專利名稱：對苯二甲酸的生產(chǎn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種對苯二甲酸(TA)的生產(chǎn)裝置。
背景技術(shù)：
對苯二甲酸是生產(chǎn)聚酯(PET)纖維和樹脂的重要原料，目前主要采用對二甲苯空氣氧化法生產(chǎn)，該方法將原料對二甲苯溶解在含有催化劑醋酸鈷、醋酸錳、溴化氫(或四溴乙烷)的醋酸溶劑中，通入空氣或富氧氣進行氧化，生成固體產(chǎn)物對苯二甲酸。典型的反應(yīng)溫度為155～205℃，壓力0.5～1.6MPa，停留時間40～120min，反應(yīng)熱通過溶劑蒸發(fā)移出，蒸汽冷凝后返回反應(yīng)器內(nèi)，生成的漿料再經(jīng)過后續(xù)的分離與精制工序得到精對苯二甲酸(PTA)產(chǎn)品。
TA的生產(chǎn)流程包括反應(yīng)單元、尾氣處理單元和漿料處理單元三個主要部分，各單元的任務(wù)與功能可用圖1的方塊圖表示。原料對二甲苯和空氣加入鼓泡塔反應(yīng)器，在催化劑的作用下發(fā)生液相氧化，生成固體對苯二甲酸。漿料從反應(yīng)器底部排出后進入漿料處理單元，該單元的主要任務(wù)是分離母液和TA固體，回收漿料中的能量，對母液進行凈化處理以控制雜質(zhì)濃度，同時回收催化劑。反應(yīng)熱通過溶劑醋酸的蒸發(fā)帶出，醋酸蒸汽與尾氣一道從頂部移出反應(yīng)器，進入尾氣處理單元。該單元的主要任務(wù)是回收反應(yīng)熱、回收醋酸溶劑、凈化尾氣。
由于對二甲苯氧化過程放熱量很大(每千克對二甲苯氧化后放出1.26×107J反應(yīng)熱)，同時過程各單元和設(shè)備能量消耗也很高，因此能量的綜合利用就是一個很重要的問題，需要在反應(yīng)器設(shè)計和流程設(shè)計方面進行周密考慮。首先，在反應(yīng)器設(shè)計方面，目前工業(yè)化的鼓泡塔反應(yīng)器主要采用帶攪拌槳的釜式結(jié)構(gòu)，如專利US5211924與專利US5102630介紹的攪拌釜反應(yīng)器帶有兩層攪拌槳。這類反應(yīng)器設(shè)備造價高，運行時耗電量大(每立方容積耗電2～3kw)，同時反應(yīng)熱也沒有得到直接和有效的利用。專利ZL94103145.4和專利US5463113公開的反應(yīng)器在氧化器上方設(shè)置了一個精餾塔，利用反應(yīng)熱作為精餾熱源，使能量利用更為合理。但是這種反應(yīng)器上部精餾段過于細長，使得下部反應(yīng)段高度受到限制，反應(yīng)段高徑比小，工業(yè)實施時往往需要在底部朝上安裝一個攪拌槳以促進混合和強化固體懸浮，這就加大了反應(yīng)器投資和運行費用。
其次，在流程設(shè)計方面，現(xiàn)有的工藝一般都采用尾氣多級冷凝的方法產(chǎn)生不同能級的蒸汽來回收反應(yīng)熱，冷凝液再抽出一部分進行精餾脫水回收醋酸溶劑；對于反應(yīng)漿料的處理，有的工藝采用多級蒸發(fā)與過濾方法進行液固分離，有的采用多級離心方法進行分離。不同工藝的能量消耗指標各不相同，但在節(jié)能方面都還存在很大的潛力。為了進一步節(jié)能挖潛，專利US5723656公開了一種方法，將鼓泡塔反應(yīng)器塔頂尾氣直接引入一個精餾塔，然后對精餾塔頂尾氣進行多級冷凝換熱回收其能量，尾氣再進入膨脹機做功。專利US6143925介紹的方法是在反應(yīng)器上方設(shè)置一個高效精餾塔，分離醋酸與水，尾氣通過多級冷凝產(chǎn)生不同能級的蒸汽，然后將蒸汽引入透平做功。專利ZL99108695.3ZL99109477.8介紹的方法是將電動機、壓縮機、蒸汽透平、膨脹機共軸連接，由不同能級的副產(chǎn)蒸汽驅(qū)動蒸汽透平，反應(yīng)尾氣加熱后再引入膨脹機做功。但是，上述方法有些難以實施，例如專利US5723656和US6143925介紹的通過與鼓泡塔反應(yīng)器相連的一個精餾塔來完成全部醋酸脫水的任務(wù)就要求分離設(shè)備十分龐大，因為反應(yīng)尾氣的溫度壓力較高，同時還含大量惰性氣體。另一方面，目前公開的各種專利技術(shù)都是一種局部的節(jié)能措施，雖然實施后有可能對某些單元和設(shè)備產(chǎn)生一定的節(jié)能效果，但難以達到全流程能耗最低的目的。因此，有必要采用系統(tǒng)工程的方法對全系統(tǒng)的能量集成進行綜合考慮和優(yōu)化設(shè)計，形成最佳的流程設(shè)計方案。
