PTA裝置高壓吸收塔的設計原理和控制方法

施翔星，馬業華，胡旭良，林 放

(中國石油四川石化公司南充煉油廠，四川 南充 637000)

當前主流的PTA裝置除設備種類和數量多外，還具有復雜控制和聯鎖系統多、自動化程度高這一明顯特征，尤其以采用INVISTA工藝的裝置最為典型。對于新入行的操作人員，在學習過程中，難免會遇到較大難度。因此，在培訓時，從各單元的核心設備入手，明確其作用、全面了解設備結構和與之關聯的復雜控制系統、使用仿真模擬軟件[1]，對員工能盡快達到熟練操作，顯得非常必要。

就PTA裝置氧化區而言，高壓吸收塔雖然未在漿料主流程上，卻是串聯壓縮機組、反應單元(高壓區)和溶劑回收單元(低壓區)的關鍵設備。從作用上講，高壓吸收塔的主要功能是吸收反應尾氣，實現初步的物料回收和能量利用，并且達到控制氧化反應器壓力的目的。本文從高壓吸收塔的結構設計、操作控制要領進行解析，為同類裝置的安全運行和人員培訓提供參考。

1 高壓吸收塔的設計分析

1.1 工藝流程和作用

來自反應器頂部和結晶器頂部的氣相(富含醋酸和各種有機物的尾氣)從塔體中部分兩路進入高壓吸收塔(設備位號D310)，經高壓酸和中壓密封水兩級洗滌，尾氣中的絕大部分有機物被洗下來后進入到催化焚燒系統(CCU)和尾氣干燥洗滌塔，使尾氣中的有機物基本被處理干凈。此時氣相成分以氮氣為主，用于膨脹機作驅動發電或者作為惰氣供應給裝置；兩級洗滌液在塔底被分別收集進酸側罐和水側罐，分別進入反應系統和溶劑回收單元再利用(流程詳見圖1)。

氧化尾氣成分復雜，除氮氣和尾氧外，還含有醋酸(HAc)、CO、CO2、未反應的殘留PX、副產物醋酸甲酯(MA)和溴甲烷，其中有機物的含量為3%；經D310洗滌后，工藝要求尾氣溫度為40～44℃，有機物含量≤1%。雖然百分比變化小，以100萬t/a的PTA裝置為例，可回收790 kg/h的HAc和8.85 t/h的MA，全部再次用于氧化反應，同時，350 t/h的反應器尾氣流量，經過CCU處理后用作機組發電和惰氣，實現節約氮氣、降低能耗物耗，對于當前嚴峻的市場行情[2]和嚴格的環保排放要求，效益突顯。

1.2 設備結構分析

1 塔頂尾氣出口，2 安全附件安裝位置，3 停工堿洗線，4 水洗線，5 酸洗線，6 反應器尾氣進口，7 結晶器尾氣進口，8 塔底液位計安裝位置，9 泵回流線，10 接酸側罐底泵，輸送至反應系統，11 水側去溶劑脫水塔線，12 上塔液位計，13 上下塔連通線，14 反應器抽出水線，15 檢修人孔，16 II層除沫器，17 I層除沫器，18 填料層，19 浮層塔盤，20 酸側罐，21水側罐

圖1 高壓吸收塔結構圖

Fig.1 Structure of HP absorber

D310全塔用316L不銹鋼制成，設計壓力為2.02 kPa，設計溫度是215℃。塔體從下往上分成三部分：底部脫氣段，中間洗滌段，散堆填料(填料為2205雙相不銹鋼)和頂部洗滌段。在頂部洗滌段下部進口和上部出口均裝有除沫器，用于去除尾氣洗滌后夾帶的液滴，兩層除沫器之間包含有10塊浮閥塔盤，其作用為在裝置負荷變化時保證操作彈性。

