聚酯裝置二酯工藝塔停用改造

宋志平，高 強(qiáng)，徐 進(jìn)

(1.中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司聚酯中心，江蘇儀征 211900；2. 中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司銷售服務(wù)部，江蘇儀征 211900)

設(shè)備改造

聚酯裝置二酯工藝塔停用改造

宋志平1，高 強(qiáng)2，徐 進(jìn)1

(1.中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司聚酯中心，江蘇儀征 211900；2. 中國(guó)石化儀征化纖有限責(zé)任公司銷售服務(wù)部，江蘇儀征 211900)

儀征化纖現(xiàn)有的部分增容改造聚酯裝置，酯化系統(tǒng)設(shè)有兩套工藝塔，與常規(guī)的五釜流程相比，具有設(shè)備多、能耗高等缺點(diǎn)。實(shí)際生產(chǎn)過程中，第二酯化工藝塔運(yùn)行需要消耗大量的熱量。根據(jù)聚酯裝置工藝塔運(yùn)行能力，對(duì)二酯工藝塔停用進(jìn)行了可行性分析，并對(duì)停用效果進(jìn)行跟蹤，驗(yàn)證了方案的可行性以及節(jié)能降耗的效果。

聚酯 工藝塔 停用 節(jié)能降耗

上世紀(jì)80年代初，儀征化纖從德國(guó)吉瑪公司引進(jìn)了8條年產(chǎn)6萬噸五釜流程聚酯生產(chǎn)線。上世紀(jì)90年代，對(duì)其中的四條線進(jìn)行增容改造，新增第一酯化反應(yīng)釜及配套的工藝塔和一個(gè)臥式的第三預(yù)縮反應(yīng)釜，而將原來的第一酯化反應(yīng)釜改作第二酯化反應(yīng)釜，原來的第二酯化反應(yīng)釜棄用。年產(chǎn)能由原來的6萬噸提高到10萬噸。與常規(guī)的五釜流程相比，增容改造后，具有設(shè)備多、能耗高等缺點(diǎn)，實(shí)際生產(chǎn)過程中，第二酯化工藝塔運(yùn)行需要消耗大量的熱量。本文通過類比分析，探討了停用二酯工藝塔的可行性，并通過相關(guān)試驗(yàn)選擇了切實(shí)可行的改造方案并成功改造實(shí)施，達(dá)到了節(jié)能降耗的效果。

1 聚酯裝置工藝塔

聚酯裝置的工藝塔，主要用來分離酯化反應(yīng)蒸發(fā)出的乙二醇和酯化過程中產(chǎn)生的水，確保酯化反應(yīng)不斷朝著正方向進(jìn)行。從酯化釜中蒸發(fā)出的乙二醇經(jīng)工藝塔精餾提純后，由塔釜乙二醇泵進(jìn)入酯化釜中繼續(xù)參加反應(yīng)，以保持酯化反應(yīng)所需的摩爾比。酯化過程中產(chǎn)生的水經(jīng)工藝塔分離后，一部分作為維持精餾的必要條件，回流后入工藝塔中進(jìn)行噴淋，實(shí)現(xiàn)對(duì)塔盤溫度的控制；另一部分作為工藝廢水采出送污水系統(tǒng)處理或送氣提裝置，提取可燃輕組分送入熱媒爐中燃燒或收集。

2 工藝塔停用可行性分析

2.1 工藝塔類比分析

目前聚酯生產(chǎn)的工藝路線雖各有不同，但歸根結(jié)底是由酯化和縮聚兩部分組成的。根據(jù)生產(chǎn)過程所使用的反應(yīng)釜的個(gè)數(shù)劃分為三釜、四釜、五釜流程[1]。儀征化纖的聚酯生產(chǎn)工藝以五釜流程為主。