實用新型內(nèi)容本實用新型目的在于提供一種造價更低、節(jié)能效果更好的對苯二甲酸生產(chǎn)裝置，用于過程流程的設(shè)計和工藝改進。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了一種對苯二甲酸生產(chǎn)裝置，包括鼓泡塔反應(yīng)器、漿料處理裝置、尾氣處理裝置，鼓泡塔反應(yīng)器呈直筒形，內(nèi)部自上而下依次為氣體處理段，自由空間段和三相反應(yīng)段，氣體處理段占鼓泡塔反應(yīng)器總高的10～30％，三相反應(yīng)段占鼓泡塔反應(yīng)器總高的60～85％；在氣體處理段中安裝有填料或持液塔板，在三相反應(yīng)段的下部水平安裝有氣體分布器，氣體分布器與鼓泡塔進氣口相連，在氣體分布器上方的三相反應(yīng)段上設(shè)有原料進料管，塔底設(shè)有出料管，塔頂設(shè)有尾氣管和冷凝液回流管；鼓泡塔進氣口與空氣壓縮泵相連。漿料處理裝置包括與出料管相連的多級蒸發(fā)器，多級蒸發(fā)器的上出口通過熱交換器后、分別與醋酸儲罐、尾氣吸收塔相連、精餾塔相連，多級蒸發(fā)器的下出口與過濾機相連，過濾機的出口分別與原料進料管、母液凈化裝置、干燥機相連；母液凈化裝置的出口與醋酸儲罐相連。尾氣處理裝置包括多級冷凝器，多級冷凝器的殼程與蒸汽透平、熱源相連，多級冷凝器的管程經(jīng)過汽液分離器后分別與冷凝液回流管、精餾塔、尾氣吸收塔相連；精餾塔與熱交換器的出口相連，精餾塔的下出口分別與原料進料管、醋酸儲罐相連，精餾塔的上出口分別與冷凝液回流管、油水分離器相連，油水分離器的出口分別與共沸劑回收塔、對二甲苯回收塔相連；尾氣吸收塔的出口與尾氣凈化器相連。
以下對本實用新型的要點進行詳細說明一.氧化反應(yīng)單元本實用新型給出的鼓泡塔反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示于圖2，反應(yīng)器為一直筒形的帶有氣體分離段的鼓泡塔反應(yīng)器，內(nèi)部從上到下由三段組成上部為氣體處理段，中下部為三相反應(yīng)段，二者之間為自由空間段。工作時，原料對二甲苯、溶劑醋酸和催化劑混合后從原料進料管加入反應(yīng)器內(nèi)，含氧氣體從鼓泡塔進氣口經(jīng)氣體分布器鼓泡通入，與對二甲苯發(fā)生反應(yīng)，生成固體對苯二甲酸。反應(yīng)所產(chǎn)生的固體漿料從出料管排出，進入漿料處理單元，母液過濾分離后大部分回流到反應(yīng)器內(nèi)，少部分抽出進行凈化和催化劑回收。反應(yīng)熱通過溶劑醋酸的蒸發(fā)移出，溶劑蒸汽與尾氣通過尾氣管流出反應(yīng)器進入尾氣回收單元，尾氣中的醋酸蒸汽經(jīng)冷凝后大部分回流到反應(yīng)器內(nèi)，少部分抽出脫水處理以移出反應(yīng)中生成的水，控制反應(yīng)器內(nèi)的含水量。
有關(guān)鼓泡塔反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與工藝條件的設(shè)計要點包括以下方面1.鼓泡塔反應(yīng)器三相反應(yīng)段三相反應(yīng)段是鼓泡塔反應(yīng)器的主體部分，在此發(fā)生氣液接觸和化學(xué)反應(yīng)。本實用新型采用的鼓泡塔反應(yīng)器是鼓泡塔構(gòu)型，不同于現(xiàn)有的大多數(shù)工藝所采用的攪拌釜構(gòu)型。之所以選擇鼓泡塔，是因為根據(jù)化學(xué)工程的研究，對二甲苯液相氧化的最大反應(yīng)速率慢于最大氣液傳質(zhì)速率，例如，對于攪拌釜，二者速率之比為0.2～0.3，而對鼓泡塔，這一比值在0.3～0.4之間，因此，工業(yè)氧化過程基本上為液相化學(xué)反應(yīng)所控制，采用鼓泡塔的構(gòu)型能夠滿足反應(yīng)對氣液傳質(zhì)的要求。同時，在反應(yīng)條件下鼓泡塔內(nèi)湍動劇烈，混合良好，在液相混合、固體懸浮、溶劑蒸發(fā)、液相氧濃度分布幾個方面也能滿足氧化反應(yīng)過程的要求，獲得與攪拌釜類似的反應(yīng)效果。另外，鼓泡塔結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，沒有攪拌槳等運動部件，運行時更節(jié)能省電。
三相反應(yīng)段的高度就是反應(yīng)漿料的液位高度，占鼓泡塔反應(yīng)器總高度的60～85％，以保證反應(yīng)段具有足夠的體積和漿料停留時間。氣體分布器安裝在塔的下部。對二甲苯與溶劑醋酸、催化劑以及回流母液混合后從氣體分布器上方、反應(yīng)段高度的1/4～1/2處通過進料管加入，反應(yīng)生成的漿料從塔底部的漿料管排出。
氣體分布器是通入氣體的均布裝置，其形式可以多種多樣。如可以采用常規(guī)的多孔板分布器、環(huán)形分布器或多管分布器。
2.氣體分離段在鼓泡塔反應(yīng)器上部設(shè)有氣體分離段，其功能主要是促使下部反應(yīng)段上升的蒸汽和尾氣與塔頂冷凝后回流的含水醋酸充分接觸，一方面回收尾氣中夾帶的固體顆粒，一方面進行溶劑的精餾，分離醋酸和水。氣體分離段的結(jié)構(gòu)與一般精餾塔相似，可以采用高效填料塔，也可以采用篩板塔或浮閥塔，或幾種塔板、填料的組合形式?；亓鞯睦淠簭乃斚蛳铝鲃?，反應(yīng)尾氣和蒸汽向上流動，二者逆流接觸，實現(xiàn)固體的回收和溶劑的分離。
