CN117732375A - 氯乙烯的制备系统与制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明有关于一种氯乙烯的制备系统与制作方法。此制备系统具有预热单元、气液分离单元、热回收单元、加热单元与热裂解单元，而可有效回收热裂解产物的热能。其中，热回收单元与加热单元可有效降低系统的能源成本，而有效延长系统的运作周期。
Description
技术领域
本发明有关一种氯乙烯的制备系统与制作方法，特别是提供一种可有效提升热裂解炉的运转寿命且降低能源成本的氯乙烯的制备系统与制作方法。
背景技术
随着材料科学的发展，具有易于加工、质轻与良好机械性质的高分子材料广为被使用。其中，由于聚氯乙烯具有简便的制作流程，且其可通过一般的混炼成型轻易地制作具有各种型态的对象，故聚氯乙烯常用的高分子材料。
聚氯乙烯可通过对氯乙烯单体进行加成聚合反应来制得。通过对1,2-二氯乙烷(ethylene dichloride；EDC)进行热裂解反应，即可获得氯乙烯。然而，EDC的热裂解反应导致系统的能源损耗较高，而急需可有效提升热裂解产物的热能回收的单元配置。
有鉴于此，亟须提供一种氯乙烯的制备系统与制作方法，以进一步改善现有氯乙烯的制备系统与制作方法的缺陷。
发明内容
因此，本发明的一态样是在提供一种氯乙烯的制备系统，其通过设置热回收单元与加热单元，以有效回收利用热裂解产物的热能，并降低热回收单元的负荷，以延长热回收单元的使用寿命。
本发明的另一态样是在提供一种氯乙烯的制作方法，其利用前述的制备系统来进行热裂解反应，以有效回收利用氯乙烯产物的热能。
根据本发明的一态样，提出一种氯乙烯的制备系统。此制备系统包含热裂解单元、预热单元、气液分离单元、热回收单元、加热单元与骤冷单元。热裂解单元具有裂解对流段与裂解辐射段，其中热裂解单元配置以形成裂解气体，且裂解气体包括氯乙烯气体、盐酸气体及未裂解1,2-二氯乙烷气体。预热单元配置以加热原料，以获得预热组成，其中原料包含1,2-二氯乙烷，且预热组成包含高温液态原料。气液分离单元连接于裂解对流段与预热单元之间，其中气液分离单元配置以分离气体与液体，以使气体可经由管路导入裂解对流段。热回收单元连接于裂解辐射段与气液分离单元之间，其中裂解气体与高温液态原料的一部分导入热回收单元中，以利用裂解气体来加热高温液态原料的此部分，而获得热回收组成。其中，热回收组成包含第一原料蒸气，且热回收组成导入气液分离单元中。加热单元连接气液分离单元，其中高温液态原料的剩余部分导入加热单元中，以形成高温组成，高温组成包含第二原料蒸气，且高温组成导入气液分离单元中。骤冷单元连接热回收单元。
依据本发明的一些实施例，前述热回收单元的底部设有多个入料管，且高温液态原料的部分经由此些入料管导入热回收单元中。
依据本发明的一些实施例，前述入料管的每一者的一端设有挡板。
依据本发明的一些实施例，前述挡板的投影面积大于入料管的管口的投影面积。
依据本发明的一些实施例，前述的热回收单元包含至少一热传管。热传管设于热回收单元中，且至少一热传管的水平高度大于前述每一个挡板的水平高度。
依据本发明的一些实施例，前述气液分离单元的设置位置高于热回收单元的设置位置。
依据本发明的一些实施例，前述的热裂解单元的操作压力为12.1kg/cm2G至13.4kg/cm2G。
依据本发明的一些实施例，前述裂解气体的压力为11.0kg/cm2G至11.5kg/cm2G。
根据本发明的另一态样，提出一种氯乙烯的制作方法。此制作方法利用热裂解单元来制作氯乙烯。此制作方法先对原料进行加热工艺，以获得加热组成，其中此原料包含1,2-二氯乙烷，且加热组成高温液态原料。于进行加热工艺后，对高温液态原料进行再加热工艺，其中再加热工艺包含：对高温液态原料的部分进行第一再加热操作，以获得第一再加热组成，其中第一再加热操作利用热裂解单元的产物来加热此部分的高温液态原料，且第一再加热组成包含第一原料蒸气；对高温液态原料的剩余部分进行第二再加热操作，以获得第二再加热组成，其中第二再加热操作利用热源来加热高温液态原料的剩余部分，且第二再加热组成包含第二原料蒸气；以及对第一再加热组成与第二再加热组成进行气液分离工艺。于进行再加热工艺后，对第一原料蒸气与第二原料蒸气进行热裂解工艺，以形成氯乙烯。
