趙月東

（兗礦魯南化工有限公司，山東滕州 277527）

0 引 言

醋酸是重要的化學(xué)中間體和化學(xué)反應(yīng)溶劑，主要用于生產(chǎn)醋酸乙烯、醋酐、醋酸纖維素、醋酸酯、對苯二甲酸（PTA）、氯乙酸和醋酸鹽等，其衍生物多達幾百種。目前醋酸生產(chǎn)方法主要為甲醇羰基合成法。甲醇羰基合成醋酸工藝于上世紀70年代由美國孟山都公司首創(chuàng)，近年來由于在催化劑研制領(lǐng)域的新進展，甲醇羰基合成醋酸工藝有了一些重大突破，包括BP公司的Cativa工藝、Celanese公司的低水含量工藝、UOP／Chiyoda的UOP／ChiyodaAcetica工藝、Haldor-Topsoe公司的甲醇／二甲醚生產(chǎn)醋酸新工藝以及我國西南化工研究設(shè)計院開發(fā)的蒸發(fā)流程等?？傊?，當前正值我國醋酸工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時期，落后的工藝正在被逐步淘汰，醋酸生產(chǎn)企業(yè)只有不斷地進行關(guān)鍵核心技術(shù)的探索或生產(chǎn)管理精益化，才能在業(yè)內(nèi)保持競爭優(yōu)勢。

兗礦魯南化工有限公司（簡稱魯南化工）的醋酸裝置（2套）是我國自主研發(fā)的首套甲醇低壓羰基合成醋酸工業(yè)化裝置，2套醋酸裝置原設(shè)計產(chǎn)能分別為200kt／a和300kt／a，所采用的技術(shù)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)，是當今極具經(jīng)濟意義的醋酸生產(chǎn)工藝技術(shù)，打破了長期以來跨國公司的技術(shù)壟斷，在經(jīng)濟效益方面具有較強的競爭力。2011—2019年期間，魯南化工經(jīng)過多次產(chǎn)能提升技術(shù)攻關(guān)，2套醋酸裝置挖潛改造后實現(xiàn)了總產(chǎn)能由500kt／a提升至1000kt／a、總產(chǎn)能躋身國內(nèi)前三的目標。魯南化工能取得如此的成績，主要得益于醋酸裝置擴產(chǎn)改造過程中持續(xù)開展技術(shù)攻關(guān)和探索并形成的多項關(guān)鍵核心技術(shù)，以下對有關(guān)情況作一總結(jié)。

1 醋酸合成系統(tǒng)新型換熱技術(shù)

1.1 采用新型換熱技術(shù)前存在的問題

甲醇低壓羰基合成醋酸反應(yīng)為放熱反應(yīng)，合成系統(tǒng)熱量平衡主要通過三個途徑實現(xiàn)：一是閃蒸循環(huán)帶走熱量，約占總反應(yīng)熱的70%；二是通過母液換熱器換熱帶走，約占總反應(yīng)熱的25%；三是精餾系統(tǒng)返回合成系統(tǒng)的稀酸（60℃）和重相（40℃）等物料吸熱，約占總反應(yīng)熱的5%。醋酸合成系統(tǒng)采用新型換熱技術(shù)前，各換熱器均處于滿負荷運行狀態(tài)，由于換熱器冷卻介質(zhì)為循環(huán)水，循環(huán)水與高溫反應(yīng)液的溫差較大，造成反應(yīng)釜溫度不易調(diào)節(jié)，醋酸合成系統(tǒng)溫度波動較大，尤其是當反應(yīng)溫度過高時，反應(yīng)加劇，會瞬間造成原料CO不足，在此情況下催化劑易形成RhI3沉淀，長期如此會造成羰基合成反應(yīng)條件的持續(xù)惡化，并導(dǎo)致催化劑損失。

