优化溶剂脱水塔操作-降低醋酸消耗调研

优化溶剂脱水塔操作，降低醋酸消耗调研洛阳分公司化工车间李海潮内容摘要：通过对国内PTA装置扩容改造后溶剂脱水塔运行状况的了解，汲取经验教训，对洛阳PTA现状进行分析，采取有效地措施，优化生产工艺操作，以期有效降低醋酸单耗，实现装置节能降耗、降低设备腐蚀的奋斗目标，确保装置安稳长满优长周期平稳运行。关键词：优化操作降低醋酸单耗前言洛阳石化精对苯二甲酸（PTA）装置，采用BP-AMOCO专利技术，于2000年5月正式投产，设计生产能力为22.5万吨/年，2003年7月扩能改造后，提高到32.5万吨/年生产能力。该PTA装置分有两大单元：氧化（TA）单元及加氢精制（PTA）单元，并配有相应的辅助系统及公用工程系统。PTA装置氧化单元是采用醋酸作为溶剂，溶剂脱水塔主要是对氧化部分使用的溶剂进行提纯，使氧化反应生成的水以及配制催化剂时加入的水从醋酸中脱去，工艺指标要求经脱水后，塔顶馏出物含醋酸<0.8％，塔釜排出液含水5％～8％，提纯后的醋酸（HAc）返回氧化反应器重新使用。由于醋酸的腐蚀性强、生产工艺复杂、价格高，同时对环境污染较大，后序污水处理难度大。为此，每个PTA装置都把醋酸单耗作为一项重要的工艺控制指标。PTA溶剂脱水塔的技术典型工艺有两种：一是常规精馏塔，因其操作方便、能耗低、流程简单，大部分AMOCO工艺中均采用该操作工艺，二是采用共沸剂的共沸精馏操作工艺，操作系统复杂、能耗较高、流程复杂，但因其塔顶醋酸含量可降低至ppm级，对降低醋酸单耗具有积极的意义。目前两种溶剂脱水系统并用。洛阳石化PTA装置是AMOCO工艺专利，其溶剂脱水系统是采用常规精馏，原设计塔顶醋酸含量<0.8%，随着PTA装置的扩容改造后的高负荷运行，带来了许多新的问题，特别是氧化溶剂脱水塔处理能力远远不能满足生产需要，塔顶酸含量一直达不到工艺要求，长期维持在1.3％～1.5％,虽几经改造，效果仍一直不理想,PTA装置技术人员曾多次与格力奇、苏尔寿、南京凯宁等精馏供应商进行技术交流，并先后进行了三次大的技术改造，在2004年10月份由南京凯宁进行的技术改造中效果曾一度比较理想，最低塔顶醋酸含量仅为0.5%左右，但在整个系统停车再次开车后效果再度变差，对洛阳石化PTA醋酸单耗影响较大，同时导致污水外排系统的腐蚀也有一定程度地增加，装置平稳生产面监着新的挑战。目前，再次进行大的技术改造不具备条件，只能从优化工艺操作、提高系统稳定运行的基础上对该系统进行优化，确保长周期平稳运行。为此，化工车间曾多次派员赴相关单位进行考察和调研。现状分析1、国内同类装置现状目前，在采用共沸精馏的三井工艺溶剂脱水系统因其操作弹性较大，运行效果高达塔顶醋酸含量仅为50ppm左右，但在PTA扩容改造中，常规精馏的溶剂脱水塔系统改造是一大难题，国内没有一家改造特别成功的先例。仪征化纤一套AMOCO工艺，常规精馏溶剂脱水塔经多次改造，最终改为填料塔盘，塔顶醋酸含量仍高达1.2%左右，且填料腐蚀严重，脱水醋酸中金属含量明显增加。目前，因其内件全部割除，要重新改为塔盘难度相当大，其改造已无法再次进行。杨子PTA一套、二套均采用最早的AMOCO工艺，其扩容改造后，溶剂脱水塔系统运行也处于相当困难的境地。其塔顶酸耗也比较高，为1%左右。