PET裝置原料預熱系統優化設計

劉 青 青

(中國昆侖工程有限公司，北京 100037)

聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)裝置經過近幾十年的發展，生產工藝已經非常成熟，PET裝置節能降耗技術也在不斷創新。PET裝置第一酯化釜和第二酯化釜產生的尾氣經乙二醇(EG)分離塔后可產生一部分低壓副產蒸汽(簡稱酯化蒸汽)，酯化蒸汽發生量隨著裝置負荷的提高而增加。目前酯化蒸汽除了用于空冷器冷卻[1]之外，其利用途徑主要有以下幾大類：溴化鋰制冷機制冷[2-3]、熱水換熱器生產熱水[2-3]、酯化蒸汽發電機組發電[4]、預熱PET生產原料[5]。江蘇某600t/d PET項目的工藝設計采用的是中國昆侖工程有限公司自有精對苯二甲酸(PTA)法直接酯化連續縮聚五釜工藝技術。為了節能降耗，塔頂酯化蒸汽一部分用來預熱PET生產原料，剩余部分用來發電。作者重點介紹用酯化蒸汽預熱PET生產漿料工藝流程的優化設計，實現在不增加公用工程消耗的情況下，最大程度利用酯化蒸汽的能量提升原料溫度。

1 預熱PET生產原料的常規流程

PET裝置的主要生產原料是PTA粉末和EG液體(含新鮮EG和回用EG)。預熱PET生產原料的常規工藝流程是酯化蒸汽加熱PET原料中的回用EG。其工藝流程見圖1。

圖1 酯化蒸汽預熱回用EG流程示意

此工藝流程是在第二預縮聚EG液封槽去往回用EG收集槽管線上增設一臺EG預熱器，該預熱器一般選用臥式列管式換熱器。酯化蒸汽將60 ℃的回用EG預熱至90～95 ℃，然后加入到漿料(PTA粉末和EG液體形成的固體懸浮液)調配槽中。但漿料調配槽入口溫度升高會加大漿料中水分的蒸發量，容易導致PTA漿料下料堵塞。為解決此問題，需更精準控制進入漿料調配槽的回用EG溫度，為此需在回用EG收集槽后增設EG冷卻器。此流程用酯化蒸汽預熱原料占比較低的回用EG，為避免EG溫度太高造成堵塞又耗用冷卻水調節回用EG溫度，酯化蒸汽利用率很低，流程繁瑣、控制復雜。

2 預熱PET生產原料的流程優化設計

PET裝置漿料的溫度為30～40 ℃，如果利用酯化蒸汽將漿料預熱到80℃后再進入第一酯化反應釜，則可以減少第一酯化的熱負荷。因此，酯化蒸汽的利用可以由加熱回收EG改為預熱漿料。

此工藝流程是在漿料調配槽和第一酯化釜間，增設一臺漿料預熱器，用酯化蒸汽預熱漿料調配槽出口的漿料，將漿料預熱至80 ℃后再進入第一酯化釜，通過提高漿料溫度來降低第一酯化的熱媒消耗。預熱漿料的工藝流程如圖2所示。漿料預熱器可設置旁通管線，以保證漿料預熱器的清洗，使PET裝置平穩運行。

圖2 預熱漿料的流程示意

此工藝流程優點是不增加其他公用工程消耗的情況下最大程度利用酯化蒸汽的余熱來提升原料溫度，流程上只需增設一臺靜設備，操作簡單易控。為了實現該流程，需要選擇合適的預熱器，達到既能提高換熱效果又能避免漿料堵塞的目的。

3 漿料預熱器選型

3.1 漿料預熱器型選擇

漿料預熱器的熱流體為100 ℃的酯化蒸汽，適合走預熱器的殼程，便于清洗，也可及時排除冷凝液防止預熱器在運行過程中產生憋壓。漿料預熱器的冷流體為帶壓的PTA和EG混合漿料，適合走管程。冷熱流體在預熱器的走向為逆流操作，因酯化蒸汽壓力低(約10 kPa)，蒸汽的流向為上進下出，漿料的流向為下進上出。

3.2 增強傳熱效果的措施

3.2.1 增大換熱面積

增大換熱面積可以提高換熱器的傳熱速率。增大傳熱面積除了依靠增大換熱器的尺寸來實現，還可從改進設備的結構即提高單位體積的傳熱面積入手。比如將換熱器的光滑管換成內外凹凸面結構的特型管，可選波紋管、翅片管和螺紋管等。結合蒸汽和漿料的物性，漿料預熱器換熱管可以選用內外凹凸特型管。張東生[6]對波紋管換熱性能進行了數值模擬與實驗研究，結果顯示波紋管的換熱系數是直管的1.1～1.8倍。內外凹凸特型管是雙面強化換熱元件，根據其提高的換熱面積系數，其傳熱系數可達到光滑管的1.3～2.2倍，總傳熱系數比傳統換熱器可提高30%以上。