A生產(chǎn)線二酯工藝塔增容改造前為二段酯化所共用，設(shè)計(jì)的處理能力對(duì)應(yīng)200 t/d生產(chǎn)負(fù)荷。增容改造后，A生產(chǎn)線生產(chǎn)負(fù)荷為300 t/d，一酯酯化率控制在90%左右，二酯酯化率控制在96%左右。按比例計(jì)算，二酯反應(yīng)釜產(chǎn)生的氣量占一酯反應(yīng)釜的7%左右。因此該工藝塔用作二酯工藝塔，處理能力明顯過剩。

將A生產(chǎn)線一酯工藝塔和另一條設(shè)計(jì)負(fù)荷相近的五釜流程B生產(chǎn)線的工藝塔進(jìn)行比較，見表1。A、B兩條生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)負(fù)荷均為300 t/d，一酯、二酯酯化率控制水平相當(dāng)，工藝塔均為泡罩塔；A生產(chǎn)線一酯工藝塔內(nèi)部塔板層數(shù)為18層，B生產(chǎn)線酯化工藝塔內(nèi)部塔板層數(shù)16層；A生產(chǎn)線一酯工藝塔處理能力略優(yōu)于B生產(chǎn)線。初步判斷，A生產(chǎn)線二酯工藝塔停用的思路可行。

表1 A、B生產(chǎn)線一酯工藝塔對(duì)比

容積/mm3塔板層數(shù)A生產(chǎn)線Φ1600×1453018層B生產(chǎn)線Φ1600×1250016層

2.2 停用前試驗(yàn)

改造的重點(diǎn)在于A生產(chǎn)線一酯工藝塔的精餾能力以及塔頂換熱器是否能滿足二酯工藝塔停用后的生產(chǎn)、工藝條件。

二酯工藝塔中有650 kg/h回用乙二醇需要精餾，外加二酯反應(yīng)自身產(chǎn)生的氣相600 kg/h。二酯工藝塔累計(jì)每小時(shí)需要處理的乙二醇流量FEG為1 250 kg/h。

模擬二酯工藝塔停止運(yùn)行的工藝條件，將負(fù)荷加到一酯工藝塔，檢查一酯工藝塔的運(yùn)行情況。試驗(yàn)過程：經(jīng)回用乙二醇儲(chǔ)罐接軟管至一酯工藝塔塔釜，控制乙二醇流量在1 400 kg/h，試驗(yàn)1 h，一酯工藝塔釜加熱的一次熱媒調(diào)節(jié)閥開度由38%上升至43%，二次熱媒調(diào)節(jié)閥開度由22%上升至26%；塔頂回流的循環(huán)水調(diào)節(jié)閥開度由55%上升至60%，一酯工藝塔仍有較大富余量。初步判斷二酯工藝塔停用后，一酯工藝塔精餾分離能力可以滿足生產(chǎn)需要。

2.3 方案選擇

經(jīng)過討論，提出了兩套停用二酯工藝塔的方案。

方案一：將兩個(gè)酯化反應(yīng)釜的氣相匯總進(jìn)入一酯工藝塔進(jìn)行精餾，即將現(xiàn)有的二酯氣相管線引至一酯工藝塔，在進(jìn)塔前與一酯氣相管線碰管，匯總進(jìn)入一酯工藝塔進(jìn)行精餾。同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)乙二醇管線碰管等改造工作。

方案二：將二酯工藝塔液相匯入一酯工藝塔進(jìn)行精餾，即將現(xiàn)有的二酯工藝塔作為儲(chǔ)罐，二酯反應(yīng)生成的氣相經(jīng)二酯工藝塔釜及低點(diǎn)收集槽中乙二醇噴淋捕集后，由塔釜乙二醇出料泵采出送至一酯工藝塔釜完成精餾。

