CN101955426B - 一种工业精对苯二甲酸装置共沸精馏溶剂脱水过程优化运行的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业精对苯二甲酸装置共沸精馏溶剂脱水过程优化运行方法，此方法在不同的工况运行负荷下，根据共沸剂回收塔顶冷凝器实际冷凝负荷，根据水-醋酸-醋酸甲酯-共沸剂汽液液平衡模型，确定溶剂脱水塔塔顶气相冷凝最高温度，使得进入共沸剂回收塔的冷凝气相流量最大，同时减少进入溶剂脱水塔回流流股中的醋酸甲酯，以实现溶剂脱水塔工业生产节能和增加醋酸甲酯回收的目的。这种优化运行方法实现了精对苯二甲酸装置共沸精馏溶剂脱水过程操作条件的优化，为生产工艺的改造、节能降耗等提供基础和依据，且此方法适用于各类精对苯二甲酸装置共沸精馏溶剂脱水过程的优化，有着广泛的适应性。

Description

一种工业精对苯二甲酸装置共沸精馏溶剂脱水过程优化运行的方法

技术领域

本发明涉及一种过程优化运行方法，尤其是一种工业精对苯二甲酸装置共沸精馏溶剂脱水过程优化运行方法。 

背景技术

精对苯二甲酸(Purified Terephthalic Acid，以下简称PTA)是合成聚酯纤维和塑料的重要原料，主要用来合成聚酯的中间体苯二甲酸乙二醇。PTA的生产一般是先以对二甲苯为原料，醋酸为溶剂在一定的温度和压力下催化氧化生成粗对苯二甲酸(TA)，然后再精制为高纯度对苯二甲酸。PTA装置对二甲苯氧化反应生产工段，伴随着水的生成，溶剂醋酸随着氧化反应的发生浓度由95％左右降至70％左右。为了降低溶剂消耗，分离对二甲苯氧化反应后的低浓度醋酸溶液，将经脱水的高浓度醋酸返回氧化反应器是十分必要的。由于醋酸的非理想性特别强，容易发生缔合，和水的相对挥发度接近于1，用普通精馏法分离时所需的理论板数和回流比较大，造成能耗较大，生产成本高。因此目前先进的工业装置一般采用共沸精馏的方法。 

共沸精馏法是指在待精馏分离的原溶液中添加共沸剂，共沸剂通常为醋酸正丁酯、醋酸异丁酯、醋酸正丙酯等，以改善待分离组分间的汽液平衡关系，共沸剂能与原料液中一个或两个组分形成新的最低共沸物，由塔顶蒸出，使精馏分离成为“共沸物一纯组分”体系的分离。与普通精馏法相比，共沸精馏法有着更为有效的分离效果和能量利用效率以及更少的操作费用。 

图1是某工艺共沸精馏溶剂脱水过程简化图。抽出水(WDO)、结晶器气相与高压吸收塔来的等含醋酸溶液进入溶剂脱水塔，由塔底再沸器提供热源，在塔内进行分离，塔底为含水量在5％左右的醋酸溶液，塔顶主要是水、醋酸、共沸剂以及醋酸甲酯气相，中部含对二甲苯的液体抽出至对二甲苯回收塔进行回收。溶剂脱水塔顶部气相经冷凝器冷凝后，冷凝温度由溶剂脱水塔顶部气相旁路控制，液相进入倾析灌分离，水相(含少量共沸剂等)进入共沸剂回收塔，有机相(主要是共沸剂和部分醋酸甲酯)作为溶剂脱水塔回流。冷凝器顶部气相 进入共沸剂回收塔进行共沸剂和醋酸甲酯的回收。共沸剂回收塔底部由低压蒸汽提供热源，塔顶有循环水冷凝器，进行醋酸甲酯的冷凝回收。醋酸甲酯是由醋酸燃烧等生成，工艺上要求尽可能的把醋酸甲酯分离出来作为副产品或者送回氧化反应器抑制醋酸燃烧，溶剂脱水塔回流流股中，如果醋酸甲酯含量过高，会影响共沸精馏分析性能，增加能耗。因此，溶剂脱水塔顶部气相冷凝温度的控制对醋酸甲酯的回收以及装置的节能非常重要。 