3.2.2 不凝氣的排放

塔頂酯化蒸汽中含有少量的空氣和乙醛等不凝氣體，導熱系數很小的不凝氣可能會遮蓋漿料預熱器壁面，增加一層附加熱阻，使總傳熱系數急劇下降。因此，漿料預熱器頂部必須設置不凝氣的排放裝置，以使其頂部的不凝氣(含乙醛)可跟其他尾氣一起送至熱媒站焚燒處理。

3.2.3 降低液膜影響措施

漿料預熱器中，漿料和酯化蒸汽溫差較大。飽和的酯化蒸汽接觸漿料換熱管外壁時，蒸汽放出潛熱，冷凝并形成完整的液膜。由于蒸汽冷凝時發生相變，熱阻很小，冷凝液膜成為換熱的主要熱阻。若沿冷凝液流動方向積存的液體增多，則液膜增厚，會使傳熱系數顯著下降。選用立式內外凹凸特型管漿料預熱器，換熱管外表面由于凹凸槽道的存在，使冷凝液能輕易地從溝槽中排出，減少冷凝液在凹凸槽內的滯留時間，有效減薄下面管排上液膜的厚度，顯著提高換熱效率。

3.3 解決漿料堵塞措施

漿料是固體懸浮液，如進入普通換熱器漿料中的顆粒或者雜質很容易造成換熱管堵塞。內外凹凸特型結構很好地解決了這個問題，漿料流經內表面是凹凸型的換熱管時，每隔一段距離通道截面發生一次收縮或擴張，速度和壓力沿流動方向均會發生變化，對漿料邊界層中的流動有顯著的影響。如漿料受阻減速，壓力沿流動方向增大，出現逆壓力梯度，當逆壓力梯度足夠大時，貼近管內壁的漿料在逆壓力梯度作用下會停止前進，甚至向上游返回。但隨著回流迅速地向外擴展，漿料邊界層逐漸被推離管內壁表面，與管內壁壁面脫離形成漩渦。這些漩渦不斷地使邊界層內的漿料與邊界層外的漿料混合，形成連續的擾動。漿料流體的擾動，不僅能減薄層流內層的厚度，減小對流傳熱熱阻，還能阻止污垢在內壁面上形成，有一定的自清洗作用，解決漿料易堵的問題。

漿料預熱器選用立式內外凹凸特型管，能有效提高換熱效率，避免漿料堵塞；由于外凹凸特型管結構上槽距較普通螺紋槽寬，克服了普通螺紋管易結垢的特點，有效降低預熱器的清洗周期；由于其立式換熱器的特點，占地面積比回收EG預熱器占地大幅減少。

4 預熱PET生產原料新流程的經濟效益

PET生產有酯化和縮聚兩個過程，反應過程中除產生PET產品外，副產水(以酯化蒸汽形式存在)和EG，EG可在系統中循環使用。由于酯化蒸汽的產生，每生產1 t產品需要投入1.22 t漿料，即漿料質量比為1.22。以600 t/d PET項目為例，漿料量(W)為30.5 t/h的漿料從溫度(T1)(取冬夏季平均溫度35 ℃)預熱到溫度(T2(80 ℃))，根據Aspen軟件計算結果，漿料比熱容(Cp)為1.5 kJ/(kg·℃)，則節約的熱能(Q)為：

Q=WCP(T2-T1)= 571.9 kJ/s

(1)

全年則節約Q為1.65×1010kJ。1 kg標準煤的燃燒熱量按照2.9×104kJ計算，煤的熱效率按照75%核算，節約的煤總量則為758.6 t。標準煤按照900元/t折算，則全年節約燃煤成本為68.27萬元。

漿料預熱器的設備成本為30～40萬元，投資回收期約半年， 回收期后每年則可產生經濟效益68.27萬元。

5 結論

a. PET裝置酯化蒸汽利用由加熱回用EG改為預熱PTA漿料，可以提高酯化蒸汽利用率。

b在漿料預熱器頂部設置不凝氣的排放裝置，可使其頂部的不凝氣與其他尾氣一起送至熱媒站焚燒處理。

c. 漿料預熱器設置旁通管線，可保證漿料預熱器的清洗，使PET裝置平穩運行。

d. 漿料預熱器選用立式內外凹凸特型管，能有效提高換熱效率，避免漿料堵塞，降低預熱器的清洗周期，而且占地大幅減少。

e. 選擇立式內外凹凸特型管換熱器作為漿料預熱器加熱PET裝置的全部漿料的流程優化設計，為PET企業酯化蒸汽的利用提供了一種新的途徑，對于600 t/d PET裝置，每年可產生經濟效益68.27萬元。