PTA醋酸精馏分离过程改造设计

1、大型 PTA 装置醋酸溶剂脱水系统的扩容节能改造0、 引 言张志炳，吴有庭，耿皎，孟为民南京大学分别工程争辩中心，210093，南京大型 PTA 生产装置一般都设有醋酸溶剂脱水精馏系统，脱水精馏一般分共沸连续精馏和常规连续精馏两种。早期从国外引进的装置通常是后者。而醋酸 / 水体系的常规精馏是一个格外特别的汽液分别过程，该体系在精馏操作过程中不仅具有严峻的腐蚀性，因而要求较高标号的设备用材，而且需要较多的理论塔板数，以实现较高的分别要求。尤其是在塔的中上部，汽液相中的水含量较高，醋酸含量随塔高降低，相对挥发度变得越来越小，从而造成工程上的分别困难。更值得强调的是，在塔的中上部，由于浓度的变化，

2、该体系存在严峻的Marangoni 负效应，给工程设计选择塔内件带来困难。假设处理不当，将会消灭设计或改造失败的结果。因此，在对该过程进展工艺模拟时，如直接承受商业化工艺模拟软件， 就必需考虑此方面的影响。本文将以某公司一套 330kt/a以 100wt 醋酸计醋酸溶剂脱水常规精馏系统的工程改造设计为例，介绍改系统改造设计时的相关技术和节能问题，以与同行共享。1、原精馏系统简介与改造设计要求工程背景醋酸作为 250kt/a PTA 生产装置反响过程的溶剂，在生产过程中由于被反响器产生的大量工艺水所稀释，因此，与 PTA 配套的溶剂脱水精馏装置之功能就是要将醋酸溶剂中的水脱除，从而再返回反响系统

3、循环使用。经核算，与 250kt/a PTA 配套的醋酸循环量约为 330 kt/a以 100wt 醋酸计。由于水的存在，脱水精馏装置实际处理量达 50156 kg/h。由于生产需要，拟将PTA 装置负荷提高至 330 kt/a。相应地，溶剂脱水精馏装置的产能将提高至 435 kt/a以 100wt 醋酸计，而其实际处理量将达66206kg/h，最大峰值负荷高达 70218 kg/h。该 PTA 生产装置原本由美国阿莫科AMOCO公司总体设计，其中的醋酸脱水精馏塔装置位号为 T-403, 为简化起见，下文将均用此位号由美国格里奇GLITSCH公司设计并供给塔内件。工程设备由德国鲁奇(LURGI

4、)公司加工制造。由原设计单位供给的资料和实际操作状况说明，T-403 塔的原设计负荷上限为 105，即最高产出量为 350 kt/a以 100wt 醋酸计，否则，塔顶醋酸含量将严峻超标。1脱水精馏塔状况简介该 T-403 塔原设计为上下两段，如图 1 所示。总高为 58725 mm，其中上段39270 mm，塔径为 3200 mm；下段为 15555 mm，塔径为 3500 mm。全塔共设 90 块一般筛板，其中上段 77 块，下段 13 块。从塔顶计，第 1 到 75 块板为316L 不锈钢材质，厚度 3 mm，第 76 至 90 块板为钛材，厚度 2 mm。该塔在 100%负荷运行时，总处

5、理量为 50156 kg/h 原料液。该塔设有 4 股进料，其物流分别以 F1，F2，F3，F4 表示，每股物流的温度、压力、浓度、流量和比热焓如见表1 所示。图 1 醋酸脱水精馏塔示意图表 1、T-403 塔的进料数据100负荷物料代号温 度C压 力kPaHAc 浓度wt%流 量kg/hF136.910151.42795F278.145071.315698F3127.519376.921642F4161.744884.410021为了在不转变塔径和塔高的状况下通过内件改造在原根底上实现提高产能32的目标，业主在国际范围内进展招标寻求解决方案。经国外某有名分别工程公司核算判定：在业主的改造要求

