年产44万吨精对苯二甲酸PTA工段设计.docx

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年产44万吨精对苯二甲酸PTA工段设计

年产44万吨精对苯二甲酸（PTA）工段设计

摘要

本文以44万吨PTA生产装置氧化工段流程为对象，建立了氧化工段核心流程以及氧化工段全流程的严格机理模型。

PTA（精对苯二甲酸）是合成聚酯纤维和塑料的重要原料，主要采用对二甲苯（PX）空气氧化法和加氢精制生产。

复杂工业过程的建设，模拟和优化一直是过程系统工程（PSE）领域的核心研究内容。

本文详细论述了工艺路线论证，工艺流程设计，全流程的物料衡算，热量衡算，主要设备的选型，车间布置设计，自动控制与优化，公用工程（劳动保护、安全生产、三废处理）,工程设计概算，以及在本设计过程中所遇到的问题和针对问题提出的建议等内容。

关键词：

PTA工段设计加氢精制

Annualoutputof44tonsofpurifiedterephthalicacid（PTA）SectionofDesign

ABSTRACT

Inthethesis,thesteadystatesimulationandoplimizationofPTAoxidationprocessarestudied.PTA（purifiedterephthalicacid）isproducingcompoundpolyesterpibreandplasticimportancematerials,mainlyparaxylene（PX）productionbyairoxidationandbyhydro-refining.Modeling,simulationandoptimizationarethekeytoprocesssystemsengineering.Thisarticlediscussesindetailtheexpoundoftechnologicalline,thedesignoftheprocessflows,thewholeprocessofmaterialbalance,energybalance,theselectionofthemainequipment,generallayoutoftheshop,automaticcontrolandoptimization,utilitiessystem（laborprotection,safetyinproduction,wastetreatment）,engineeringestimates,alongwiththeproblemsinthedesignprocessandsomesuggestionsfortheseproblemsaremade.

Keywords:

purifiedterephthalicacidthedesignofthesectionhydro-refining

1绪论

1.1设计依据

本设计依据材料下达任务书进行编制。

参照松—三菱PX高温氧化技术，英国石油（BP）、美国Amoco公司、英国ICI公司和日本三井油化公司的有关资料设计而成。

1.2项目概况

本项目为精对苯二甲酸（简称PTA）的合成设计，年产量为44万吨。

制取精对苯二甲酸根据氧化反应温度不同，PTA生产工艺可分为三种：

高温液相氧化工艺、中温液相氧化工艺、低温液相氧化工艺。

1.3PTA的概况

PTA是精对苯二甲酸（PureTerephthalicAicd）的英文缩写，相对分子量为166.13，结构式HOOC[C6H4]COOH，常温下是白色晶体，常压下在300℃以上升华，无毒、无味，是重要的大宗化工原料之一。

PTA是聚酯纤维和非纤维聚合物的重要基础原料，PTA的下游加工产品主要是聚酯，也就是其主要用途是生产聚酯纤维（涤纶）、聚酯瓶片和聚酯薄膜，在生产和日常生活中发挥很大的作用。

精对苯二甲酸（PTA）产品质量指标表1-1

项目

单位

典型指标

测试方法

外观

白色结晶粉末

酸值

mgKOH/g

675±2

DPTMethod140

灰份

wtppm

<6

DPTMethod160

铁

wtppm

<1

DPTMethod370

总金属含量（Co,Cr, Mo,Ni,Ti）

wtppm

<4

DPTMethod360

4-羧基苯甲醛（4-CBA）

wtppm

<20

DPTMethod190

对甲基苯甲酸（pt酸）

wtppm

150

DPTMethod520

水份

wt%

0.2

DPTMethod560

2NKOH溶液中色值

Hazen单位

<10

DPTMethod260

b值

<1.2

DPTMethod270

粒径

μm

115±15

DPTMethod390

1.4PTA生产原理

1.4.1精PTA生产工艺

采用催化氧化法将对二甲苯（PX）氧化成粗TA，再以加氢还原法除去杂质，将CTA精制成PTA。

这种工艺在PTA生产中居主导地位，代表性的生产厂商有：

英国石油（BP）、杜邦（Dupont）、三井油化（MPC）、道化学－因卡（Dow-INCA）、三菱化学（MCC）和因特奎萨（Interquisa）等。

1.4.2PTA生产技术选择

PTA生产技术采用两步法。

采用直接氧化法生产PYA的工艺原理是在氧化单元中以对二甲苯（PX）为原料、醋酸为溶剂、以醋酸钴、醋酸锰为催化剂、溴化氢为促进剂，在一定的温度和压力条件下（190-205℃，1.27-2.45MPa）在反应器内与氧反应生成粗对苯二甲酸（PYA），反应过程为剧烈的放热反应。

精制单元采用加氢还原法除去反应副产物。

加氢反应在正常操作温度288℃，操作压力8．2—8．8MPa（表）条件下，在碳钯催化剂的作用下，将TA中的对羧基苯甲醛（4—CBA）等杂质还原成易溶于水的PT酸（POL）。