常規(guī)的鼓泡塔反應(yīng)器通常在上部設(shè)置一擴大段分離固體顆粒和液沫，但是對于對二甲苯氧化過程這一方案卻難以奏效，因為該過程氣體處理量和溶劑蒸發(fā)量很大，空塔氣速極高(達0.3～1.0米/秒)，采用擴大段難以有效分離固體顆粒和減少液沫夾帶，因此本實用新型采用了上下均勻的鼓泡塔筒體，同時在上部設(shè)置了由持液塔盤或填料組成的氣體處理段，用于分離固體。另一方面，在鼓泡塔反應(yīng)器上方設(shè)置精餾段可以直接利用反應(yīng)熱進行溶劑醋酸與水的分離，有利節(jié)能。理論上，氣體分離段所具有的塔板數(shù)越多，能量回收率就越高，因此專利US5723656和US6143925提出采用一個與反應(yīng)器相連的高效精餾塔來完成從尾氣中回收全部醋酸的任務(wù)，但這是比較困難的，因為反應(yīng)的溫度與壓力都比較高，尾氣中還含有大量不凝性氣體，難以做到醋酸與水的完全分離。因此，從整個系統(tǒng)的優(yōu)化考慮，應(yīng)當采用多段精餾來分配脫水負荷，即一部分脫水任務(wù)在反應(yīng)器的氣體分離段完成，一部分在后續(xù)的尾氣回收單元中完成。本實用新型給出的合適的反應(yīng)器分離段的理論塔板數(shù)為5～15塊理論板，相應(yīng)的氣體分離段的高度占總塔高的10～30％。
從氣體分離段的最下方一塊塔板到三相反應(yīng)段的液位之間，是反應(yīng)器的自由空間，其高度占總塔高的5～15％，主要是為液面的波動與噴濺留出余地，防止其對氣體分離段產(chǎn)生影響。
3.反應(yīng)器高徑比反應(yīng)器的高徑比(即高度與直徑之比)是一個重要的設(shè)計參數(shù)，當反應(yīng)器產(chǎn)能和體積一定時，不同的高徑比對應(yīng)著不同的反應(yīng)器直徑和高度，導(dǎo)致空塔氣速和下部壓力各不相同。高徑比的確定需要兼顧氣體分離段的流動與傳質(zhì)要求、三相反應(yīng)段的氣液傳質(zhì)與氣速徑向分布、氣含率和反應(yīng)器停留時間等多方面的因素。本實用新型給出的合適的三相反應(yīng)段的高徑比在3～7之間，根據(jù)這一參數(shù)可以計算出氣體分離段和自由空間段的相應(yīng)高度。
二、漿料處理單元鼓泡塔反應(yīng)器中生成的固體對苯二甲酸隨母液一道從反應(yīng)器底部漿料管排出，進入漿料處理單元，如圖3所示。漿料處理單元包括多級蒸發(fā)器301、302、303、過濾機304、干燥機305和母液凈化裝置306，以及相關(guān)的附屬設(shè)備。其功能是進行液固分離回收對苯二甲酸、回收漿料流股的能量、對母液進行凈化以控制液相中雜質(zhì)含量。分別說明如下1.多級蒸發(fā)器從鼓泡塔反應(yīng)器排出的漿料溫度與壓力較高，為便于進行液固分離，同時也使液相中溶解的少部分TA結(jié)晶析出，需要對漿料進行減壓降溫。采用一級閃蒸方法雖然也可達到目的，但難以回收漿料中的能量。此外，反應(yīng)母液中還有部分反應(yīng)中間物如對甲基苯甲酸、對甲基苯甲醛等未全部轉(zhuǎn)化為對苯二甲酸，需要補充氧化。因此，設(shè)置多級蒸發(fā)器一方面可以回收不同能級的蒸汽能量，一方面還可以在蒸發(fā)器中通入部分含氧氣體進行補充氧化，提高TA收率。
多級蒸發(fā)器301～303由3個串連的攪拌釜組成，各釜體積與結(jié)構(gòu)相同。第一蒸發(fā)器301的溫度比鼓泡塔反應(yīng)器低2～5℃，壓力低0.1～0.3MP以使?jié){料在壓差推動下由漿料管自動進入蒸發(fā)罐。第一蒸發(fā)器中漿料的停留時間為20～40分鐘。含氧氣體從第一蒸發(fā)器的底部通入以促進氧化反應(yīng)的深度進行，通入的氣體總量占鼓泡塔反應(yīng)器氣體通入量的2～8％，尾氣中的O2/N2比(體積比)控制在3～6％。降壓后蒸發(fā)的蒸汽與反應(yīng)尾氣從釜頂流出，經(jīng)過一個熱交換器冷凝后回收的冷凝液引入醋酸儲罐，不凝性尾氣引入到尾氣處理單元進行吸收和凈化，熱交換器副產(chǎn)的蒸汽用于為其它設(shè)備提供熱源或動力。第二蒸發(fā)器302溫度和壓力進一步降低以促使更多的溶劑蒸發(fā)，蒸汽直接引入到尾氣處理單元的精餾塔G16下部進行脫水，同時也為該精餾塔提供部分熱源。最后一級蒸發(fā)器303將壓力降至常壓或負壓以便漿料過濾。
2.過濾、干燥與母液凈化從多級漿料蒸發(fā)器出來的漿料進入過濾機304過濾分離母液與固體，同時通入一定量的醋酸進行洗滌以減少固體中的雜質(zhì)和催化劑含量。過濾后的固體輸送到干燥機305中進行干燥以回收醋酸。過濾母液大部分回流到鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)，少部分抽出到母液凈化裝置306進行凈化處理以控制循環(huán)母液中的雜質(zhì)含量，同時回收母液中的金屬催化劑成分。
母液的凈化采用蒸發(fā)濃縮的方法回收溶劑醋酸，所得到的雜質(zhì)殘渣用水溶解萃取回收催化劑，也可用草酸沉淀法回收催化劑。