1.2 醋酸合成系統(tǒng)新型換熱技術(shù)的特點

傳統(tǒng)的循環(huán)水換熱器換熱模式，換熱器管程中的反應(yīng)液溫度為190℃，殼程的循環(huán)水溫度為28～34℃，由于冷熱流體溫差大，導(dǎo)致醋酸合成系統(tǒng)溫度不易調(diào)控，且醋酸合成反應(yīng)熱由循環(huán)水帶走，造成系統(tǒng)熱量的損失和浪費；同時，由于冷熱流體溫差大，異常工況下，換熱器在冷熱介質(zhì)快速切換時，管殼及列管隨著流體溫度的變化而拉伸或收縮，由于管殼與列管的膨脹系數(shù)不同，極易造成列管與固定管板管頭焊縫處撕裂，進而造成換熱列管泄漏。為解決醋酸合成系統(tǒng)熱量平衡問題，通過技術(shù)攻關(guān)，魯南化工在醋酸合成系統(tǒng)采用了新型換熱技術(shù)——在開工泵外循環(huán)管路上增設(shè)1臺新型換熱器（見圖1，圖中的虛線為新增部分）。生產(chǎn)中，190℃的高溫母液與120～130℃的高溫鍋爐水通過新型換熱器的間壁換熱，高溫母液降溫至170℃，達到移出反應(yīng)熱的目的，高溫鍋爐水則吸收反應(yīng)熱而部分汽化，副產(chǎn)0.5MPa的蒸汽并入蒸汽管網(wǎng)供后系統(tǒng)使用；同時，該新型換熱器采用高溫鍋爐水為母液降溫，高溫鍋爐水與母液的溫差較小，相較于采用普通循環(huán)水換熱器對醋酸合成系統(tǒng)溫度進行調(diào)控的模式，其操作調(diào)節(jié)方便且系統(tǒng)運行更穩(wěn)定，通過進一步對DCS多回路控制技術(shù)的研究，利用新型換熱器和普通循環(huán)水換熱器串級多點控制，使得系統(tǒng)的自動化控制程度得到有效提升，從而解決了多年來醋酸合成系統(tǒng)溫度波動大、不易調(diào)節(jié)的疑難問題。

圖1 采用新型換熱技術(shù)后醋酸合成系統(tǒng)流程簡圖

1.3 采用新型換熱技術(shù)后系統(tǒng)運行狀況

采用在醋酸合成系統(tǒng)開工泵外循環(huán)管路上增設(shè)1臺新型換熱器后，新型換熱器利用生產(chǎn)過程中的高溫母液作為熱源副產(chǎn)蒸汽，其既是工藝流程中高溫母液的冷卻器，又是利用余熱提供蒸汽的動力設(shè)備，不僅提升了醋酸合成系統(tǒng)整體的換熱能力，實現(xiàn)了醋酸合成系統(tǒng)溫度的自動化穩(wěn)定控制，滿足了醋酸產(chǎn)能擴至1000kt／a的需要，而且利用高溫母液的余熱副產(chǎn)0.5MPa蒸汽約15t／h，有效降低了系統(tǒng)能耗。

2 反應(yīng)釜流體攪拌技術(shù)

2.1 采用流體攪拌技術(shù)前存在的問題

傳統(tǒng)的醋酸生產(chǎn)工藝中，一般采用機械攪拌技術(shù)（攪拌器）實現(xiàn)反應(yīng)釜中氣液相的均勻混合，然而機械攪拌設(shè)備不僅結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且其軸封及傳動設(shè)備的軸承在運行過程中易損壞，難以保證醋酸裝置的連續(xù)、穩(wěn)定、安全運行。傳統(tǒng)醋酸反應(yīng)釜機械攪拌裝置示意圖見圖2。

