聚酯裝置酯化蒸氣熱利用現(xiàn)狀分析及優(yōu)化

楊 峰，趙艷艷，柴鵬飛

(1.中國(guó)石化洛陽(yáng)分公司，河南 洛陽(yáng) 471012; 2.洛陽(yáng)市質(zhì)量計(jì)量檢測(cè)中心，河南 洛陽(yáng) 471000)

聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)作為一種綜合性能優(yōu)良的聚合物，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，但由于其產(chǎn)能發(fā)展過(guò)快，PET裝置的效益下滑較快，降低裝置運(yùn)行成本日漸受到各個(gè)企業(yè)重視[1-3]。

PET由精對(duì)苯二甲酸(PTA)和乙二醇(EG)酯化反應(yīng)，再通過(guò)縮聚制備，其能耗構(gòu)成包括燃料氣、水蒸氣、循環(huán)水等，降本增效主要圍繞這幾方面開展。目前，針對(duì)酯化蒸氣余熱利用有多種形式[4]，包括加熱熱水作為溴冷機(jī)熱量制備冷凍水，但該形式只在夏季高溫天氣使用，每年利用周期只有半年左右；利用酯化蒸氣加熱熱水給辦公室、短纖維空調(diào)供暖等，但該形式只能在冬季采用。作者圍繞中國(guó)石化洛陽(yáng)分公司200 kt/a PET裝置酯化反應(yīng)蒸氣回收利用的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并提出進(jìn)一步優(yōu)化措施。

1 酯化蒸氣余熱的產(chǎn)生及利用現(xiàn)狀

1.1 酯化蒸氣的產(chǎn)生

PET生產(chǎn)過(guò)程主要包括兩步連續(xù)反應(yīng)：第一步PTA和EG酯化反應(yīng)生成酯化單體對(duì)苯二甲酸雙β-羥乙酯(BHET)；第二步酯化單體之間脫水縮合生成高聚合度的均勻大分子產(chǎn)物PET[5]。其中，酯化反應(yīng)是在295 ℃、0.11 MPa反應(yīng)條件下的可逆反應(yīng)，屬微放熱反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程見(jiàn)式(1)。

(1)

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，因?yàn)镻TA和酯化物蒸氣壓很小，酯化反應(yīng)釜頂部蒸氣實(shí)際上可視為水、EG及低沸物的混合物，其中低沸物主要是乙醛、乙醚、乙酸等，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%以內(nèi)，水質(zhì)量分?jǐn)?shù)在99%以上；該股蒸氣混合物送至EG/H2O分離塔，塔底EG回收至反應(yīng)系統(tǒng)，塔頂100 ℃左右的水和微量低沸物抽出經(jīng)冷卻至50 ℃后，送至有機(jī)物汽提塔分離微量低沸物后送至污水處理系統(tǒng)，既浪費(fèi)了大量的循環(huán)水資源，更是造成大量蒸氣余熱浪費(fèi)。

1.2 酯化蒸氣熱量核算

200 kt/a PET裝置因短纖維生產(chǎn)線半負(fù)荷運(yùn)行，負(fù)荷降至100 kt/a(303 t/d)，PTA單耗為857 kg/t，根據(jù)反應(yīng)式(1)，每生成1 mol的產(chǎn)物，同時(shí)生成2 mol的水，則理論上酯化反應(yīng)產(chǎn)生蒸氣量為2.35 t/h[6]。而實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為控制塔頂不攜帶EG，塔底溫度控制在146 ℃，回流比控制在2.2左右，因此實(shí)際分離塔頂酯化蒸氣量為7.5 t/h。

酯化蒸氣中乙醛等低沸點(diǎn)有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于1%，水質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99%，則常壓、100 ℃條件下，該蒸氣的焓值為2 688 kJ/kg[7]，水的比熱容為4.2 kJ/(kg·℃)，因此100 ℃的酯化蒸氣降溫至50 ℃液態(tài)水，可釋放的熱量包括液化相變熱和低溫?zé)醿刹糠?，其中相變熱?.02×107kJ/h，低溫?zé)釣?.56×106kJ/h，酯化蒸氣合計(jì)可提供熱量為2.176×107kJ/h。

1.3 酯化蒸氣余熱利用現(xiàn)狀

1.3.1 夏季酯化蒸氣利用

考慮到夏季5—10月冷凍水源需求較大，2021年中國(guó)石化洛陽(yáng)分公司對(duì)PET裝置及其他公用工程部分進(jìn)行了適當(dāng)改造，利用酯化蒸氣熱量給溴冷機(jī)供熱生產(chǎn)冷凍水，節(jié)省額外的能量消耗，其回收利用工藝流程如圖1所示。將從EG/H2O分離塔頂出來(lái)的約100 ℃的酯化蒸氣余熱引至板式換熱器1釋放熱能加熱熱水，再將熱水送至溴冷機(jī)內(nèi)驅(qū)動(dòng)溴冷機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生冷凍水，提供給裝置工藝和空調(diào)使用。

圖1 酯化蒸氣回收利用工藝流程Fig.1 Esterification steam recovery and utilization process1—EG/H2O分離塔;2—水回流罐;3—板式換熱器；4—溴冷機(jī)

改造完成后，裝置停用了原運(yùn)行的冷凍機(jī)，利用溴冷機(jī)冷水滿足PET、PET短纖維裝置工藝和空調(diào)使用。但是該改造中酯化蒸氣經(jīng)過(guò)板式換熱器后，形成液態(tài)90 ℃水，需要再經(jīng)過(guò)水冷器冷卻至50 ℃后送汽提塔汽提，有大約1.34×106kJ/h的熱量未利用，蒸氣利用率只有94%。