依据本发明的一些实施例，前述热裂解工艺的操作压力为12.1kg/cm2G至13.4kg/cm2G。
应用本发明的氯乙烯的制备系统与制作方法，其通过热回收单元的设置，以有效回收利用热裂解产物的热能，而可降低系统所耗费的能源。其次，制备系统设有加热单元，以有效降低热回收单元的负荷，而有效延长制备系统的操作周期。其中，加热单元亦可于初开车热回收单元效率尚未达到以及操作后期热回收效率降低时，有效地对未被热回收单元汽化的高温液态原料提供热能，以维持裂解入料量。另外，热回收单元的入料口可设置挡板，借以达到导流效果，以减少底部沉积物的沉积，而有效抑制积垢，并使热回收单元的内部具有均匀的流场，进而提升热交换效率。
附图说明
为了对本发明的实施例及其优点有更完整的理解，现请参照以下的说明并配合相应的附图。必须强调的是，各种特征并非依比例描绘且仅系为了图解目的。相关附图内容说明如下：
图1绘示依照本发明的一些实施例的氯乙烯的制备系统的配置示意图。
图2绘示依照本发明的一些实施例的热回收单元的剖视示意图。
图3A绘示依照本发明的一些实施例的图2的虚线区域A的放大剖视示意图。
图3B绘示依照本发明的一些实施例的入料管的挡板的立体示意图。
图3C与图3D绘示依照本发明的一些实施例的图2的虚线区域A的放大剖视示意图。
图4绘示依照本发明的一些实施例的氯乙烯的制作方法的流程示意图。
具体实施方式
以下仔细讨论本发明实施例的制造和使用。然而，可以理解的是，实施例提供许多可应用的发明概念，其可实施于各式各样的特定内容中。所讨论的特定实施例仅供说明，并非用以限定本发明的范围。
请参照图1，其绘示依照本发明的一些实施例的氯乙烯的制备系统的配置示意图。系统100包含热裂解单元110、原料槽120、预热单元130、气液分离单元140、热回收单元150、加热单元160与骤冷单元170。
热裂解单元110可例如为一般的热裂解炉，且根据所欲达成的热裂解反应，技术人员可调整热裂解炉的设计与配置。其中，热裂解炉的设计与配置为本领域技术人员所熟知，故在此不另赘述。热裂解单元110可具有裂解对流段与裂解辐射段，其中裂解辐射段配置于裂解对流段下。通过于热裂解单元110中所进行的热裂解反应，所导入的气态反应物(1,2-二氯乙烷)可反应为裂解气体，其中裂解气体包含氯乙烯气体、盐酸气体及未裂解的1,2-二氯乙烷气体。
原料槽120用以存放系统100的原料(1,2-二氯乙烷(ethylene dichloride)；以下简称为EDC)。为了稳定性的考虑，储放于原料槽120中的EDC为液态的。
预热单元130连接于原料槽120与气液分离单元140之间。预热单元130可用以加热由原料槽120所输送出的液态EDC。预热单元130的加热方式没有特别的限制，其仅须可对EDC施加热能，以提升其温度即可。在一些具体例中，预热单元130可利用水蒸气来加热EDC。其中，基于所选用的热源，技术人员可理解预热单元130的设计，故在此不另赘述。经预热单元130加热后，可获得预热组成，其中预热组成包含高温液态EDC。
气液分离单元140连接于预热单元130与热裂解单元110的裂解对流段之间，且气液分离单元140的底部通过管路连接热回收单元150与加热单元160。经预热单元130加热后的预热组成导入至气液分离单元140中。经气液分离单元140分离出的高温液态EDC经由气液分离单元140的底部管路导入热回收单元150及加热单元160中。在一些实施例中，导入热回收单元150与加热单元160的高温液态EDC的比例可利用热虹吸的原理来调整。举例而言，通过调整加热单元160所使用的蒸气量，导入加热单元160的液态EDC的比例可被控制(例如：增加所使用的蒸气量，导入加热单元160的液态EDC的量随之提升)。其中，此两者的比例没有特别的限制，操作人员可根据系统100的设计参数与热裂解单元110的反应条件来调整。