圖2 傳統(tǒng)醋酸反應(yīng)釜機械攪拌裝置示意圖

2.2 反應(yīng)釜流體攪拌技術(shù)的特點

為解決傳統(tǒng)醋酸生產(chǎn)工藝中反應(yīng)釜采用機械攪拌技術(shù)存在的問題，通過技術(shù)攻關(guān)，魯南化工在反應(yīng)釜中采用了流體攪拌技術(shù)。流體攪拌技術(shù)充分利用反應(yīng)釜母液自身循環(huán)替代攪拌器的功能，通過改善CO氣及循環(huán)母液分布，實現(xiàn)反應(yīng)釜內(nèi)氣液相的充分混合，不僅使醋酸合成反應(yīng)速率大大提升，而且可避免機械攪拌設(shè)備主體結(jié)構(gòu)中的軸封損壞造成的減量事故。在反應(yīng)釜流體攪拌技術(shù)攻關(guān)過程中，主要應(yīng)用了以下技術(shù)方法開展研究與試驗。

計算流體技術(shù)（CFD）：流體在反應(yīng)釜內(nèi)的流動過程屬三維高速湍流，同時還伴隨著流體的脈動以及隨機湍動，為能夠客觀、準確地評定流動狀況并測定流速，采用計算流體技術(shù)（CFD）的方法對不同工藝條件下反應(yīng)釜內(nèi)流體的流動與混合進行計算預(yù)測。

軟件模擬與攝像對比技術(shù)：為使氣液相的混合效果達到預(yù)期效果，需對氣體分布與液體分布分別進行考慮，并用攝像法記錄試驗結(jié)果，為此，在優(yōu)化方案的設(shè)計中，先對優(yōu)化前氣液分布設(shè)備的混合特性進行了考察，之后提出幾種設(shè)計思想，并用Fluent軟件對各種設(shè)計方案進行對比和試驗研究，以考察各種設(shè)計方案的實際氣液分布效果。

數(shù)值模擬方法：反應(yīng)釜內(nèi)流體為單相液體或氣液兩相混合流體，水的密度為1000kg／m3、粘度為1cP，氣體的密度為1kg／m3、粘度為1cP，在CFD軟件Fluent平臺上，基于雷諾時均方程，結(jié)合標準k-ε雙方程湍流模型，對反應(yīng)釜內(nèi)的三維流場進行數(shù)值模擬，按照增加分布器開孔數(shù)量、調(diào)整氣體分布器開孔尺寸、優(yōu)化液體進口流速、改進液體進口高度、改變液體進口角度、增加噴頭數(shù)量的順序不斷優(yōu)化改進，模擬工況液面壓力分別進行考察，并用攝像法記錄試驗結(jié)果。

試驗結(jié)果表明，采用流體攪拌技術(shù)后的反應(yīng)釜內(nèi)氣液分布均勻，氣體與液體混合效果明顯提升，氣液相接觸面積明顯增大，使得醋酸合成反應(yīng)速率大大提升。于是，根據(jù)試驗結(jié)果，開發(fā)出了新型反應(yīng)釜流體攪拌系統(tǒng)，其關(guān)鍵部件——流體攪拌噴頭和CO分配器的結(jié)構(gòu)示意見圖3。

圖3 反應(yīng)釜流體攪拌系統(tǒng)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)示意圖

針對大容積醋酸反應(yīng)釜單噴嘴流體攪拌及傳統(tǒng)CO分配器無法實現(xiàn)氣液相充分混合的問題，開發(fā)出的新型反應(yīng)釜流體攪拌系統(tǒng)包含流體攪拌裝置和CO分配器。其中，流體攪拌裝置由動力泵、換熱器、流體攪拌管及噴頭構(gòu)成，反應(yīng)液從反應(yīng)釜中部流出，進入動力泵，動力泵出口連接換熱器，通過換熱器對反應(yīng)液進行降溫后，反應(yīng)液從反應(yīng)釜頂部側(cè)向進入反應(yīng)釜繼續(xù)參與反應(yīng)，反應(yīng)釜內(nèi)設(shè)有流體攪拌管，運行時，從反應(yīng)釜頂部側(cè)向進入反應(yīng)釜的反應(yīng)液沿釜壁高速向下流動，帶動周邊的液體發(fā)生矢量的改變，并從反應(yīng)釜下部翻轉(zhuǎn)而上，形成多個主流動層不同的循環(huán)流動狀態(tài)；CO分配器由多層多孔環(huán)式管體構(gòu)成，多層多孔環(huán)式管體俯視角度為同心結(jié)構(gòu)，上管體和下管體通過連接管連接，為使CO原料氣進入反應(yīng)釜后能均勻地分布且與反應(yīng)液充分接觸，在每個環(huán)式管體上半部分分布有多圈氣孔，氣孔直徑由毫米～厘米級調(diào)控至微米～毫米級，通過CO分布器微氣泡技術(shù)研究與應(yīng)用，使得相界面積和氣液兩相傳質(zhì)速率得到大幅提升，從而有效地促進了醋酸合成反應(yīng)的進行。

