PTA加氢反应器国产化扩容设计与改造

雷 玲，钱枝茂

(1.南京化工职业技术学院，江苏南京210048;2.江阴汉邦石化公司，江苏江阴214432)

精对苯二甲酸(PTA)是生产聚酯的原料，主要用于生产聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。目前，中国PTA产业发展迅猛，2012年，中国PTA产量已突破20 000 kt/a。大多数国内PTA生产装置都是引进了国外的专利技术如Amoco，Invista等，主要原因是PTA装置的核心设备，如氧化反应器和加氢反应器的设计制造技术被国外的专利商和制造厂垄断，PTA加氢反应器的国产化刚刚起步。

扬子石化公司PTA装置采用美国Amoco公司的专利技术，1989年建成投产，共两条生产线，原设计生产能力为450 kt/a;1996年改造扩建后生产能力为600 kt/a;同时，加氢反应器处在高负荷运行状况下，设备检修时发现加氢反应器存在安全隐患，必需扩容更换。作者以扬子石化公司PTA装置改造扩建为例，说明PTA加氢反应器国产化设计中合适的工艺条件和设计参数，以及加氢反应器尺寸的确定等，为PTA加氢反应器进一步国产化扩容改造提供参考。

1 Amoco工艺及加氢反应器的特点

1.1 Amoco 工艺

Amoco工艺生产PTA分两步:首先是氧化单元，以对二甲苯(PX)为原料，Co2+/Mn2+/Br－为催化剂，PX与空气中的氧气反应，氧化生成粗对苯二甲酸(TA)，反应温度191～195℃，反应压力1.25～1.45 MPa;第二步是 TA 精制单元，除去TA中的少量有害杂质，主要是对羧基苯甲醛(4-CBA)。将TA在高温下溶解于水，配成一定浓度的TA水溶液，送入加氢反应器进行加氢还原反应，以金属钯/碳(Pd/C)为催化剂，反应温度280 ～283 ℃，反应压力6.8 ～ 8.0 MPa，4-CBA 等杂质还原成易溶于水的对甲基苯甲酸(PT酸)，在一定温度下当TA成晶体析出时，PT酸仍留在水溶液中，从而使PT酸与TA分开。加氢反应液经结晶、过滤和干燥等过程后，得到高纯度PTA。

1.2 Amoco加氢反应器

加氢反应器是TA精制单元的核心设备，加氢反应属于气-液-固三相反应系统。Amoco加氢反应器为固定床反应器，填充含Pd质量分数0.5%的Pd/C催化剂。一定浓度的TA浆料经加热充分溶解后，由加氢反应器顶部流入，在顶部同时通入高压氢气，使氢气充分溶入TA溶液中，TA溶液自上而下通过反应器催化剂床层，使杂质得以充分氢化还原溶入溶液，反应溶液由底部经网过滤器流出，进入下一步结晶工序。

加氢反应器壳体采用3层复合钢板制作，基材为碳钢主要承受强度载荷，第二层为不锈钢304L，作为耐腐蚀层，同时可以起到预防氢气进入碳钢层而引起氢脆的作用，在不锈钢上又复合一层钛板，防止金属离子进入PTA物料中。

2 加氢反应器扩容设计与改造

原加氢反应器主要工艺参数如下:单台反应器生产能力225 kt/a，设计温度310℃，设计压力8.4 MPa，实际操作温度281℃，操作压力6.81 MPa，设备尺寸φ 2 000 mm×7 930 mm，复合层尺寸(65+4.8+2.1)mm。

PTA装置改造至600 kt/a，要求加氢反应器操作温度282.5 ℃，操作压力7.39 MPa，原加氢反应器设计压力偏低，限制了操作压力的进一步提高;并且设备检修时发现加氢反应器内壁复层有多条裂纹，必需扩容更换。由于Amoco公司不提供扩容技术支持，考虑装置今后的进一步扩容，现以单台反应器生产能力为350 kt/a，年操作时间8 000 h作为设计基础，对加氢反应器进行国产化扩容设计与改造。

2.1 加氢反应器温度

加氢反应器的操作温度主要取决于进料TA浆料浓度，实验测得TA在水中的浓度与溶解温度的关系见表1，为保证Pd/C催化剂的安全，一般反应器的操作温度比对应浓度下的溶解温度高5℃。现将反应器进料TA质量分数设为(29±2)%，则最大进料TA质量分数为31%，对应的操作温度为285.5℃;设计温度为操作温度的1.1倍，这样加氢反应器的工艺设计温度为314.1℃(通常为315℃)。

表1 TA浓度与温度的关系Tab.1 Relationship between TA concentration and temperature

2.2 加氢反应器压力

加氢反应器的操作压力主要取决于反应器内水蒸气压(Pw)和氢气分压(Ph)，TA分压通常可以忽略不计，因此，反应器压力(Pr):

