醋酸脫水塔塔頂酸濃度升高原因分析

張 軍,楊如惠

(中國石化儀征化纖股份有限公司技術中心,江蘇 儀征 211900）

應用技術

醋酸脫水塔塔頂酸濃度升高原因分析

張 軍,楊如惠

(中國石化儀征化纖股份有限公司技術中心,江蘇 儀征 211900）

針對醋酸脫水塔塔頂酸濃度逐步升高的現狀,采用Aspen Plus軟件模擬分析醋酸脫水塔操作過程,并采用核算程序對各段填料的能力進行核算分析,同時結合現場操作數據,分析判定脫水塔塔頂酸濃度增加是由于填料破碎所致。

醋酸;脫水塔;填料破碎

精對苯二甲酸(PTA）是聚酯工業的主要生產原料,采用對二甲苯(PX）為原料,在醋酸溶劑中,Co-Mn-Br三元催化氧化下氧化生成對苯二甲酸,同時還副產大量的水,和醋酸溶劑一起蒸發出來,以氣相或液相的形式送往脫水塔回收溶劑醋酸。生成1 mol的對苯二甲酸會同時生成2 mol的水,同時還有氧化副反應生成的水,廢水生成量大是PTA氧化工藝的一個顯著特點,脫水已成為PTA裝置的關鍵工序。PTA裝置的脫水過程除了低濃度醋酸與水難分離的技術難點外,還存在夾帶的溴催化劑在酸性溶液中對填料的腐蝕等問題[1～3]。此外第二結晶器的閃蒸蒸汽是直接進入脫水塔的,這一股氣相的進料也對脫水塔填料的強度提出了更高的要求。鑒于上述特點,脫水塔的增容改造已成為PTA裝置增容改造的難題,許多脫水塔的增容改造都未取得完全成功[4,5]。中國石化儀征化纖公司250 kt/a PTA裝置,采用的是Amoco工藝,裝置穩定運行后進行了30%增容,其中脫水塔雖經多次改造,均未達到最佳的效果,塔頂廢水中的酸濃度超過增容目標值。在這以后,也采用一些改進措施,如采用先進控制系統,優化塔的操作狀況[6,7]過程模擬及核算技術已被成功運用于精餾塔的設計及核算分析,也被運用于PTA裝置脫水塔的分析之中[8,9],但未見用于PTA裝置故障診斷的文獻。筆者針對PTA裝置在更換填料改造后的一段時間內,塔頂廢水中酸濃度先逐漸增減,一段時間后維持在高位運行的狀況,采用Aspen建模并對精餾過程及塔內流動狀況進行過程模擬及核算分析,同時結合現場運行數據分析,得出了改造后的脫水塔塔頂酸濃度逐步升高的原因,確認是填料破碎所致,為下一步的技術處理提供了技術支撐。

1 脫水塔塔頂酸濃度升高原因分析

1.1 脫水塔情況簡介

儀化250 kt/a PTA裝置,采用的是Amoco工藝,該工藝中采用常規的篩板塔脫水(圖1）,塔共有90塊塔板。主要有四股進料:兩股氣相進料,分別來自第二結晶器閃蒸蒸汽和溶劑氣提塔頂部蒸汽;另有兩股液相進料,一股為氧化反應器冷凝器的冷凝液,另一股為高壓洗滌塔和常壓洗滌塔的洗滌液。塔頂采用的是空氣冷凝器。在30%增容過程中,為了滿足130%負荷的需要,對塔進行了改造,將77塊以上塔板替換成規整填料,目標在130%負荷下,塔頂的酸濃度小于0.8%。塔改造投運后,發現并未達到改造目標,塔頂酸濃度高于0.8%。2004年4月又對塔進行了進一步改造,改用Sulzer的M452Y高效填料,進一步降低塔頂酸度。正常操作情況下,各股物料的流量情況見表1所示,脫水塔的主要進料為氧化反應器冷凝器的冷凝水29.9 t/h,酸濃度約為70%;其次是來自氣提塔的塔頂蒸汽18.6 t/h,酸濃度比冷凝水稍高;第三大流股是來自第二結晶器的閃蒸蒸汽,流量約為13 t/h,酸濃度是所有進料流股中最高的,達到了84.3%;來自高壓及常壓洗滌塔的洗滌水,雖然流量只有4.3 t/h,卻帶進了2.37 t/h的水,對塔的影響不容忽視。改造的整體思路是在不對塔徑進行改動的前提下,通過改造塔的內構件,即采用高效填料來提高塔的處理能力。塔的改造方案如下:將脫水塔分成3部分,上部酸濃度低,腐蝕性不強,氣液流速低,不易液泛,因此采用316 L的M452Y型高效填料,填料層總高度約16 m,分成三段。中部和下部酸濃度高,腐蝕性強,因此采用鈦材。中部分成兩段,第四段仍采用高效的M452Y型填料,五段采用M252Y填料。底部塔板未改變。塔投入運行后,塔頂的酸濃度達到了預期的目的,但隨著操作時間的增加,塔頂酸濃度不斷增加,然后維持在一個高位運行,因此需要分析塔頂酸濃度增加的原因,以便于采取進一步措施。