三、尾氣回收單元從鼓泡塔反應(yīng)器塔頂流出的氣體含大量醋酸與水的蒸汽、部分不凝性氣體(N2，CO2，CO)、以及少量其它有機組分(對二甲苯、溴甲烷、醋酸甲酯等)，需要通過尾氣回收單元進行處理，回收能量和溶劑醋酸，進行尾氣凈化，隨后排放。尾氣處理單元的流程結(jié)構(gòu)亦示于圖3，包括多級冷凝器205、206、207、208、共沸精餾塔組216、219、220，尾氣吸收和凈化裝置213、214，以及蒸汽透平和膨脹機等設(shè)備，說明如下1.多級冷凝器鼓泡塔反應(yīng)器頂部的多級冷凝器205～208同時也是蒸汽發(fā)生器，由幾個串連的列管式換熱器組成，其中反應(yīng)尾氣通過管程，冷卻水和副產(chǎn)蒸汽通過殼程。冷凝器的功能一方面是冷凝反應(yīng)尾氣，將溶劑醋酸冷凝后回流到反應(yīng)器內(nèi)，一方面副產(chǎn)蒸汽回收反應(yīng)熱。多級冷凝器一般設(shè)置3～4級以生成不同能量品位的蒸汽。冷凝液一部分從塔頂回流到反應(yīng)器內(nèi)，一部分抽出進行脫水以除去反應(yīng)生成的水，控制反應(yīng)器中的含水量。第一冷凝器生成的高壓蒸汽和第三冷凝器生成的中壓蒸汽主要用于驅(qū)動蒸汽透平，第二級冷凝器生成的中壓蒸汽主要用于為共沸精餾塔提供再沸器熱源。第三級以后的冷凝器用冷卻水將尾氣冷凝到給定溫度、不再副產(chǎn)蒸汽。
2.精餾塔組尾氣冷凝后的凝液需抽出一部分進行脫水以控制反應(yīng)器中的含水量。抽出液引入精餾塔216分離醋酸與水。本實用新型給出的精餾塔采用共沸精餾方法和多股進料措施以利節(jié)能。待分離的冷凝液(含水和醋酸)從塔中部進料，另一股來自漿料處理單元第二蒸發(fā)器的含水醋酸蒸汽從塔下部加入，分離后的醋酸從塔底流出，部分回流到鼓泡塔反應(yīng)器，部分作為洗液提供給其它設(shè)備。水蒸汽從塔頂流出，經(jīng)冷凝后部分抽出，部分回流塔頂。回流比一般保持在1.5～4.5以控制塔頂尾氣中的醋酸濃度。再沸器熱源部分來自鼓泡塔反應(yīng)器塔頂?shù)诙淠鞲碑a(chǎn)的蒸汽，部分來自第二漿料蒸發(fā)器送來的含水醋酸蒸汽。共沸劑可選擇醋酸正丁酯，或醋酸正丙酯。塔底再沸器溫度為110～130℃，塔頂尾氣溫度為80～100℃。
精餾塔塔頂冷凝液中除了水以外，還富含共沸劑，部分凝液被抽出到油水分離器218中進行分層，上層油相再引入共沸劑回收塔219進行精餾脫水。此外，脫水塔216的進料中還含有少量的對二甲苯，精餾時容易富集在共沸劑中，因此還需設(shè)置一個對二甲苯回收塔220以凈化共沸劑。這樣，承擔溶劑脫水負荷的精餾塔就由三個塔組成共沸精餾塔216、共沸劑回收塔219與對二甲苯回收塔220。
3.尾氣吸收與凈化裝置從反應(yīng)器出來的尾氣經(jīng)過多級冷凝以后，還含有少量醋酸、對二甲苯、以及其它有機組分，應(yīng)當進一步回收和凈化。尾氣先通過吸收塔213吸收對二甲苯和醋酸，經(jīng)吸收后的尾氣進入凈化裝置214進行催化氧化或燃燒，一方面除去有機物質(zhì)，一方面提高尾氣溫度。凈化后的尾氣進入尾氣膨脹機做功，回收氣體的膨脹能，隨后排放。壓縮機202、膨脹機204、蒸汽透平203與啟動電機201一道采用共軸方式連接以利節(jié)能。
四.系統(tǒng)能量集成和工藝優(yōu)化對二甲苯氧化是強放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱的有效利用是過程節(jié)能的主要措施。大部分氧化反應(yīng)熱通過反應(yīng)器各級尾氣冷凝器回收，產(chǎn)生不同能級的蒸汽，部分用于驅(qū)動蒸汽透平，為壓縮機提供動力，部分用于為脫水塔、干燥機、母液凈化裝置等設(shè)備提供熱源。另一部分能量通過多級漿料蒸發(fā)器產(chǎn)生的蒸汽回收。本實用新型按照系統(tǒng)工程的方法綜合考慮反應(yīng)產(chǎn)生的能量和各單元設(shè)備用于分離的能量之間的供求平衡。蒸汽的分配和流股之間的換熱按照系統(tǒng)能量集成方法優(yōu)化配置，使得系統(tǒng)所需公用工程的加熱與冷卻負荷最小。按照圖3所示的流程設(shè)計和典型的反應(yīng)條件，系統(tǒng)各單元流股的能量供給與能量需求負荷列于圖4，其中鼓泡塔反應(yīng)器、各級冷凝器、各級蒸發(fā)器的蒸汽和尾氣為提供能量的熱流股，精餾塔組、干燥機、母液凈化裝置所需熱源為冷流股，流股之間的能級匹配和能量分配在圖上用箭頭表示。圖中左邊的熱流股中，產(chǎn)能最多、能級最高的是各級尾氣冷凝器副產(chǎn)的蒸汽，所提供的能量除一部分用于右邊冷流股的加熱之外，相當一部分還用于驅(qū)動蒸汽透平做功，為壓縮機提供動力。做功這部分能量用圖中間部分的框圖與箭頭表示。溫度低于115℃的熱流股，如脫水塔塔頂蒸汽和冷凝后的反應(yīng)尾氣，其能級較低已不再有利用價值，這部分廢熱需靠外界提供的冷卻水冷卻。溫度高于135℃的冷流股，如干燥機所需熱源，已無法采用熱流股加熱，需外部公用工程提供，但這部分能量需求較小。系統(tǒng)中除壓縮機外(未標出)耗能最大的是脫水塔，其能量由低于135℃的冷流股可以用熱流股副產(chǎn)的蒸汽換熱或者直接與熱流股進行匹配換熱。
本實用新型給出的各單元、設(shè)備的工藝條件和能量匹配方案均按照全系統(tǒng)物耗和能耗最小原則確定，相關(guān)工藝參數(shù)將通過實施例1予以說明。