兩套方案優(yōu)缺點(diǎn)比較，見表2。

表2 兩套方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

方案一方案二優(yōu)點(diǎn)1)可以徹底停用二酯工藝塔系統(tǒng),包括塔釜加熱,塔釜采出,塔頂回流,塔頂蒸汽換熱系統(tǒng)。2)二酯工藝塔系統(tǒng)可與生產(chǎn)流程徹底隔離。1)方案實(shí)施難度小,可操作性強(qiáng)。不需等待大修機(jī)會(huì),可以在線改造試驗(yàn),成功后可以直接運(yùn)行。2)改造成本低,不涉及氣相夾套管線的改造,僅涉及部分乙二醇管線的改造。缺點(diǎn)1)方案實(shí)行的難度較大。2)需要利用大修機(jī)會(huì)才可以改造。3)改造成本高,改造過程中涉及到氣相夾套管延長(zhǎng),開口碰管,氣相熱媒夾套改造等,改造的難度較大,在線運(yùn)行過程中不可行。1)二酯工藝塔無法徹底與原系統(tǒng)隔絕。2)塔釜乙二醇采出泵和塔頂蒸汽換熱器仍需要繼續(xù)使用。

通過兩套方案優(yōu)缺點(diǎn)比較，考慮到在線改造和易于實(shí)施的前提條件，我們選擇了方案二，將兩個(gè)工藝塔的液相匯合。

3 工藝改造方案

通過對(duì)A生產(chǎn)線酯化工藝塔系統(tǒng)相關(guān)管線進(jìn)行改造，將二酯工藝塔中液相(主要成分為乙二醇和水)送至一酯工藝塔完成精餾分離操作。現(xiàn)有的二酯工藝塔作為儲(chǔ)罐，二酯反應(yīng)生成的氣相經(jīng)二酯工藝塔釜及低點(diǎn)收集槽中乙二醇噴淋捕集換熱后，由塔釜乙二醇出料泵采出送至一酯工藝塔釜進(jìn)行精餾。原先運(yùn)行的二酯工藝塔釜加熱系統(tǒng)、塔頂廢水回流泵均停用。改造后既減少了相關(guān)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行維修費(fèi)用和能源的消耗，同時(shí)也可以提高一酯工藝塔的利用效率，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

4 改造投用情況

4.1 二酯工藝塔工況

根據(jù)二酯工藝塔系統(tǒng)溫度，逐步降低塔釜加熱和塔頂回流。停塔釜熱媒加熱泵和塔頂廢水回流泵。二酯工藝塔塔頂廢水不再采出，而是采用全回流方式，將二酯中的液相全部送至一酯工藝塔進(jìn)行精餾。穩(wěn)定后，二酯塔頂溫度由100 ℃降至85 ℃，塔釜溫度由180 ℃降至110 ℃，塔頂換熱器停用。

4.2 一酯工藝塔工況

二酯工藝塔停用后，一酯工藝塔整體運(yùn)行穩(wěn)定。一酯工藝塔增加的乙二醇的處理量FEG為1 250 kg/h，增加的塔頂廢水回流量F水為233 kg/h。一酯塔釜加熱和塔頂廢水回流開度上升了5%左右，與試驗(yàn)結(jié)果吻合。此外，一酯工藝塔塔頂廢水中乙二醇含量穩(wěn)定控制在0.30%～0.40%，相比改造前的0.35%～0.45%略有下降，降低了裝置乙二醇消耗。

5 改造后節(jié)能降耗情況

5.1 計(jì)算思路

A生產(chǎn)線二酯工藝塔停用后，節(jié)能主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面，電耗降低。二酯塔釜加熱熱媒泵、塔頂廢水回流泵等相關(guān)設(shè)備停運(yùn)，節(jié)約了電耗以及設(shè)備檢修費(fèi)用和維護(hù)成本。另一方面，天然氣消耗降低。避免了二酯工藝塔運(yùn)行時(shí)的高熱量消耗，提高了一酯工藝塔的利用率。

5.2 電耗降低核算(Q電耗)

二酯工藝塔釜熱媒泵運(yùn)行功率P1為11.2 kW，塔頂廢水回流泵P2為1.9 kW，設(shè)備停用后每天節(jié)約電耗情況計(jì)算如下：

每天節(jié)電：Q電耗=(P1+P2)×t

(1)

=(11.2+1.9)×24 =314.4(kW·h)

