-209循环使用。E-209疏水进疏水收集罐（V-217），经回收水输送泵（P-241A/B）增压，回收水冷凝器（E-241）降温后进入回收水储槽（V-207）。加热蒸发浓缩后的塔釜废碱进入废碱船型槽（V-210），由废碱泵（P-230A/B）输送至废碱罐或者废碱焚烧装置。

图1 MVR废碱浓缩流程

2 项目运行情况

2.1 工艺运行状况

2.1.1 工艺数据分析

该装置运行后，以8小时为分析范围，分别对正常负荷及低负荷条件下的运行工艺参数及浓缩提纯后的废碱固性物含量进行分析，数据分别如表1、表2所示。

表1 正常负荷数据

表2 低负荷数据

由数据可知，在正常负荷及低负荷情况下，经MVR机组压缩做功、切断外界蒸汽供应后，废碱塔釜温、顶温等工艺指标控制稳定，废碱液密度维持在1.21 g/L以上，固性物含量在46%以上，可以达到工艺要求，整体运行平稳。

由于机组没有配套使用变频控制系统，低负荷运行时需打开MVR机组出口回路调节阀组的副线阀，减少机组输出功率，此举会相应降低机组电能利用率。

2.1.2 工艺控制情况

（1）负荷调节

负荷调节是整个MVR系统的核心，影响废碱浓缩程度及外部蒸汽需求量。通过阀组控制MVR机组的有用输出功率和MVR机组进出口压差，调整输出蒸汽热量，进而控制废碱塔釜温度。该回路调节阀组能够实现自动调节。

（2）返冷水开度

MVR机组流程上设置有返冷水流程，即将外部温度较低的水通入机组内，一是降低机组出口温度，二是产生蒸汽以适当补充蒸汽量。对于该装置而言，返冷水开度主要用于控制机组出口温度，开度调整通过手动阀门进行。

（3）废碱进料输送

投用废碱塔MVR系统需配套使用废碱闪蒸罐和废碱输送系统，皂化废碱液从皂化、水洗底部出料至废碱闪蒸罐进行蒸汽加热，罐顶含烷闪蒸汽经回收冷凝器和回收尾冷器冷凝后，产生的液相排入装置冷凝液回收水储槽，不凝气进入装置尾气压缩机。闪蒸后的废碱液由废碱塔加料泵送入废碱闪蒸塔再沸器。运行中，通过控制废碱加料泵出口的调节阀组来控制进入废碱塔的流量和废碱闪蒸罐的液位，可以实现自动控制。

（4）疏水输送

MVR机组出口供应废碱塔再沸器使用后，冷凝的疏水经回收水输送泵增压、回收水冷凝器降温后进入装置冷凝液回收水储槽。系统通过泵出口的调节阀组进行液位自动控制。

（5）机组联锁

MVR机组设置了两个工艺联锁，一是机组出口温度过高，二是进出口压差过高。当机组出口温度超过128 ℃，进出口压差超过54 kPa时，机组联锁停机并自动切换流程。两个联锁的设置目的均是保证机组的安全。

（6）不凝气

考虑到进废碱塔原料废碱中存在部分不凝气会影响蒸汽品质和传热效果，在进废碱塔之前的流程上设置了一个特有的闪蒸罐，让原料废碱中的不凝气以及低沸点的有机物在罐内闪蒸，再通过闪蒸罐系统顶部管线排放至尾气管线。另外，废碱塔的再沸器顶部设置了不凝气排放管线，用于不凝气的进一步排放。

（7）废碱塔内操作压力

因MVR机组进口气源为废碱塔顶的汽化蒸汽，MVR机组运行后，进口会产生强大吸力使塔内压力降为负压。但压力的改变对废碱塔工况影响不大。

2.2 设备运行状况

2.2.1 机组风机

因MVR机组出口温度较高，为保护机泵机组，风机必须与机组同步运行。

2.2.2 机组主机

机组主机的电流及轴承温度均处于允许范围内，但由于机组本身建设在架空层上，振动超过允许值。经减震改造，振动值有所减小，但仍处于高位。

2.2.3 废碱输送系统

废碱输送系统由废碱闪蒸罐及配套的两台机泵组成，通过机泵出口的调节阀来控制液位保持稳定，机泵运行平稳。

2.2.4 再沸器疏水罐系统

MVR机组出口的蒸汽进入再沸器换热冷凝后，进入再沸器疏水罐，疏水经输送泵送入水槽供其他工序使用，使机泵运行稳定。

2.3 节能创效效益分析

2.3.1 正效益

MVR机组投入运行后可有效回收废碱塔顶蒸汽热量，该部分蒸汽经压缩加温加压后用于废碱塔再沸器，相当于大部分蒸汽潜热得到了重复利用，加上返冷水的补充，废碱塔底部再沸器可直接停用外部公用工程提供的低压蒸汽；同时，废碱塔顶蒸汽冷凝器热负荷下降，循环水用量相应减少。根据测算，废碱塔每小时蒸汽消耗为4 t/h，循环水价值较低，此部分效益暂忽略。

