СПОСОБ И АППАРАТ ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА В УСТАНОВКАХ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОМЕРА ВИНИЛХЛОРИДА ИЛИ В ИНТЕГРИРОВАННЫХ УСТАНОВКАХ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МОНОМЕРА ВИНИЛХЛОРИДА/ПОЛИВИНИЛХЛОРИДА
METHOD AND DEVICE FOR HEAT RECOVERY IN PLANTS FOR PRODUCING VINYL CHLORIDE MONOMER OR IN INTEGRATED PLANTS FOR PRODUCING VCM/PVC

Данное изобретение относится к способу и аппарату для получения 1,2-дихлорэтана (в дальнейшем "DCE") и нацелено на эксплуатацию дистилляционной колонны для получения 1,2-дихлорэтана при температурах, достаточных для выделения пригодного к применению тепла путем конденсации по меньшей мере части верхнего потока (паров) из колонны, но не настолько высоких, чтобы причинить вред отогнанному DCE вследствие термического разложения.
Конкретно, данное изобретение нацелено на применение тепловой энергии, возвращенной наверх дистилляционной колонны для передачи тепла к теплоотводам в установке для получения мономера винилхлорида или в комбинированной установке для получения мономера винилхлорида (далее "VCM") и поливинилхлорида (далее "PVC").
DCE преимущественно применяют в качестве промежуточного продукта для получения мономера винилхлорида, который в свою очередь применяют в качестве исходного материала для получения поливинилхлорида. Преобразование DCE в мономер винилхлорида также выделяет хлороводород HCl. HCl предпочтительно применяют для получения DCE посредством оксихлорирования этена с помощью HCl и кислорода. Альтернативный путь к DCE лежит через прямое хлорирование этена хлором. В крупнотоннажном промышленном получении DCE применяют оба пути, поэтому полученный хлороводород и израсходованный хлороводород находятся в балансе в соответствии со следующими уравнениями реакций:
2
2
4
2
4
2
Cl+CH→CHCl+218 кДж/моль
2
4
2
2
3
CHCl→CHCl+HCl - 71 кДж/моль
2
4
2
2
4
2
2
СН+2HCl+½O→CHCl+НО+238 кДж/моль
Комплекс установок для получения мономера винилхлорида (далее называемый "комплекс VCM") состоит главным образом из:
- установки для получения 1,2-дихлорэтана (DCE) из этена и хлора ("прямое хлорирование", необязательный компонент установки); и
- установки для получения 1,2-дихлорэтана из этена, хлороводорода и кислорода ("оксихлорирование"); и
- установки для дистилляционной очистки 1,2-дихлорэтана (получение подаваемого DCE); и
- установки для термического расщепления дистилляционно очищенного подаваемого DCE на винилхлорид и хлороводород; и
- установки для дистилляционного удаления хлороводорода и непрореагировавшего 1,2-дихлорэтана, а также для очистки мономера винилхлорида.
Хлороводород, полученный путем термического расщепления 1,2-дихлорэтана, возвращается в установку для оксихлорирования и снова вводится в ней в реакцию с этеном и кислородом с получением DCE.
Стадии реакции прямого хлорирования и оксихлорирования являются сильно экзотермичными, тогда как термическое расщепление DCE на VCM и хлороводород эндотермично.
Описанный выше комплекс VCM может работать в сбалансированном режиме, при котором весь DCE, полученный в установке, также обрабатывают далее в установке VCM, и/или нет необходимости в импорте DCE.
Помимо вышеуказанного сбалансированного режима эксплуатации существуют также режимы/установки для получения DCE, в которых количество DCE, которое было бы получено на стадии прямого хлорирования сбалансированного режима, полностью или частично замещается импортированным DCE. Этот рабочий режим или конфигурация установки известен специалистам в данной области техники как несбалансированный.
Существует еще один несбалансированный способ эксплуатации, при котором компонент установки для получения DCE выделяет больше DCE, чем потребляется в термическом расщеплении до VCM. Этот избыточный DCE подвергают дистилляционной очистке и затем выводят в коммерческий оборот как "продажный DCE". Режим "продажного DCE" обычно задействует больше колонн для выделения DCE, чем другие режимы. Эти дополнительные колонны представляют дополнительные теплоотводы и могут работать от тепла из других частей установки.