2.3 采用流體攪拌技術(shù)后系統(tǒng)運行狀況

采用新型反應(yīng)釜流體攪拌系統(tǒng)后，消除了動密封點，解決了傳統(tǒng)機械攪拌設(shè)備的軸封以及傳動設(shè)備的軸承在運行過程中易損壞的技術(shù)難題，極大地提高了系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性；同時，針對大容積醋酸合成反應(yīng)釜單噴嘴流體攪拌及傳統(tǒng)CO分配器無法實現(xiàn)氣液相充分混合的情況，新型反應(yīng)釜流體攪拌系統(tǒng)采用流體攪拌形式，并采用新型CO分配器，CO氣分布更加均勻，氣液相的混合效果得到有效改善，醋酸合成反應(yīng)速率大幅提升，系統(tǒng)反應(yīng)狀態(tài)明顯優(yōu)化，從而為醋酸裝置產(chǎn)能提升至1000kt／a提供了技術(shù)支撐。

3 高速泵國產(chǎn)化技術(shù)

3.1 高速泵國產(chǎn)化前存在的問題

高速泵，又稱高速部分流泵，屬離心泵的一種，在小流量、高揚程參數(shù)范圍內(nèi)（低比轉(zhuǎn)速下）具有性能優(yōu)良、可靠性高和使用壽命長的特點，在石油化工行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。

高速泵國產(chǎn)化之前，魯南化工醋酸裝置共有22臺高速泵，均為美國圣達因公司制造的LMV-311和LMV-322型立式單級離心高速泵，為原裝整機進口設(shè)備，應(yīng)用在醋酸裝置各關(guān)鍵部位。實際生產(chǎn)中主要存在以下問題：①圣達因高速泵技術(shù)含量高、裝配精度要求高、價格昂貴；②隨著近幾年醋酸裝置的產(chǎn)能提升改造，由于圣達因高速泵為部分流限流離心泵，使得先期設(shè)計的高速泵性能參數(shù)已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)產(chǎn)能提升后對其流量和揚程等方面的要求，嚴重制約了擴產(chǎn)后醋酸裝置的連續(xù)化運行，阻礙了醋酸裝置產(chǎn)能的進一步提升，成為制約醋酸裝置產(chǎn)能提升及安全穩(wěn)定運行的瓶頸問題。

在近幾年的醋酸裝置產(chǎn)能提升改造中，如果按照提產(chǎn)改造要求新購高速泵，投入成本太高，且會造成先期設(shè)計產(chǎn)能的圣達因高速泵閑置；而利用原圣達因高速泵進行性能提升優(yōu)化改造，又因關(guān)鍵技術(shù)廠家壟斷（必須從國外引進）而需付出高昂的專利費及優(yōu)化部件費用，如此既會影響醋酸裝置產(chǎn)能提升改造項目的進度，又會大大降低產(chǎn)能提升改造項目的經(jīng)濟效益。因此，如何通過高速泵的國產(chǎn)化，提升高速泵的各項性能，滿足醋酸裝置高負荷、安全、連續(xù)運行要求，并通過高速泵的性能提升研究開發(fā)走出一條國產(chǎn)化技術(shù)研究應(yīng)用的道路、掌握先進的高速泵技術(shù)、減少對外國技術(shù)專家的依賴、節(jié)省高速泵的投資及維修成本，成為魯南化工醋酸裝置產(chǎn)能提升優(yōu)化中的重要攻關(guān)目標。