圖1是對苯二甲酸生成過程的單元模塊和工藝任務(wù)圖；圖2是本實用新型提供的鼓泡塔反應(yīng)器100的放大結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實用新型的工藝流程簡圖；圖4是對苯二甲酸生產(chǎn)過程的各單元流股的能量能級和流股匹配圖。
具體實施方式
如圖1所示生產(chǎn)過程包括三個單元氧化反應(yīng)單元、漿料處理單元和氣體處理單元。原料對二甲苯和含氧氣體在鼓泡塔反應(yīng)器100發(fā)生反應(yīng)，生成固體對苯二甲酸；反應(yīng)漿料進入漿料處理單元，該單元的任務(wù)和功能是進行液固分離回收對苯二甲酸、對母液進行凈化控制雜質(zhì)含量、回收漿料中的部分能量，所得到的粗對苯二甲酸送入精制工序進一步制成精對苯二甲酸；鼓泡塔反應(yīng)器100出來的蒸汽和尾氣進入尾氣處理單元，該單元的任務(wù)和功能是回收反應(yīng)熱和氣體膨脹能，回收溶劑醋酸，進行氣體凈化以達到排放標準。
如圖2所示，生產(chǎn)對苯二甲酸的鼓泡塔氧化裝置包括上下均勻的鼓泡塔反應(yīng)器100，鼓泡塔反應(yīng)器100內(nèi)自上而下依次為氣體處理段101，自由空間段102和三相反應(yīng)段103。氣體處理段101占鼓泡塔反應(yīng)器100總高度的10～30％，三相反應(yīng)段103占鼓泡塔反應(yīng)器100總高度的60～85％，自由空間段102占5～15％，在氣體處理段101中安裝有填料或持液塔板108，用于回收尾氣中夾帶的固體顆粒和部分醋酸，在三相反應(yīng)段103的下部水平安裝有氣體分布器107，氣體分布器107與鼓泡塔進氣口105相連，在氣體分布器107上方位于三相反應(yīng)段103高度的1/4～1/2處設(shè)有原料進料管104，塔底設(shè)有出料管106，塔頂設(shè)有尾氣管110和冷凝液回流管109，尾氣管110與多級冷凝器的入口相連，冷凝器的液體出口分別與冷凝液回流管109和后續(xù)的精餾塔216相連，冷凝器的氣體出口與后續(xù)的尾氣處理單元相連。部分冷凝液通過回流管109回流鼓泡塔反應(yīng)器100內(nèi)，另部分送入后續(xù)精餾塔216脫水，不凝性尾氣送入后續(xù)尾氣處理單元進一步處理。
如圖3所示，對苯二甲酸的生產(chǎn)流程實施如下(其中301～306為漿料處理單元主要裝置，201～221為氣體處理單元主要裝置，1～48為主要工藝管線和流股編號)管線1向鼓泡塔反應(yīng)器提供原料對二甲苯(PX)，經(jīng)管線2加入鈷、錳金屬和溴化物作為氧化反應(yīng)的催化劑，同時，管線3和5提供氧化所需溶劑醋酸?？諝鈮嚎s機202將常壓空氣壓縮至1.2～2.0MPa左右(比鼓泡塔反應(yīng)器R1內(nèi)的壓力高約0.2MPa)，經(jīng)管線4通入鼓泡塔反應(yīng)器100中，高壓空氣中的氧氣作為反應(yīng)的氧化劑。反應(yīng)溫度為185～195℃，壓力為1.0～1.8MPa。PX在反應(yīng)器中經(jīng)過液相氧化生成固體對苯二甲酸(TA)，漿料停留時間50～120min。
三相反應(yīng)段103中產(chǎn)生的蒸汽和尾氣經(jīng)過自由空間段102進入氣體分離段101，與塔頂回流的冷凝液逆流接觸，氣體中夾帶的固體對苯二甲酸顆粒被回收，隨液體回流到下部三相反應(yīng)段103，同時醋酸與水在氣體分離段101中進行精餾分離，輕組分水隨蒸汽從尾氣管110排出，經(jīng)由管線8到冷凝器進行多級冷凝，而溶劑醋酸則得以濃縮，和固體物質(zhì)一起回流到下部三相反應(yīng)段103中。
反應(yīng)器塔頂流出的尾氣，經(jīng)管線8進入多級冷凝器205～208的管程，冷凝器殼程走冷卻水和蒸汽。第一～三級冷凝器205～207將產(chǎn)生不同溫度和壓力的飽和水蒸汽，按一定的配比分別用于蒸汽透平203的動力和其它工藝設(shè)備的熱源。其中第一冷凝器205產(chǎn)生的水蒸汽約2/3用于驅(qū)動蒸汽透平203，其余用于其它設(shè)備的供熱；第二冷凝器206產(chǎn)生的蒸汽主要用于為精餾塔216提供再沸器熱源；第三冷凝器207產(chǎn)生的蒸汽也主要用于驅(qū)動蒸汽透平203。
從最后一級尾氣冷凝器208出口的流體溫度已降至100～110℃，送至氣液分離器209中，分離出的液相絕大部分經(jīng)管線7回流至鼓泡塔反應(yīng)器100內(nèi)，少部分液體經(jīng)管線13送入精餾塔216進行溶劑醋酸脫水。而由汽液分離器209分離出的氣體經(jīng)管線10送入冷凝器210中進一步冷凝和閃蒸，液體部分通過管線12通入到精餾塔216中分離醋酸和水，氣體則經(jīng)由管線11通入到尾氣吸收塔213底部，回收醋酸和其中夾帶的對二甲苯。
在尾氣吸收塔213中，尾氣分別與醋酸和水逆流接觸，尾氣中夾帶的對二甲苯和醋酸分別被液相醋酸和水吸收。醋酸洗液分別來自醋酸儲罐215和冷凝閃蒸器212，該洗液吸收對二甲苯后經(jīng)管道23送回鼓泡塔反應(yīng)器100。經(jīng)酸洗后的尾氣再進入吸收塔上部，用水吸收氣相中的醋酸。水洗液由共沸劑回收塔219經(jīng)管線21送來，吸收醋酸后從側(cè)線排出，由管線24通入精餾塔216中部，分離醋酸和水。