2
Из предыдущего уровня техники известны многочисленные операции для сбережения энергии/утилизации тепла в установках для получения VCM и PVC. Меры этого типа ведут к заметному снижению эксплуатационных расходов и поэтому вносят очень значительный вклад в экономическую эффективность установки. Меры этого типа аналогично также вносят значительный вклад в снижение выбросов CO установки.
Они также включают операции, посредством которых тепло реакции, выделенное при экзотермичных стадиях реакции, применяют для подачи тепла к теплоотводам в способе. Например, тепло реакции, выделенное при реакции оксихлорирования, применяют для образования пара, который могут применять, например, для нагревания подогревателей реагентов или дистилляционных колонн.
Благодаря относительно высокому уровню температуры реакции оксихлорирования полученный пар пригоден для нагревания большей части теплоотводов в способе. Следует понимать, что этот пар предпочтительно применяют для подвода тепла к теплоотводам, которые сами требуют относительно высокого уровня температуры.
Количества пара, полученного в установке для оксихлорирования, недостаточно для нагревания всех теплоотводов в комплексе установок для получения VCM. Соответственно, поиски вариантов утилизации тепла/энергосбережения велись далее.
Одной возможностью является применение тепла реакции из реакции прямого хлорирования, которое получается при более низком уровне температуры, чем для реакции оксихлорирования. В литературе для этого имеется множество предложений.
DE 3225732 А1, например, предлагает применение рециркулирующего потока жидкой реакционной среды из стадии прямого хлорирования для нагревания дистилляционной колонны.
DE 3137513 А1 предлагает применение тепла реакции для отопления помещений или для получения пара. Однако в отношении получения пара через тепло реакции из стадии прямого хлорирования имеется возражение в том, что для этого температура реакции должна быть повышена до значения, которое само по себе сильно способствует образованию побочных продуктов, что в свою очередь негативно сказывается на экономической эффективности способа. Одним из выходов может быть механическое сжатие парообразной реакционной среды из реактора прямого хлорирования и затем ее применение для нагревания, как предложено в WO 01/21564 А1. Это является невыгодным вследствие капитальных затрат на необходимые компрессоры, а также затрат энергии на операцию сжатия.
Существующие предложения далее включают нагревание колонн парообразной реакционной средой, как описано, например, в DE 19916753 С1 и WO 98/01407 А1, а также одновременно парообразной и жидкой реакционной средой, как описано в DE 19953762 А1.
Поскольку установки для прямого хлорирования и комплексы установок для получения мономера винилхлорида и полимера винилхлорида часто интегрированы с установкой для хлорно-щелочного электролиза, было также предложено применить тепло реакции, полученное из реакции прямого хлорирования, для концентрирования водного раствора гидроксида натрия, как описано, например, в DE 102005044177 А1.
Существуют также возможности энергосбережения в компоненте установки, предназначенном для дистилляционной очистки 1,2-дихлорэтана. Этот компонент установки в комплексе VCM обычно состоит из так называемой обезвоживающей колонны, в которой вода, а также низкокипящие соединения удаляются из DCE. В зависимости от конфигурации установки, установка может задействовать одну или несколько дальнейших колонн, например, для удаления низкокипящих соединений. Нижний поток из обезвоживающей колонны обычно далее очищается в так называемой колонне высококипящих соединений или колонне DCE. Далее, DCE, извлеченный из смеси продуктов термического расщепления DCE (так называемый возврат DCE), подается в колонну высококипящих соединений. Вещества, температура кипения которых выше, чем у DCE, удаляются в колонне высококипящих соединений. Верхний продукт колонны высококипящих соединений является подаваемым DCE для термического расщепления DCE. Нижний поток из колонны высококипящих соединений обычно далее концентрируется в колонне, работающей при пониженном давлении, т.е. так называемой вакуумной колонне. DCE, извлеченный в вакуумной колонне, домешивается к потоку подаваемого DCE с верха колонны высококипящих соединений. Удаленные высококипящие соединения отправляют на стадию выделения.
Колонна высококипящих соединений является самым большим потребителем энергии в стадии дистилляционной очистки DCE. В принципе, количества тепла, которое можно извлечь в установке для прямого хлорирования, недостаточно для покрытия всех энергетических требований этой колонны. Недостающее тепло должно подаваться путем нагревания паром. Также температура паров колонны высококипящих соединений, достижимая при нагревании колонны высококипящих соединений теплом реакции прямого хлорирования, недостаточна, чтобы утилизация тепла из паров была экономически целесообразной.