6、下，该塔改造不能成功。事实上，业主在改造前实施 107负荷操作时，塔顶的醋酸浓度值已高于2.2%wt,严峻时已高达 2.8%wt。这不仅使该公司的废水处理系统不堪重负，而且， 醋酸资源铺张严峻。改造设计要求业主对该改造设计提出如下要求和限定条件：2负荷提高 30%，峰值负荷经受 140%的考验；操作弹性为 21，即负荷可在 60%130%之间波动；塔顶醋酸浓度低于 0.8%wt , 最高不得超过 1.2%wt；精馏系统除内件外，全部其它设备，如塔高、直径，管道大小、方位，再沸器、冷凝器等均不得转变。依据上述要求和限制，可以说该扩容改造设计的难度极高，条件近乎苛刻。改造前主要参数参 数 名 称原

7、 设 计 值改造设计前的塔系统构造参数和局部工艺参数见表 2 所示。表 2 醋酸脱水精馏塔改造设计前的有关参数1、 塔高,mm39270 + 155552、 塔径,mm3200 / 35003、 塔板类型筛板4、 塔板开空率，11125、 溢流堰高度，mm406、 年处理力量,kt/a3537、 塔顶醋酸含量,wt%2.22.8 【注】8、 全塔压降,kPa779、 塔底温度,C12913010、塔底醋酸浓度,wt%9511、塔底再沸器换热面积,m21404注：塔器改造前，在 107负荷下操作时塔顶醋酸含量指标醋酸水体系的工艺模拟计算及 Marangoni 效应体系的非抱负性校正醋酸/水物系是

8、一种典型的有严峻非抱负性的体系，乙酸不仅在液相有很强的缔合作用，而且在汽相中即使在低压下其缔合作用也格外明显。Prausnitz1指出， 含羧酸的体系必需用“化学理论”计算逸度系数。但是，一方面，在进展精馏过程模拟时，却较少有人在相平衡中计及汽相的非抱负性，这种无视直接影响了模拟结果的准确性；另一方面，严格的“化学理论”2是承受维里方程进展计算， 须分别计算物理作用和化学作用维里系数两局部的奉献，公式较为简单，计算繁琐。虽然计算速度至今已不成问题，但很多商业化软件本身并未考虑此种特别的非抱负性。在实际模拟计算时，在不失准确性的同时，为简化起见，可以在在相平衡计算中承受较为简洁的“化学平衡理论”

9、方法来校正汽相的非抱负性。具体方法和计算过程请见文献3，这里不再累述。3体系的 Marangoni 效应通过工艺模拟计算简洁看出，T-403 塔自上而下各塔板上的液相外表张力数值变化较大，塔顶最大，塔底最小。其变化趋势是愈趋近塔顶其梯度值愈大。这说明该分别系统尤其是塔的中上部存在严峻的 Marangoni 负效应。本工程组和国外有关争辩人员经长期的争辩说明，该体系的 Marangoni 负效应的存在将严峻影响分别过程尤其是填料塔分别效率的正常发挥，Marangoni 负效应越强，填料的分别效率就损失得越多4-6。图 2a,b即分别是 Marangoni 正、负效应对填料外表液相流淌与分布的影响

10、状况。可见，Marangoni 效应对填料外表的润湿程度与效率的发挥具有重要影响。Marangoni 正效应体系(b) Marangoni 负效应体系图 2 Marangoni 正、负效应体系液相在填料外表流淌与分布的红外照片操作回流比的影响通过承受不同的回流比进展模拟计算，在到达一样分别要求时，回流比对所需要的理论塔板数和塔顶塔底的热负荷影响较大，具体结果见表 3 所示。回流比，R理论塔板数，NT塔顶热负荷，Qc塔底热负荷，Qb表 3 在一样分别要求时不同回流比对理论塔板数和塔顶塔底热负荷的影响*kJ106kJ1063.080-121.55121.83.266-128.54127.93.45

