PTA精制母液余熱回收技術研究

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)當中，PTA行業(yè)是非常重要的組成部分。在化學纖維、電子等各個方面得到了廣泛的應用，推動了我國國民經濟的進一步發(fā)展。其在生產的過程中會產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。其能夠實現(xiàn)企業(yè)的節(jié)能減排，提高企業(yè)的經濟效益，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晶，再采用其它工藝對水質、水量等進行調節(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)明顯的結晶情況，從而對設備造成一定的影響，增加了設備維修的成本費用，同時也增加了污水處理的難度。這種處理工藝還浪費了PTA母液當中存在的大量熱量，且蒸汽當中含有PT酸，會環(huán)境造成了一定的污染。由于PTA母液當中含有一些可溶性的固體，在后續(xù)的處理當中可能會出現(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)當中出現(xiàn)堵塞問題的概率，將PTA的生產成本有效降低，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生不同等級的蒸汽，，讓其能量能夠實現(xiàn)最大化[2]同時回收PTA母液中的PT酸等物質，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，讓其處于負壓的環(huán)境下進行閃蒸，產生閃蒸蒸汽，而經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)，產生工質蒸汽，將蒸汽冷凝之后形成的凝液進入到閃蒸塔底部，并通過制熱工質泵將冷凝后的凝液送入制熱蒸發(fā)器當中，讓其與部分的閃蒸蒸汽進行換熱，從而蒸發(fā)工質凝液，產生相應的蒸汽[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，從而產生低壓飽和蒸汽。

經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，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 確定工藝與設備參數

3.1 設計多級閃蒸塔

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。在設計閃蒸段的過程中必須要對其內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。各個段內的液體會將重力自流利用起來，液位的高低能夠實現(xiàn)控制，并且還要將負壓裝置設置在閃蒸塔諸段當中，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，并根據設計參數對其進行定量操作。目前相關的閃蒸技術相對比較成熟，在閃蒸的過程中能夠做到準確控制，一般情況下需要在負壓的環(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、石化等相關行業(yè)中應用吸收式熱泵技術對廢熱進行回收相對比較廣泛。第二類吸收式熱泵能夠將大量的中溫熱利用起來，制取出熱量較高的熱能[4]。基于中低溫熱源，將大量的中溫熱源與低溫熱源之間存在的熱勢差利用起來，制取出少量的高溫度熱量，能夠將熱量的利用品位有效提高。在PTA裝置中產生的母液中含有大量廢熱，目前有多種熱回收技術應用在實際生產中，通過結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中；發(fā)生器中產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，冷凝液會在負壓的環(huán)境下進行吸熱蒸發(fā)，最后進入到吸收器當中，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，從而產生高溫的蒸汽。

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

在吸收式熱泵當中，熱泵熱力系數是最重要的能效指標，其能夠獲取到反應過程中的熱量總和，計算公式如下：

根據相關的調查研究，第二類吸收式熱泵熱力系數一般小于1，單效第二類吸收式熱泵熱力系數可達0.5，本文設計的熱泵熱力系數為0.48。當溫度提升越快，則熱力系數相對較小，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中，讓其發(fā)生閃蒸，產生溫度為130℃的飽和蒸汽。對吸收器的熱負荷進行計算的公式如下：

式中g表示工質蒸汽的循環(huán)量；h3表示蒸發(fā)器的出口工質蒸汽焓值（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 分析回收技術與相關經濟

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，年可產生經濟效益約2000萬元，以160元/t的飽和蒸汽（20t/h） 進行計算，每年可以產生直接的經濟2560多萬元，按照10元/t除鹽水進行計算，則可以產生2400萬元的經濟效益，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 結語

隨著社會經濟的不斷發(fā)展，人們逐漸認識到節(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進行研究是必然趨勢，通過結合多級閃蒸塔和第二類吸收式熱泵技術實現(xiàn)母液熱量回收，聯(lián)合醋酸回收系統(tǒng)能夠將PTA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，推動我國相關產業(yè)的進一步發(fā)展。