Данное изобретение направлено на способ утилизации тепла на колонне (колоннах) высококипящих соединений (часто также называемых "колонна DCE") этого компонента установки в комплексе VCE, предназначенном для дистилляционной очистки DCE.
В DE 3440685 А1 уже предложено в этом отношении, чтобы пары с верха этой колонны механически сжимались и применялись для нагревания самой колонны. Однако энергетически более предпочтительно осуществлять эксплуатацию колонны высококипящих соединений при достаточном давлении и/или температуре, чтобы верхний поток (пары) из колонны был пригоден для применения мер утилизации тепла. С другой стороны, температура наверху колонны должна быть не такой высокой, чтобы вызвать разрушение продукта (подаваемого DCE) разложением.
DE 3519161 А1 описывает способ для очистки DCE, в котором дистилляционная колонна работает таким образом, что наверху достигается температура 125-180°С. Газообразный DCE, выводимый наверх этой колонны, пропускается через теплообменники, служащие для нагревания потоков продуктов, содержащих DCE. DCE, сконденсированный в теплообменниках, затем возвращается в колонну и частично выводится как очищенный продукт и применяется повторно. Описанный способ значительно увеличивает энергоэффективность установки. Тем не менее, вся тепловая энергия, присутствующая в верхнем продукте, не может быть утилизирована, а вместо этого поток DCE, сконденсированный в теплообменниках, должен активно охлаждаться. Было бы желательно, чтобы теплосодержание верхнего продукта из колонны высококипящих соединений, которое до этого не применялось, также могло применяться для нагревания компонентов установки.
Неожиданно обнаружено, что колонна высококипящих соединений может работать при температурах наверху колонны приблизительно 120-150°С, предпочтительно 127-135°С, без наблюдения какого-либо ущерба для продукта. Для этого колонна высококипящих соединений работает при давлении выше атмосферного, например в диапазоне от 2,7 до 5,3 бар абсолютного давления, и получаемые при этом пары применяют для получения пара низкого давления, который применяют для непрямого нагревания компонентов установки для получения DCE или компонентов установки для получения VCM ниже по потоку и/или установки для получения PVC ниже по потоку.
В непрямом нагревании компонентов установки в установке для получения DCE, установке для получения VCM и/или установке для получения PVC было обнаружено, что все пригодное к применению теплосодержание паров из колонны (колонн) высококипящих соединений можно применить путем получения пара низкого давления. Получение пара низкого давления также предпочтительно для нагревания физически удаленных теплоотводов по соображениям безопасности. Получение пара низкого давления из паров из колонны высококипящих соединений, работающей при давлении выше атмосферного в установке для получения DCE, до этого не было описано.
Данное изобретение обеспечивает способ для получения винилхлорида термическим расщеплением 1,2-дихлорэтана в комплексе для получения винилхлорида посредством дистилляционной очистки 1,2-дихлорэтана с применением по меньшей мере одной колонны высококипящих соединений, в которой удаляют вещества с более высокой температурой кипения, чем у 1,2-дихлорэтана, а также посредством необязательно присоединенной установки для получения поливинилхлорида, при этом указанный способ включает операции
a) эксплуатации колонны высококипящих соединений при температурах наверху колонны 120-150°С, и
b) применения по меньшей мере части верхнего потока из колонны высококипящих соединений с получением тепловой энергии, применяемой в теплоотводах компонента установки, предназначенного для получения 1,2-дихлорэтана, и/или в теплоотводах компонента установки ниже по потоку, предназначенного для получения винилхлорида, и/или в теплоотводах компонента установки ниже по потоку, предназначенного для получения поливинилхлорида, с
с) применением верхнего потока для непрямого нагревания теплоотводов путем применения по меньшей мере части верхнего потока из колонны высококипящих соединений с образованием пара низкого давления и возвратом верхнего потока в колонну высококипящих соединений с последующей конденсацией с или без переохлаждения и применением пара низкого давления для нагревания выбранных частей установки.
Для целей данного описания пар низкого давления - это пар, обычно имеющий температуру в диапазоне от 115 до 145°С, предпочтительно от 118 до 130°С.