從吸收塔頂部排出的尾氣進入尾氣凈化器214，進行氧化和升溫，隨后引入尾氣膨脹機204回收膨脹能。膨脹機204與空氣壓縮機202、蒸汽透平203以及啟動電機201共軸。蒸汽透平203由尾氣冷凝器205～207副產(chǎn)的蒸汽驅(qū)動，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)化為機械能，和膨脹機一起提供壓縮機所需的能量。蒸汽剩余能量則經(jīng)過透平轉(zhuǎn)化為電能，可以向外部輸送。當裝置開車時，首先由電動機201帶動空氣壓縮機啟動整個系統(tǒng)運行，當生產(chǎn)過程達到穩(wěn)定狀態(tài)后，則將電機驅(qū)動切換為蒸汽透平和膨脹機驅(qū)動，回收的能量除系統(tǒng)自給外還有富余電力輸出。
從氣液分離器209得到的尾氣冷凝液大部分經(jīng)管線7回流至鼓泡塔反應(yīng)器100，少部分抽出進行脫水以移出反應(yīng)生成的水。抽出液與冷凝器210的凝液及尾氣吸收塔213的水洗液一道經(jīng)管線28送至精餾塔216中部進料，進行精餾脫水。同時，由漿料處理單元第二蒸發(fā)器302產(chǎn)生的蒸汽從精餾塔216底部進料，提供脫水所需部分能量，其余能量由第二冷凝器206產(chǎn)生的水蒸汽通過再沸器換熱器提供。共沸劑(醋酸丁酯或醋酸丙酯)與水經(jīng)管線36由塔頂加入，精餾后的汽相產(chǎn)物富含水與共沸劑，從塔頂流出，經(jīng)由管線35至冷凝器217冷凝，在油水分離器218中分離為水相和油相。部分油相(含水4～10％wt)，由管線36回流至精餾塔216中。水相(含共沸劑1～5％wt)由管線39送至共沸劑回收塔219精餾，回收得到的共沸劑(含共沸劑45～60％wt)經(jīng)由管線38送至油水分離器218分離共沸劑和水，使共沸劑得以循環(huán)使用。油水分離器218的油相中還含有少量的對二甲苯，一部分油相由管線47送至對二甲苯回收塔220中，其液相產(chǎn)物富含對二甲苯，由管線44回送到鼓泡塔反應(yīng)器100，其氣相產(chǎn)物富含共沸劑，由管線37送回到油水分離器218。
醋酸在精餾塔216中濃縮后(濃度＞90％wt)，從底部出料，由管線29送至醋酸儲罐215?；厥盏拇姿嵋徊糠纸?jīng)管線33送回鼓泡塔反應(yīng)器100，一部分用作漿料過濾和尾氣吸收的清洗液。
從鼓泡塔反應(yīng)器底部排出的漿料經(jīng)管線6進入第一漿料蒸發(fā)器301，一方面減壓蒸發(fā)，一方面進行補充氧化。含氧氣體由管線14通入漿料蒸發(fā)器301底部，產(chǎn)生的蒸汽和尾氣由管線16進入熱交換器211，分離得到汽相和液相。液相直接由管線18送至醋酸儲罐215，汽相經(jīng)管線17送入冷凝閃蒸罐212進一步分離，得到的液相經(jīng)管線20送至尾氣吸收塔213作為清洗液，汽相經(jīng)管線19也送至尾氣吸收塔213上部回收其中的醋酸。
從第一漿料蒸發(fā)器301流出的漿料經(jīng)管線15送至第二漿料蒸發(fā)器302進一步減壓蒸發(fā)，產(chǎn)生的蒸汽由管線30送入精餾塔216底部，提供脫水所需的部分能量，濃縮后的漿料經(jīng)管線31直接輸送到第三漿料蒸發(fā)器303，該蒸發(fā)器壓力降至常壓，產(chǎn)生的蒸汽由冷凝器冷凝后回流，使溫度降至85～95℃，以便于后續(xù)的過濾和干燥。
從第三漿料蒸發(fā)器303流出的漿料通過管線32送至過濾機304分離母液和固體，同時，由醋酸罐215經(jīng)管線34輸送部分醋酸到過濾機304對固體進行洗滌。過濾機304母液大部分由管線42回流至鼓泡塔反應(yīng)器100，少部分(5～10％)抽出進行母液凈化和催化劑回收，回收的醋酸經(jīng)由管線27送至醋酸儲罐215。過濾洗滌后的固體經(jīng)管線40送至干燥機305干燥，使含濕率由10～15％降至0.05～1％。干燥后的粗TA將送到精制單元進一步氫化處理，得到精對苯二甲酸。
如圖4所示，各流股的能量按溫度高低由上到下依次排列。左邊部分為提供能量的熱流股，其長短表示所能提供的能量數(shù)值大小，其溫度表示能量的級別，是有效能的度量。右邊部分為需要加熱的冷流股，其長短表示耗能大小，溫度表示所需要的能量級別。圖中的箭頭表示指定的流股之間的能量分配或匹配，箭頭上的數(shù)字表示各流股提供能量的數(shù)額，中間部分的框圖和箭頭表示由熱能轉(zhuǎn)化為機械能做功。
圖4中16——第一漿料蒸發(fā)器蒸汽，8a——反應(yīng)器第一冷凝器蒸汽，8b——反應(yīng)器第二冷凝器蒸汽，8c——反應(yīng)器第三冷凝器蒸汽，30——第二漿料蒸發(fā)器蒸汽，8d——反應(yīng)器第四冷凝器蒸汽，43——母液凈化過程生成蒸汽，35——脫水塔塔頂蒸汽，10——反應(yīng)器尾氣，17——第一漿料蒸發(fā)器尾氣，40——干燥機能耗，22——尾氣加熱，46——PX回收塔再沸器能耗，48——脫水塔再沸器能耗，45——共沸劑回收塔再沸器能耗，27——母液凈化能耗，Qc.——冷公用工程移出廢熱，Q11.——熱公用工程外加能量。
以下將通過實施例1和對比例進一步說明本實用新型的優(yōu)點和實施細節(jié)。
實施例1.
采用本實用新型給出的方法與設(shè)備進行年產(chǎn)60萬噸的對苯二甲酸流程與裝置設(shè)計，年生產(chǎn)時間7600小時，由圖1確定的各單元功能與任務(wù)經(jīng)系統(tǒng)組合優(yōu)化得到圖3所示的流程，各個單元設(shè)備的工藝條件按照物耗與能耗最小化原則確定，各流股之間的能量匹配按照系統(tǒng)能量集成的原理進行優(yōu)化。所得相關(guān)工藝參數(shù)按照單元順序羅列如下1.鼓泡塔反應(yīng)器采用圖2所示的兩臺鼓泡塔鼓泡塔反應(yīng)器并聯(lián)操作，單臺反應(yīng)器的生產(chǎn)能力為30萬噸/年，漿料處理和尾氣處理采用單套裝置。反應(yīng)器尺寸及工藝參數(shù)列于表1，反應(yīng)結(jié)果及相關(guān)指標列于表2。
表1鼓泡塔反應(yīng)器尺寸及工藝條件

