浅谈三羟甲基丙烷装置降耗优化

浅谈三羟甲基丙烷装置降耗优化

国庆军

（中国石油吉林石化公司化肥厂，吉林省 吉林市  132021）

摘  要：三羟甲基丙烷装置生产工艺简述，针对装置实际运行过程中影响能耗的几个主要因素进行分析，阐述三羟甲基丙烷装置能耗方面存在的问题，并提出整改建议措施。

关键词：三羟甲基丙烷；降耗；优化运行

三羟甲基丙烷是重要的有机化工原料中间体，它主要用于生产聚氨酯、醇酸树酯和聚酯及合成润滑剂、松香酯、炸药、表面活性剂、溶剂、固化剂和增塑剂的原料，也可以用于树酯的扩散剂、纺织溶剂、聚氯乙烯树酯的热稳定剂和其他多种精细化学品的合成。

以三羟甲基丙烷装置生产能力为10kt/a为例。采用交叉卡尼扎罗缩合法工艺技术，以氢氧化钠为催化剂，采用DCS控制，自动化程度高、操作简便、实用，装备水平处于国内领先水平。鉴于物性原因，生产过程能耗需求较高，进而影响产品成本，降低市场竞争力。本文针对影响三羟甲基丙烷装置能耗的因素及降低能耗的优化建议措施进行浅谈。

1 三羟甲基丙烷工艺简述

三羟甲基丙烷生产工艺主要有两种，一种是交叉卡尼扎罗缩合法，另一种是醛加氢还原法。其中交叉卡尼扎罗缩合法为传统方法，工艺成熟、容易掌握不需要高温、高压和特殊催化剂，但副产物较多，收率仅为60%～80%。交叉卡尼扎罗缩合法以正丁醛和甲醛水溶液在碱性催化剂作用下，先发生醇醛缩合反应，再发生交叉卡尼扎罗反应生成三羟甲基丙烷。常用催化剂有氢氧化钠、氢氧化钙等。

醛加氢还原法据报道已用于工业化生产，目前国内已投产运行的三羟甲基丙烷装置未见相关工艺应用。醛加氢还原法副反应少，产品收率高，可达90%～95%，但采用高压设备，操作难度大，技术要求高。醛加氢还原法以正丁醛和甲醛为原料在催化剂作用下发生羟醛缩合反应，再发生水系加氢生成三羟甲基丙烷。[1]催化剂一般为钯碳或铜系催化剂。

表1 两种工艺收率对比

因国内加氢法先关信息较少，本文仅探讨采用交叉卡尼扎罗缩合法生产工艺三羟装置的能耗。

2 三羟甲基丙烷装置能耗主要影响因素

2.1 主要能耗种类

三羟甲基丙烷装置（以下简称三羟装置）主要能源动力为电、蒸汽、循环水、除盐水、过滤水、仪表空气、氮气等，能耗成本占产品成本的10%～15%，各类公用工程中电、蒸汽、循环水为主要能源动力，占装置总能源成本的90%以上，因此降低这三类公用工程消耗可有效降低三羟装置能耗，进而降低三羟生产成本，提高市场竞争力。

2.2负荷对消耗影响

不同生产负荷下主要能耗统计如下表所示。

表2不同负荷能耗对比

三羟装置主要能耗以100%负荷为基准，通过上表可以看出，随着生产负荷的降低，各项能耗均呈现升高趋势，随着负荷的升高各项能耗明显下降。因此，在装置设计弹性内，可以通过调整装置生产负荷方式控制产品能耗，进而降低生产成本，增加创效能力。