在結構設計上，D310的巧妙之處在于兩段洗滌、兩段回收，保證了物料的初步分離，有利于減少裝置的設備數量和降低整體能耗，對國產自主工藝包的開發有重要的借鑒意義。

如圖1，來自E308(反應器尾氣冷卻器)和E431(結晶器尾氣冷卻器)的尾氣進入高壓吸收塔的酸側(酸側罐上部)，這部分尾氣向上通過8 m厚的散堆填料段后，被醋酸溶劑逆流洗滌，尾氣中的對二甲苯和醋酸甲酯等有機物被洗滌后，隨醋酸又經填料層落入塔底的酸側罐；被醋酸洗滌后的尾氣經過I層除沫器和傘狀通道進入上塔(即塔頂洗滌段)，尾氣在上塔被工業水洗滌，水洗的目的是除去尾氣中的殘留醋酸，使尾氣盡可能干凈。含有醋酸的洗滌液被收集到頂部底層的煙道塔盤上，形成液位后在重力作用下經上下塔連通管線進入塔底水側罐，再會同反應器抽出水，通過液位控制送到溶劑脫水塔回收醋酸。最后，經過酸洗、水洗兩次洗滌的尾氣經過塔頂的II層除沫器去除液滴后進入尾氣處理系統被回收利用。

表1 尾氣洗滌前后成分變化對比表

D310洗滌前后的尾氣組分對比見表1。從表中可見，經D310洗滌后，尾氣中的有機物被去除，成分更簡單穩定，為用作裝置自產惰氣提供了基礎。

2 高壓吸收塔的操作控制

2.1 壓力控制

以規模為100萬t/a的裝置，正常負荷下，經兩級洗滌后，從塔頂出去的尾氣量達到365 t/h，壓力超過1.4 kPa，INVISTA設計帶兩分程的自動控制器PICA-03532來完成對D310的壓力控制。兩個分程調節閥分別為PCV-03532A和PCV-03532B，其中，B閥等級比A閥小很多，它用于開工和反應器跳車持料時控制壓力，A閥用于正常生產時控制。

開工過程中，隨著提裝置負荷，各系統開始升壓，控制器PICA-03532的輸出增大，B閥被打開，此時A閥關閉；當B閥全開時，A閥才開始打開。隨著壓力進一步上升，控制器輸出進一步增大，A閥繼續開大，然后B閥逐漸關閉。PICA-03532輸出對閥門開度調節的具體數據見圖2。在設計時，根據負荷狀態對閥門的選型非常關鍵，A、B閥分程分割點的選擇原則是對壓力控制的干擾最小。如圖2，各分割點應盡可能使PCV-03532B的最大流量和PCV-03532A正常流量有一個線性響應。B閥最大流量=24 t/h，A閥最大流量=365 t/h，分割點=24 / 365= 6.6 %。

圖2 高壓吸收塔壓力分程控制曲線圖

此外，PICA-03532輸出還用于低選模塊PY-09129，以限制未處理尾氣壓力控制閥PCV-09129的開度。這種限制是為了避免在開工初期盡量少提取尾氣。當反應器在低負荷運行時，若尾氣量不足，催化焚燒系統易發生低流量聯鎖，造成全系統跳車的風險。

2.2 尾氣提取

尾氣從D310頂部離開后有三條流程：(1)剛開工和聯鎖持料，此時尾氣量極低，直接去尾氣洗滌塔水洗后排空；(2)未處理尾氣線，剛引發反應時，尾氣量較少，經干燥吸收器處理后用作惰氣；(3)處理尾氣線，當負荷達到正常后，此時尾氣量大，先經催化燃燒徹底去除有機雜質，再經干燥處理(包括尾氣干燥洗滌塔和干燥吸收器)后用作惰氣，以減少外購氮氣的使用量，從而提升裝置的經濟效益。

整個尾氣提取過程由程序步驟執行，在中控DCS界面上有選擇開關，該開關由兩個按鈕組成，一個按鈕選擇從未處理線到處理線，另一個按鈕選擇從處理線到未處理線。在選擇提取前，必須同時保證以下條件：反應器正常未發生聯鎖，包括空氣旁路線關閉；尾氣膨脹機旁路線關閉；CCU系統出口溫度正常；尾氣洗滌塔底部液位和出口溫度正常；尾氣洗滌塔冷卻器液位及其自產蒸汽壓力正常。任一條件不滿足，提取尾氣均不能完成。

圖3 反應尾氣處理流程和未處理流程比較

必須注意的是：當D301負荷未達到允許量時，不允許從反應后的氣相中提取尾氣。從高壓吸收塔D310壓力控制器的輸出推斷出反應器的負荷。從圖2的曲線可知，至少要在PICA-03532的輸出大于50%以后，此時B閥已全關，A閥開度已在50%以上，D310壓力已由A閥控制；而PY-09129的輸入已最大，低選將不再起作用，對應的反應器負荷也在50%左右。