3.2 高速泵國產(chǎn)化技術(shù)的特點

醋酸裝置中先期設(shè)計的甲醇加料泵及重相泵均為美國圣達因公司制造的高速泵，以這兩類泵為例，高速泵國產(chǎn)化技術(shù)升級改造方案及具體核算如下。

輸出軸（高速軸）軸徑核算：甲醇加料泵和重相泵選用圣達因標準泵軸系列的d＝20mm平鍵驅(qū)動、利用葉輪鎖緊螺母固定葉輪的標準高速軸，并進行國產(chǎn)化的設(shè)計與應(yīng)用。

葉輪輪轂直徑核算：甲醇加料泵原葉輪葉片24片、外徑為120mm，進行模塊式計算并修正后，選用適用于性能曲線上揚截止型的葉片24片、外徑為196mm的整體葉輪，渦室直徑為224mm，對葉輪及渦室進行國產(chǎn)化設(shè)計；重相泵原葉輪葉片24片、外徑為112mm，性能提升后選用葉片24片、外徑為162mm的整體葉輪，渦室直徑為184mm。

擴散器喉部面積（At）的確定：甲醇加料泵采用全蝸殼單喉孔發(fā)散型的擴散器，喉口直徑為16.5mm，并對擴散器及喉口進行國產(chǎn)化設(shè)計；重相泵采用全蝸殼單喉孔發(fā)散型的擴散器，喉口直徑為18.56mm。

擴散器厚度與擴散器壓蓋厚度的確定：性能提升后，甲醇加料泵擴散器厚度優(yōu)化為65mm，擴散器壓蓋厚度優(yōu)化為10.5mm，并對擴散器壓蓋進行國產(chǎn)化設(shè)計及加工應(yīng)用；性能提升后，重相泵擴散器厚度優(yōu)化為64mm，擴散器壓蓋厚度優(yōu)化為24mm。

誘導(dǎo)輪的核算與選型：據(jù)性能提升后高速泵葉輪及蝸室的直徑，誘導(dǎo)輪在圣達因高速泵專用系列中選用適用于高吸入比轉(zhuǎn)速的專用錐形3葉片不等距螺旋誘導(dǎo)輪。

3.3 高速泵國產(chǎn)化技術(shù)應(yīng)用后系統(tǒng)運行狀況

對原有圣達因高速泵國產(chǎn)化技術(shù)的研究與應(yīng)用，是在保持原有泵體、變速箱的基礎(chǔ)上，根據(jù)工況需求，通過研究高速泵流道的設(shè)計，研究開發(fā)出新型國產(chǎn)化技術(shù)的擴散器及擴散器壓蓋，并對相關(guān)配套葉輪、誘導(dǎo)輪等零部件進行相應(yīng)的匹配選型，從而實現(xiàn)高速泵性能的提升和優(yōu)化，確保醋酸裝置各高速泵在高負荷下的安全、穩(wěn)定、連續(xù)運行，從而滿足醋酸裝置產(chǎn)能提升后的連續(xù)化生產(chǎn)運行需求。

4 結(jié)束語

近年來，醋酸市場的持續(xù)低迷和國內(nèi)外產(chǎn)能的不斷擴張，使得醋酸生產(chǎn)企業(yè)之間的競爭愈發(fā)激烈，企業(yè)如不采取積極有效的應(yīng)對措施，必將被行業(yè)淘汰。為此，魯南化工著力于自身實際，苦練內(nèi)功，依靠多年來沉淀下來的醋酸生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)驗，開展了持續(xù)的技術(shù)攻關(guān)，技術(shù)攻關(guān)過程中形成了多項關(guān)鍵核心技術(shù)，如醋酸合成系統(tǒng)新型換熱技術(shù)、反應(yīng)釜流體攪拌技術(shù)、高速泵國產(chǎn)化技術(shù)等，實現(xiàn)了醋酸裝置產(chǎn)能的有效提升，穩(wěn)固了魯南化工在國內(nèi)醋酸領(lǐng)域的地位，同時在一定程度上助推了我國醋酸工業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。