PTA装置高压吸收塔的设计原理和控制方法

施翔星，马业华，胡旭良，林 放

(中国石油四川石化公司南充炼油厂，四川 南充 637000)

当前主流的PTA装置除设备种类和数量多外，还具有复杂控制和联锁系统多、自动化程度高这一明显特征，尤其以采用INVISTA工艺的装置最为典型。对于新入行的操作人员，在学习过程中，难免会遇到较大难度。因此，在培训时，从各单元的核心设备入手，明确其作用、全面了解设备结构和与之关联的复杂控制系统、使用仿真模拟软件[1]，对员工能尽快达到熟练操作，显得非常必要。

就PTA装置氧化区而言，高压吸收塔虽然未在浆料主流程上，却是串联压缩机组、反应单元(高压区)和溶剂回收单元(低压区)的关键设备。从作用上讲，高压吸收塔的主要功能是吸收反应尾气，实现初步的物料回收和能量利用，并且达到控制氧化反应器压力的目的。本文从高压吸收塔的结构设计、操作控制要领进行解析，为同类装置的安全运行和人员培训提供参考。

1 高压吸收塔的设计分析

1.1 工艺流程和作用

来自反应器顶部和结晶器顶部的气相(富含醋酸和各种有机物的尾气)从塔体中部分两路进入高压吸收塔(设备位号D310)，经高压酸和中压密封水两级洗涤，尾气中的绝大部分有机物被洗下来后进入到催化焚烧系统(CCU)和尾气干燥洗涤塔，使尾气中的有机物基本被处理干净。此时气相成分以氮气为主，用于膨胀机作驱动发电或者作为惰气供应给装置；两级洗涤液在塔底被分别收集进酸侧罐和水侧罐，分别进入反应系统和溶剂回收单元再利用(流程详见图1)。

氧化尾气成分复杂，除氮气和尾氧外，还含有醋酸(HAc)、CO、CO2、未反应的残留PX、副产物醋酸甲酯(MA)和溴甲烷，其中有机物的含量为3%；经D310洗涤后，工艺要求尾气温度为40～44℃，有机物含量≤1%。虽然百分比变化小，以100万t/a的PTA装置为例，可回收790 kg/h的HAc和8.85 t/h的MA，全部再次用于氧化反应，同时，350 t/h的反应器尾气流量，经过CCU处理后用作机组发电和惰气，实现节约氮气、降低能耗物耗，对于当前严峻的市场行情[2]和严格的环保排放要求，效益突显。

1.2 设备结构分析

1 塔顶尾气出口，2 安全附件安装位置，3 停工碱洗线，4 水洗线，5 酸洗线，6 反应器尾气进口，7 结晶器尾气进口，8 塔底液位计安装位置，9 泵回流线，10 接酸侧罐底泵，输送至反应系统，11 水侧去溶剂脱水塔线，12 上塔液位计，13 上下塔连通线，14 反应器抽出水线，15 检修人孔，16 II层除沫器，17 I层除沫器，18 填料层，19 浮层塔盘，20 酸侧罐，21水侧罐

图1 高压吸收塔结构图

Fig.1 Structure of HP absorber

D310全塔用316L不锈钢制成，设计压力为2.02 kPa，设计温度是215℃。塔体从下往上分成三部分：底部脱气段，中间洗涤段，散堆填料(填料为2205双相不锈钢)和顶部洗涤段。在顶部洗涤段下部进口和上部出口均装有除沫器，用于去除尾气洗涤后夹带的液滴，两层除沫器之间包含有10块浮阀塔盘，其作用为在装置负荷变化时保证操作弹性。