為了實現在未處理尾氣和處理尾氣之間的平穩過渡，C115入口壓力測量值(圖3中P2)輸送到DCS計算模塊XY-01106，由測量值減去操作人員輸入的壓差(通常為0.025 kPa)所得的值作為PICA-09129(圖3中P1，D928頂部壓控)的設定值，以確保D928出口和 C155進口有正確的壓力梯度。若P1>P2，可能導致有夾帶的尾氣經D928、E927反竄進C155，對機組造成損害。

3 方法建議

隨著產能過剩造成的競爭壓力和日益嚴格的環保排放要求，以及單體裝置的負荷呈上升趨勢、自動化控制程度提高，對操作水平的要求也進一步提高。就目前主流化的采用INVISTA工藝的PTA裝置，從保證安全運行的角度，與自動化控制相關的聯鎖數量大幅度增多，聯鎖跳車的概率增大。因此，結合保證高壓吸收塔的平穩運行和生產管理，有如下建議以供探討：

(1)保證公用工程穩定性。工藝包中關于裝置聯鎖的觸發因素，相當部分和循環水、密封水、冷卻水、蒸汽、惰氣等介質的壓力、流量有關，D310的酸沖洗和密封水沖洗流程上均設有相應的低流量聯鎖。因而新廠建設或者舊廠技改時，首先考慮公用工程設計的合理性、設備的可靠性，成為日后減少不必要的非計劃停工、保證裝置的長周期平穩運行的基礎。

(2)防腐蝕控制。PTA裝置氧化區的設備腐蝕主要來自于醋酸和氫溴酸(分別為主要溶劑和反應促進劑)，就D310而言，醋酸的影響主要在于長期沖刷，短期腐蝕則來自于尾氣中含有的氫溴酸蒸汽[3-4]。基本措施有：

①保證正常生產期間三條溴化氫沖洗管線的流量暢通，以減輕對閥芯的腐蝕程度，這三條流程分別是反應器尾氣(圖1中的位置 6)上的酸沖洗、尾氣出口處理線和未處理線上的密封水沖洗。②在不影響反應效果時，盡可能降低催化劑配比中的溴化氫比例，以減少反應尾氣中的溴含量[5]。

(3)反應器壓力。反應器尾氣進D310流程上有反應器壓力控制器(PICA-03243)，其控制原理和分程點與D310壓力相同。控制好反應器的出口壓力，一是減少高壓吸收塔壓力波動，避免氧化反應器與高壓吸收塔的壓差過大，減輕進入D310的上升尾氣流對設備的沖刷；還要保證在反應器、高壓吸收塔、CCU、尾氣膨脹機之間形成正常壓差，避免發生逆流。

(4)尾氣提取轉換。從理論上講，可直接使用未處理尾氣而不切換成處理尾氣，但未處理尾氣是未經CCU燃燒，雜質含量高(殘留有機物和溴)，直接進行干燥后用作惰氣或者進行排放，都很難達標，這也是許多老廠面臨的問題，這也是新建裝置引入CCU單元的意義。所以正常投產后，必須將未處理尾氣切換成處理尾氣。從圖2看出，提取處理尾氣流程包括CCU系統、E927、D928，倘若這部分設備無法投用，只能從提取處理尾氣轉換為提取未處理尾氣，并及時檢修。因此做好這部分設備的保養也是實現清潔生產需關注的重點內容之一。

(5)全局意識。對于聯鎖密集的裝置，操作人員在調整操作時，要考慮改動流程對本單元和其它系統的關聯，平緩調節開度，避免因處置不當造成壓力、溫度等大幅度波動，進而導致本單元乃至整個氧化裝置的聯鎖跳車或者不達標排放，直接影響環保和經濟考核指標。

參考文獻

[1]熊獻金. PTA裝置氧化設備的模擬研究和應用[J]. 聚酯工業,2013,26(4):35-40.

[2]錢伯章.后擴張時代的中國PTA產業[J].聚酯工業,2016,29(2): 40.

[3]陳 玲,孔令雷.PTA裝置高壓吸收塔泄漏失效案例分析[J].化工管理,2016,24(8):167-168.

[4]劉曦澤. PTA裝置高壓吸收塔溴離子點腐蝕研究[J].內蒙古石油化工,2013(21):4-6.

[5]程利強,顧祥萬.高壓吸收塔腐蝕的分析及對策[J]. 聚酯工業,2005,18(3):37-39.