一年按360天，每度電按0.5元計(jì)，每年節(jié)約成本5.66萬元。

5.3 天然氣消耗降低核算

原二酯工藝塔是一個(gè)單獨(dú)的精餾體系，需要塔釜熱媒加熱提供熱量，塔頂回流提供冷量，實(shí)現(xiàn)塔的精餾操作。二酯工藝塔停運(yùn)后，塔釜無需再消耗熱量，同時(shí)塔頂廢水無須外采，依靠自重回流進(jìn)塔板，最終進(jìn)入塔釜送至一酯工藝塔進(jìn)行精餾分離操作。

5.3.1 二酯工藝塔停用后，減少的熱量消耗(Q節(jié)約)

二酯工藝塔停用后，節(jié)省的熱量主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：

1) 加熱塔釜乙二醇所需的熱量消耗。

2) 因精餾操作進(jìn)入塔系統(tǒng)回流水的氣化潛熱。

3) 二酯工藝塔釜再沸器中部分乙二醇沸騰蒸發(fā)，導(dǎo)致消耗一定量的乙二醇?xì)饣瘽摕帷?/p>

由于二酯熱媒加熱系統(tǒng)停運(yùn)，上述三方面的熱量消耗全部節(jié)省，可用該系統(tǒng)運(yùn)行期間的熱量消耗來衡量。

5.3.2 轉(zhuǎn)移到一酯工藝塔中精餾，一酯工藝塔增加的耗熱量(Q增加)

1) 一酯工藝塔增加的乙二醇升溫消耗的熱量

將來自二酯工藝塔釜的1 250 kg/h乙二醇溫度由110 ℃提高至180 ℃所需的熱量消耗。因一酯工藝塔操作液位未發(fā)生改變，同時(shí)二次熱媒循環(huán)控制溫度也未作調(diào)整，故再沸器中乙二醇換熱造成的潛熱消耗未發(fā)生變化，只是通過二次熱媒回管調(diào)節(jié)閥開度變化調(diào)節(jié)了循環(huán)流量，以補(bǔ)加低溫進(jìn)塔乙二醇的顯熱消耗。

2) 一酯工藝塔增加的塔頂回流水的氣化潛熱

二酯工藝塔停用后，一酯工藝塔增加的233 kg/h塔頂廢水回流的汽化潛熱消耗。

5.3.3 二酯工藝塔停運(yùn)節(jié)省的熱量消耗計(jì)算(Q節(jié)約)

根據(jù)A生產(chǎn)線熱媒系統(tǒng)UFD圖，查得相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

表3 二酯塔釜加熱二次熱媒系統(tǒng)供回流量數(shù)據(jù)

正常流量/(kg·h-1)最大流量/(kg·h-1)供管4641359960回管4641359960

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，二酯工藝塔熱媒系統(tǒng)供回管溫度，供管240 ℃，回管220 ℃。

根據(jù)廠家提供的物性數(shù)據(jù)，查得不同溫度下熱媒的流體熱焓數(shù)據(jù)如表4。

表4 不同溫度下熱媒的流體熱焓數(shù)據(jù)

溫度/℃流體熱焓/(kJ·kg-1)227453.8238479.6249505.7

通過回歸擬合求得：240 ℃時(shí)流體熱焓為485.03 kJ/kg，220 ℃時(shí)流體熱焓為438.89 kJ/kg。

Q熱損=F熱媒×ΔH熱媒

(2)

=46 413 ×(485.03-438.89) =2 141 495.82(kJ/h)

式中F熱媒為二酯工藝塔運(yùn)行時(shí)正常循環(huán)的熱媒流量。

天然氣熱值按Q天然氣=35112 kJ/m3，熱媒爐效率按η=90%計(jì)算，折合天然氣換算系數(shù)μ=Q天然氣×η=31 600.8 kJ/m3

折合燃?xì)猓篞節(jié)約=Q熱損/μ=2 141 495.82/31 600.8 =67.767 (m3/h)

5.3.4 一酯工藝塔增加的熱量消耗計(jì)算(Q增加)