2.3全程收率对能耗的影响

（1）反应转化率影响

交叉卡尼扎罗缩合法以正丁醛和甲醛水溶液在碱性催化剂作用下，发生两步反应生成三羟甲基丙烷。本套装置以氢氧化钠为催化剂。常见的反应设备为带搅拌的釜式反应器，通常采用间歇操作方式进行控制。三种原料的配比对反应过程的转化率影响较大，为了抑制副反应的发生，一般采用甲醛过量方式且反应温度不宜控制过高。采用控制精度较高的流量计、调节阀等自控仪表设施，可提高投料配比精度，适量调整正丁醛、甲醛、液碱摩尔比，可提高缩合反应转化率。转化率越高，副反应越少，缩合液中三羟甲基丙烷浓度越高，同等原料用量情况下产量增加，能耗相对降低。

（2）过程收率影响

通过缩合反应生成的三羟甲基丙烷溶液经过浓缩后，通常采用萃取方式将三羟甲基丙烷与副产物分离开来，采用适宜的萃取比、水洗比既可以减少三羟甲基丙烷损失，又可以降低萃取剂回收过程中能耗。

通过减少脱轻塔、薄膜蒸发器等脱轻脱重工序外排量；适当提高薄膜蒸发器气相管温度，降低重组分中三羟甲基丙烷含量。适当优化脱轻塔回流比，减少轻组分外排量。成品塔塔底采出线、塔顶轻组分采出线实施优化调整，适当增大成品侧线采出。提高三羟甲基丙烷过程收率，同等投入情况下，产出增加，能耗相对降低。

（3）残液利用影响

三羟装置生产过程中重质残液中含有少量三羟组份，经过分离双三羟甲基丙烷后，残存于双三羟母液中，浓度约为3%～5%，经浓缩后浓度达到10%以上，与三羟缩合液中三羟含量相当，该部分双三羟母液作为残液外卖处理，如果将其中所含三羟组分进行回收，可增加三羟产量，进而降低能耗。

2.4稳定运行对能耗的影响

众所周知装置运行越稳定，装置消耗越低，反之装置出现波动或生产异常情况将造成装置消耗升高，而影响装置稳定运行的因素有很多，比如操作失误、原料指标异常、能源动力停供、转动设备故障、仪表自控系统故障、上下游装置影响等等，在处理这些波动及异常过程中所造成的能源动力损失，往往增加装置能耗。以三羟装置中压蒸汽波动装短停退守为例：退守处置时需要对部分管线进行蒸汽吹扫；重新接引蒸汽时管线需要排凝复热；系统恢复入料升温过程直至产品合格过程中均造成蒸汽损失，从退守到恢复正常最快需要（5

～8）小时，蒸汽损失超过20吨，产量减产（3～5）吨，此消彼长，能耗必然增加。因此，稳定运行也是一项影响能耗的重要因素。

2.5 设备运行对能耗的影响

设备设施方面影响能耗的因素，一是系统伴热消耗，由于三羟甲基丙烷熔点较高，因此后系统物料管线、仪表伴热管线均采用蒸汽伴热，造成能耗增加。二是设备运行使用，如蒸汽喷射泵、水环泵等运行能耗。三是疏水器运行影响，如选型不合适或故障，造成蒸汽直排。四是蒸汽输送热损耗，三羟装置外引蒸汽管线因保温破损或失效等造成热损失。五是设备工况不匹配“大马拉小车”，造成能耗增加。

2.5.1 系统伴热影响

由于三羟甲基丙烷熔点（58～59）℃，熔点以下极易结晶，因此精制单元各条物料管线、阀门、仪表伴热均使用低压蒸汽伴热，为防止物料结晶及仪表管线聚堵，蒸汽伴热线需连续运行。另外，每年10月至次年3月为冬季生产运行期间，三羟装置所有物料管线伴热及仪表伴热、电伴热均需投用，仅冬季运行期间伴热蒸汽用量需增加0.5t/h，用电量增加20kwh，该部分能耗为季节性增加。