1.3.2 冬季酯化蒸氣利用

冬季11—4月，酯化蒸氣回收方式主要為給辦公室供暖及給短纖維裝置環(huán)境空調(diào)供熱。其中，辦公室供熱面積在1×104m2左右，回收利用熱量1.55×106kJ/h；給短纖維裝置環(huán)境空調(diào)供熱，節(jié)省1.0 MPa蒸氣1.5 t/h，回收利用熱量4.5×106kJ/h，兩者合計(jì)回收利用酯化蒸氣熱量6.05×106kJ/h，蒸氣利用率為28%左右，仍有72%的熱量未充分利用，因此冬季酯化蒸氣熱量回收利用空間較大，也是PET裝置節(jié)能優(yōu)化的重點(diǎn)。

表1 冬夏季蒸氣熱利用情況Tab.1 Utilization of steam heat in winter and summer

2 改造措施

基于PET裝置無(wú)論冬季還是夏季酯化蒸氣熱量并未全部回收利用，尤其是冬季熱量回收利用率很低，因此考慮新增換熱器及跨線流程，對(duì)裝置內(nèi)的各種EG、風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)加熱，并將富余的熱水并入裝置外低溫?zé)崴到y(tǒng)，在回收酯化蒸氣熱量的同時(shí)，節(jié)省部分蒸氣、燃料氣、循環(huán)水資源。改造后的換熱器及跨線流程見(jiàn)圖2所示。

圖2 改造后酯化蒸氣回收利用工藝流程Fig.2 Esterification steam recovery and utilization process after transformation1—EG/H2O分離塔;2—水回流罐;3—板式換熱器1；4—溴冷機(jī)；5—板式換熱器2；6—板式換熱器3；7—板式換熱器4；8—板式換熱器5；9—板式換熱器6；10—低溫?zé)崴芫W(wǎng)

2.1 預(yù)加熱裝置內(nèi)EG

如圖2所示，通過(guò)新增板式換熱器2、換熱器3、換熱器4，分別預(yù)熱PET裝置內(nèi)的循環(huán)EG、穩(wěn)定EG、真空系統(tǒng)EG，減少蒸氣、燃料氣消耗。預(yù)加熱PET裝置內(nèi)循環(huán)EG、穩(wěn)定EG、真空系統(tǒng)EG回收利用熱量見(jiàn)表2。

表2 預(yù)加熱各種EG回收利用熱量Tab.2 Pre-heating various EG to recover heat

2.2 預(yù)加熱裝置內(nèi)用風(fēng)

如圖2所示，新增換熱器5，利用酯化蒸氣加熱有機(jī)物汽提塔底注入的汽提空氣，降低排放污水中乙醛等低沸點(diǎn)有機(jī)物含量，節(jié)省加熱蒸氣；新增換熱器6，利用酯化蒸氣預(yù)加熱熱媒爐空氣，減少燃料氣消耗。預(yù)加熱汽提空氣和熱媒爐空氣回收利用熱量見(jiàn)表3。

表3 預(yù)加熱汽提空氣和熱媒爐空氣回收利用熱量Tab.3 Pre-heating stripping air and heat medium furnace air to recover heat

2.3 富余熱水并入裝置外低溫?zé)崴芫W(wǎng)

如圖2所示，跨線新建PET裝置內(nèi)熱水管線至裝置外第2套低溫?zé)崴到y(tǒng)，將富余的加熱熱水并入第2套低溫?zé)崴到y(tǒng)，降低第2套低溫?zé)崴到y(tǒng)1.0 MPa蒸氣量，回收利用熱量13.53×106kJ/h。

改造后酯化蒸氣余熱利用情況見(jiàn)表4。結(jié)合表1、表4可以看出：改造后，夏季酯化蒸氣回收利用熱量由20.42×106kJ/h增至21.76×106kJ/h，蒸氣利用率從94%提升至100%；冬季酯化蒸氣回收利用熱量由6.05×106kJ/h增至21.76×106kJ/h，蒸氣利用率從28%提升至100%，改造節(jié)能效果明顯。按照冬季11-4月、夏季5-10月兩種模式各半年時(shí)間核算，平均回收酯化蒸氣熱量8.49×106kJ/h，折合1.0 MPa蒸氣2.8 t/h，平均降本增效336萬(wàn)元/年，節(jié)能增效明顯。

表4 改造后冬夏季酯化蒸氣熱利用情況Tab.4 Utilization of esterification steam heat in winter and summer after transformation

3 結(jié)論

a.PET裝置酯化蒸氣余熱利用形式包括加熱熱水作為溴冷機(jī)熱量制備冷凍水；加熱熱水給辦公室供暖，給短纖維空調(diào)供暖；預(yù)加熱循環(huán)EG、穩(wěn)定EG、真空系統(tǒng)EG；預(yù)加熱裝置內(nèi)汽提空氣、熱媒爐空氣，降低蒸氣、燃料氣消耗；并入低溫?zé)崴到y(tǒng)，用作低溫?zé)崴取?/p>

b.通過(guò)新增板式換熱器，用酯化蒸氣給系統(tǒng)循環(huán)EG、穩(wěn)定EG、真空系統(tǒng)EG加熱；給有機(jī)物汽提塔汽提風(fēng)、熱媒爐風(fēng)機(jī)入口空氣加熱，提高進(jìn)爐空氣溫度，降低熱媒爐燃料氣消耗；將富余蒸氣熱量加熱熱水并入裝置外低溫?zé)崴芫W(wǎng)，大幅度降低冬季低溫?zé)崴到y(tǒng)1.0 MPa蒸氣用量等措施后，夏季酯化蒸氣利用率從94%提升至100%，冬季酯化蒸氣利用率從28%提升至100%，平均回收酯化蒸氣熱量8.49×106kJ/h，平均降本增效336萬(wàn)元/年，節(jié)能效果明顯。