Pr=Pw+Ph(1)

若以285.5℃为操作温度，对应的Pw为7.0 MPa，Ph为1.0 MPa，则反应器的 Pr为 8.0 MPa。设计压力为Pr的1.20～1.25倍，这样加氢反应器的工艺设计压力为9.6～10.0 MPa(通常为10.0 MPa)。

2.3 加氢反应器尺寸

加氢反应器尺寸的设计取决于反应物料的停留时间(τ或空速)以及床层物料表观质量流速。在装置上利用原加氢反应器进行短时间高负荷试验，得到反应转化率与τ的关系见图1。

由图1可见，τ呈正态分布，为9～11 min。设定进料TA质量分数为27%，τ为10 min，按下例公式计算催化剂的装填量(VC)或反应器的有效容积(Vr)［1］。

式中:VC为催化剂装填体积;WC为催化剂装填质量;C为年物料处理量或生产负荷;t为操作时间，8 000 h;ρ为浆料密度，980 kg/m3;γC为催化剂松密度，490 kg/m3;SV为空速(体积流速)，6 h－1。

根据式(1)和式(2)以及相关参数，计算得到VC为27.56 m3，WC为13.5 t。

Vr根据式(3)计算得到，Vr为34.45 m3。

式中:FV为有效利用系数，一般取0.8。

由生产装置得到床层物料表观质量流速(V)为 35.6 t/(m2·h)，最大运行物料量(W)为174.2 t/h，可根据式(5)计算加氢反应器的截面积(A)为 4.893 m2。

根据反应器A值，可得到反应器直径(φ)为2.50 m，有效高度(H)为 7.0 m，加上气相空间高度2 m，反应器设计高度为9 m。因此，加氢反应器工艺设计尺寸为φ 2.5 m×9.0 m。

2.4 大型加氢反应器出口过滤器的改进

反应器直径和高度变大，会导致反应器出口流量增大，根据涡流流体学赫姆霍磁公式可知，增加反应器出口流量会产生大涡流［2］;大涡流易造成反应器短路，反应停留时间缩短，从而影响反应器液位测量，加大对催化剂的磨损;更严重的是可能会损坏过滤网，Pd/C进入PTA产品中，所以必须改变过滤网型式。要选择的新过滤网是在原过滤器上焊接一个十字架，能将大涡流分解成小涡流，避免催化剂和过滤网受到损坏。

2.5 加氢反应器扩容改造后的效果

原加氢反应器壳体材料为碳钢/不锈钢/钛材三层复合材料，由于钛材价格昂贵，使得设备造价太高。实践证明，加氢反应器采用碳钢/不锈钢二层复合材料已能满足生产工艺要求，且产品质量达标。因此，扩容加氢反应器壳体材料采用碳钢/不锈钢二层复合材料，设备造价大大降低。扩容改造前后加氢反应器工艺设计参数对比见表2。

表2 扩容前后加氢反应器工艺参数对比Tab.2 Contrast of process parameters of hydrogenation reactor before and after expansion

经扩容设计、改造的加氢反应器投入生产，工艺运行情况良好，装置能耗、物耗降低，产品质量符合设计要求，产品中4-CBA含量小于25 μg/g;每批催化剂装填12～13 t，每年换一次。扩容后的PTA装置生产能力达到了720 kt/a，超过了设计能力［3］。扬子石化PTA加氢反应器国产化扩容设计原理可以推广应用，如江苏三房巷股份公司2011年投产的600 kt/a PTA装置，其加氢反应器完全由国内设计制造，实现了大型PTA加氢反应器的完全国产化。

3 结论

a.以扬子石化PTA加氢反应器扩容设计为例，确定了PTA加氢反应器的工艺设计参数和反应器设计尺寸，单台加氢反应器生产能力为350 kt/a，设计温度315 ℃，设计压力 10.0 MPa，设计尺寸为φ 2.5 m×9.0 m。经扩容设计、制造的加氢反应器投入生产后，运行情况良好，装置能耗、物耗降低，产品质量符合设计要求，扩容后的PTA装置生产能力达到了720 kt/a，超过了设计能力。

b.加氢反应器大型化后出口流量增大，反应器内会产生大涡流，加大对催化剂的磨损，甚至会损坏过滤网，须改用新型过滤器来分解大涡流，以保护催化剂和过滤网。

c.通过高负荷试验，得到反应物料停留时间呈正态分布，加氢反应停留时间为9～11 min，加氢反应器放大后该反应停留时间不变。

［1］孙静珉.聚酯工艺［M］.北京:化学工业出版社，1985:320.

［2］周光垌.流体力学［M］.北京:北京:高等教育出版社，2011:225.

［3］王振新.PTA加氢反应器改造运行状况分析［J］.合成纤维工业，2003.26(1):49 －51.