PTA精制母液余热回收技术研究

董言纲，王 敏，刘春胜

（江苏虹港石化有限公司，江苏 连云港 222046）

在石油化工行业当中，PTA行业是非常重要的组成部分。在化学纤维、电子等各个方面得到了广泛的应用，推动了我国国民经济的进一步发展。其在生产的过程中会产生大量的精制母液废水（150℃），该废水中含有的成分具有较高的附加值和大量的废热，而如何回收其中附加值较高的成分和废热、水回用是目前需要研究的重要问题。其能够实现企业的节能减排，提高企业的经济效益，因此对其进行研究具有非常重要的意义。

1 概述

PTA精制母液废水属于酸性废水，其主要由PT酸、TA以及邻苯二甲酸等组成。在回收废水高附加值成分的过程中，必须要保证将母液降温结晶，再采用其它工艺对水质、水量等进行调节，才能实现回收[1]。传统的PTA母液降温工艺包括沉淀池降温、板式换热器等。由于废水具有高酸性，所以其在温度降低的过程中会出现明显的结晶情况，从而对设备造成一定的影响，增加了设备维修的成本费用，同时也增加了污水处理的难度。这种处理工艺还浪费了PTA母液当中存在的大量热量，且蒸汽当中含有PT酸，会环境造成了一定的污染。由于PTA母液当中含有一些可溶性的固体，在后续的处理当中可能会出现固体析出，堵塞膜，处理非常困难，所以必须要将PTA母液中含有的热量合理利用，降低膜处理系统当中出现堵塞问题的概率，将PTA的生产成本有效降低，同时也降低能耗，提高资源的利用效率。

2 工艺流程研究

PTA精制母液余热回收系统主要是充分利用PTA精制母液中的热量产生不同等级的蒸汽，，让其能量能够实现最大化[2]同时回收PTA母液中的PT酸等物质，并回收水全部回用系统中，减少除盐水消耗和污水处理，资源利用最大化。相关的工艺流程如图1所示。

图1中E-8表示吸收器；E-7表示冷凝器；E-9表示蒸发器；E-6表示发生器；V-1表示制热凝液缓冲罐；E-3表示制冷热源换热器；E-5表示溶液换热器；T1表示多级闪蒸塔，T2表示醋酸回收塔，T3表示氧化反应系统，E-4/15/16/19/23/25表示换热器。

多级闪蒸塔顶部加入PTA精制母液，让其处于负压的环境下进行闪蒸，产生闪蒸蒸汽，而经过多级闪蒸塔的一些蒸汽会进入到吸收式热泵系统的发生器中进行蒸发，产生工质蒸汽，将蒸汽冷凝之后形成的凝液进入到闪蒸塔底部，并通过制热工质泵将冷凝后的凝液送入制热蒸发器当中，让其与部分的闪蒸蒸汽进行换热，从而蒸发工质凝液，产生相应的蒸汽[3]，蒸汽与吸收式热泵作用，由输送泵中的凝液进行吸收其释放的热量，从而让凝液得到加热，并将加热后的凝液送入制热凝液缓冲罐中进行闪蒸，从而产生低压饱和蒸汽。

经过多级闪蒸塔之后的PTA浓缩母液输送到醋酸回收塔，回收母液中TA固体和PT酸等物质，储液段凝液做为醋酸回收塔的回流液，多级回收热量并将全部回收水回用到系统中。PTA精制母液余热回收装置当中，除了机泵需要消耗一部分电能外，不需要其它的能源消耗，主要是因为第一闪蒸段的闪蒸蒸汽超过了95℃，其能作为吸收式热泵的热源；第二闪蒸段中的闪蒸蒸汽为90℃，该蒸汽也能作为后续制冷热源换热器等的热源。热量实现梯度利用，PT酸、TA有效回收，水全部回用，能够有效将PTA精制母液回用过程中存在的技术问题解决。

图1 PTA精制母液余热回收系统

3 确定工艺与设备参数

3.1 设计多级闪蒸塔

闪蒸塔一般又被称为防堵塞换热器，其在PTA精制母液降温处理中能够得到很好的利用。一般情况下需要将多级闪蒸气布置为7段，让母液能够得到多级连续的闪蒸，其中最后一段为储液段。在设计闪蒸段的过程中必须要对其内部的使用空间进行充分考虑，将气液分离的效果进一步提高。各个段内的液体会将重力自流利用起来，液位的高低能够实现控制，并且还要将负压装置设置在闪蒸塔诸段当中，让压力能得到有效的控制，从而让闪蒸塔能够高效运行。

