聚酯装置二酯工艺塔停用改造

宋志平，高 强，徐 进

(1.中国石化仪征化纤有限责任公司聚酯中心，江苏仪征 211900；2. 中国石化仪征化纤有限责任公司销售服务部，江苏仪征 211900)

设备改造

聚酯装置二酯工艺塔停用改造

宋志平1，高 强2，徐 进1

(1.中国石化仪征化纤有限责任公司聚酯中心，江苏仪征 211900；2. 中国石化仪征化纤有限责任公司销售服务部，江苏仪征 211900)

仪征化纤现有的部分增容改造聚酯装置，酯化系统设有两套工艺塔，与常规的五釜流程相比，具有设备多、能耗高等缺点。实际生产过程中，第二酯化工艺塔运行需要消耗大量的热量。根据聚酯装置工艺塔运行能力，对二酯工艺塔停用进行了可行性分析，并对停用效果进行跟踪，验证了方案的可行性以及节能降耗的效果。

聚酯 工艺塔 停用 节能降耗

上世纪80年代初，仪征化纤从德国吉玛公司引进了8条年产6万吨五釜流程聚酯生产线。上世纪90年代，对其中的四条线进行增容改造，新增第一酯化反应釜及配套的工艺塔和一个卧式的第三预缩反应釜，而将原来的第一酯化反应釜改作第二酯化反应釜，原来的第二酯化反应釜弃用。年产能由原来的6万吨提高到10万吨。与常规的五釜流程相比，增容改造后，具有设备多、能耗高等缺点，实际生产过程中，第二酯化工艺塔运行需要消耗大量的热量。本文通过类比分析，探讨了停用二酯工艺塔的可行性，并通过相关试验选择了切实可行的改造方案并成功改造实施，达到了节能降耗的效果。

1 聚酯装置工艺塔

聚酯装置的工艺塔，主要用来分离酯化反应蒸发出的乙二醇和酯化过程中产生的水，确保酯化反应不断朝着正方向进行。从酯化釜中蒸发出的乙二醇经工艺塔精馏提纯后，由塔釜乙二醇泵进入酯化釜中继续参加反应，以保持酯化反应所需的摩尔比。酯化过程中产生的水经工艺塔分离后，一部分作为维持精馏的必要条件，回流后入工艺塔中进行喷淋，实现对塔盘温度的控制；另一部分作为工艺废水采出送污水系统处理或送气提装置，提取可燃轻组分送入热媒炉中燃烧或收集。

2 工艺塔停用可行性分析

2.1 工艺塔类比分析

目前聚酯生产的工艺路线虽各有不同，但归根结底是由酯化和缩聚两部分组成的。根据生产过程所使用的反应釜的个数划分为三釜、四釜、五釜流程[1]。仪征化纤的聚酯生产工艺以五釜流程为主。

A生产线二酯工艺塔增容改造前为二段酯化所共用，设计的处理能力对应200 t/d生产负荷。增容改造后，A生产线生产负荷为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。按比例计算，二酯反应釜产生的气量占一酯反应釜的7%左右。因此该工艺塔用作二酯工艺塔，处理能力明显过剩。

将A生产线一酯工艺塔和另一条设计负荷相近的五釜流程B生产线的工艺塔进行比较，见表1。A、B两条生产线的设计负荷均为300 t/d，一酯、二酯酯化率控制水平相当，工艺塔均为泡罩塔；A生产线一酯工艺塔内部塔板层数为18层，B生产线酯化工艺塔内部塔板层数16层；A生产线一酯工艺塔处理能力略优于B生产线。初步判断，A生产线二酯工艺塔停用的思路可行。

表1 A、B生产线一酯工艺塔对比

容积/mm3塔板层数A生产线Φ1600×1453018层B生产线Φ1600×1250016层

2.2 停用前试验

改造的重点在于A生产线一酯工艺塔的精馏能力以及塔顶换热器是否能满足二酯工艺塔停用后的生产、工艺条件。

二酯工艺塔中有650 kg/h回用乙二醇需要精馏，外加二酯反应自身产生的气相600 kg/h。二酯工艺塔累计每小时需要处理的乙二醇流量FEG为1 250 kg/h。

模拟二酯工艺塔停止运行的工艺条件，将负荷加到一酯工艺塔，检查一酯工艺塔的运行情况。试验过程：经回用乙二醇储罐接软管至一酯工艺塔塔釜，控制乙二醇流量在1 400 kg/h，试验1 h，一酯工艺塔釜加热的一次热媒调节阀开度由38%上升至43%，二次热媒调节阀开度由22%上升至26%；塔顶回流的循环水调节阀开度由55%上升至60%，一酯工艺塔仍有较大富余量。初步判断二酯工艺塔停用后，一酯工艺塔精馏分离能力可以满足生产需要。

