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.中國石化洛陽分公司，河南 洛陽 471012; 2.洛陽市質(zhì)量計量檢測中心，河南 洛陽 471000)

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

PET由精對苯二甲酸(PTA)和乙二醇(EG)酯化反應(yīng)，再通過縮聚制備，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。作者圍繞中國石化洛陽分公司200 kt/a PET裝置酯化反應(yīng)蒸氣回收利用的現(xiàn)狀進行分析，并提出進一步優(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)過程見式(1)。

(1)

工業(yè)生產(chǎn)過程中，因為PTA和酯化物蒸氣壓很小，酯化反應(yīng)釜頂部蒸氣實際上可視為水、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)量分數(shù)在1%以內(nèi)，水質(zhì)量分數(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，送至有機物汽提塔分離微量低沸物后送至污水處理系統(tǒng)，既浪費了大量的循環(huán)水資源，更是造成大量蒸氣余熱浪費。

1.2 酯化蒸氣熱量核算

200 kt/a PET裝置因短纖維生產(chǎn)線半負荷運行，負荷降至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]。而實際生產(chǎn)過程中，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有機物質(zhì)量分數(shù)小于1%，水質(zhì)量分數(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)醿刹糠郑渲邢嘧儫釣?.02×107kJ/h，低溫?zé)釣?.56×106kJ/h，酯化蒸氣合計可提供熱量為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年中國石化洛陽分公司對PET裝置及其他公用工程部分進行了適當改造，利用酯化蒸氣熱量給溴冷機供熱生產(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內(nèi)驅(qū)動溴冷機運行產(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

改造完成后，裝置停用了原運行的冷凍機，利用溴冷機冷水滿足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)過板式換熱器后，形成液態(tài)90 ℃水，需要再經(jīng)過水冷器冷卻至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。

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，對裝置內(nèi)的各種EG、風(fēng)系統(tǒng)進行預(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，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；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有機物含量，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；給有機物汽提塔汽提風(fēng)、熱媒爐風(fēng)機入口空氣加熱，提高進爐空氣溫度，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336萬元/年，節(jié)能效果明顯。