请同时参照图1与图2，其中图2绘示依照本发明的一些实施例的热回收单元150的剖视示意图。当部分的高温液态EDC经由管路由气液分离单元140的底部导入热回收单元150时，高温液态EDC可经由热回收单元150的底部的入料管153，沿入料方向153a导入至热回收单元150的壳体150a的内部中，而可进一步被加热，以形成热回收组成。热回收组成进一步经由出料管155，沿出料方向155a经管路被输送至气液分离单元140中。于热回收单元150中，所导入的高温液态EDC可部分地相变化为气态的EDC蒸气，故热回收组成可包含EDC蒸气与未相变化为气态的高温液态EDC。当热回收组成导入气液分离单元140时，热回收组成中的EDC蒸气与高温液态EDC可被分离。
于热回收单元150中，所施加的热能由热裂解单元110所产出的高温裂解气体提供。高温裂解气体由热裂解单元110的裂解辐射段排出，并经由管路输送至热回收单元150。高温裂解气体经由热传管151，以方向151a导入壳体150a中，且于热回收单元150的内部循环后，沿方向151b排出。虽然图2所绘示的热传管151于壳体150a的内部仅具有一次弯折，但本发明不以此为限，热传管151可于壳体150a的内部具有多个弯折，以有效提升高温氯乙烯气体的热交换效率。在一些实施例中，如图2所绘示，高温裂解气体于热回收单元150中的导入位置与导出位置可位于壳体150a的同一侧。在其他实施例中，基于热传管151的配置、各单元间的配置与热交换效率的考虑，高温裂解气体于热回收单元150中的导入位置与导出位置亦可不位在壳体150a的同一侧。由于液态EDC由热回收单元150的底部导入，故为达到较佳的热交换效率，高温裂解气体于热回收单元150中的导入位置高于液态EDC的导出位置(即入料管153于热回收单元150的内部的一端)。相对于液态EDC的导入，热传管151的配置采逆流式操作，以提升高温裂解气体对于液态EDC的热交换效率。
于热回收单元150所获得的热回收组成中，EDC蒸气与未相变化为气态的高温液态EDC的比例没有特别的限制，其可根据系统100与/或热回收单元150的设计参数来调整。在一些实施例中，气液分离单元140的设置位置高于热回收单元150的设置位置。当气液分离单元140系高于热回收单元150时，液态EDC可较易导入热回收单元150中，而可增加流入热回收单元150中的循环量，进而降低热回收单元150的蒸发比(即热回收组成中，EDC蒸气的比例)。
请同时参照图2、图3A与图3B，其中图3A绘示依照本发明的一些实施例的图2的虚线区域A的放大剖视示意图，而图3B绘示依照本发明的一些实施例的入料管的挡板的立体示意图。于区域A中，入料管153于热回收单元150的内部的一端设有挡板157，其中挡板157可通过支架157a固定于入料管153的管口。如图3B所示，支架157a可为设于挡板157的底面的十字型结构，其中支架157a的高度没有特别的限制，其仅须使挡板157的底面与入料管153的管口具有适当的间距，以确保液态EDC可导入热回收单元150中即可。当入料管153的管口设有挡板157时，通过挡板157的导流，导入的液态EDC可于入料管153的管口附近形成适当的流场，而减少热回收单元150的底部的沉积物，进而抑制积垢形成，因此可延长热回收单元150的使用寿命。其次，挡板157亦可有助于优化热回收单元150的内部流场，而提升其热交换效率。支架157a与入料管153的管口的结合可采用焊接、卡固、锁固、其他适当的固定方法，或上述方法的任意组合。
在一些实施例中，挡板157的投影面积不小于入料管153的管口的投影面积。其中，挡板157的投影面积大于入料管153的管口的投影面积，以获得较佳的导流效果。在此些实施例中，挡板157的圆心对准入料管153的轴心，以进一步提升挡板157的导流效果，并使壳体150a内部的流场更为均匀。在其他实施例中，挡板157亦不限于圆板，其可具有其他的构型。