表2鼓泡塔反應(yīng)器輸出指標


表1和表2中，PX指對二甲苯，TA指對苯二甲酸，COX濃度指CO2和CO濃度之和，4-CBA指對羧基苯甲醛(以下表中均同)，HAC指醋酸。母液4-CBA濃度＝液相4-CBA質(zhì)量/溶劑醋酸和水的質(zhì)量，固相4-CBA濃度＝固相4-CBA質(zhì)量/固相TA質(zhì)量。
2.漿料處理單元采用三級漿料蒸發(fā)器逐級減壓蒸發(fā)，第一漿料蒸發(fā)器通入少量空氣深度氧化，第二漿料蒸發(fā)器產(chǎn)生的蒸汽直接通入脫水塔，第三蒸發(fā)器出口漿料進入過濾機和干燥機制得粗TA產(chǎn)品。三級蒸發(fā)器及過濾干燥設(shè)備的工藝參數(shù)列于表3～6。
表3第一漿料蒸發(fā)器工藝參數(shù)

表4第二漿料蒸發(fā)器工藝參數(shù)

表5第三漿料蒸發(fā)器工藝參數(shù)

表6過濾干燥過程參數(shù)

3.尾氣處理單元鼓泡塔反應(yīng)器頂部尾氣采用四級冷凝，前三級副產(chǎn)蒸汽，第四級用冷凝水冷凝到102℃，凝液的95％回流至反應(yīng)器尾氣處理段，5％抽出引至脫水塔精餾分離。四級冷凝器換熱負荷及操作條件列于表7。
表7反應(yīng)器各級尾氣冷凝器工藝參數(shù)

尾氣凝液和第二漿料蒸發(fā)器的蒸汽采用共沸精餾方法脫水，共沸劑為醋酸正丁酯(NBA)，凝液從塔中部進入，蒸汽從塔釜進入。再沸器熱源采用反應(yīng)器尾氣第二冷凝器副產(chǎn)的蒸汽。精餾塔組的工藝參數(shù)由表8～10給出。
表8脫水塔工藝參數(shù)

表9共沸劑回收塔工藝參數(shù)

表10對二甲苯回收塔工藝參數(shù)

反應(yīng)器尾氣經(jīng)過四級冷凝后，進入尾氣吸收塔吸收對二甲苯和醋酸，吸收塔采用兩段結(jié)構(gòu)，下段先用醋酸溶液吸收尾氣中含有的對二甲苯，上段用水吸收尾氣中含有的醋酸，相關(guān)工藝參數(shù)由表11給出。
表11尾氣吸收塔工藝參數(shù)

4.主要物耗及能耗指標根據(jù)上述實施方案，表12給出了該工藝過程每噸TA的物料消耗與能量消耗，其中醋酸與對二甲苯的消耗僅僅考慮了主要裝置鼓泡塔反應(yīng)器、脫水塔、尾氣吸收塔、干燥機等的物料消耗，不包括其它附屬設(shè)備的物料消耗。能量消耗也只考慮圖3中的主要設(shè)備能耗，不包括附屬設(shè)備、儀表等的電耗。回收的蒸氣能量也都統(tǒng)一折算成電能考慮，因此表中給出的主要設(shè)備電耗就是考慮能量回收以后系統(tǒng)以電能計算的凈消耗。
表12物耗和能耗

對比例1為進一步說明本實用新型的優(yōu)點，可將本實用新型給出的生產(chǎn)流程與現(xiàn)有的典型工藝進行比較。作為對比例1，所參照比較的流程是采用常規(guī)的攪拌釜反應(yīng)器代替本實用新型的鼓泡塔鼓泡塔反應(yīng)器，同時尾氣處理單元的脫水塔是采用普通精餾來代替本實用新型采用的共沸精餾，漿料處理單元以及其它設(shè)備的配置與條件與本實用新型相同。
表13～15給出了年產(chǎn)60萬噸對苯二甲酸的比較流程的主要設(shè)備工藝參數(shù)，表16列出了相關(guān)的物耗與能耗指標。
表13攪拌釜鼓泡塔反應(yīng)器工藝參數(shù)

表14鼓泡塔反應(yīng)器輸出指標

表15普通精餾脫水塔工藝參數(shù)