实际操作中，由于受到生产负荷、共沸剂回收塔顶部冷凝器等影响，很难确定一个比较好的溶剂脱水塔顶部气相冷凝温度。实际装置操作过程中，一般按照专利商提供的参数进行控制，不根据实际运行情况进行调整。因此到目前为止还没有很好的适用于工业精对苯二甲酸共沸精馏溶剂脱水过程气相冷凝温度的一个优化方法。 

发明内容

本发明提供了一种工业精对苯二甲酸装置共沸精馏溶剂脱水过程优化运行方法，此方法在不同的工况运行负荷下，根据共沸剂回收塔顶冷凝器实际冷凝负荷，根据水-醋酸-醋酸甲酯-共沸剂多元体系汽液液平衡模型，确定溶剂脱水塔塔顶气相冷凝最高温度，使得进入共沸剂回收塔的冷凝气相流量最大，同时减少进入溶剂脱水塔回流流股中的醋酸甲酯，以实现溶剂脱水塔工业生产节能和增加醋酸甲酯回收的目的。 

本发明方案如下： 

一种工业精对苯二甲酸装置共沸精馏溶剂脱水过程优化运行的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤： 

①采集工业精对苯二甲酸装置共沸精馏溶剂脱水过程的实时数据和人工分析数据；

②计算当前冷凝器的冷凝负荷与最大剩余负荷； 

③依据水-醋酸-醋酸甲酯-共沸剂多元体系汽液液平衡模型，以共沸剂塔顶冷凝器最大剩余负荷以及共沸剂-水的共沸温度点为约束、计算最高的溶剂脱水塔顶部冷凝器的操作温度。 

所述步骤①中的实时数据为溶剂脱水塔顶部气相质量流量，溶剂脱水塔顶部气相温度与压力，共沸剂回收塔底部再沸蒸汽负荷，共沸剂回收塔顶部冷凝器循环水质量流量，共沸剂回收塔顶部冷凝器循环水进出口温度，共沸剂回收塔冷凝器下部塔板温度；人工分析数据为溶剂脱水塔顶部气相中水、醋酸、醋酸甲酯与共沸剂的质量百分比人工分析值。 

所述步骤②中的当前冷凝器的冷凝负荷为Q_coll＝mC_p(T_in-T_out)，其中m为循环水质量流 量，C_p为循环水在温度T_in和T_out之间的评价热容，T_in为循环水进口温度，T_out为循环水出口温度。 

所述步骤②中的当前冷凝器的最大剩余负荷为Q＝max(Q_design，Q_true)-Q_e，其中Q_design为共沸剂回收塔顶部冷凝器设计最大冷凝负荷，Q_true为实际工业生产中达到的最大冷凝负荷，max(Q_design，Q_true)为取两者之中的数值大者，Q_e为共沸剂回收塔底部再沸蒸汽负荷。 

所述步骤③中的水-醋酸-醋酸甲酯-共沸剂多元体系汽液液平衡模型，是指在ASPENPLUS流程模拟软件中采用FLASH3模块和换热器模块实现，其中物性方法采用UNIQC-HOC，模型输入为溶剂脱水塔顶部气相质量流量与质量百分比。 

所述步骤③中的共沸剂回收塔顶冷凝器最大剩余负荷为约束，指的是FLASH3模块气相流股经换热器模块全部冷凝至共沸剂回收塔冷凝器下部塔板温度T_cool′需要的热负荷Q_tneed与当前共沸剂回收塔顶冷凝器最大剩余负荷相等。 

所述步骤③中的共沸剂-水的共沸温度点为约束，指的是为保证共沸剂不随水大量从气相走，要满足FLASH3模块的操作温度，即溶剂脱水塔顶部冷凝器操作温度T_cool应和共沸剂-水的共沸点温度T满足T_cool≤T-Δt。 

maxT_cool

所述步骤③中的计算最高的溶剂脱水塔顶部冷凝器的操作温度为 

本发明提供一种工业精对苯二甲酸装置共沸精馏溶剂脱水过程优化运行方法，此方法在不同的工况运行负荷下，根据共沸剂回收塔顶冷凝器实际冷凝负荷，根据水-醋酸-醋酸甲酯-共沸剂多元体系汽液液平衡模型，确定溶剂脱水塔塔顶气相冷凝最高温度，使得进入共沸剂回收塔的冷凝气相流量最大，同时减少进入溶剂脱水塔回流流股中的醋酸甲酯，以实现溶剂脱水塔工业生产节能和增加醋酸甲酯回收的目的。此方法适用于各类工业精对苯二甲酸装置共沸精馏溶剂脱水过程的优化，有着广泛的适应性。 