上海金山、天津化纤、华联三鑫、仪征二期、杨子三期、辽阳化纤、易盛、翔鹭等国内十几家PTA企业均采用共沸精馏的溶剂脱水系统，对于洛阳石化PTA无参考价值。目前，洛阳石化也曾委托中国纺织研究院进行了常规精馏改共沸精馏的可研性分析，但由于整体投资太大，且具有改造成功与否的投资风险，可行性较小。2、洛阳石化PTA工艺现状常规精馏共收集装置中七处酸性水或酸性气，以减少现场排放和环境污染，进入溶剂脱水塔共分四路(流程如图1)，分别为77层、81～83层、85层、88层，利用塔底再沸器提供热量充分进行气液传质传热，确保水以蒸汽形式从塔顶排出，再利用风机冷凝成含醋酸仅为小于0.8%的污水，醋酸以液相方式在塔底浓缩为93%左右的脱水醋酸(又叫脱水溶剂)，在氧化单元内进行循环利用。由于PTA扩容改造后，溶剂脱水塔负荷无法满足生产需要，其塔顶醋酸含量长期超标，最高达3～5%，醋酸单耗由原设计47公斤/吨.PTA升高至56公斤/吨.PTA。经三次大规模技术改造和实际生产操作优化，塔顶醋酸含量维持在1.1～1.5%，因PTA产量的增加，醋酸单耗维持在46～48公斤/吨.PTA。现塔底温度为133度(已到设计值),塔顶温度为103度,塔底压力为146KPA,塔顶压力为31KPA,塔压降为115KPA,回流比为3.85.目前存在的主要问题是：回流比偏大导致塔负荷偏高,能耗大；塔压降偏大为115KPA,导致BT402系统压力增大,温度升高,腐蚀加剧；塔分离效果差,塔顶冷凝液酸含量严重超标(1.4-2.2%),设计值为≯0.8%,塔底水含量基本正常；塔底温度偏高,腐蚀加剧.图1洛阳石化PTA溶剂脱水塔流程图污水中醋酸含量的增加导致系统腐蚀加剧，特别是氧化单元溶剂回收系统的塔底冷却器及底部管线腐蚀现象日益明显。扩容改造后，曾多次出现因溶剂回收系统泄漏而导致装置紧急非计划停车，对生产造成了极大地影响，经过几次关键部位管线材质升级和阀门更换，目前运行平稳，但随着时间的推移，仍时有泄漏现象发生。为了确保不对环境造成污染，由分公司作为安全隐患治理项目外排污水管线已于2004年、2005年两次进行了全面更换，共更换管线2000多米。优化措施采用先进控制技术，降低人员操作干扰，减少蒸汽消耗，提高脱水溶剂塔运行效果。由于该塔的塔釜排出液返回至配料部分进行循环使用，若水含量偏高导致进入氧化反应器的水含量超过9%，则TA收率将明显下降，杂质对羧基苯甲醛（4-CBA）含量上升；若水含量超过10％，氧化反应器引发时间过长，则会导致反应逐渐中止。同时塔顶馏出物醋酸HAc含量超标，则醋酸损耗费和环保COD处理费也将大为提高。在脱水塔操作中，主要靠经验参照塔顶、底的电导率对加热蒸汽量、塔顶回流进行手动调节，蒸汽量波动较大，无形中造成蒸汽的浪费。(最大蒸汽耗量56T/HR，最小49T/HR，正常值51T/HR)。因此，溶剂脱水塔作为PTA装置的关键耗能单元，还关联着产品的醋酸单耗和氧化单元的稳定操作，在整套装置的节能降耗中起着十分重要的作用。溶剂脱水塔先进控制优化方案如下：塔顶先进控制系统投用操作方法系统能够投用的前提是塔顶原控制方案已经正常运行，即塔顶的回流量已经是通过回流量控制器21FIC421自动控制。正偏差的输入：在触屏上点到“21BS403T”，调出“21BS403T”控制面板。