5.3.4.1 轉(zhuǎn)移到一酯工藝塔中精餾，一酯工藝塔增加的乙二醇升溫消耗的熱量：QEG

將二酯工藝塔釜中110 ℃的乙二醇，升溫至180 ℃需要消耗的熱量。

查《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)(有機(jī)卷)》[2],得相應(yīng)溫度下乙二醇的比熱數(shù)據(jù)如下：

表5 不同溫度下乙二醇的比熱數(shù)據(jù)

溫度/℃比熱/(kJ·kg-1·K-1)1102.7721803.095

QEG=CmΔt=(C2-C1)×FEG×(t2-t1)

(3)

= (3.095-2.772)×1250×(180-110) =28 262.5(kJ/h)

式中，F(xiàn)EG為二酯工藝塔停用后，一酯工藝塔增加的乙二醇處理量。

折合燃?xì)猓篞EG＇=QEG/μ =28 262.5/31 600.8 =0.894 (m3/h)

5.3.4.2 轉(zhuǎn)移到一酯工藝塔中精餾，一酯工藝塔增加的塔頂回流水的氣化潛熱：Q水

查《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)(無機(jī)卷)》[3]，得水的汽化熱ΔH水為40 599 J/mol。

Q水=(F水/M水)×ΔH水

(4)

=(233/1.8×10-2)×40 599=525 531.5(kJ/h)

式中，F(xiàn)水為二酯工藝塔停用后，一酯工藝塔增加的塔頂回流廢水量。

折合燃?xì)猓篞＇水=Q水/μ=525 531.5/31 600.8 =16.63(m3/h)

—酯工藝塔增加的熱量消耗

5.3.5 改造后燃?xì)饬拷档颓闆r

Q總=Q節(jié)約-Q消耗=67.767 -17.524 = 50.243(m3/h)

一年按360天，則每年節(jié)氣50.243×24×360=434.1(km3)；

燃?xì)獍凑? 000元/ km3計(jì)算，每年節(jié)約成本86.82萬元。

6 結(jié) 論

通過可行性分析以及實(shí)際改造效果來看，A單元二酯工藝塔停用改造達(dá)到了預(yù)期的效果，改造比較成功。改造后，一酯工藝塔運(yùn)行穩(wěn)定，工藝塔頂廢水中乙二醇含量得到了有效控制，降低了裝置乙二醇消耗；此外，每年節(jié)約電耗成本5.66萬元，節(jié)約燃?xì)獬杀?6.82萬元，達(dá)到了節(jié)能降耗的效果。

[1] 周原.聚酯裝置操作工[M].北京：中國(guó)石化出版社，2007：86-87.

[2] 劉光啟，馬連湘，劉杰.化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè).有機(jī)卷[M].北京：化學(xué)化工出版社，2002:604.

[3] 劉光啟，馬連湘，劉杰.化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè).無機(jī)卷[M].北京：化學(xué)化工出版社，2002:42.

Disable transformation of the second esterification process tower in polyester plant

Song Zhiping1，Gao Qiang2，Xu Jin1

(1.PETProductionCenterofSinopecYizhengChemicalFibreL.L.C.,YizhengJiangsu211900,China;2.SalesandServiceDepartmentofSinopecYizhengChemicalFibreL.L.C.,YizhengJiangsu211900,China)

Yizheng Chemical Fiber exists part of the increase capacity transformation polyester plants, which esterification system have two sets of process tower. Compared with the conventional five kettle process, they have more equipment, higher energy consumption and other shortcomings. During the actual production process, the second ester process tower needs to consume a large amount of heat. According to operation ability of esterification chemical process tower in the polyester plant, we analysis the feasibility of stopping the second esterification chemical process tower, and track discontinuation effect, verify the feasibility of reforming project and the effect of saving energy and reducing consumption.

polyester; process tower; disabled; saving energy and reducing consumption

2016-09-18

宋志平(1987-)，女，江蘇泰興人，工程師，主要從事聚酯工藝技術(shù)管理工作。

TQ320.5+1

B

1006-334X(2016)04-0041-05