2.3 方案选择

经过讨论，提出了两套停用二酯工艺塔的方案。

方案一：将两个酯化反应釜的气相汇总进入一酯工艺塔进行精馏，即将现有的二酯气相管线引至一酯工艺塔，在进塔前与一酯气相管线碰管，汇总进入一酯工艺塔进行精馏。同时进行相应乙二醇管线碰管等改造工作。

方案二：将二酯工艺塔液相汇入一酯工艺塔进行精馏，即将现有的二酯工艺塔作为储罐，二酯反应生成的气相经二酯工艺塔釜及低点收集槽中乙二醇喷淋捕集后，由塔釜乙二醇出料泵采出送至一酯工艺塔釜完成精馏。

两套方案优缺点比较，见表2。

表2 两套方案优缺点比较

方案一方案二优点1)可以彻底停用二酯工艺塔系统,包括塔釜加热,塔釜采出,塔顶回流,塔顶蒸汽换热系统。2)二酯工艺塔系统可与生产流程彻底隔离。1)方案实施难度小,可操作性强。不需等待大修机会,可以在线改造试验,成功后可以直接运行。2)改造成本低,不涉及气相夹套管线的改造,仅涉及部分乙二醇管线的改造。缺点1)方案实行的难度较大。2)需要利用大修机会才可以改造。3)改造成本高,改造过程中涉及到气相夹套管延长,开口碰管,气相热媒夹套改造等,改造的难度较大,在线运行过程中不可行。1)二酯工艺塔无法彻底与原系统隔绝。2)塔釜乙二醇采出泵和塔顶蒸汽换热器仍需要继续使用。

通过两套方案优缺点比较，考虑到在线改造和易于实施的前提条件，我们选择了方案二，将两个工艺塔的液相汇合。

3 工艺改造方案

通过对A生产线酯化工艺塔系统相关管线进行改造，将二酯工艺塔中液相(主要成分为乙二醇和水)送至一酯工艺塔完成精馏分离操作。现有的二酯工艺塔作为储罐，二酯反应生成的气相经二酯工艺塔釜及低点收集槽中乙二醇喷淋捕集换热后，由塔釜乙二醇出料泵采出送至一酯工艺塔釜进行精馏。原先运行的二酯工艺塔釜加热系统、塔顶废水回流泵均停用。改造后既减少了相关动设备运行维修费用和能源的消耗，同时也可以提高一酯工艺塔的利用效率，达到节能降耗的效果。

4 改造投用情况

4.1 二酯工艺塔工况

根据二酯工艺塔系统温度，逐步降低塔釜加热和塔顶回流。停塔釜热媒加热泵和塔顶废水回流泵。二酯工艺塔塔顶废水不再采出，而是采用全回流方式，将二酯中的液相全部送至一酯工艺塔进行精馏。稳定后，二酯塔顶温度由100 ℃降至85 ℃，塔釜温度由180 ℃降至110 ℃，塔顶换热器停用。

4.2 一酯工艺塔工况

二酯工艺塔停用后，一酯工艺塔整体运行稳定。一酯工艺塔增加的乙二醇的处理量FEG为1 250 kg/h，增加的塔顶废水回流量F水为233 kg/h。一酯塔釜加热和塔顶废水回流开度上升了5%左右，与试验结果吻合。此外，一酯工艺塔塔顶废水中乙二醇含量稳定控制在0.30%～0.40%，相比改造前的0.35%～0.45%略有下降，降低了装置乙二醇消耗。

5 改造后节能降耗情况

5.1 计算思路

A生产线二酯工艺塔停用后，节能主要体现在两个方面。一方面，电耗降低。二酯塔釜加热热媒泵、塔顶废水回流泵等相关设备停运，节约了电耗以及设备检修费用和维护成本。另一方面，天然气消耗降低。避免了二酯工艺塔运行时的高热量消耗，提高了一酯工艺塔的利用率。

5.2 电耗降低核算(Q电耗)

二酯工艺塔釜热媒泵运行功率P1为11.2 kW，塔顶废水回流泵P2为1.9 kW，设备停用后每天节约电耗情况计算如下：

每天节电：Q电耗=(P1+P2)×t

(1)

=(11.2+1.9)×24 =314.4(kW·h)

一年按360天，每度电按0.5元计，每年节约成本5.66万元。

5.3 天然气消耗降低核算

原二酯工艺塔是一个单独的精馏体系，需要塔釜热媒加热提供热量，塔顶回流提供冷量，实现塔的精馏操作。二酯工艺塔停运后，塔釜无需再消耗热量，同时塔顶废水无须外采，依靠自重回流进塔板，最终进入塔釜送至一酯工艺塔进行精馏分离操作。