附图说明

图1是工业精对苯二甲酸装置共沸精馏溶剂脱水过程的工艺简图。 

图2是水-醋酸-醋酸甲酯-共沸剂多元体系气液液平衡模型框图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

首先介绍下相平衡理论，内容如下： 

相平衡时，汽液两相中对应组成的逸度相等，即 

具体可表示为： 

$y_i{{\mathrm{\φ}}_i}^{V}p=x_i{\mathrm{\γ}}_i{\mathrm{\φ}}_i^s{p}_i^s\exp {\∫}_{p_i^s}^p\frac{{V_i}^L}{\mathrm{RT}}\mathrm{dp}$

式中：x_i和y_i分别为汽相和液相中组分i摩尔分数； 

为汽相混合物中组分i在体系温度T和压力p的逸度系数； 

为纯组分i在体系温度T时的饱和蒸汽压；p为体系的总压(1.013bar)； 

为Poynting因子，它提供了蒸汽压到体系压力时液相逸度的校正；在中低压力下，Poynting因子一般取为1； 

为纯组分i在体系温度与该温度下其饱和蒸汽压 下的逸度系数；γ_i为组分i的活度系数。本专利中有关多元多分汽液液平衡模型采用UNIQUAC-HOC方程。其模型图如图2所示，溶剂脱水塔顶部含水、醋酸、共沸剂与醋酸甲酯的气相，经汽液液平衡模块三相闪蒸器FLASH3分离后，一股液相返回溶剂脱水塔作回流，另一股液相进入共沸剂回收塔，顶部气相进入换热器模块计算冷却到温度T_cool′需要的热负荷Q_tneed。 

如图1所示，抽出水(WDO)、结晶器气相与高压吸收塔来的等含醋酸溶液进入溶剂脱水塔，由塔底再沸器提供热源，在塔内进行分离，塔底为含水量在5％左右的醋酸溶液，塔顶主要是水、醋酸、共沸剂以及醋酸甲酯气相，中部含对二甲苯的液体抽出至对二甲苯回收塔进行回收。溶剂脱水塔顶部气相经冷凝器冷凝后，冷凝温度由溶剂脱水塔顶部气相旁路控制，液相进入倾析灌分离，水相(含微量共沸剂等)进入共沸剂回收塔，有机相(主要是共沸剂和部分醋酸甲酯)作为溶剂脱水塔回流。冷凝器顶部气相进入共沸剂回收塔进行共沸剂和醋酸甲酯的回收。共沸剂回收塔底部由低压蒸汽提供热源，塔顶有循环水冷凝器，进行醋酸甲酯的冷凝回收。 

本发明方法在不同的工况运行负荷下，根据共沸剂回收塔顶冷凝器实际冷凝负荷，根据水-醋酸-醋酸甲酯-共沸剂多元体系汽液液平衡模型，确定溶剂脱水塔塔顶气相冷凝最高温度，使得进入共沸剂回收塔的冷凝气相流量最大，同时减少进入溶剂脱水塔回流流股中的醋酸甲酯，以实现溶剂脱水塔工业生产节能和增加醋酸甲酯回收的目的。其具体实施步骤如下： 

一种工业精对苯二甲酸装置共沸精馏溶剂脱水过程优化运行方法，其特征在于所述方法包括以下步骤： 

1.采集工业精对苯二甲酸装置共沸精馏溶剂脱水过程的实时数据和人工分析数据； 

2.根据当前共沸剂回收塔冷凝器循环水的质量流量m，进出口温度T_in和T_out，计算当前冷凝负荷为Q_coll＝mC_p(T_in-T_out)； 

3.根据共沸剂回收塔顶部冷凝器设计最大冷凝负荷Q_design，实际工业生产中达到的最大冷凝负荷Q_true，共沸剂回收塔底部再沸蒸汽负荷Q_e，计算当前冷凝器的最大剩余负荷Q； 

4.把实际工业溶剂脱水塔顶气相流量，组分组成、温度与压力输入到水-醋酸-醋酸甲酯-共沸剂多元体系汽液液平衡模型，设定模型中换热器的出口温度为T_cool′，规定唤起模块的冷却负荷为Q，求得闪蒸汽FLASH3模块的最高操作温度T_cool； 

