PTA精制母液余熱回收技術(shù)研究

董言綱，王 敏，劉春勝

（江蘇虹港石化有限公司，江蘇 連云港 222046）

在石油化工行業(yè)當(dāng)中，PTA行業(yè)是非常重要的組成部分。在化學(xué)纖維、電子等各個方面得到了廣泛的應(yīng)用，推動了我國國民經(jīng)濟的進一步發(fā)展。其在生產(chǎn)的過程中會產(chǎn)生大量的精制母液廢水（150℃），該廢水中含有的成分具有較高的附加值和大量的廢熱，而如何回收其中附加值較高的成分和廢熱、水回用是目前需要研究的重要問題。其能夠?qū)崿F(xiàn)企業(yè)的節(jié)能減排，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，因此對其進行研究具有非常重要的意義。

1 概述

PTA精制母液廢水屬于酸性廢水，其主要由PT酸、TA以及鄰苯二甲酸等組成。在回收廢水高附加值成分的過程中，必須要保證將母液降溫結(jié)晶，再采用其它工藝對水質(zhì)、水量等進行調(diào)節(jié)，才能實現(xiàn)回收[1]。傳統(tǒng)的PTA母液降溫工藝包括沉淀池降溫、板式換熱器等。由于廢水具有高酸性，所以其在溫度降低的過程中會出現(xiàn)明顯的結(jié)晶情況，從而對設(shè)備造成一定的影響，增加了設(shè)備維修的成本費用，同時也增加了污水處理的難度。這種處理工藝還浪費了PTA母液當(dāng)中存在的大量熱量，且蒸汽當(dāng)中含有PT酸，會環(huán)境造成了一定的污染。由于PTA母液當(dāng)中含有一些可溶性的固體，在后續(xù)的處理當(dāng)中可能會出現(xiàn)固體析出，堵塞膜，處理非常困難，所以必須要將PTA母液中含有的熱量合理利用，降低膜處理系統(tǒng)當(dāng)中出現(xiàn)堵塞問題的概率，將PTA的生產(chǎn)成本有效降低，同時也降低能耗，提高資源的利用效率。

2 工藝流程研究

PTA精制母液余熱回收系統(tǒng)主要是充分利用PTA精制母液中的熱量產(chǎn)生不同等級的蒸汽，，讓其能量能夠?qū)崿F(xiàn)最大化[2]同時回收PTA母液中的PT酸等物質(zhì)，并回收水全部回用系統(tǒng)中，減少除鹽水消耗和污水處理，資源利用最大化。相關(guān)的工藝流程如圖1所示。

圖1中E-8表示吸收器；E-7表示冷凝器；E-9表示蒸發(fā)器；E-6表示發(fā)生器；V-1表示制熱凝液緩沖罐；E-3表示制冷熱源換熱器；E-5表示溶液換熱器；T1表示多級閃蒸塔，T2表示醋酸回收塔，T3表示氧化反應(yīng)系統(tǒng)，E-4/15/16/19/23/25表示換熱器。

多級閃蒸塔頂部加入PTA精制母液，讓其處于負(fù)壓的環(huán)境下進行閃蒸，產(chǎn)生閃蒸蒸汽，而經(jīng)過多級閃蒸塔的一些蒸汽會進入到吸收式熱泵系統(tǒng)的發(fā)生器中進行蒸發(fā)，產(chǎn)生工質(zhì)蒸汽，將蒸汽冷凝之后形成的凝液進入到閃蒸塔底部，并通過制熱工質(zhì)泵將冷凝后的凝液送入制熱蒸發(fā)器當(dāng)中，讓其與部分的閃蒸蒸汽進行換熱，從而蒸發(fā)工質(zhì)凝液，產(chǎn)生相應(yīng)的蒸汽[3]，蒸汽與吸收式熱泵作用，由輸送泵中的凝液進行吸收其釋放的熱量，從而讓凝液得到加熱，并將加熱后的凝液送入制熱凝液緩沖罐中進行閃蒸，從而產(chǎn)生低壓飽和蒸汽。