圖1 脫水塔結構示意

表1 正常操作情況下的醋酸脫水塔的進料情況

1.2 脫水塔能力分析

首先在Aspen Plus環境下建立了脫水塔工藝模型,并對精餾過程進行模擬分析。采用上述正常操作情況下的進料數據,塔底酸濃度控制在93%,塔頂回流比控制在3.1,塔在接近常壓下操作。模擬計算得到了各段填料塔的頂部及底部的液氣流量,并采用Aspen plus的核算程序進行了核算分析。表2是模擬得到的各段填料的頂部及底部的液氣流量及核算結果。液氣流量基本上從上到下逐漸增加,其中在四、五段填料處液氣流量變化比較大。

核算分析發現四段填料的底部易發生液泛,同時又進一步研究了提高塔頂回流量和增加塔底酸濃度控制值后,各段填料的能力變化情況。表3是塔底濃度控制在95%,塔頂回流比為3.2情況下各段填料的能力核算結果。在這種情況下,四段填料的底部和五段填料更易液泛。

表2 模擬得到的各段填料的液氣流量及核算結果

1.3 脫水塔運行數據分析

從收集到的塔的操作數據看,在塔投入運行后500 h內,塔頂的酸濃度能控制在0.6%～1.0%內,在這以后塔頂酸濃度基本上在1.0%以上(圖3）,說明塔的操作性能已發生惡化。從塔的操作壓力差看,在0～700 h內,塔的操作壓力差從10 kPa上升到40 kPa(圖4）,以后增加速度變慢。與操作初期相比,操作壓力差變化較大,而操作參數變化并不大,這說明塔內部已有部分填料發生破碎,可能是4段填料塔的下部,操作參數的較大變化和操作的擾動都有可能造成此處液泛。此處采用的是0.1 mm厚的鈦材填料,與不銹鋼相比,鈦材填料的強度要低,其彈性模量約為不銹鋼的一半。液泛的湍動會使得填料破碎。填料破碎后,又會造成氣體流動的阻力增加,壓降增大,表現成塔的操作壓力差增大,塔底溫度增加(圖5）。塔底溫度的變化趨勢也與壓力差相同,前700 h內逐漸增加,后維持在高位運行。填料破碎,填料傳質效率下降,塔頂酸濃度增加。

圖3 塔頂酸濃度隨操作時間的變化

圖4 塔底與塔頂壓力差隨操作時間的變化

圖5 塔底溫度隨操作時間的變化

2 結 論

核算分析表明,與其它各段填料相比,精餾塔中的四段填料塔的底部較易液泛。增大塔底酸濃度控制值和增加回流量,使得各段填料的能力因子增大,更接近液泛點。從塔的操作數據分析看,在塔的操作初期就有了壓差逐漸增大的趨勢,已出現了部分填料破碎。填料的破碎又惡化了氣液流動,降低了傳質效率,使塔局部發生液泛湍動現象,表觀為塔頂酸濃度增加。

1 魯錦富.PTA裝置溶劑脫水塔填料腐蝕的原因及影響[J].合成纖維工業,2003,26(5）:42～44

2 薛嘉日.PTA裝置溶劑脫水塔D1-601腐蝕與控制[J].石油化工腐蝕與防護,2008,25(6）:49～52

3 薛月霞,陳達,等.PTA裝置溶劑脫水塔填料材質的選用[J].石油化工腐蝕與防護,2008,25(6）:37～39

4 周健欣,高國正.PTA裝置醋酸脫水塔存在問題攻關[J].河南化工,2005,22(12）:42～44

5 劉毅.PTA裝置溶劑脫水塔改造方案比較[J].聚酯工業,1998, 12:28～30

6 姚紅江.溶劑脫水塔的先進控制系統[J].聚酯工業,2001,14 (5）:44～47

7 王蕓.先進控制技術在PTA溶劑脫水塔上的運用[J].合成技術及應用,2007,22(2）:53～56

8 李兵.溶劑脫水塔的初步模擬與優化[J].聚酯工業,1997,3:27～29

9 陳斌,李希,等.三井氧化反應器脫水段的水力學分析[J].聚酯工業,2005,18(2）:24～26

Analysis of the reasons for the increasing of Acetic Acid content in distillate of dehydration tower

Zhang Jun,Yang Ruhui

(Sinopec Yizheng Chem ical Fibre Co.L td.,Technology Center,Yizheng Jiangsu211900,China）

In this paper the dehydration process ofAcetic Acid solution used in Yizheng 250 kt/a PTA plant has been si mulated and the capacitiies for different packing bedsof the column have also been rated by usingAspen Plus program.It shows that the destruction of the packing is the main cause for the increasing ofAcetic Acid concentration in the top waste water of the column based on the above analysis results and analysis of the plant operating data.

Acetic Acid;dehydration tower;packing destruction

TQ051.6

B

1006-334X(2010）03-0042-03

2010-07-30

張軍(1967-）,江蘇江都人,高級工程師,主要從事化工及高分子聚合研究工作。