PTA装置共沸精馏塔脱水系统

PTA探讨James hwang PTA装置共沸精馏塔脱水系统 PTA是合成聚酯的重要原料,是以对二甲苯(PX)为原料,醋酸(AeOH)为溶剂,在一定温度和压力下用空气氧化生成。为保证反应的顺利进行,必须及时从系统中移走氧化反应产生的、常压吸收塔以及高压吸收塔处理工艺气体时加入的水,将水移出,同时尽可能从水中回收醋酸,降低醋酸消耗,目前先进的醋酸单耗约为44 kg。溶剂回收系统的作用为:①从尾气中回收醋酸;②除去溶剂中的副产物和杂质;③ 将水由醋酸溶液中分离出来。所以,回收系统工作状况影响PTA 生产成本的高低和产品质量。仪化PTA装置引进Du Pont专利,溶剂脱水塔为目前较先进的共沸精馏塔,在塔中加共沸剂,降低了溶剂脱水塔的高度,减少脱水所需的热量消耗,工艺指标要求塔顶馏出物AeOH的质量分数小于0.1%,塔底馏出物中水的质量分数约5%。现结合氧化生产运行的实际工况,对溶剂脱水塔作一简单分析讨论。 1 工艺原理 醋酸与水不形成共沸物,且其相对挥发度较低,采用普通精馏法进行分离所需的理论塔板数和回流比较大,相应的能耗也较高。因此普通精馏法主要用于含水量较小的粗醋酸的提纯。 1 溶剂脱水系统的介质为AeOH、H:0、PX、醋酸甲酯(AeOMe)、丙醇等的多元体系,AcOH和H20的沸点虽相差17℃ ,但由于二者之间的非理想汽液平衡性质,要将它们完全分离,需较多的理论板数和较高的能量输入。共沸精馏是指在2组分共沸液或挥发度相近的物系中加入共沸剂,共沸剂能与原料液中的某一个或几个组分形成新的共沸液,从而使料液能用普通精馏法分离。采用共沸精馏法分离水和醋酸时,要求原料液中醋酸含量较高、共沸剂组成稳定。共沸精馏的操作过程:共沸剂和原料液一起进入共沸精馏塔,在精馏过程中水随共沸剂被蒸出,经冷却后与共沸剂分层分离,共沸剂返回塔中,水排放,在塔釜中即得到醋酸。共沸精馏时一般选用形成低沸点共沸物的共沸剂,其加入量应严格控制,以减少分离过程的能耗。 共沸剂的选择对共沸精馏分离过程影响很大,理想的共沸剂应显著影响关键组分的气液平衡,形成三元共沸物时,要在三元共沸物中使原有2个组成之比与原溶液中2个组分之比不同,则将三元共沸物蒸出,就可使原来2个组分得到分离。从水溶液中分离醋酸时,一般选用低级酯类如醋酸甲酯、醋酸乙酯作共沸剂。共沸剂的选择应遵循以下: (1)共沸剂用量愈小愈好,气化潜能愈小愈好。(2)共沸剂与水的共溶性,要易回收和分离。(3)要显著影响关键组分的气液平衡关系。(4)不与进料中组分反应,热稳定性要好。 (5)无毒、无腐蚀,价格低廉。 由于共沸精馏时醋酸与水的相对挥发度增大,因此分离时所需的塔板数和回流比降低,故能耗较普通精馏法低。 2 工艺流程 2.1 常压吸收 常压吸收流程如图1所示。反应尾气在高压洗涤塔中洗涤,洗涤液送人溶济脱水塔。来自第一结晶器尾气冷凝器的尾气和其他所有低压尾气(包括容器吸收损失、溶剂脱水塔的尾气和TA干燥机的排气)一起进入常压吸收塔,先用冷却的醋酸洗涤再用脱盐水洗涤。常压吸收塔底泵将一部分醋酸通过换热器送回常压吸收塔洗涤气体,其余醋酸在液位控制下送母液罐,返回反应器或溶剂脱水塔。常压吸收塔上部的富水出料由泵通过液位控制送至汽提塔,回收醋酸去除杂质。 2.2 母液处理 抽出母液处理流程如图2所示。汽提塔将大部分醋酸和水与非挥发性组分分开,蒸发所需热量由汽提塔再沸器供给,浆料通过循环泵在汽提塔和再沸器间循环。一股来自汽提塔的残渣通过流量控制进入残渣蒸发器,用高压蒸汽HS 加热,大部分残余溶剂被蒸发出来,剩下熔融的残渣进人残渣接受罐与共沸剂回收塔来的废水混合,由残渣泵送至界外 污水处理厂。