PTA加氫反應器國產化擴容設計與改造

雷 玲，錢枝茂

(1.南京化工職業技術學院，江蘇南京210048;2.江陰漢邦石化公司，江蘇江陰214432)

精對苯二甲酸(PTA)是生產聚酯的原料，主要用于生產聚對苯二甲酸乙二酯(PET)。目前，中國PTA產業發展迅猛，2012年，中國PTA產量已突破20 000 kt/a。大多數國內PTA生產裝置都是引進了國外的專利技術如Amoco，Invista等，主要原因是PTA裝置的核心設備，如氧化反應器和加氫反應器的設計制造技術被國外的專利商和制造廠壟斷，PTA加氫反應器的國產化剛剛起步。

揚子石化公司PTA裝置采用美國Amoco公司的專利技術，1989年建成投產，共兩條生產線，原設計生產能力為450 kt/a;1996年改造擴建后生產能力為600 kt/a;同時，加氫反應器處在高負荷運行狀況下，設備檢修時發現加氫反應器存在安全隱患，必需擴容更換。作者以揚子石化公司PTA裝置改造擴建為例，說明PTA加氫反應器國產化設計中合適的工藝條件和設計參數，以及加氫反應器尺寸的確定等，為PTA加氫反應器進一步國產化擴容改造提供參考。

1 Amoco工藝及加氫反應器的特點

1.1 Amoco 工藝

Amoco工藝生產PTA分兩步:首先是氧化單元，以對二甲苯(PX)為原料，Co2+/Mn2+/Br－為催化劑，PX與空氣中的氧氣反應，氧化生成粗對苯二甲酸(TA)，反應溫度191～195℃，反應壓力1.25～1.45 MPa;第二步是 TA 精制單元，除去TA中的少量有害雜質，主要是對羧基苯甲醛(4-CBA)。將TA在高溫下溶解于水，配成一定濃度的TA水溶液，送入加氫反應器進行加氫還原反應，以金屬鈀/碳(Pd/C)為催化劑，反應溫度280 ～283 ℃，反應壓力6.8 ～ 8.0 MPa，4-CBA 等雜質還原成易溶于水的對甲基苯甲酸(PT酸)，在一定溫度下當TA成晶體析出時，PT酸仍留在水溶液中，從而使PT酸與TA分開。加氫反應液經結晶、過濾和干燥等過程后，得到高純度PTA。

1.2 Amoco加氫反應器

加氫反應器是TA精制單元的核心設備，加氫反應屬于氣-液-固三相反應系統。Amoco加氫反應器為固定床反應器，填充含Pd質量分數0.5%的Pd/C催化劑。一定濃度的TA漿料經加熱充分溶解后，由加氫反應器頂部流入，在頂部同時通入高壓氫氣，使氫氣充分溶入TA溶液中，TA溶液自上而下通過反應器催化劑床層，使雜質得以充分氫化還原溶入溶液，反應溶液由底部經網過濾器流出，進入下一步結晶工序。

加氫反應器殼體采用3層復合鋼板制作，基材為碳鋼主要承受強度載荷，第二層為不銹鋼304L，作為耐腐蝕層，同時可以起到預防氫氣進入碳鋼層而引起氫脆的作用，在不銹鋼上又復合一層鈦板，防止金屬離子進入PTA物料中。

2 加氫反應器擴容設計與改造

原加氫反應器主要工藝參數如下:單臺反應器生產能力225 kt/a，設計溫度310℃，設計壓力8.4 MPa，實際操作溫度281℃，操作壓力6.81 MPa，設備尺寸φ 2 000 mm×7 930 mm，復合層尺寸(65+4.8+2.1)mm。

PTA裝置改造至600 kt/a，要求加氫反應器操作溫度282.5 ℃，操作壓力7.39 MPa，原加氫反應器設計壓力偏低，限制了操作壓力的進一步提高;并且設備檢修時發現加氫反應器內壁復層有多條裂紋，必需擴容更換。由于Amoco公司不提供擴容技術支持，考慮裝置今后的進一步擴容，現以單臺反應器生產能力為350 kt/a，年操作時間8 000 h作為設計基礎，對加氫反應器進行國產化擴容設計與改造。

2.1 加氫反應器溫度

加氫反應器的操作溫度主要取決于進料TA漿料濃度，實驗測得TA在水中的濃度與溶解溫度的關系見表1，為保證Pd/C催化劑的安全，一般反應器的操作溫度比對應濃度下的溶解溫度高5℃?，F將反應器進料TA質量分數設為(29±2)%，則最大進料TA質量分數為31%，對應的操作溫度為285.5℃;設計溫度為操作溫度的1.1倍，這樣加氫反應器的工藝設計溫度為314.1℃(通常為315℃)。

表1 TA濃度與溫度的關系Tab.1 Relationship between TA concentration and temperature

2.2 加氫反應器壓力

加氫反應器的操作壓力主要取決于反應器內水蒸氣壓(Pw)和氫氣分壓(Ph)，TA分壓通?？梢院雎圆挥?，因此，反應器壓力(Pr):

