氯乙烯生产过程的控制与优化探究

(乌海职业技术学院, 内蒙古 乌海 016000)

摘  要：随着对聚氯乙烯质量要求的提高以及生产工艺的复杂化，氯乙烯的生产安全问题成为制约企业发展的重要瓶颈。本文主要对电石法生产氯乙烯的方法进行研究与分析，阐述电石法生产氯乙烯的现状，对氯乙烯生产工艺存在的问题进行分析，提出氯乙烯生产工艺中乙炔发生工序的优化、氯化氢合成工序的优化、氯乙烯转化和精馏工序的优化、故障诊断系统的优化等几个阶段的具体的措施。

关键词： 氯乙烯，控制，优化

引 言

聚氯乙烯是一种用途非常广泛的热塑性树脂,经过一定的加工、改性后可以制造普通的泡沫塑料制品和卫生级食品包装原材料。氯乙烯生产工艺是聚氯乙烯生产工艺的主要组成部分之一。随着对聚氯乙烯质量要求的提高以及生产工艺的复杂化，氯乙烯的生产安全问题成为制约企业发展的重要瓶颈。当前，电石法生产氯乙烯在我国有着较为普遍使用，与其它的几种方法相比，该种方法具有成本低、资源丰富以及容易控制的优势。

1 氯乙烯电石法生产现状分析

随着工业化进程的日益加快，氯乙烯单体的生产工艺技术水平直接影响着聚氯乙稀的产品质量、纯度，以及最终的市场销售价格的高低。经过人们将近五十年的发展和研究，随着聚氯乙烯生产规模不断壮大，氯乙烯生产技术得到了迅速更新，但氯乙烯生产工艺的优化和控制仍然是整个化工领域孜孜以求的钻研课题和生产瓶颈。当前，比较成熟的氯乙烯生产工艺主要有电石法、二氯乙烷/氯乙烯和乙烯氧氯化法。在氯乙烯生产工艺的发展过程中，这三种方法都在实际的生产过程中得到过广泛的应用，其中电石法生产氯乙烯的生产工艺在我国氯乙烯生产中应用的较为普遍。本文中，笔者主要对氯乙烯电石法的生产进行初步的分析。

电石法生产氯乙烯生产工艺是最早的生产氯乙烯的方法之一。其反应原理主要是水与电石进行水解反应，生成乙炔，乙炔与氯化氢在催化剂的作用下生成产物氯乙烯（反应方程式CaC2+H2O=C2H2+Ca(OH)2 ；C2H2+HCl      C2H3Cl）。电石法生产氯乙烯生产工艺之所以在我国应用比较应用广泛，与氯乙烯生产的原材料的资源分布、生产的环境的要求等密切相关的。随着国际原油价格的上涨，国外以原油和天然气为主要原料生产氯乙烯的生产工艺成本增幅较大，而我国利用电石法生产氯乙烯的生产有着丰富的资源保证，因此，电石法生产氯乙烯的生产工艺与其它工艺相比成本更低。与其它的生产工艺相比，电石供应平稳，而且价格也未出现大幅度的波动，质量又比较好，通过降低电石消耗，企业的利润进一步增加。因此，无论是从技术上，还是从生产成本来看，电石法生产氯乙烯生产工艺在未来相当长的时间内仍然有着生存空间。

2 电石法生产氯乙烯存在的主要问题

电石法生产氯乙烯生产工艺有明显的优势，但是，目前普遍使用的氯乙烯单体生产装置仍然存在着一些问题，影响到生产过程控制系统。目前，电石法生产氯乙烯主要存在以下几个方面的障碍。

2.1 乙炔生产过程中温度和压力的控制

这一阶段主要是乙炔发生器中的电石和水发生水解反应生成乙炔。水解反应的过程中会放出大量的热，导致整个发生器的温度不断上升，从而使整个发生器的压力迅速增加。如果压力超过一定的范围，就会由于压力过大而引发爆炸事故。传统的方法是通过调节振荡器电流，减少电石的加入量来控制整个反应器的压力，但是，在实践上，由于电石的加入量是稳定的，该种方法在实践中也有一定的限制。目前，为确保容器内的压力在一定的范围之内，大多采用在后续工段安装一个气柜的方式。但是气柜占地面积太大，后期维护的费用较高，而且气柜本身还存在爆炸的危险。

2.2 氯气和氢气的配比

在氯化氢合成的过程中，氯气和氢气的配比控制是关键，而且也是整个氯乙烯生产工艺过程中重要的参数之一，不仅仅关系到氯化氢的生产安全问题，而且直接与氯乙烯的最终产量和纯度密切相关。目前，氯气、氢气的输入的数量基本上完全由人工进行控制，凭借人的经验观察火焰的颜色来调节两种气体的输入量，误差较大，存在着严重的安全隐患。

2.3 氯化氢和乙炔的配比控制

氯乙烯转化阶段理论上应该控制乙炔和氯化氢的比例为1:1，生产过程中为了确保反应向正方向进行，一般的比例都调节为1.05:1左右，如果控制稍有不当，触媒就会因为过量的乙炔而发生中毒现象，而氯化氢超过一定的范围限制  就会腐蚀生产设备，同时也增加了后续工艺的负担。

