1、本科毕业论文（20 届）年产 140 万吨 PTA 氧化单元尾气处理系统工艺设计所在学院 专业班级 化学工程与工艺 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文目 录摘 要 .I英文摘要 .II1.前言 .12.选题背景 .12.1 发展简介 .12.2 研究目的及意义 .22.3 国内外现状及发展趋势 .23.设计任务书 .33.1 基本数据 .33.2 设计要求 .33.3 设计原则 .44技术选定及流程计算说明 .44.1 技术选择 .44.2 流程说明 .44.3 计算流程介绍 .55工艺计算 .55.1R01 计算 .55.1.1 反应方程式 .55.1.2 物料
2、衡算 .55.1.3 热量衡算 .65.1.4 反应器数据计算 .75.1.5 反应器基本数据 .85.2E03 计算 .95.2.1 热量衡算确定进料温度 .95.2.2 确定设计方案 .95.2.3 确定物性数据 .95.2.4 计算总传热系数 .95.2.5 传热面积 .105.2.6 工艺结构尺寸 .105.2.7 换热器核算 .115.2.8 计算管程壳程压力降 .125.2.9 换热器主要尺寸和计算结果 .135.3E01 计算 .145.3.1 计算热负荷并确定换热器进料气出口温度 .145.3.2 确定设计方案 .145.3.3 确定物性数据 .145.3.4 计算总传热系数
3、.145.3.5 传热面积 .155.3.6 工艺结构尺寸 .155.3.7 换热器核算 .16本科生毕业论文5.3.8 计算管程壳程压力降 .185.3.9 换热器主要尺寸和计算结果 .185.4 E02 计算 .195.4.1 计算热负荷求出 0.38Mp 蒸汽用量 .195.4.2 确定设计方案 .195.4.3 确定物性数据 .195.4.4 计算总传热系数 .205.4.5 传热面积 .205.4.6 工艺结构尺寸 .205.4.7 换热器核算 .215.4.8 计算管程壳程压力降 .235.4.9 换热器主要尺寸和计算结果 .23结论 .25致谢 .25参考文献 .26附录 .27
4、本科生毕业论文I摘 要PTA（精对苯二甲酸） 是重要的大宗有机原料之一，世界上90%以上的PTA 用于生产聚对苯二甲酸乙二醇酯(简称聚酯， PET)。聚酯包括纤维切片、聚酯纤维、瓶用切片和薄膜切片。PTA的原料为对二甲苯，对二甲苯的原料为石油。而PTA是聚酯的原料，聚酯又是涤纶的原料，而化纤中80%为涤纶，化纤占纺织业原料36%的份额。PTA在快速发展的同时治理却相对滞后，环境污染压力越来越大。各种工艺的PTA 生产装置产生废气主要是氧化反应器排放的含PX、醋酸、醋酸酯类的有机废气，以及分离、过滤、干燥、料仓排放的放空尾气，其污染物浓度不高，但气量很大。氧化尾气是PTA装置排出的数量最大的有害
5、气体, 其中最主要的成分是N 2 ,其体积分数约占94%,含有有机物的总质量浓度超过 1 000 mg/m3 ,溴化物的质量浓度约100 mg/m3 , CO的质量浓度约5 000mg/m 3 ,还有CO 2 ,O2 等。目前效果显著，且已得到工业应用的PTA氧化尾气处理技术,主要有两类，一类称为热氧化( Thermal Oxidation)技术,另一类称为催化氧化(Catalytic Oxidaton)技术,或称催化燃烧(Catalytic Combustion)技术。目前我国治理PTA 氧化尾气主要采用有吸收法和催化氧化法。本设计使用催化氧化法处理氧化单元尾气，使其达到排放要求。关键字：P
6、TA ; 氧化尾气; 环境污染 ; 处理技术 ;催化氧化本科生毕业论文IIAbstractPTA(Purified Terephthalic Acid) is one of the important bulk organic materials, more than 90 percent of the world clustering of PTA used in the production of ethylene glycol esters (hereinafter referred to as polyester terephthalic acid, PET). Polyester i
7、ncludes fiber slice, polyester, bottles and thin slices with slices. The raw material of xylenes is PTA. The raw material of PTA is oil. But the PTA is the raw material, polyester and polyester fiber materials, and polyester fiber for polyester, 80 percent of the share of textile industry raw materi
8、al 36%. In the fast development and at the same time the PTA over actually relatively lags, the environmental pollution under increasing pressure. All kinds of technology of PTA production device is mainly produced gas containing PX oxidation reactor emissions, acetic acid, acetic ester of organic w
9、aste gas, and separation, filter, drying, bin discharge vent exhaust, its pollutant concentration is not high, but has broad shoulders. Oxidation exhaust is the PTA plant of eduction the largest number of harmful gases, one of the main component is, its volume fraction of N2 containing organic accou