在汽提塔的顶部,回收的醋酸蒸气用逆流的溶剂洗涤,清洁蒸气进人共沸脱水塔的下部。 2.3 溶剂回收 溶剂回收流程见图3。氧化反应生成的水和装置加人的水在脱水塔中用共沸剂与醋酸进行分离,使塔顶几乎测不到醋酸,塔底醋酸的质量分数约95%。在脱水塔的中部抽出一股液体,送人PX 回收塔去除共沸脱水塔中积存的PX,引人水打破PX一共沸剂恒沸液,氧化第二结晶器部分蒸汽提供PX回收塔清除PX所需热量,顶部气相中的共沸剂返回共沸脱水塔,底部出料PX在液位控制下送母液罐返回反应器。 2.4 共沸剂回收 共沸剂回收流程见图4。 共沸脱水塔底部蒸发所需热量由脱水塔再沸器提供,顶部出来的蒸气在脱水塔顶部冷凝器中冷凝,温度由旁通控制,凝液和气/汽进脱水塔冷凝器倾析器,水相和有机相(共沸剂)分离,共沸剂进入共沸剂贮罐由回流泵送回共沸脱水塔作回流,气相和未凝蒸气送人共沸剂回收塔上部,水相送人共沸剂回收塔底部,进人共沸剂回收塔上部的蒸汽经冷却回收醋酸甲酯存于贮罐中,由泵送至氧化反应器,抑制醋酸甲酯的生成,降低氧化副反应。共沸剂回收塔底部液体经冷却 后由泵送至废水用户和污水处理厂,共沸剂回收塔顶不凝性尾气进人常压吸收塔进一步回收其中的醋酸甲酯。 3 控制原理 溶剂脱水塔采用共沸精馏法从水/醋酸体系中脱水。加人共沸剂后,在共沸脱水塔中形成了有9个沸点组分的多元体系,按沸点由高到低排列为:AcOMe、共沸剂/H2O、PX /H2O、丙醇、H2O 、共沸剂、PX/AcOH 、AcOH和PX,它们的沸点分别是57,82.4,92.5,96,100,102,115, 118,138℃ 。溶剂脱水塔中存在3种共沸物,分别是共沸剂/H O、PX/H:0和PX/AcOH,它们的沸点分别是82.4, 92.5,115℃。共沸剂/H O共沸液沸点82.4℃ ,且是非均相共沸液,处于塔顶部。在冷凝器中生成2种液相,易于通过倾析器分离。 加人到塔的抽出水中含有很小浓度的对二甲苯,PX/ H2O的共沸液沸点92.5℃高于共沸剂/H O共沸液的沸点82.4℃ ,PX/HAc共沸液的沸点115℃低于AcOH的沸点118℃ 。这样,PX会聚集在顶部床层,故当塔内含PX时,塔顶蒸汽内的醋酸浓度会上升。脱水塔顶部床层的下部抽出一股液流,目的就是为从脱水塔中清除掉PX,这是为了减少对塔的操作的影响。由于PX/H 0共沸液沸点92.5℃ ,PX /AcOH共沸液的沸点1 15℃ ,因此抽出位置应在92.5℃ ~ 115℃ ,以确保抽出PX液体。PX抽出时夹带了大量的共沸 剂,为了防止共沸剂随PX返回氧化反应器燃烧掉造成损失,抽出液被加人到PX回收塔。在PX回收塔中,共沸剂/H O 以气相形式回收并返回到共沸脱水塔顶部床层的下面,而PX 以液相形式从塔底流出,从塔底流出的液相由泵送至母液罐中,再循环到氧化反应器。 由于AcOMe的沸点59℃ ,共沸剂/H2O共沸物的沸点82.4℃ ,脱水塔顶部的蒸气中富含AcOMe,AcOMe必须被提取出来,从溶剂回收系统循环返回氧化反应器。简单地用一水冷却器冷却塔顶蒸气会导致过冷,醋酸甲酯进人共沸回收塔的废水中,从而引起醋酸甲酯的损失。为减少这种损失,采用了让一定比例的顶部蒸气不经过脱水塔顶冷凝器,而走旁通,这部分走旁通的蒸气与那些经过冷凝器的部分再混合后一起通过脱水塔倾析器再平衡,保证气液混合物的温度高于AcOMe的露点59℃ ,但低于共沸剂的沸点112 oC,将共沸剂分离出来。随温度的升高,使AcOMe进入H 0中量增加,气液混合物再进人共沸剂回收塔将AcOMe分离出来,AcOMe 由泵送回氧化反应器回收利用。 4 控制要点 随液面的高度的降低及共沸剂的浓度降低,塔内的温度随之升高。