2.3.2 负效益

正常运行情况下机组运行需要增加部分电耗，主要来自以下三部分：MVR机组（355 kW·h），废碱输送泵（5.5 kW·h），疏水输送泵（5.5 kW·h）。

2.3.3 效益测算

按照电价0.68元/kW·h，蒸汽价格214元/t计算，可知每小时产生效益214×4–（355＋5.5＋5.5）×0.68＝607.12元，如表3所示。

表3 效益测算

按照年生产时间8 000小时计算，每年可产生效益607.12×8 000=485.7万元。

上述效益测算采用企业内部能源价格，改造后节能效果明显，但涉及厂区蒸汽与用电的使用平衡，需根据企业实际汽、电平衡合理安排运行模式。

3 项目运行探讨

3.1 返冷水供给方式

疏水除去被利用的部分外，还有部分直接外排。如能将疏水直接用于MVR机组的返冷水，可减少外部的供水消耗。然而，疏水流量并不稳定，在以稳定疏水罐液位为控制目标的前提下，疏水外送存在中断的可能。返冷水虽用量较小但不能中断，一旦断供，MVR机组出口温度会迅速升高，引起联锁停车。因此，返冷水一般由外部直接供给，虽增加了一次水消耗，但能够保证机组的平稳运行。若在后续改造中可保证疏水作为返冷水稳定不断流，该供给方式则较为理想。

3.2 废碱闪蒸罐除沫

流程中为去除废碱内的环己烷等有机相，设置了一个环己烷闪蒸罐，该闪蒸罐顶部气相管线直接与原废碱闪蒸塔气相管线相连，冷凝水会部分排往污水系统。因该闪蒸罐气相管线设计较短，如来料量或闪蒸罐蒸汽压力波动，则会造成环己烷闪蒸罐液位和温度波动，导致闪蒸罐内产生大量的废碱泡沫，随冷凝水进入污水系统，引起环保事故。因此，废碱闪蒸罐的液位和温度控制十分关键。增大废碱闪蒸罐体积、增加闪蒸罐顶部气相管高度被认为是非常好的改造方向，能够大幅降低碱水进入污水系统的概率。

3.3 MVR机组的长周期运行

由于是在环己酮废碱浓缩领域首次使用MVR技术，缺乏有效的参考资料，最初MVR进口管线被设计成翻高后进入机组，没有充分考虑蒸汽冷凝水在翻高管线内聚集的影响。在实际过程中，会有冷凝液在进口管中不断形成，到达一定量后会突然封住进口管，造成机组做功迅速增加，引发机组联锁停车。装置目前采用的临时解决办法是定期抽出进口管内的凝结水。改造进口管配管方位或增加进口管分液罐是两种解决进口管冷凝水聚集的办法，实施后可从根本上解决MVR机组进口管积水引发跳停的问题。

3.4 废碱水浓度、蒸汽消耗和电耗之间的平衡

废碱水的浓度是一项硬性指标，实际需要关注的是在保证废碱浓度的情况下，优化蒸汽和电使用。对于项目而言，可由蒸汽、电的用量和价格计算出蒸汽消耗和电消耗的理论临界点，即：（355＋5.5＋5.5）×0.68/214＝1.16 t，当废碱塔所需蒸汽量＜1.16 t时，使用外部蒸汽比使用MVR机组更为经济。需要注意的是，由于原料废碱的固性物含量随上游工况变化而变化，需技术人员对MVR机组的运行做好跟踪和分析，判断废碱塔所需蒸汽消耗量， 根据装置实际选取更为经济的能源消耗方式。另外，蒸汽价格和电价的变动等因素也会对蒸汽和电量的使用选择造成影响。

3.5 水洗工序优化

环己酮氧化液经分解反应后，进入皂化水洗工序，经第一、第二水洗分离器，通过加入洗水对其中的碱水相和有机相进一步分离。项目改造前，为控制装置废碱塔能耗、保证外送废碱液浓度，洗水量控制在1.0～2.0 m3/h之间，但无法保证碱水分离效果。经改造，MVR系统投入正常运行后，装置一洗、二洗洗水加入量可调大至3.0 m3/h以上，以增强水洗液的碱水分离效果，从而减少随有机相带至烷塔系统的碱水量，降低烷塔再沸器结垢速度，延长烷塔再沸器运行周期。

4 总结

国内首次将MVR技术应用于环己酮行业废碱液浓缩领域，装置的应用实例表明MVR技术在环己酮废碱浓缩项目上可行，可显著降低装置低压蒸汽消耗；虽会增加一定电耗，但总体节能效果明显，每年可创效约486万元。由于是在环己酮废碱浓缩领域首次应用，项目还存在一些缺陷或待优化点，优化后可保证MVR技术在环己酮装置废碱浓缩工序中有更好的实践和应用，并对后续MVR技术在废碱浓缩及其他类似浓缩蒸发领域的推广应用提供参考。