5.3.1 二酯工艺塔停用后，减少的热量消耗(Q节约)

二酯工艺塔停用后，节省的热量主要表现在三个方面：

1) 加热塔釜乙二醇所需的热量消耗。

2) 因精馏操作进入塔系统回流水的气化潜热。

3) 二酯工艺塔釜再沸器中部分乙二醇沸腾蒸发，导致消耗一定量的乙二醇气化潜热。

由于二酯热媒加热系统停运，上述三方面的热量消耗全部节省，可用该系统运行期间的热量消耗来衡量。

5.3.2 转移到一酯工艺塔中精馏，一酯工艺塔增加的耗热量(Q增加)

1) 一酯工艺塔增加的乙二醇升温消耗的热量

将来自二酯工艺塔釜的1 250 kg/h乙二醇温度由110 ℃提高至180 ℃所需的热量消耗。因一酯工艺塔操作液位未发生改变，同时二次热媒循环控制温度也未作调整，故再沸器中乙二醇换热造成的潜热消耗未发生变化，只是通过二次热媒回管调节阀开度变化调节了循环流量，以补加低温进塔乙二醇的显热消耗。

2) 一酯工艺塔增加的塔顶回流水的气化潜热

二酯工艺塔停用后，一酯工艺塔增加的233 kg/h塔顶废水回流的汽化潜热消耗。

5.3.3 二酯工艺塔停运节省的热量消耗计算(Q节约)

根据A生产线热媒系统UFD图，查得相关数据见表3。

表3 二酯塔釜加热二次热媒系统供回流量数据

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

现场实际测量，二酯工艺塔热媒系统供回管温度，供管240 ℃，回管220 ℃。

根据厂家提供的物性数据，查得不同温度下热媒的流体热焓数据如表4。

表4 不同温度下热媒的流体热焓数据

温度/℃流体热焓/(kJ·kg-1)227453.8238479.6249505.7

通过回归拟合求得：240 ℃时流体热焓为485.03 kJ/kg，220 ℃时流体热焓为438.89 kJ/kg。

Q热损=F热媒×ΔH热媒

(2)

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

式中F热媒为二酯工艺塔运行时正常循环的热媒流量。

天然气热值按Q天然气=35112 kJ/m3，热媒炉效率按η=90%计算，折合天然气换算系数μ=Q天然气×η=31 600.8 kJ/m3

折合燃气：Q节约=Q热损/μ=2 141 495.82/31 600.8 =67.767 (m3/h)

5.3.4 一酯工艺塔增加的热量消耗计算(Q增加)

5.3.4.1 转移到一酯工艺塔中精馏，一酯工艺塔增加的乙二醇升温消耗的热量：QEG

将二酯工艺塔釜中110 ℃的乙二醇，升温至180 ℃需要消耗的热量。

查《化学化工物性数据手册(有机卷)》[2],得相应温度下乙二醇的比热数据如下：

表5 不同温度下乙二醇的比热数据

温度/℃比热/(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，FEG为二酯工艺塔停用后，一酯工艺塔增加的乙二醇处理量。

折合燃气：QEG＇=QEG/μ =28 262.5/31 600.8 =0.894 (m3/h)

5.3.4.2 转移到一酯工艺塔中精馏，一酯工艺塔增加的塔顶回流水的气化潜热：Q水

查《化学化工物性数据手册(无机卷)》[3]，得水的汽化热ΔH水为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水为二酯工艺塔停用后，一酯工艺塔增加的塔顶回流废水量。

折合燃气：Q＇水=Q水/μ=525 531.5/31 600.8 =16.63(m3/h)

—酯工艺塔增加的热量消耗

5.3.5 改造后燃气量降低情况

Q总=Q节约-Q消耗=67.767 -17.524 = 50.243(m3/h)

一年按360天，则每年节气50.243×24×360=434.1(km3)；

燃气按照2 000元/ km3计算，每年节约成本86.82万元。

6 结 论

通过可行性分析以及实际改造效果来看，A单元二酯工艺塔停用改造达到了预期的效果，改造比较成功。改造后，一酯工艺塔运行稳定，工艺塔顶废水中乙二醇含量得到了有效控制，降低了装置乙二醇消耗；此外，每年节约电耗成本5.66万元，节约燃气成本86.82万元，达到了节能降耗的效果。

[1] 周原.聚酯装置操作工[M].北京：中国石化出版社，2007：86-87.

[2] 刘光启，马连湘，刘杰.化学化工物性数据手册.有机卷[M].北京：化学化工出版社，2002:604.

[3] 刘光启，马连湘，刘杰.化学化工物性数据手册.无机卷[M].北京：化学化工出版社，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，江苏泰兴人，工程师，主要从事聚酯工艺技术管理工作。

TQ320.5+1

B

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