将温度为150℃的PTA母液加入到多级闪蒸塔中进行闪蒸，并根据设计参数对其进行定量操作。目前相关的闪蒸技术相对比较成熟，在闪蒸的过程中能够做到准确控制，一般情况下需要在负压的环境下进行闪蒸，需要利用以下公式进行计算闪蒸蒸汽量及闪蒸率：

式中：G为进入闪蒸塔中的PTA母液量，kg/h；Gs为闪蒸蒸汽量，kg/h；h1为PTA母液的比焓，kJ/h；h2为闪蒸塔储液段蒸汽凝液的比焓，kJ/h；r2为闪蒸塔储液段蒸汽凝液的蒸发潜热，kJ/h；F为闪蒸率，%。

3.2 第二类吸收式热泵研究

目前在建筑、石化等相关行业中应用吸收式热泵技术对废热进行回收相对比较广泛。第二类吸收式热泵能够将大量的中温热利用起来，制取出热量较高的热能[4]。基于中低温热源，将大量的中温热源与低温热源之间存在的热势差利用起来，制取出少量的高温度热量，能够将热量的利用品位有效提高。在PTA装置中产生的母液中含有大量废热，目前有多种热回收技术应用在实际生产中，通过结合多级闪蒸塔和第二类吸收式热泵，能够有效将废热进行回收，具有较大的使用价值。

第二类吸收式热泵主要由溶液热交换器、发生器、吸收器以及冷凝器、蒸发器等组成，其中发生器主要吸收热源热量产生一定量的蒸汽，将重力作用等利用起来，溶液发生变化之后会进入到吸收器当中；发生器中产生的蒸汽会进入到冷凝器中进行冷凝，随后会进入蒸发器，冷凝液会在负压的环境下进行吸热蒸发，最后进入到吸收器当中，该类装置中会将蒸汽进行吸收，从而放出大量的热量，并使用水对其进行闪蒸，从而产生高温的蒸汽。

吸收器当中产生的溶液经过热交换器进行升温之后，会再次进入到发生器中，产生出工质蒸汽，整个过程就是让工质蒸汽与相关溶液实现循环的过程，并连续产生高温、高压的蒸汽，让蒸汽的品质更高。

在吸收式热泵当中，热泵热力系数是最重要的能效指标，其能够获取到反应过程中的热量总和，计算公式如下：

根据相关的调查研究，第二类吸收式热泵热力系数一般小于1，单效第二类吸收式热泵热力系数可达0.5，本文设计的热泵热力系数为0.48。当温度提升越快，则热力系数相对较小，但是在实际操作的过程中机组主要利用的是废热，所以其利用价值还是相对较高。

3.3 计算蒸汽制取量

一般自制热凝液输送泵的凝液会吸收吸收式热泵机组中的制热吸收器放出的大量热量，同时会加热凝液，一般会加热到135～140℃，将被加热的蒸汽凝液加入到制热凝液缓冲罐当中，让其发生闪蒸，产生温度为130℃的饱和蒸汽。对吸收器的热负荷进行计算的公式如下：

式中g表示工质蒸汽的循环量；h3表示蒸发器的出口工质蒸汽焓值（单位：kJ/kg）；h4表示溶剂热交换器出口的浓溶液焓值（单位：kJ/kg）；h5表示吸收器出口稀释溶液的焓值（单位：kJ/kg）；η表示热泵循环的倍率。

计算蒸汽制取量的公式如下：

式中h6表示产生的蒸汽焓值（单位：kJ/kg）；h7表示制热凝液的焓值（单位：kJ/kg）。

3.4 分析回收技术与相关经济

某PTA装置外排母液300000 kg/h，利用PTA精制母液废水处理的新工艺与装置外排93℃的蒸汽凝液副产低压饱和蒸汽、依托醋酸回收系统回收凝液和PT酸TA，对其进行处理。PTA母液中可回收固体含量约0.15%～0.2%。浓缩母液进入醋酸回收塔后可降低PX消耗约2～3 kg/t，可节约除盐水约1710 kg/t，减少污水处理量约1710 kg/t。按照6500元/t PX计算，年可产生经济效益约2000万元，以160元/t的饱和蒸汽（20t/h） 进行计算，每年可以产生直接的经济2560多万元，按照10元/t除盐水进行计算，则可以产生2400万元的经济效益，污水处理费年减少约2400万元（10元/吨处理费）估算联合装置建设投资约为2.0亿元，则可以计算出该联合工程的投资回收期为2.1年。

4 结语

随着社会经济的不断发展，人们逐渐认识到节能减排和环保的重要性，因此对PTA精制母液余热回收技术进行研究是必然趋势，通过结合多级闪蒸塔和第二类吸收式热泵技术实现母液热量回收，联合醋酸回收系统能够将PTA精制母液中存在的高附加值成分和废热、废水充分利用起来，提高资源的利用效率，推动我国相关产业的进一步发展。