Pr=Pw+Ph(1)

若以285.5℃為操作溫度，對應的Pw為7.0 MPa，Ph為1.0 MPa，則反應器的 Pr為 8.0 MPa。設計壓力為Pr的1.20～1.25倍，這樣加氫反應器的工藝設計壓力為9.6～10.0 MPa(通常為10.0 MPa)。

2.3 加氫反應器尺寸

加氫反應器尺寸的設計取決于反應物料的停留時間(τ或空速)以及床層物料表觀質量流速。在裝置上利用原加氫反應器進行短時間高負荷試驗，得到反應轉化率與τ的關系見圖1。

由圖1可見，τ呈正態分布，為9～11 min。設定進料TA質量分數為27%，τ為10 min，按下例公式計算催化劑的裝填量(VC)或反應器的有效容積(Vr)［1］。

式中:VC為催化劑裝填體積;WC為催化劑裝填質量;C為年物料處理量或生產負荷;t為操作時間，8 000 h;ρ為漿料密度，980 kg/m3;γC為催化劑松密度，490 kg/m3;SV為空速(體積流速)，6 h－1。

根據式(1)和式(2)以及相關參數，計算得到VC為27.56 m3，WC為13.5 t。

Vr根據式(3)計算得到，Vr為34.45 m3。

式中:FV為有效利用系數，一般取0.8。

由生產裝置得到床層物料表觀質量流速(V)為 35.6 t/(m2·h)，最大運行物料量(W)為174.2 t/h，可根據式(5)計算加氫反應器的截面積(A)為 4.893 m2。

根據反應器A值，可得到反應器直徑(φ)為2.50 m，有效高度(H)為 7.0 m，加上氣相空間高度2 m，反應器設計高度為9 m。因此，加氫反應器工藝設計尺寸為φ 2.5 m×9.0 m。

2.4 大型加氫反應器出口過濾器的改進

反應器直徑和高度變大，會導致反應器出口流量增大，根據渦流流體學赫姆霍磁公式可知，增加反應器出口流量會產生大渦流［2］;大渦流易造成反應器短路，反應停留時間縮短，從而影響反應器液位測量，加大對催化劑的磨損;更嚴重的是可能會損壞過濾網，Pd/C進入PTA產品中，所以必須改變過濾網型式。要選擇的新過濾網是在原過濾器上焊接一個十字架，能將大渦流分解成小渦流，避免催化劑和過濾網受到損壞。

2.5 加氫反應器擴容改造后的效果

原加氫反應器殼體材料為碳鋼/不銹鋼/鈦材三層復合材料，由于鈦材價格昂貴，使得設備造價太高。實踐證明，加氫反應器采用碳鋼/不銹鋼二層復合材料已能滿足生產工藝要求，且產品質量達標。因此，擴容加氫反應器殼體材料采用碳鋼/不銹鋼二層復合材料，設備造價大大降低。擴容改造前后加氫反應器工藝設計參數對比見表2。

表2 擴容前后加氫反應器工藝參數對比Tab.2 Contrast of process parameters of hydrogenation reactor before and after expansion

經擴容設計、改造的加氫反應器投入生產，工藝運行情況良好，裝置能耗、物耗降低，產品質量符合設計要求，產品中4-CBA含量小于25 μg/g;每批催化劑裝填12～13 t，每年換一次。擴容后的PTA裝置生產能力達到了720 kt/a，超過了設計能力［3］。揚子石化PTA加氫反應器國產化擴容設計原理可以推廣應用，如江蘇三房巷股份公司2011年投產的600 kt/a PTA裝置，其加氫反應器完全由國內設計制造，實現了大型PTA加氫反應器的完全國產化。

3 結論

a.以揚子石化PTA加氫反應器擴容設計為例，確定了PTA加氫反應器的工藝設計參數和反應器設計尺寸，單臺加氫反應器生產能力為350 kt/a，設計溫度315 ℃，設計壓力 10.0 MPa，設計尺寸為φ 2.5 m×9.0 m。經擴容設計、制造的加氫反應器投入生產后，運行情況良好，裝置能耗、物耗降低，產品質量符合設計要求，擴容后的PTA裝置生產能力達到了720 kt/a，超過了設計能力。

b.加氫反應器大型化后出口流量增大，反應器內會產生大渦流，加大對催化劑的磨損，甚至會損壞過濾網，須改用新型過濾器來分解大渦流，以保護催化劑和過濾網。

c.通過高負荷試驗，得到反應物料停留時間呈正態分布，加氫反應停留時間為9～11 min，加氫反應器放大后該反應停留時間不變。

［1］孫靜珉.聚酯工藝［M］.北京:化學工業出版社，1985:320.

［2］周光垌.流體力學［M］.北京:北京:高等教育出版社，2011:225.

［3］王振新.PTA加氫反應器改造運行狀況分析［J］.合成纖維工業，2003.26(1):49 －51.