表16比較流程1的主要設(shè)備物耗和能耗

將上述比較流程的工藝條件及消耗指標與實施例1的相關(guān)結(jié)果對比可以看出，采用比較流程也能實現(xiàn)對苯二甲酸的生產(chǎn)，但能量消耗比實施例1給出的指標更高，其原因主要體現(xiàn)在兩個方面一是比較流程采用的鼓泡塔反應(yīng)器為目前通用的攪拌釜反應(yīng)器，沒有設(shè)置氣體分離段，使得反應(yīng)熱不能更直接地、有效地用于溶劑分離；二是溶劑脫水采用普通精餾，比共沸精餾更為耗能。另外，反應(yīng)器攪拌耗電也使能耗略有增加。因此，上述方法與流程在節(jié)能方面明顯不如本實用新型給出的方法與流程。
對比例2第二個參照比較的流程與本實用新型的區(qū)別在于漿料處理單元，比較流程采用一級閃蒸方法濃縮鼓泡塔反應(yīng)器出口漿料，直接將壓力降至常壓，然后再通過兩級離心機分離母液和固體，以代替本實用新型采用的多級蒸發(fā)與過濾方法。鼓泡塔反應(yīng)器及尾氣處理單元的設(shè)計與本實用新型相同。對于上述比較流程，在同樣的60萬噸/年產(chǎn)能及氧化反應(yīng)條件下，相關(guān)物耗及能耗指標列于表17。
表17比較流程2的主要設(shè)備物耗和能耗

與本專利給出的流程比較，比較流程2的物料消耗略低，主要是省去了第一漿料蒸發(fā)器的補充氧化消耗。但該流程的能量消耗在上述三個流程中最大，其主要原因是漿料處理系統(tǒng)采用一級閃蒸方法后，漿料中的能量沒有得到回收利用。同時，離心機造成TA粒子破碎使得固體含濕量增大，也增加了干燥負荷和能量消耗。因此，對比例2給出的方法在節(jié)能方面也不如本實用新型給出的方法。
最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本實用新型的一個具體實施例。顯然，本實用新型不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本實用新型公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認為是本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求1.一種對苯二甲酸生產(chǎn)裝置，包括鼓泡塔反應(yīng)器(100)、漿料處理裝置、尾氣處理裝置，其特征是所述鼓泡塔反應(yīng)器(100)呈直筒形，內(nèi)部自上而下依次為氣體處理段(101)，自由空間段(102)和三相反應(yīng)段(103)，所述氣體處理段(101)占鼓泡塔反應(yīng)器(100)總高的10～30％，三相反應(yīng)段(103)占鼓泡塔反應(yīng)器(100)總高的60～85％；在氣體處理段(101)中安裝有填料或持液塔板(108)，在三相反應(yīng)段(103)的下部水平安裝有氣體分布器(107)，氣體分布器(107)與鼓泡塔進氣口(105)相連，在氣體分布器(107)上方的三相反應(yīng)段(103)上設(shè)有原料進料管(104)，塔底設(shè)有出料管(106)，塔頂設(shè)有尾氣管(110)和冷凝液回流管(109)；所述鼓泡塔進氣口(105)與空氣壓縮泵(202)相連；所述漿料處理裝置包括與出料管(106)相連的多級蒸發(fā)器，多級蒸發(fā)器的上出口通過熱交換器(211)后、分別與醋酸儲罐(215)、尾氣吸收塔(213)相連、精餾塔(216)相連，多級蒸發(fā)器的下出口與過濾機(304)相連，過濾機(304)的出口分別與原料進料管(104)、母液凈化裝置(306)、干燥機(305)相連；母液凈化裝置(306)的出口與醋酸儲罐(215)相連；所述尾氣處理裝置包括多級冷凝器，多級冷凝器的副產(chǎn)蒸汽的殼程、分別與蒸汽透平(203)和提供工藝設(shè)備所需的熱源相連，所述多級冷凝器的管程經(jīng)過汽液分離器(209)后分別與冷凝液回流管(109)、精餾塔(216)、尾氣吸收塔(213)相連；精餾塔(216)與熱交換器(211)的出口相連，精餾塔(216)的下出口分別與原料進料管(104)、醋酸儲罐(215)相連，精餾塔(216)的上出口分別與冷凝液回流管(109)、油水分離器(218)相連，油水分離器(218)的出口分別與共沸劑回收塔(219)、對二甲苯回收塔(220)相連；尾氣吸收塔(213)的出口與尾氣凈化器(214)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對苯二甲酸生產(chǎn)裝置，其特征是所述氣體處理段(101)的理論塔板數(shù)為5～15塊，氧化反應(yīng)器三相反應(yīng)段(103)的高度與直徑之比為3～7。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種對苯二甲酸生產(chǎn)裝置，其特征是所述尾氣凈化器(214)的出口與尾氣膨脹機(204)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種對苯二甲酸生產(chǎn)裝置，其特征是所述多級蒸發(fā)器包括依次串連的第一蒸發(fā)器(301)、第二蒸發(fā)器(302)、第三蒸發(fā)器(303)，所述第一蒸發(fā)器(301)上設(shè)有進氧管(14)，所述進氧管(14)與空氣壓縮泵(202)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種對苯二甲酸生產(chǎn)裝置，其特征是所述多級冷凝器包括依次串連的第一冷凝器(205)、第二冷凝器(206)、第三冷凝器(207)、第四冷凝器(208)；電動機(201)與所述空氣壓縮泵(202)、蒸汽透平(203)、尾氣膨脹機(204)共軸連接。
專利摘要本實用新型公開了一種對苯二甲酸(TA)的生產(chǎn)裝置。本裝置由三部分組成鼓泡塔反應(yīng)器、漿料處理裝置、尾氣處理裝置。采用本裝置的生產(chǎn)方法整體思路是采用帶有氣體分離段的鼓泡塔反應(yīng)器實現(xiàn)對二甲苯的液相催化氧化；漿料處理裝置采用多級蒸發(fā)、過濾、干燥步驟回收固體對苯二甲酸；尾氣處理裝置采用多級冷凝副產(chǎn)蒸汽回收反應(yīng)熱、采用共沸精餾方法回收溶劑；流程中各單元、設(shè)備、流股的配置和相關(guān)工藝條件按照產(chǎn)品生產(chǎn)成本最小的要求來優(yōu)化確定。本新型能優(yōu)化流程設(shè)計和工藝改進，使得造價更低、節(jié)能效果更好。
文檔編號C07C51/16GK2791044SQ20042010747
公開日2006年6月28日 申請日期2004年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月19日
發(fā)明者李希, 王麗軍, 成有為, 肖咸江 申請人:浙江大學(xué)