请参照图3C，其绘示依照本发明的一些实施例的图2的虚线区域A的放大剖视示意图。在一些实施例中，入料管153的管口可齐平于壳体150a的内壁，故支架157a可与入料管153的管口及/或壳体150a的内壁相结合。其中，由于入料管153的管口齐平于壳体150a的内壁，故挡板157对于热回收单元的底部可提供更佳的导流效果。
挡板157的支架157a并不限于图3B所绘示的结构，如图3D所示，支架157a亦可由壳体150a的内壁朝上延伸的柱状结构，以支撑并固定挡板157。在其他实施例中，挡板157的底面亦可具有导流结构，以提升挡板157的导流效果。
请参照图1。由气液分离单元140的底部所排出的高温液态EDC部分地如前所述地导入热回收单元150中，而剩余部分导入加热单元160中。当高温液态EDC导入加热单元160时，其可被进一步加热，以形成高温组成，而可再次被导入气液分离单元140中。在一些实施例中，加热单元160通过水蒸气及/或其他高温媒介来加热，或者利用其他加热手段来加热。较佳地，经加热单元160处理后，高温液态EDC部分地转换为蒸气，故经加热单元160处理所形成的高温组成包含EDC蒸气与高温液态EDC。通过热回收单元150与加热单元160的设置，从气液分离单元140底部输送出的液态EDC可利用热回收单元150与加热单元160来加热，而提升再加热的效率，以有效延长系统100的使用周期。另外，当系统100试运转或于运转初期时，由于缺乏热裂解单元110所产出的高温裂解气体，故气液分离单元140的底部输送出的高温液态EDC可先导入加热单元160中，并随着系统100的运转，逐步增加高温液态EDC导入热回收单元150的比例。
前述经热回收单元150与加热单元160处理后的热回收组成与高温组成独立地导入气液分离单元140中，以分离热回收组成与高温组成中的EDC蒸气与高温液态EDC，并将所分离出的EDC蒸气导入热裂解单元110中，以进行热裂解反应。相同地，经气液分离单元140分离后，热回收组成与高温组成中的高温液态EDC如前述的说明进一步地由气液分离单元140的底部导入热回收单元150与加热单元160中。经热裂解反应后，所形成的高温裂解气体导入热回收单元150中，以通过热交换的方式加热导入热回收单元150中的部分液态EDC，而形成热回收组成中的EDC蒸气。经热回收单元150的热交换后，裂解气体进一步被导入骤冷单元170与其他单元中，以形成氯乙烯液体。
通过系统100的单元配置，热裂解单元110的产物热能可有效被回收利用，且具有良好的热裂解效能。在一些实施例中，系统100中液态EDC、EDC蒸气与氯乙烯气体的输送可通过各单元间的压差来诱发，而不须额外设置泵及/或其他可用以输送物质的单元。在一些具体例中，系统100的热裂解单元110的操作压力可例如为12.1kg/cm2G至13.4kg/cm2G。在一些具体例中，经热裂解单元110处理后的高温裂解气体的压力可例如为11.0kg/cm2G至11.5kg/cm2G，且其温度可为470℃至480℃。其中，经热回收单元150的热交换后，裂解气体的压力降低为9.5kg/cm2G，且其温度为290℃。
请同时参照图1与图4，其中图4绘示依照本发明的一些实施例的氯乙烯的制作方法的流程示意图。方法200先进行加热工艺，以获得加热组成，如操作211所示。加热工艺利用预热单元130进行加热操作，以提高从原料槽120输送出的原料的温度。其中，原料包含1,2-二氯乙烷，且加热组成可包含高温液态原料。于进行操作211后，将所形成的加热组成导入气液分离单元140中。于气液分离单元140中，由于加热组成仅包含高温液态原料，故高温液态原料由气液分离单元140的底部输送至热回收单元150与加热单元160中，以接续进行再加热工艺220。