經(jīng)過多級閃蒸塔之后的PTA濃縮母液輸送到醋酸回收塔，回收母液中TA固體和PT酸等物質(zhì)，儲液段凝液做為醋酸回收塔的回流液，多級回收熱量并將全部回收水回用到系統(tǒng)中。PTA精制母液余熱回收裝置當(dāng)中，除了機泵需要消耗一部分電能外，不需要其它的能源消耗，主要是因為第一閃蒸段的閃蒸蒸汽超過了95℃，其能作為吸收式熱泵的熱源；第二閃蒸段中的閃蒸蒸汽為90℃，該蒸汽也能作為后續(xù)制冷熱源換熱器等的熱源。熱量實現(xiàn)梯度利用，PT酸、TA有效回收，水全部回用，能夠有效將PTA精制母液回用過程中存在的技術(shù)問題解決。

圖1 PTA精制母液余熱回收系統(tǒng)

3 確定工藝與設(shè)備參數(shù)

3.1 設(shè)計多級閃蒸塔

閃蒸塔一般又被稱為防堵塞換熱器，其在PTA精制母液降溫處理中能夠得到很好的利用。一般情況下需要將多級閃蒸氣布置為7段，讓母液能夠得到多級連續(xù)的閃蒸，其中最后一段為儲液段。在設(shè)計閃蒸段的過程中必須要對其內(nèi)部的使用空間進行充分考慮，將氣液分離的效果進一步提高。各個段內(nèi)的液體會將重力自流利用起來，液位的高低能夠?qū)崿F(xiàn)控制，并且還要將負(fù)壓裝置設(shè)置在閃蒸塔諸段當(dāng)中，讓壓力能得到有效的控制，從而讓閃蒸塔能夠高效運行。

將溫度為150℃的PTA母液加入到多級閃蒸塔中進行閃蒸，并根據(jù)設(shè)計參數(shù)對其進行定量操作。目前相關(guān)的閃蒸技術(shù)相對比較成熟，在閃蒸的過程中能夠做到準(zhǔn)確控制，一般情況下需要在負(fù)壓的環(huán)境下進行閃蒸，需要利用以下公式進行計算閃蒸蒸汽量及閃蒸率：

式中：G為進入閃蒸塔中的PTA母液量，kg/h；Gs為閃蒸蒸汽量，kg/h；h1為PTA母液的比焓，kJ/h；h2為閃蒸塔儲液段蒸汽凝液的比焓，kJ/h；r2為閃蒸塔儲液段蒸汽凝液的蒸發(fā)潛熱，kJ/h；F為閃蒸率，%。

3.2 第二類吸收式熱泵研究

目前在建筑、石化等相關(guān)行業(yè)中應(yīng)用吸收式熱泵技術(shù)對廢熱進行回收相對比較廣泛。第二類吸收式熱泵能夠?qū)⒋罅康闹袦責(zé)崂闷饋?，制取出熱量較高的熱能[4]?；谥械蜏?zé)嵩?，將大量的中溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩粗g存在的熱勢差利用起來，制取出少量的高溫度熱量，能夠?qū)崃康睦闷肺挥行岣摺Ｔ赑TA裝置中產(chǎn)生的母液中含有大量廢熱，目前有多種熱回收技術(shù)應(yīng)用在實際生產(chǎn)中，通過結(jié)合多級閃蒸塔和第二類吸收式熱泵，能夠有效將廢熱進行回收，具有較大的使用價值。

第二類吸收式熱泵主要由溶液熱交換器、發(fā)生器、吸收器以及冷凝器、蒸發(fā)器等組成，其中發(fā)生器主要吸收熱源熱量產(chǎn)生一定量的蒸汽，將重力作用等利用起來，溶液發(fā)生變化之后會進入到吸收器當(dāng)中；發(fā)生器中產(chǎn)生的蒸汽會進入到冷凝器中進行冷凝，隨后會進入蒸發(fā)器，冷凝液會在負(fù)壓的環(huán)境下進行吸熱蒸發(fā)，最后進入到吸收器當(dāng)中，該類裝置中會將蒸汽進行吸收，從而放出大量的熱量，并使用水對其進行閃蒸，從而產(chǎn)生高溫的蒸汽。