11、7-135.28134.03.650-141.79140.08*计算时设定塔顶HAc 浓度0.5%wt, 塔底HAc 浓度95%wt。可见，较小的回流比，如R3.0 时，就需要大量的理论板数80 块，而在业主的限定条件下，是不行能实现的。但如承受较大的回流比，如 R3.6，虽然理论板数50 块可以大幅降低，但塔顶塔底的热负荷将大幅上升，从节能的角度讲是不行取的。此外，在扩容 32后，即使在 R=3.3 操作时，该塔的空塔汽相动能因子平均已到达 F=2.8 左右，有些塔段已在 F=3.0 以上。而在 R3.64回流比下操作，T-403 塔的负荷已远远超出了国内已有商业化填料和塔板所允许的负荷值。

12、由于在此工况下操作时，由于塔高的限制，能满足如此大通量而又同时具有足够分别效率和低压降的内件已难以找到。同时，由于再沸器不能改造扩容，其热负荷也难以得到保证。因此，必需确定这样一个回流比，既节能，又能满足 T-403 塔扩容增效要求，同时又能找到相应的塔内件与之匹配而使之工业化实现。阻力降与热负荷在扩容 32的状况下，假设不实行特别技术措施，T-403 塔现有的再沸器 E-403的供热量即使在回流比不增加的状况下也无法满足生产需要(经核算，原设计仅留有14左右的热负荷余量)。原操作数据同时说明，在107负荷运行时R=3.3,全塔的阻力降高达 80kPa 左右，塔底的压力达 189190kPa。

13、对应的塔底温度达130左右。也就是说，在加热蒸汽压力 0.55MPa不变的状况下，现有再沸器已难以胜任。改造方案在招标过程中，包括美国在内的国内外几家公司的投标方案由于技术上的牢靠性较差，均先后遭被业主拒绝。南京大学提出的方案是填料与塔板有机结合的联合方案。具体为：废除 T-403 塔中上部全部筛板，代之以专利技术SINOPAK 无壁流规整填料；对下部原有筛板进展专利技术改造而不是废除，将其改造成“ADTTD 全导流塔板”；F在第四个进料口 具有较严峻的闪蒸现象上下方，承受制造专利 “混合箱4塔板”加以再造，以强化传质效率和提高其抗破坏性能；全部填料层均承受“槽盒式无限点液体分布器”进展液体的

14、分布与再分布。该方案的优点是：无需对现有再沸器进展改造，即可满足 140峰值负荷的供热要求。承受填料和塔板技术并用的方式，不仅可满足扩容32的需要，而且可节约大笔增设备投资，其改造总费用仅为国外公司方案的 50左右。可大幅节约能源。业主认为，该方案思路颖，承受的技术先进，可以根本满足上述五项要求， 具有科学性和可行性，是一个优选方案。 精馏系统设备核算再沸器力量核算依据业主对本改造设计的要求，现有 1404 m2 的再沸器换热力量是核算的重点之一。T-403 塔经改造后，在操作负荷提高至 132时，假设塔的温度和压力参数5在改造前后不变，则改造后再沸器所需热负荷可以近似地用 100%生产负荷下

15、的Qb 值乘以 1.32 得到。但事实上，改造前后塔的温度压力参数发生了极大的转变， 低压降无壁流规整填料的承受使全塔在 132生产负荷下的压降也比改造前大幅降低，即从改造前 189 kPa 下降到改造后的 145 kPa 以下，塔底温度从改造前的 130 C 下降到 122 C 左右，而这 8C 的温差对于满足业主的第4条要求是至关重要的。mm前已述及，再沸器的面积只有 1404m2，无法转变，生蒸汽的供源压力为600kPa, 送至装置现场后压力仅为 550kPa 左右，对应之饱和温度为 154C。改造前再沸器的平均温差 t =24C, 改造后再沸器的平均温差为 t =32C。而这一平均温差

16、的增加实际给该传热过程提高了推动力。假设不计及由于塔底温度变化造成的塔底物料在物化性质方面的转变，以及改造后流量加大对再沸器对流传热系数的影响，那么，改造前后再沸器平均温差的变化所引起的再沸器传热力量的提高幅度约为3224/24100=33.3%因此，承受本方案后再沸器的传热力量在总体上足能满足生产需要。传质塔内件力量的核算承受强化传质型无壁流规整填料 SP-A2, 配置以槽盒式无限点液体分布器LD-II，不仅可通过 F=3.0 左右的峰值负荷对应的生产负荷为 135，而且可大幅消退 Marangoni 负效应对填料效率的损害。槽盒式无限点液体分布器 LD-II 的分布效果在 1000 点/m