2.5.2 设备用能影响

三羟装置采用水环真空泵、蒸汽喷射泵为系统提供负压操作条件。其中，水环真空泵为一种变容式真空泵，通过离心力将工作液甩出去形成一个水环，在转动的过程中通过容积的变化来对腔室进行挤压，来吸入气体抽负压。工作液通常采用直排方式，本套三羟装置采用一次江水作为工作液，直排造成一次江水用量较大，且出水中溶解有机物后变成废水，也增加了废水处理成本。蒸汽喷射泵是一种以高速蒸汽为动力、通过蒸汽的动能转化成压缩气体动能并将气体抽出真空室的真空泵。本套装置采用四级蒸汽喷射泵，实际生产过程中开启三级蒸汽不能满足生产工况，需要四级蒸汽全部投用，但是四级蒸汽投用后又能力过剩，造成一定量的蒸汽浪费。由于抽出的气相含有微量三羟组分，所以冬季运行时蒸汽喷射泵喷射混合管和扩散器需要使用蒸汽伴热。使用这些设备过程中能耗也相对增加。

2.5.3 疏水器对能耗的影响

由于三羟装置有大量管线采用蒸汽伴热，蒸汽释放热能变为冷凝水，冷凝水的排放既影响换热效率又关系到蒸汽的有效利用，因此疏水阀在蒸汽的有效使用中占据重要位置。本装置疏水器数量较多，需要结合疏水量、压力差、工作温度、连接尺寸等选择适合型号的疏水器，以达到较好的排水阻汽效果。如果选型不合理会造成用汽设备升温慢的情况，操作人员往往会通过开大来汽阀门或者采用旁通直排来解决，从而造成蒸汽用量增加。另外，疏水器长期运行也容易引起阀芯、阀座磨损和泄漏蒸汽，造成蒸汽的浪费，因此，疏水器运行工况对蒸汽消耗也有一定的影响。

2.5.4 外引蒸汽管线热损失

本套三羟装置所用中、低压蒸汽均为动力装置提供，由于蒸汽管线较长，施工过程中部分位置保温材料可能破损和受潮，蒸汽管线的部分弯头处的保护层搭接处已脱开，导致热损失增加。管道绝热材料不合格，管道、弯头、阀门盒处保温施工不当或管道长期运行，导致保温层拼接处缝隙过大、外保护层脱落均会造成管道热量损失，蒸汽输送温降明显高于相关标准要求，特别下暴雨时管网热损失引起蒸汽压力变化大，给生产操作带来一定困难，管网输送热效率低，能耗高。[2]

2.5.5 设备工况不匹配造成的影响

本套三羟装置配套4台流量1500m3/h，循环水泵，功率400kW，长期处于三开一备状态，供本装置、外部装置使用。实际生产中开启两台循环水泵供水量略显不足，而开启第三台循环水泵时供水能力又过剩，产生“大马拉小车”情况，造成电能浪费。

3 存在的问题及建议措施

随着国内三羟装置陆续投产，市场竞争越来越激烈，利润空间集聚缩窄，因此，降低能耗、物耗成为降低生产成本的重要措施。本套三羟装置因投产时间早，存在现有设备设施相较新型设备能耗高的问题；设备工况不匹配“大马拉小车”的问题；生产操作控制精度不足的问题；保温不完善热损失高的问题，各种因素叠加，造成三羟装置能耗高，进而影响生产成本。

3.1 产品收率低

交叉卡尼扎罗反应过程中副反应较多，原料配比对控制主反应抑制副反应，提高转化率影响较大，间歇操作对造成反应精度存在差别；萃取、精馏等工序分离效果差异均造成产品收率降低。

3.2 能耗损失大

由于三羟装置运行年限长，保温破损、疏水器故障、蒸汽阀内漏、生产波动、低温季节影响等因素造成三羟装置能耗损失较大。

3.3 建议措施

（1）从以上的分析来看，负荷是影响三羟装置能耗的重要因素之一，为更经济、合理地节能降耗。结合市场变化测算成本，当成本处于盈利区间时，调整生产负荷至110%～120%，保持装置高负荷运行，降低能耗。