2.4 氯乙烯转化的温度和压力控制

氯乙烯的转化过程要求的反应温度的范围一般为130—180℃左右。温度低于130℃，反应不彻底，造成资源的严重浪费，温度过高，氯化汞催化剂就会中毒失效，这一阶段转化器温度的控制对于实现企业稳定生产和经济效益的提高具有重要的影响。实际生产中，为了减少转化器输出压力不稳定对精馏工序造成的不利影响，采取了安装一个气柜装置的措施，同样，气柜的存在也造成了极大地安全隐患，在发生安全事故的案例中，在这一工序出现问题的现象不在少数。

2.5 精馏阶段控制  

单体生产精馏工段主要包括低沸塔和高沸塔，整个精馏工段是一个复杂的、多变量的综合系统，要实现对其准确无误地控制可以说是一个复杂的系统工程。当前，在实际生产中基本上都是采取单回路的控制装置，生产工艺的各个参数是单独分开的，以人工操作为主。但是，由于整个精馏塔是一个完整的系统，每个参数之间都存在一定的耦合联系，是一个相互作用的过程，单独分开每个参数进行控制并不是最优的。

2.6 故障诊断系统

在整个氯乙烯单体生产的过程中，经常会发生管道堵塞、低高沸塔塔板脱落等故障现象。由于这些环节主要是由人工的操作来完成，存在明显的滞后性，而且与操作人员的责任心、技能水平也有直接的关系。

虽然，随着新技术、新工艺的不断使用，氯乙烯的生产工艺也有了很大的改进，生产的安全系数也在不断地提高。但是，一些障碍性因素仍然制约着电石法生产氯乙烯生产工艺，整个生产过程安全瓶颈仍然比较严峻。

3 氯乙烯生产过程优化控制研究

3.1 乙炔生成工序的优化

乙炔生成工序优化的目的是提高乙炔生产效率，优化内容是建立PFC-PID串缓控制系统，控制乙炔反应器内的化学反应温度。通过改变主、副控制变量，将冷却塔的出口压力设置为主控变量，从而保证系统压力稳定，将乙炔发生器的反应温度设置为副被控变量，在保证系统压力稳定的条件下达到提高反应温度的目的。整个系统内循环采用PID控制，外循环采用预测函数模型控制，从而提高乙炔生产率。建立串缓控制系统另外的优点就是取消气柜，彻底解决气柜存在的安全隐患以及建设气柜带来的经济开销。在一些大型的氯乙烯生产企业里，该工序的优化在确保氯乙烯安全生产方面起到了重要作用。

3.2 氯化氢合成工序的优化

氯化氢合成工序优化的目的是提高产物的产率和纯度、提高系统安全性能和降低成产成本，优化方案的核心集中在氢气和氯气的配比上，将氯气和氢气的流量作为控制变量。设计单向封闭循环比值控制系统，改变传统的进口气流方式，以氯气为主流量，氢气作为副流量，对气流的温度和压力进行控制和补偿，避免由于昼夜温差和气压的变化以及四季气候的变化引起的气流密度变化。由于整个工艺条件发生了变化，进入合成炉的氯气和氢气组分也随着发生相应变化，甚至发生大尺度的波动，氯氢气体流量比会受到温度和压力的影响，故设计单闭环比值控制系统对其流量进行温度、压力补偿。

3.3 氯乙烯的转化和精馏工序的优化

提高氯乙烯单体的纯度和产量是该转化工序的主要优化目的。通过优化各台转化器之间的转化温度，控制转化器夹套水的流量变化。与氯气、氢气配比控制系统相似，主流是氯化氢，副流是乙炔设计单向闭路循环比值控制系统，以生产工序中的监测点作为设计变量，计算出氯化氢、乙炔的最佳配比流量，同时对氯化氢和乙炔气流引入温压补偿运算模式，保证反应过程控制精度，实现自动化控制。事实上，自动化控制系统是实现氯乙烯生产高纯度、确保安全的最可靠的措施之一。

氯乙烯的精馏主要是提高反应物质量、降低物耗和能耗。精馏塔是一个多参数的复杂化学反应系统，要实现对其精确控制需要配套一套精确的控制系统。从系统角度看，整个精馏塔作为一个反应整体各参数间存在着相互影响、相互制约影响耦合关系。通过对塔的投药量、投药温度和压力、再沸塔压力和温度以及塔釜液水位等各参数的精确控制，实现对精馏塔的最优控制。

3.4 故障诊断系统的优化

原来的氯乙烯生产工艺系统的故障诊断系统主要以人工控制为主，这就导致只有在故障发生或者处于即将发生的界限时，工人才能够发现系统的故障所在，这就使得整个生产工艺系统的故障诊断带有明显的滞后性，不能够准确地事先预防故障的发生。目前，在氯乙烯生产企业中，根据整个反应的原理和工艺的特点，正在推广实施氯乙烯生产装置在线故障诊断专家系统，该系统能够对整个反应过程进行准确控制，既可控制整个系统又可对每个生产环节进行微观控制，一旦某个环节出现故障就会自动报警，并提示修复的相关建议。

4 结论

氯乙烯的生产过程是一个复杂的工艺过程，包括了一系列的化学变化，并运用到动力学的相关知识，该工艺过程，关键是要控制好温度和压力的变化，保证氯乙烯单体的产量和纯度。从电石法氯乙烯生产工艺的整个过程来看，应该重点在乙炔生产、氯化氢合成、氯乙烯的转化和故障诊断系统等工序采取优化措施，才能够实现氯乙烯生产过程的安全控制和优化。

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来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第2期  在线投稿  >>