Верхний поток применяют для непрямого нагревания теплоотводов путем применения по меньшей мере части верхнего потока из колонны высококипящих соединений с образованием пара низкого давления, например в теплообменнике, таком как испаритель, и возвратом верхнего потока в колонну высококипящих соединений с последующей конденсацией с или без переохлаждения и применением пара низкого давления для нагревания выбранных частей установки. Этот способ предпочтителен для нагревания компонентов установки, удаленных от колонны высококипящих соединений, например, для нагревания теплоотводов в установке для получения VCM ниже по потоку и/или установке для получения PVC ниже по потоку.
Для непрямого нагревания теплоотводов могут применять любой тип известных теплообменников. Особое предпочтение отдается типам теплообменников, которые позволяют теплу переноситься при очень низких разностях температуры между горячей стороной и холодной стороной. Наибольшее особое предпочтение здесь отдается испарителям с падающим потоком, пластинчатым теплообменникам, спиральным теплообменникам или трубчатым теплообменникам, последние при этом оснащены трубами, специально подходящими для теплообмена при малых разностях температур (например, трубами "потока высокой плотности" от Honeywell UOP, Houston TX, США).
Пригодными и предпочтительными теплоотводами в комплексе установок для получения VCM/PVC являются:
В комплексе для получения VCM:
- обезвоживающая колонна;
- колонна низкокипящих соединений или стриппер-колонна DCE;
- вакуумная колонна;
- деаэратор подаваемой котельной воды;
- отпарная колонна для удаления DCE из отработанной воды; и
- отпарная колонна для очистки (удаления НС1) из винилхлорида.
В установке для получения PVC:
- аппараты для удаления остаточного мономера (VCM) из PVC, в частности предварительный деаэратор и деаэрационная колонна ниже по потоку;
- отпарная колонна для удаления VCM из отработанной воды;
- аппарат для осушки порошка PVC; и
- аппарат для нагревания загружаемой воды для реакции полимеризации.
Способ по данному изобретению, который отличается тем, что непрямое нагревание теплоотводов осуществляют паром низкого давления, образованным из верхнего потока из колонны высококипящих соединений установки для получения DCE.
Предпочтение отдается способу получения винилхлорида и поливинилхлорида, где нижний продукт из колонны высококипящих соединений имеет содержание DCE 90-97 масс.%.
В предпочтительном варианте осуществления способа DCE, который был очищен дистилляцией в колонне высококипящих соединений, применяют без дополнительной обработки для термического расщепления с получением винилхлорида.
Эксплуатация колонны высококипящих соединений и присоединенных теплообменников неожиданно может проводиться без остановок на протяжении долгого времени. Так, вполне возможна непрерывная эксплуатация на протяжении от 6 до 24 месяцев без необходимости в чистке этих компонентов установки в это время.
Изобретение далее обеспечивает способ, где колонна высококипящих соединений работает без перерыва в течение от шести до двадцати четырех месяцев.
Изобретение также обеспечивает аппарат для получения винилхлорида путем термического расщепления 1,2-дихлорэтана в комплексе для получения винилхлорида посредством дистилляционной очистки 1,2-дихлорэтана и посредством необязательно присоединенной установки поливинилхлорида, при этом указанный аппарат включает следующие элементы:
A) по меньшей мере одну колонну высококипящих соединений в компоненте установки, предназначенном для дистилляционной очистки 1,2-дихлорэтана, в которой удаляют вещества с температурой кипения выше, чем у 1,2-дихлорэтана,
B) по меньшей мере один теплообменник, который соединен с колонной высококипящих соединений и в который подают по меньшей мере часть верхнего потока из колонны высококипящих соединений для конденсации и необязательно переохлаждения в нем с получением тепла путем образования пара низкого давления и затем для возврата в колонну высококипящих соединений, и
C) по меньшей мере один теплоотвод в компоненте установки для получения 1,2-дихлорэтана и/или в присоединенном компоненте установки для получения винилхлорида, и/или в присоединенном компоненте установки для получения поливинилхлорида, в который подают пар низкого давления, полученный в теплообменнике В) для нагревания.
Теплоотводы, которые применяют в частях комплекса для получения VCM и/или установки для получения PVC, являются предпочтительно аппаратами, описанными выше.
Способ по данному изобретению или аппарат по данному изобретению обеспечивает значительное улучшение в энергетическом балансе комплекса установок.