直接将其PV值改为校正偏差即可，校正偏差的计算（来源）后面介绍。工况平稳运行时可不进行校正，只是在工况出现较大波动以及塔顶电导率校正后需对软测量进行校正，输入相应的偏差。在触屏上点到“21FIC421”，调出“21FIC421”控制面板。先进控制系统投用时直接将21FIC421由“AUTO”切换到“CAS”串级位置，其SP为浓度控制器21AIC403T的输出。21AIC403T为醋酸浓度控制器，其PV值是根据软测量模型计算出醋酸的含量加上校正偏差。投用时将其设置在自动“AUTO”位置，SP设定在0－2％之间范围，其值可由操作人员改变。d、根据工艺的操作要求，可以方便地进行串级与原控制方案的切换。塔顶醋酸含量控制方案改造如图一，增加了串极控制，各个参数控制更加趋于平稳，避免了操作过程中人为的干扰。图一溶剂脱水塔塔顶电导控制方案B、塔釜先进控制系统操作方法该系统能够投用的前提时塔釜加热蒸汽21FIC424能够投用自动控制方式。若塔釜加热蒸汽不能投用自动控制方式，则需先调节相关PID参数使其能够投用自动控制方式。校正偏差的输入：在触屏上点到“21BS403B”，调出“21BS403B”控制面板。直接将其PV值改为校正偏差即可，校正偏差的计算（来源）后面介绍。工况平稳运行时可不进行校正，只是在工况出现较大波动以及塔釜电导率校正后需对软测量进行校正，输入相应的偏差。在触屏上点到“21FIC424”，调出“21FIC424”控制面板。先进控制系统投用时直接将21FIC424由“AUTO”切换到“CAS”串级位置，其SP为浓度控制器21TIC424A的输出。21TIC424A为通过压力校正后的灵敏板温度，投用时将其控制方式设置为“AUTO”，待21TIC424A与21FIC424串级回路稳定后在进行上一级控制回路的投用。即将其控制方式由“AUTO”改为“CAS”。21AIC403B为醋酸浓度控制器，其PV值是根据软测量模型计算出水含量加上校正偏差。待21TIC424A控制方式改为“CAS”后，将其设置在自动“AUTO”位置，SP设定在5－10％之间范围，其值可由操作人员改变。根据工艺的操作要求，塔釜先进控制完成了投用，可以方便地进行串级与原控制方案的切换。塔釜水含量控制方案如图二。图二塔釜水含量控制方案通过以上溶剂脱水塔的先进控制技术的应用，建立了符合生产过程实际的塔顶酸含量和塔釜水含量的模型，并根据生产的要求（如塔顶、塔釜馏出液质量以及能量消耗等），采用先进控制方法对该塔的操作参数（如回流量、加热蒸汽量）进行了优化，确保了装置的平稳生产，塔顶醋酸单耗得到了控制。目前该系统运行正常，操作稳定性有了极大地提高，各种调整更加简便、快捷，蒸汽消耗得到了一定程度地降低，塔顶酸含量波动范围逐渐减小。对溶剂脱水塔进行技术改造，采用先进的新型高效塔盘。南京凯宁精馏技术有限公司开发的复合孔微型固定阀高效塔板具有高通量、高分离效果等特点。目前已广泛地应用于国内外石化行业的各种体系中，在提高处理能力、提高产品质量、提高产品收率、节能降耗及环境保护等方面的运用均取得了满意的效果。其通量和板效率均较一般塔板有较大幅度的提高。在2004年10月进行的改造，仅对上部50块316L筛板塔盘进行了更换，并重新进行了核算，减少了4块塔盘。