17、2 塔截面以上，能最大限度地保证填料层效率的发挥。承受 ADTTD 塔板，它可以长期在高汽相负荷F3.3状况下运行，并能维持较高塔板效率，同时它可允许的液相负荷可达 60m3/m.h。 而在本工程中， 液相负荷仅为 40m3/m.h 以下。因此，承受本塔板方案是可行的。其它设备的核算通过对塔身强度及塔器相连的管道，仪表阀门的通量和再沸器强度，冷凝器力量和强度的校验，证明它们均可在 132负荷下操作无碍。改造效果与工作体会改造设计效果通过上述综合技术措施的改造设计，该醋酸脱水精馏塔 T-403 系统在扩容改造后的各项技术指标为：1100负荷在 100负荷操作时，全塔的各项技术指标均处于较优的状态

18、：塔顶醋酸浓 度:HAc 0.5%wt；塔迎风冷器开机台数：6；塔底温度：t 118C；塔底压力： P 139 kPa。2120负荷6在 120负荷操作时，全塔的各项技术指标保持良好：塔顶醋酸浓度:HAc 0.8%wt；塔迎风冷器夏季开机台数：7；塔底温度：t 121C；塔底压力：P 143 kPa。3132负荷在 132负荷操作时，全塔的各项技术指标绝大多数较好，个别指标超标：塔顶醋酸浓度:HAc=1.21.5%wt超标，塔迎风冷器开机台数：冬天7 台，夏天 8台；塔底温度：t 122C；塔底压力：P 145 kPa。节能效果经生产车间一年连续运行说明，每小时可节约 0.6MPa 生蒸汽 8

19、.72 吨,假设按每吨生蒸汽 120 元计算，每年可节约约 70000 吨生蒸汽，节约资金 800 余万元。在改造前，处理每万吨醋酸以 100浓度计所需的生蒸汽为 1.394 吨，在改造后，处理每万吨醋酸以 100浓度计所需的生蒸汽为 1.209 吨，即改造后的热能利用率提高 13.2%。5.工作体会与大型 PTA(精对苯二甲酸) 生产系统配套的醋酸溶剂脱水精馏装置的原设计代表了二十世纪 90 年月塔器技术的国际先进水平。在业主限定的条件下对该装置进展扩容技术改造，是一件难度极高的技术作业。技术密集程度高，风险大， 从工艺到设备，以至制造和安装，任何一个环节假设发生过失，都将可能导致整体改造失

20、败。本工程组在基于对醋酸/水传质体系的理论争辩比较坚实的根底上， 能够较为准确地对该过程进展模拟计算。同时，工程组由于在此之前开发了大量的且已被工业实践证明工程性能优异的塔内件，在本次改造设计中发挥了关键的作用。Marangoni 效应仍旧是本次改造设计的关键影响因素之一，虽然本课题组在关于 Marangoni 效应对传质传热影响方面的争辩工作走在全国的前列，但就此大型工程而言，要完全消退 Marangoni 负效应对填料分别效率的严峻影响，并不是一件轻而易举的事情。这也正是在 132负荷操作时，全塔的各项技术指标中塔顶醋酸浓度没能完全到达业主要求3所规定的那样低的缘由。本工程组以往的争辩说明，对于醋酸/水系统，承受一般波浪型规整填料分别时，在浓水相状况下，规整填料的分别效率仅为分别正常有机物系的 6065%左右！瑞士某跨国公司曾承受外表机械性强化处理的方法设计制造了可有效消减Marangoni 负效应的规整填料，并用于同类塔器之中。但随之而来的问题是，该填料的抗腐蚀性能也被大幅消弱，即使承受钛材制造，其有效使用寿