于进行再加热工艺220时，高温液态原料被区分为二部分，其中一部分导入热回收单元150中，以进行第一再加热操作(如操作221所示)，而另一部分导入加热单元160中，以进行第二再加热操作(如操作223所示)。由于热回收单元150与加热单元160的单元本体与其连接管路均为独立的单元，故可理解，虽然图4所绘示的操作221先于操作223进行，但在一些实施例中，操作223亦可先于操作221进行，或者操作221与操作223同时进行。
于操作221中，未被汽化的高温液态原料被导入热回收单元150中，以通过热裂解单元110的高温产物来加热，而可获得第一再加热组成。于热回收单元150中，较高温的热裂解气体与较低温(相对于热裂解气体)的液态原料进行热交换，而可使部分的液态原料相变化为EDC蒸气，故第一再加热组成包含EDC蒸气与高温液态原料。经热回收单元150处理后，第一再加热组成导入气液分离单元140中，以接续进行后述的气液分离工艺。
于操作223中，未被汽化的高温液态原料被导入加热单元160中，以进一步提升原料的温度。于进行操作223时，部分的液态原料相变化为EDC蒸气，故第二再加热组成包含EDC蒸气与液态的高温液态原料。在一些具体例中，操作223可利用水蒸气及/或其他高温媒介来加热液态原料，以获得第二再加热组成。
进行操作221及操作223时，通过调整操作223所使用的高温媒介的用量，导入加热单元160的高温液态原料的量可随之被控制，进而调整热回收单元150及加热单元160的处理量。举例而言，通过热虹吸原理，前述处理量的比例可被调控，以满足方法200的需求。
于进行操作221及操作223后，所形成的第一再加热组成与第二再加热组成独立地导入气液分离单元140中，以进行气液分离工艺，如操作225所示。于进行操作225时，第一再加热组成与第二再加热组成中的EDC蒸气与高温液态原料可被分离，且所分离出的EDC蒸气可由气液分离单元140的顶部导入至热裂解单元110中，以进行后述的热裂解反应，而所分离出的高温液态原料可由气液分离单元140的底部导入热回收单元150及加热单元160中，以再次进行如前所述的第一再加热操作与第二再加热操作。据此，通过再加热工艺，热裂解气体的热能可有效被回收利用，进而有助于大幅减少方法200所需的能源成本。另外，通过第二再加热操作的进行，再加热工艺可更弹性地进行，而有助于热裂解反应的初期，利用加热单元160来解决热回收单元150缺乏热裂解气体的缺陷，以有效提升再加热工艺220的效能。可理解的，于进行操作225时，除第一再加热组成与第二再加热组成导入气液分离单元140外，经预热单元130加热所获得的另一加热组成(即加热工艺的产物)亦会导入气液分离单元140中。据此，由于方法200连续地进行，故进行操作225时，气液分离单元140用以分离第一再加热组成、第二再加热组成与加热组成中的EDC蒸气与高温液态原料。
于进行再加热工艺220后，所形成的EDC蒸气(包含前述第一再加热组成与第二再加热组成中的EDC蒸气)导入至热裂解单元110中，以进行热裂解工艺，以形成含有氯乙烯气体的热裂解气体，如操作230与操作240所示。可理解的，于进行再加热工艺220后，由气液分离单元140分离出的高温液态原料(包含前述第一再加热组成与第二再加热组成中的高温液态原料，以及经预热单元130加热后的另一加热组成)导入至热回收单元150与加热单元160中，以接续进行如前所述的再加热工艺220。在一些具体例中，热裂解工艺的操作压力为12.1kg/cm2G至13.4kg/cm2G，且经热裂解反应后，热裂解气体的压力与温度可为11.0kg/cm2G至11.5kg/cm2G和470℃至480℃。可理解的，热裂解工艺所形成的高温裂解气体导入热回收单元150中，以进行前述的第一再加热操作，而有效利用高温裂解气体的热能。
因此，于本发明氯乙烯的制备系统与制作方法中，通过热回收单元与加热单元的设置，所进行的第一再加热操作与第二再加热操作可有效回收利用热裂解产物的热能，并可有效降低热回收单元的负荷，以延长制备系统的使用寿命。其次，热回收单元的入料管的一端可设置挡板，以减少热回收单元的底部沉积物，而有效抑制积垢的形成，并通过挡板的导流效果，使热回收单元的内部形成均匀流场，进而提升热交换效率。