（2）采用控制精度较高的流量计、调节阀等自控仪表设施，可提高投料配比精度，适量调整正丁醛、甲醛、液碱摩尔比，减少甲醛投加量，提高缩合反应转化率。

（3）优化萃取比、水洗比及萃取停留时间，改善萃取效果，避免甲酸钠母液夹带三羟；减少脱轻塔、薄膜蒸发器等脱轻脱重工序外排量，适当提高薄膜蒸发器气相管温度2

℃，监控重组分中三羟含量，控制在15%以下。脱轻塔采用低温低回流控制方法，适当优化回流比，减少轻组分外排量2吨/月。成品塔塔底采出线、塔顶轻组分采出线实施优化调整，满足三羟产品纯度要求，适当增大成品侧线采出量。

（4）根据生产实际，将双三羟母液回用至缩合液中，回收其中所含三羟，每月可增加1%～3%产量。

（5）强化岗位人员“三精操作”，严格控制工艺指标，加大操作人员培训及考核力度，提高操作人员技能，加大应急预案推演及演练批次，提高应急处置能力；严把原料、三剂质量关；加强自控仪表维护保养，确保操作精度。

（6）坚持“节能优先、逐步替代”原则，提高装置电气化率，实施蒸汽伴热系统改造，将仪表蒸汽伴热改为电伴热，降低蒸汽用量0.25t/h，新增用电成本较用汽成本降低10%～20%。合理使用区内装置自产低压蒸汽，减少外引蒸汽用量1t/h。凝液热量回收利用，将甲醛管线伴热改为凝液伴热。

（7）水环真空泵由直排方式改为密闭循环模式，降低一次江水用量3t/h。将现有蒸汽喷射泵更新为高效节能型蒸汽喷射泵。

（8）定期对装置在用疏水器进行系统检测，检测合格率控制在95%以上，建立疏水器规范化的管理，不但可以在很大程度上降低蒸汽管网的热损失，而且在蒸汽系统的稳定运行和节能降耗方面起到了重要的作用。[3]

（9）将外引蒸汽管线保温材料更换为新型隔热材料，降低能耗损失。使用气凝胶复合绝热毡,不仅可以获得良好的保温效果,而且还能够进一步加强材料的耐久性[4]。气凝胶保温材料比岩棉节能效率提高23.7%。

（10）高温季节通过对循环水换热器上回水温度进行监测，适量关小换热效果较好的换热器循环水阀开度，将循环水量优化至对水温敏感的换热器，以满足工艺使用需求。实现循环水双泵运行，由三开一备改为两开两备，夏季节约电耗400kw/h。

（11）利用ASPEN等工艺优化软件，进行精馏塔操作模拟计算，查找影响因素，优化调整，预计降低精馏塔蒸汽消耗0.2t/h～0.5t/h。

4 结束语

影响三羟装置能耗受设备设施的先进程度、生产负荷、季节影响、操作技能和管理水平等多种因素影响，这些因素相互作用，不能一概而论，在实际生产中，需要综合考虑，在优化调整的基础上兼顾新设备、新技术应用，只有设备技术先进，操作、管理水平提升才能保障三羟置高质量、低能耗运行。

参考文献

[1]张卫红.冯亚青.董宁.洪学传.郭兵.三羟甲基丙烷的合成研究[J]：化学工业与工程，1998.

[2]林健.蒸汽管线热损失浅析.中国科技期刊数据库工业A，2016.

[3]于明欣.朱卫东.张寒.尹洪超.化工企业蒸汽疏水器的节能改造优化研究.节能，2016，19-22.

[4]朱道强.殷特.林婵.新型保温材料气凝胶在蒸汽管道保温中的应用.工程建设与设计，2021，145-147.

[作者简介] 国庆军，（1980-），男，中国石油吉林石化公司化肥厂三级工程师，主要从事化工生产技术管理工作。联系电话：0432-63971146，邮箱：jh_guoqingjun@petrochina.com.cn。