在共沸剂的浓度快速上升的地方,塔的温度迅速下降,为了控制脱水塔塔顶、塔底的产品组分,必须维持塔的温度梯度,因而对温度迅速变化的位置进行控制。在共 沸脱水塔的中部均匀分布有6个温度测量点,由温度控制器接受温度测量值并计算出共沸剂的“温度骤变点”,共沸脱水塔的控制实质就是控制共沸剂的“温度骤变点”的位置,是通过控制共沸剂的回流量来实现的。目前经验是控制在由6只均匀分布的温度计所构成的温度梯度30%左右的位置。界面位置太高,则共沸脱水塔塔层温度过高,气相中酸含量过大,增加产品的醋酸消耗;界面位置太低,则共沸脱水塔塔层温度过低,共沸剂和水的共沸物会进人底部AcOH中,最后大部分共沸剂在氧化反应器中被氧化分解掉,同样会造成不必要的经济损失,而醋酸溶剂中含水过多还会抑制氧化反应,产生副产物。 正常操作时共沸塔顶部压力微正压,根据共沸脱水塔中的组分:AcOH,H O,PX,共沸剂,AcOMe以及它们的共沸物在常压下的沸点,设计人员设定共沸脱水塔的“敏感温度”TOI601为103℃ ,氧化第二结晶器压力用于修正共沸脱水塔加热蒸气设定值。 脱水塔温度梯度位置计算器XY-21 107采用Tl到T6的温度信号,与“敏感温度”TOI601进行比较,采用线性插值法计算出所关心的位置(POSITION%)输出,即塔内对应的共沸剂浓度突降的位置。脱水塔顶部温度梯度控制器 GICA-21081理想值(设定值)与GICA一21081测量值的“OUTPUT”相比较。GICA-21081通过串级调节共沸剂回流量 控制器FICA-21101(顶部)和FI-21168(中部)来控制共沸剂的“边界”位置。GICA一21081最初设计仅作用于 FICA.21168(顶部),但是仅仅调节塔顶回流,响应速度比较慢。为克服滞后,现在ICA-21081优先作用于 FICA-21168(中部),此作用将动作FCV.21 168,改变中部共沸剂回流量,加快GICA-21081的响应速度,改变温度梯度。但阀门控制器GIC.21168却将FCV.21168向设定值调节,由于GIC.21168已经被整定为反应较慢,阀门控制器GIC.21 168通过动作FCV-21 101,来改变顶部的共沸剂回流量,改变温度梯度。GICA-21018输出值发生变化后, FCV-21168恢复至原来位置。经过共沸剂回流量的调节,脱水塔顶部温度梯度控制器GICA-21081测量值的“OUTPUT”最终将变为设定值,达到溶剂脱水塔稳定的目的。 5 优化操作 优化操作的目标:降低共沸剂和AcOH的消耗,稳定溶剂脱水塔的工况,确保产品品质。主要通过操作员的良好操作来实现,操作时的注意事项: (1)开停车时因脱水塔进出物料波动较大,应迅速手动操作,缩短共沸脱水塔的响应时间,以降低脱水塔再沸器的蒸汽消耗和共沸剂、AcOH的流失。 (2)稳定脱水塔顶压力于0.112~0.122 MPa, 压力过高影响AcOH和H 0分离,增加再沸器蒸汽 和共沸剂的消耗。 (3)共沸脱水塔回流中AcOMe控于8%~10%,如AcOMe过高会使再沸器的蒸汽消耗过大。 (4)PX在共沸脱水塔中的积聚需要时间,只有当塔层整体温度较正常上移时,方可考虑PX的抽出。PX的抽出应及时,如PX在共沸脱水塔中积聚,温度梯度将难于控制,塔顶温度将升高,从而导致AcOH损失。 (5)控制好PX回收塔的温度梯度,梯度过低共沸剂将于塔底流失,梯度过高PX将在共沸脱水塔中积聚导致AcOH流失。PX回收塔底温度最好控于113℃左右,略低于PX/AcOH共沸物沸点。 (6)控制好共沸剂回收塔的温度梯度,梯度过高,AcOMe将于塔顶流失,梯度过低,AcOMe将在共沸脱水塔中积聚导致再沸器的蒸汽消耗过大。共沸剂回收塔的温度梯度应控于50%左右。