3-52层采用南京凯宁设计的复合孔微型阀高效塔板，进行一对一更换原塔板的方式改造，并重新设计制造进料分布器，新改造塔盘采用复合孔微型阀、多折边倾斜降液管。55-90层恢复扩容前原设计筛板塔盘。去除顶部1、2层及中部53、54层塔板，以增加塔顶气相液沫澄清空间，减少液沫夹带。为改善原筛孔塔板的分离效果，同时弥补、调整以前改造过程中对降液管底隙处的切割，保留现降液管，在原塔板增加入口堰。施工过程中尽可能利用原有塔板支撑件，避免或减少在塔体上的焊接，利用复合孔微型阀高效塔板一对一更换原塔板的方式改造该塔。改造后，达到了理想的效果，但在2005年4月装置大修后效果再度变差。期间虽然进行过多次调整和开停工处理，2006年5月再次由南京凯宁公司对55～90层40块钛材塔盘全部更换为复合孔微型固定阀高效塔板，效果仍未达到理想的设计效果。原因可能是由于高压吸收塔中部严重腐蚀，积液盘大量泄漏，上部原直接原设计直接进入溶剂脱水塔的液相进入了整个氧化系统，导致进入溶剂脱水塔的组成分布和内回流出现了较大的改变，最终导致溶剂脱水塔分离效果较差。加强工艺系统操作，寻找工艺临界点，稳定溶剂脱水塔的高负荷平稳运行。在每次改造后，开工过程中都制定严格的升负荷程序，负荷由21吨/小时缓慢升至25吨/小时，再根据塔的负荷缓慢升至27.5吨/小时满负荷状态，以期寻找溶剂脱水塔的操作平衡点，尽量达到整个脱水塔的最佳运行状态。从多次试验过程可以看出，塔的负荷在25吨/小时以下的状态下，分离效果相当好，但无论升负荷方法如何，只要装置负荷超过25吨/小时整个塔的运行效果就将出现急骤变化，塔顶醋酸含量仍然无法满足生产需要。为此，在分公司技术质量处指导下，为了确切知道塔内现状，查明原因，2006年6月26日聘请专家对整个塔气液分布状况进行了r射线扫描，扫描图结果显示塔内所有塔板完好，没有塌落现象，塔板22至41的峰值特别高，表明塔板上液沫夹带少，气相密度低。而塔顶无塔板处的扫描线远远低于此处的峰值，这说明塔顶无塔板处（超过1米，远大于板间距）具有严重的液沫夹带现象，这将是直接导致气液分离效果差的原因之一。为了调整塔内气液分布曲线，强化传质效果，参照扫描出的脱水溶剂塔气液负荷分布曲线，对物料进塔位置进行了调整，将进入83层塔板的物料改至81层，常压吸收塔底去汽提蒸馏釜的液相全部进入脱水溶剂，以期达到塔气液相负荷分布均匀，通过调整效果塔顶醋酸含量虽有一定降低但效果仍不理想。4)进行共沸蒸馏技术交流和技术探讨，研究常规精馏向共沸精馏技术改造的可能性。因共沸精馏塔顶酸含量最高可达50ppm，对外排污水和环境污染较小，在三井工艺和杜邦工艺中应用较广，但由于改造投资较大，又没有由常规精馏向共沸精馏改造成功先例，目前仅处于技术探讨和技术研究方面，只探讨其改造的可能性和经济效益评价。结束语优化成效脱水溶剂塔关系到洛阳分公司整体效益、醋酸单耗、综合能耗、安全运行和环境保护等各方面工作。溶剂脱水塔的优化和改造成功，将有助于解决困绕PTA装置的腐蚀、酸耗较大等问题。一年来，通过分公司干部职工共同努力，溶剂脱水塔存在的问题基本上有了一定的了解，对下一步进行技术改造和生产优化提供了新的思路和调整方向。并且通过生产技术优化，取得了一定的成绩：塔顶醋酸含量由1.7%降