虽然本发明已以实施方式揭露如上，然其并非用以限定本发明，在本发明所属技术领域中任何技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。
【符号说明】
100:系统
110:热裂解单元
120:原料槽
130:预热单元
140:气液分离单元
150:热回收单元
150a:壳体
151:热传管
151a,151b,153a,155a:方向
153:入料管
155:出料管
157:挡板
157a:支架
160:加热单元
170:骤冷单元
200:方法
211,221,223,225,230,240:操作
220:再加热工艺
A:区域。
Claims (10)
1.一种氯乙烯的制备系统，其特征在于，该制备系统包含：
热裂解单元，具有裂解对流段与裂解辐射段，其中该热裂解单元配置以形成裂解气体，且该裂解气体包含氯乙烯气体；
预热单元，配置以加热原料，以获得预热组成，其中该原料包含1,2-二氯乙烷，且该预热组成包含高温液态原料；
气液分离单元，连接于该裂解对流段与该预热单元之间，其中该气液分离单元配置以分离气体与液体，以使该气体经由管路导入该裂解对流段；
热回收单元，连接于该裂解辐射段与该气液分离单元之间，其中该裂解气体与该高温液态原料的部分导入该热回收单元中，以利用该裂解气体加热该高温液态原料的该部分，而获得热回收组成，该热回收组成包含第一原料蒸气，且该热回收组成导入该气液分离单元；
加热单元，连接该气液分离单元，其中该高温液态原料的剩余部分导入该加热单元，以形成高温组成，该高温组成包含第二原料蒸气，且该高温组成导入该气液分离单元；以及
骤冷单元，连接该热回收单元。
2.根据权利要求1所述的氯乙烯的制备系统，其特征在于，该热回收单元的底部设有多个入料管，且该高温液态原料的该部分经由所述多个入料管导入该热回收单元中。
3.根据权利要求2所述的氯乙烯的制备系统，其特征在于，所述多个入料管的每一者的一端设有挡板。
4.根据权利要求3所述的氯乙烯的制备系统，其特征在于，该挡板的投影面积大于该入料管的管口的投影面积。
5.根据权利要求3所述的氯乙烯的制备系统，其特征在于，该热回收单元包含：
至少一热传管，设于该热回收单元中，且该至少一热传管的水平高度大于所述多个挡板的每一者的水平高度。
6.根据权利要求1所述的氯乙烯的制备系统，其特征在于，该气液分离单元的设置位置高于该热回收单元的设置位置。
7.根据权利要求1所述的氯乙烯的制备系统，其特征在于，该热裂解单元的操作压力为12.1kg/cm2G至13.4kg/cm2G。
8.根据权利要求1所述的氯乙烯的制备系统，其特征在于，该裂解气体的压力为11.0kg/cm2G至11.5kg/cm2G。
9.一种氯乙烯的制作方法，其特征在于，该制作方法利用热裂解单元来制作该氯乙烯，且该制作方法包含：
对原料进行加热工艺，以获得加热组成，其中该原料包含1,2-二氯乙烷，且该加热组成包含高温液态原料；
进行该加热工艺后，对该高温液态原料进行再加热工艺，其中该再加热工艺包含：
对该高温液态原料的部分进行第一再加热操作，以获得第一再加热组成，其中该第一再加热操作利用该热裂解单元的产物来加热该高温液态原料的该部分，且该第一再加热组成包含第一原料蒸气；
对该高温液态原料的剩余部分进行第二再加热操作，以获得第二再加热组成，其中该第二再加热操作利用热源来加热该高温液态原料的该剩余部分，且该第二再加热组成包含第二原料蒸气；以及
对该第一再加热组成与该第二再加热组成进行气液分离工艺；
进行该再加热工艺后，对该第一原料蒸气与该第二原料蒸气进行热裂解工艺，以形成该氯乙烯。
10.根据权利要求9所述的氯乙烯的制作方法，其特征在于，该热裂解工艺的操作压力为12.1kg/cm2G至13.4kg/cm2G。
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