吸收器當(dāng)中產(chǎn)生的溶液經(jīng)過熱交換器進行升溫之后，會再次進入到發(fā)生器中，產(chǎn)生出工質(zhì)蒸汽，整個過程就是讓工質(zhì)蒸汽與相關(guān)溶液實現(xiàn)循環(huán)的過程，并連續(xù)產(chǎn)生高溫、高壓的蒸汽，讓蒸汽的品質(zhì)更高。

在吸收式熱泵當(dāng)中，熱泵熱力系數(shù)是最重要的能效指標(biāo)，其能夠獲取到反應(yīng)過程中的熱量總和，計算公式如下：

根據(jù)相關(guān)的調(diào)查研究，第二類吸收式熱泵熱力系數(shù)一般小于1，單效第二類吸收式熱泵熱力系數(shù)可達(dá)0.5，本文設(shè)計的熱泵熱力系數(shù)為0.48。當(dāng)溫度提升越快，則熱力系數(shù)相對較小，但是在實際操作的過程中機組主要利用的是廢熱，所以其利用價值還是相對較高。

3.3 計算蒸汽制取量

一般自制熱凝液輸送泵的凝液會吸收吸收式熱泵機組中的制熱吸收器放出的大量熱量，同時會加熱凝液，一般會加熱到135～140℃，將被加熱的蒸汽凝液加入到制熱凝液緩沖罐當(dāng)中，讓其發(fā)生閃蒸，產(chǎn)生溫度為130℃的飽和蒸汽。對吸收器的熱負(fù)荷進行計算的公式如下：

式中g(shù)表示工質(zhì)蒸汽的循環(huán)量；h3表示蒸發(fā)器的出口工質(zhì)蒸汽焓值（單位：kJ/kg）；h4表示溶劑熱交換器出口的濃溶液焓值（單位：kJ/kg）；h5表示吸收器出口稀釋溶液的焓值（單位：kJ/kg）；η表示熱泵循環(huán)的倍率。

計算蒸汽制取量的公式如下：

式中h6表示產(chǎn)生的蒸汽焓值（單位：kJ/kg）；h7表示制熱凝液的焓值（單位：kJ/kg）。

3.4 分析回收技術(shù)與相關(guān)經(jīng)濟

某PTA裝置外排母液300000 kg/h，利用PTA精制母液廢水處理的新工藝與裝置外排93℃的蒸汽凝液副產(chǎn)低壓飽和蒸汽、依托醋酸回收系統(tǒng)回收凝液和PT酸TA，對其進行處理。PTA母液中可回收固體含量約0.15%～0.2%。濃縮母液進入醋酸回收塔后可降低PX消耗約2～3 kg/t，可節(jié)約除鹽水約1710 kg/t，減少污水處理量約1710 kg/t。按照6500元/t PX計算，年可產(chǎn)生經(jīng)濟效益約2000萬元，以160元/t的飽和蒸汽（20t/h） 進行計算，每年可以產(chǎn)生直接的經(jīng)濟2560多萬元，按照10元/t除鹽水進行計算，則可以產(chǎn)生2400萬元的經(jīng)濟效益，污水處理費年減少約2400萬元（10元/噸處理費）估算聯(lián)合裝置建設(shè)投資約為2.0億元，則可以計算出該聯(lián)合工程的投資回收期為2.1年。

4 結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識到節(jié)能減排和環(huán)保的重要性，因此對PTA精制母液余熱回收技術(shù)進行研究是必然趨勢，通過結(jié)合多級閃蒸塔和第二類吸收式熱泵技術(shù)實現(xiàn)母液熱量回收，聯(lián)合醋酸回收系統(tǒng)能夠?qū)TA精制母液中存在的高附加值成分和廢熱、廢水充分利用起來，提高資源的利用效率，推動我國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。