最终产品为精对苯二甲酸（PTA）。

1.4.2.1PTA生产原理反应方程式：

（1-1）

1.4.2.2CTA精制原理：

（1-2）

1.4.3PTA工艺路线论证

1.4.3.1PTA工艺种类

TA精制工艺发展较为成熟，不同生产商在精制部分生产工艺基本相似，主要区别在于氧化部分。

PX氧化是PTA生产的核心部分，也是各专利商竞争的焦点所在，氧化部分直接决定TA生产的产质耗水平。

依据氧化反应温度的不同，目前国际上主要PTA生产工艺可分为：

高温氧化工艺、中温氧化工艺、低温氧化工艺。

1.高温氧化工艺

最早由美国Mid-Century公司于1955年提出。

氧化单元是以PX为原料，以钴、锰金属盐为催化剂，溴化物为促进剂，醋酸为溶剂，在反应温度224℃，压力2.5MPa的条件下，空气液相氧化生成TA。

该工艺于1958年由日本三井油化公司和美国Amoco公司首次在世界上实现工业化。

但是由于高温氧化的反应条件比较苛刻，原料PX和溶剂醋酸在反应器内的燃烧损失大，副反应较多，产物收率低，而且设备腐蚀严重，目前该工艺已经进行了改进，变为中温氧化工艺。

2.中温氧化工艺

中温氧化工艺以BP-Amoco工艺、Invista工艺和日本三井油化工艺为代表，氧化反应温度在190-205℃。

日本三井油化工艺经过不断的优化，采用高催化剂操作，目前反应温度已降至185℃，使醋酸和PX的消耗大大降低。

Invista工艺装置操作更稳定，能耗和物耗更低，单套装置生产能力更大，使其更具有竞争力近期国内新建装置所选择的专利技术大部分为Invista工艺。

3.低温氧化工艺

低温氧化工艺以Eastman-Lurgi[8]的PTA专利技术为代表。

其主要特点是采用鼓泡塔反应器，不用搅拌桨，反应温度在155-165℃，反应压力较低，反应过程缓和，PX和溶剂醋酸燃烧消耗低，因反应釜内压力低，空压机能耗低。

并且Eastman生产工艺技术省去了精制单元，它是在氧化反应得到TA后，TA经一系列工艺处理后进人3台串联的后氧化器（可称为熟化器），在较高的温度下使它深度氧化和再结晶，去除TA中的4-CBA和PT酸等杂质。

由最后一级结晶器出来的浆料经过滤、干燥后即得到EPTA产品。

得到的产品中4-CBA含量高于一般的PTA，称为EPTA（中纯度对苯二甲酸）。

1.4.3.2PTA工艺选择

本设计采用高温氧化工艺，其特点是采用对二甲苯在醋酸溶剂中进行液相氧化制取，采用醋酸钴催化剂，溴化氢为促进剂，由于采用高浓度的醋酸，可以减少反应器中的液相混合物中的水浓度的增加，催化剂浓度较高，钴锰比达22，高于高温氧化工艺，条件优化达到氧化反应条件大体是：

1.氧化部分：

氧化部分表1-2

项目

单位

氧化反应条件

℃

198-205

氧化反应压力

MPa

1.27-2.45

Co/Mn

摩尔比

1：

2

Br/（Co+Mn）

摩尔比

0.5

n（溶剂比）:

n（PX）

摩尔比

4.5:

1

反应时间

min

～80

2.精制部分:

精制部分表1-3

反应温度

℃

285～290

反应压力/MPa

MPa

7.0～8.5

1.5工艺流程设计

1.5.1工艺流程简述

PTA装置氧化单元中，以对二甲苯（PX）为原料、醋酸为溶剂、以醋酸钴、醋酸锰为催化剂、三聚乙醛为促进剂，在190-205℃，1.27-2.45MPa操作条件下与氧发生反应生成对苯二甲酸，整个反应为激烈的放热反应。

反应尾气经三级冷凝冷却进行能量回收，凝液返回氧化反应器，不凝气体一部分进人尾气膨胀机进一步回收能量，另一部分用于气流输送物料。

从氧化反应器出来的产物经结晶、过滤分离、干燥后得到粗对苯二甲酸（TA）粉末。

粗对苯二甲酸中含有氧化反应副产物对甲基苯甲酸（TOL）和对羧基苯甲醛（4—CBA）等杂质。

过滤分离过程中大部母液返回氧化反应器的进料配制系统，另一部分母液进人催化剂回收单元，经过絮凝、分离出的催化剂送回反应进料配制，分离后的母液经溶剂气提、残渣蒸发器后，浓缩后得到的残渣可送出厂外处理。

第三冷凝气器中的不凝气进入尾气冷却器，从尾气冷却器以及第一结晶器冷凝器等处出来的尾气都进入溶剂回收单元，通过共沸精馏回收醋酸溶剂。

精制单元采用加氢还原法除去反应副产物。

粗对苯二甲酸粉末（TA）与脱离子水配制成浆料经过预热器和加热器后，进入加氢反应器，在288℃、8．2—8．8MPa操作条件下，在碳钯催化剂的作用下与氢气进行加氢反应，将4—CBA还原成易溶于水的TOL。

反应产物经过结晶、离心分离、过滤等工艺过程除去杂质。

滤饼经过干燥后可得到精对苯二甲酸（PTA）粉末。

PTA产品经分析合格后进人日料仓，再经气流输送往料仓或小包装。

离心分离后的母液进入过滤器进行固液分离，固体经再打浆经泵送往氧化单元再利用，液体则进入污水处理装置。

1.5.2工艺流程简图

↓↓

溶剂HAC→→→→→→

催化剂、促进剂→

图1-1工艺流程简述图

1.6国内外市场情况

1.6.1国外市场情况

2003年全球PTA生产能力（等量PTA）已达到3485万t/a，其中美国占13.4%，西欧占12%，墨西哥占4.4%，日本占5.1%，中东占3.1%，其他亚洲国家占59.3%。

近年来，世界PTA生产发展非常迅速，生产能力从1999年的2595万t/a增长到2003年的3485万t/a，年均增长率达7.7%。

预计今