5.如果求得的T_cool满足T_cool≤T-Δt，则把温度T_cool赋给实际工业装置溶剂脱水塔顶部气相冷凝器，否则T-Δt赋给实际工业装置溶剂脱水塔顶部气相冷凝器。 

根据一实际工况，溶剂脱水塔顶部气相流量208吨/小时，温度85.8度，压力0.12MPaG，水含量15.6％(质量百分比，下同)，醋酸含量0.01％，共沸剂含量76.4％(共沸剂为醋酸正丙酯，水-醋酸正丙酯共沸点温度83度，Δt＝3)，醋酸甲酯含量7.6％，溶剂脱水塔顶部气相冷凝器操作温度77.4度，气相流量20吨/小时，共沸剂回收塔塔底再沸蒸汽负荷3.6MW，共沸剂回收塔顶部冷凝器循环水流量600吨/小时，循环水进口温度18度，出口温度25度，计算得到实际冷却负荷为4.87MW，在循环水流量达700吨/小时时，共沸剂回收塔顶部冷凝器最大冷却负荷5.74MW，因此最大剩余负荷为0.87MW，依据模型，得到当前生产负荷下溶剂脱水塔顶部冷凝器操作最佳温度78.3度。装置依据此温度调整工况后，溶剂脱水塔顶部气相冷凝器操作温度78.3度，气相流量23.2吨/小时，此时溶剂脱水塔回流流股中的醋酸甲酯含量从平均10％下降到9％左右，溶剂脱水塔塔底再沸蒸汽降低0.3吨/小时左右。 

综上所述仅为发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。 

Claims (1)

1.一种工业精对苯二甲酸装置共沸精馏溶剂脱水过程优化运行的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

①采集工业精对苯二甲酸装置共沸精馏溶剂脱水过程的实时数据和人工分析数据；

②计算当前冷凝器的冷凝负荷与最大剩余负荷；

③依据水-醋酸-醋酸甲酯-共沸剂多元体系汽液液平衡模型，以共沸剂回收塔顶冷凝器最大剩余负荷以及共沸剂-水的共沸温度点为约束、计算最高的溶剂脱水塔顶部冷凝器的操作温度；

所述步骤①中的实时数据为溶剂脱水塔顶部气相质量流量，溶剂脱水塔顶部气相温度与压力，共沸剂回收塔底部再沸蒸汽负荷，共沸剂回收塔顶部冷凝器循环水质量流量，共沸剂回收塔顶部冷凝器循环水进出口温度，共沸剂回收塔冷凝器下部塔板温度；人工分析数据为溶剂脱水塔顶部气相中水、醋酸、醋酸甲酯与共沸剂的质量百分比人工分析值；

所述步骤②中的当前冷凝器的冷凝负荷为Q_coll＝mC_p(T_in-T_out)，其中m为循环水质量流量，C_p为循环水在温度T_in和T_out之间的评价热容，T_in为循环水进口温度，T_out为循环水出口温度；

所述步骤②中的当前冷凝器的最大剩余负荷为Q＝max(Q_design，Q_true)-Q_e，其中Q_design为共沸剂回收塔顶部冷凝器设计最大冷凝负荷，Q_true为实际工业生产中达到的最大冷凝负荷，max(Q_design，Q_true)为取两者之中的数值大者，Q_e为共沸剂回收塔底部再沸蒸汽负荷；

所述步骤③中的水-醋酸-醋酸甲酯-共沸剂多元体系汽液液平衡模型，是指在ASPEN PLUS流程模拟软件中采用FLASH3模块和换热器模块实现，其中物性方法采用UNIQC-HOC，模型输入为溶剂脱水塔顶部气相质量流量与质量百分比；

所述步骤③中的共沸剂回收塔顶冷凝器最大剩余负荷为约束，指的是 FLASH3模块气相流股经换热器模块全部冷凝至共沸剂回收塔冷凝器下部塔板温度T_cool′需要的热负荷Q_tneed与当前共沸剂回收塔顶冷凝器最大剩余负荷相等；所述步骤③中的共沸剂-水的共沸温度点为约束，指的是为保证共沸剂不随水大量从气相走，要满足FLASH3模块的操作温度，即溶剂脱水塔顶部冷凝器操作温度T_cool应和共沸剂-水的共沸点温度T满足T_cool≤T-Δt；

所述步骤③中的计算最高的溶剂脱水塔顶部冷凝器的操作温度为maxT_cool

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