在结构设计上，D310的巧妙之处在于两段洗涤、两段回收，保证了物料的初步分离，有利于减少装置的设备数量和降低整体能耗，对国产自主工艺包的开发有重要的借鉴意义。

如图1，来自E308(反应器尾气冷却器)和E431(结晶器尾气冷却器)的尾气进入高压吸收塔的酸侧(酸侧罐上部)，这部分尾气向上通过8 m厚的散堆填料段后，被醋酸溶剂逆流洗涤，尾气中的对二甲苯和醋酸甲酯等有机物被洗涤后，随醋酸又经填料层落入塔底的酸侧罐；被醋酸洗涤后的尾气经过I层除沫器和伞状通道进入上塔(即塔顶洗涤段)，尾气在上塔被工业水洗涤，水洗的目的是除去尾气中的残留醋酸，使尾气尽可能干净。含有醋酸的洗涤液被收集到顶部底层的烟道塔盘上，形成液位后在重力作用下经上下塔连通管线进入塔底水侧罐，再会同反应器抽出水，通过液位控制送到溶剂脱水塔回收醋酸。最后，经过酸洗、水洗两次洗涤的尾气经过塔顶的II层除沫器去除液滴后进入尾气处理系统被回收利用。

表1 尾气洗涤前后成分变化对比表

D310洗涤前后的尾气组分对比见表1。从表中可见，经D310洗涤后，尾气中的有机物被去除，成分更简单稳定，为用作装置自产惰气提供了基础。

2 高压吸收塔的操作控制

2.1 压力控制

以规模为100万t/a的装置，正常负荷下，经两级洗涤后，从塔顶出去的尾气量达到365 t/h，压力超过1.4 kPa，INVISTA设计带两分程的自动控制器PICA-03532来完成对D310的压力控制。两个分程调节阀分别为PCV-03532A和PCV-03532B，其中，B阀等级比A阀小很多，它用于开工和反应器跳车持料时控制压力，A阀用于正常生产时控制。

开工过程中，随着提装置负荷，各系统开始升压，控制器PICA-03532的输出增大，B阀被打开，此时A阀关闭；当B阀全开时，A阀才开始打开。随着压力进一步上升，控制器输出进一步增大，A阀继续开大，然后B阀逐渐关闭。PICA-03532输出对阀门开度调节的具体数据见图2。在设计时，根据负荷状态对阀门的选型非常关键，A、B阀分程分割点的选择原则是对压力控制的干扰最小。如图2，各分割点应尽可能使PCV-03532B的最大流量和PCV-03532A正常流量有一个线性响应。B阀最大流量=24 t/h，A阀最大流量=365 t/h，分割点=24 / 365= 6.6 %。

图2 高压吸收塔压力分程控制曲线图

此外，PICA-03532输出还用于低选模块PY-09129，以限制未处理尾气压力控制阀PCV-09129的开度。这种限制是为了避免在开工初期尽量少提取尾气。当反应器在低负荷运行时，若尾气量不足，催化焚烧系统易发生低流量联锁，造成全系统跳车的风险。

2.2 尾气提取

尾气从D310顶部离开后有三条流程：(1)刚开工和联锁持料，此时尾气量极低，直接去尾气洗涤塔水洗后排空；(2)未处理尾气线，刚引发反应时，尾气量较少，经干燥吸收器处理后用作惰气；(3)处理尾气线，当负荷达到正常后，此时尾气量大，先经催化燃烧彻底去除有机杂质，再经干燥处理(包括尾气干燥洗涤塔和干燥吸收器)后用作惰气，以减少外购氮气的使用量，从而提升装置的经济效益。

整个尾气提取过程由程序步骤执行，在中控DCS界面上有选择开关，该开关由两个按钮组成，一个按钮选择从未处理线到处理线，另一个按钮选择从处理线到未处理线。在选择提取前，必须同时保证以下条件：反应器正常未发生联锁，包括空气旁路线关闭；尾气膨胀机旁路线关闭；CCU系统出口温度正常；尾气洗涤塔底部液位和出口温度正常；尾气洗涤塔冷却器液位及其自产蒸汽压力正常。任一条件不满足，提取尾气均不能完成。

图3 反应尾气处理流程和未处理流程比较

必须注意的是：当D301负荷未达到允许量时，不允许从反应后的气相中提取尾气。从高压吸收塔D310压力控制器的输出推断出反应器的负荷。从图2的曲线可知，至少要在PICA-03532的输出大于50%以后，此时B阀已全关，A阀开度已在50%以上，D310压力已由A阀控制；而PY-09129的输入已最大，低选将不再起作用，对应的反应器负荷也在50%左右。

为了实现在未处理尾气和处理尾气之间的平稳过渡，C115入口压力测量值(图3中P2)输送到DCS计算模块XY-01106，由测量值减去操作人员输入的压差(通常为0.025 kPa)所得的值作为PICA-09129(图3中P1，D928顶部压控)的设定值，以确保D928出口和 C155进口有正确的压力梯度。若P1>P2，可能导致有夹带的尾气经D928、E927反窜进C155，对机组造成损害。

3 方法建议

随着产能过剩造成的竞争压力和日益严格的环保排放要求，以及单体装置的负荷呈上升趋势、自动化控制程度提高，对操作水平的要求也进一步提高。就目前主流化的采用INVISTA工艺的PTA装置，从保证安全运行的角度，与自动化控制相关的联锁数量大幅度增多，联锁跳车的概率增大。因此，结合保证高压吸收塔的平稳运行和生产管理，有如下建议以供探讨：

(1)保证公用工程稳定性。工艺包中关于装置联锁的触发因素，相当部分和循环水、密封水、冷却水、蒸汽、惰气等介质的压力、流量有关，D310的酸冲洗和密封水冲洗流程上均设有相应的低流量联锁。因而新厂建设或者旧厂技改时，首先考虑公用工程设计的合理性、设备的可靠性，成为日后减少不必要的非计划停工、保证装置的长周期平稳运行的基础。

(2)防腐蚀控制。PTA装置氧化区的设备腐蚀主要来自于醋酸和氢溴酸(分别为主要溶剂和反应促进剂)，就D310而言，醋酸的影响主要在于长期冲刷，短期腐蚀则来自于尾气中含有的氢溴酸蒸汽[3-4]。基本措施有：

①保证正常生产期间三条溴化氢冲洗管线的流量畅通，以减轻对阀芯的腐蚀程度，这三条流程分别是反应器尾气(图1中的位置 6)上的酸冲洗、尾气出口处理线和未处理线上的密封水冲洗。②在不影响反应效果时，尽可能降低催化剂配比中的溴化氢比例，以减少反应尾气中的溴含量[5]。

(3)反应器压力。反应器尾气进D310流程上有反应器压力控制器(PICA-03243)，其控制原理和分程点与D310压力相同。控制好反应器的出口压力，一是减少高压吸收塔压力波动，避免氧化反应器与高压吸收塔的压差过大，减轻进入D310的上升尾气流对设备的冲刷；还要保证在反应器、高压吸收塔、CCU、尾气膨胀机之间形成正常压差，避免发生逆流。

(4)尾气提取转换。从理论上讲，可直接使用未处理尾气而不切换成处理尾气，但未处理尾气是未经CCU燃烧，杂质含量高(残留有机物和溴)，直接进行干燥后用作惰气或者进行排放，都很难达标，这也是许多老厂面临的问题，这也是新建装置引入CCU单元的意义。所以正常投产后，必须将未处理尾气切换成处理尾气。从图2看出，提取处理尾气流程包括CCU系统、E927、D928，倘若这部分设备无法投用，只能从提取处理尾气转换为提取未处理尾气，并及时检修。因此做好这部分设备的保养也是实现清洁生产需关注的重点内容之一。

(5)全局意识。对于联锁密集的装置，操作人员在调整操作时，要考虑改动流程对本单元和其它系统的关联，平缓调节开度，避免因处置不当造成压力、温度等大幅度波动，进而导致本单元乃至整个氧化装置的联锁跳车或者不达标排放，直接影响环保和经济考核指标。

参考文献

[1]熊献金. PTA装置氧化设备的模拟研究和应用[J]. 聚酯工业,2013,26(4):35-40.

[2]钱伯章.后扩张时代的中国PTA产业[J].聚酯工业,2016,29(2): 40.

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

[4]刘曦泽. PTA装置高压吸收塔溴离子点腐蚀研究[J].内蒙古石油化工,2013(21):4-6.

[5]程利强,顾祥万.高压吸收塔腐蚀的分析及对策[J]. 聚酯工业,2005,18(3):37-39.