10、nted for about 94%, the total mass concentrations more than 1 000 mg/m3, the quality of the bromides about 100 mg/m3 concentration, CO quality about 5 000mg/m3 concentration of CO2, O2, and etc. Currently effect significantly, and has received industrial application of PTA Oxidation exhaust handling
11、 technology, basically have two kinds, one kind is called heat Oxidation (Thermal Oxidation) technology, another kind is called Catalytic Oxidation (Catalytic Oxidaton) technology, or called Catalytic Combustion Catalytic Combustion techniques. At present our country governance PTA oxidation exhaust
12、 mainly adopts have absorption and catalytic oxidation. This design uses catalytic oxidation treatment oxidation unit, make its tail meets emission requirements.Key words: PTA ; Oxidation exhaust; Environmental pollution ; Processing technology; Catalytic oxidation本科生毕业论文11.前言PTA(Purified Terephthal
13、ic Acid)即精对苯二甲酸，常温下外观为白色晶体或粉末，无毒，无味，是一种重要化工原料，具有广阔的前景。中国从 20 世纪八十年代先后引进了十多套PTA 装置，同时化纤行业逐步进入快速发展期，目前我国 PTA 生产能力已经位居世界第一位 1。 PTA 是生产聚酯纤维、树脂、胶片及容器树脂的主要原料，被广泛应用于化纤、容器、包装、薄膜生产等领域 2。PTA 的原料为对二甲苯，对二甲苯的原料为石油。而 PTA 是聚酯的原料，聚酯又是涤纶的原料，而化纤中 80%为涤纶，化纤占纺织业原料 36%的份额。PTA 在快速发展的同时治理却相对滞后，环境污染压力越来越大 3。目前, 生产精对苯二甲酸( P
14、TA)主要采用高温液相氧化法 , 是以对二甲苯( PX )为原料, 醋酸钴、醋酸锰为催化剂, 溴化物为促进剂、空气为氧化剂的反应体系 4。伴随着 PX 被氧化成 PTA, 有 PX 和醋酸燃烧等副反应的发生, 造成了产品单耗增加。燃烧产物主要有 CO、CO 2、乙酸甲酯等有机物, 其中乙酸甲酯、未反应的醋酸和 PX 通过吸收塔进行回收, 剩余的气体排入大气(称为氧化尾气) 5。 氧化尾气中最主要的成分是 N2 ,其体积分数约占 94%,含有有机物的总质量浓度超过 1 000 mg/m3 ,溴化物的质量浓度约 100 mg/m3 , CO 的质量浓度约 5 000mg/m3 ,还有 CO2 ,O
15、2 等。过去国内各 PTA 生产厂家也采取各种措施对氧化尾气进行处理,但处理的效果并不理想。经过人类的不懈努力，当前有两类效果显著的 PTA 尾气处理技术，一类是热氧化( Thermal Oxidation)技术 ,另一类是催化氧化(Catalytic Oxidaton)技术,或称催化燃烧(Catalytic Combustion)技术 6。我国治理 PTA 氧化尾气主要采用有吸收法和催化氧化法，处理放空尾气均采用吸收法。根据 PTA 的重要性， PTA 目前的生产状况，及 PTA 尾气的对环境的危害，本课题从实际出发，结合国内外对尾气处理相关技术，设计一套年产 140 万吨 PTA 尾气处理
16、系统。希望能为PTA 尾气处理及环境保护提供相关数据和参考。2.选题背景2.1 发展简介精对苯二甲酸（PTA） ，相对分子量为 166.13，结构式 HOOCC6H4COOH，在常温下是白色粉末状晶体，无毒易燃，若与空气混合在一定限度内遇火即燃烧。高纯度对苯二甲酸 PTA与乙二醇(MEG) 缩聚得到聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET), 还可以与 1,4-丁二醇或 1,4-环己烷二甲酸反应生成相应的酯，主要用于生产聚酯 7。中国以聚酯为原料生产的聚酯纤维已经在合成纤维总产量中超过了 80%的比例。加之聚酯还用于生产非纤维产品非纤产品消耗的 PTA 的数量近来增长迅速，非纤维领域聚酯的用量持续增长，
17、聚酯主要用于与乙二醇酯化聚合生产聚酯切片，长短涤纶纤维，在纺织中应用较大，同时聚酯还用于电影胶片、涂料、油漆及聚酯塑料的生产，当然这几方面的用量较少。 目前 PTA 生产主要分为两个单元，氧化和精制，氧化单元主要是将原料对二甲苯氧化为对苯二甲酸，当然其中含有很多的副反应杂质，只要为 4-CBA，它的存在会对 PTA 的色泽等性质产生影响，应此必须将其去掉，精制单元主要是通过再次氧化去掉氧化单元的 4CBA。本科生毕业论文2目前世界生产 PTA 的主要工艺技术有英国 BP-Amoco、日本三井、美国 Invista（Du pont-ICI） 、德国 Lurgi-Eastman 等 4 家公司的专
18、利 6。除以上介绍的 PTA 生产工艺外, 还有日本三菱化学(Mitsubishi) ，东芝(Toshiba)，台湾的泽阳，道化学因卡(Dow-INCA)、三菱化学(MCC)和因特奎萨(Interquisa)、东丽(Toray) 等 PTA 生产专利技术。部分厂家工艺简介如下：（1）BP-Amoco，Amoco 公司对高温氧化法工艺进行了改进，使氧化反应温度降至193200 的范围，反应压力也相应降到 1.45 MPa。改进后每吨 PTA 的 PX 消耗量减少 14 kg。1999 年，Amoco 公司被英国石油 (BP)公司收购，其 PTA 生产工艺相应改称 BP-Amoco 工艺。(2)日
19、本三井，日本三井油化公司于 20 世纪 70 年代初，引进 Amoco 公司技术后，并在其基础上开发出了自己的技术。该技术提高了催化剂中钴/锰比和溶剂比，采用反应脱水二段塔釜式反应器；将氧化反应温度降至 185195 ，反应压力降至 0.91.1MPa，副反应减少；无须二次氧化，即可达到很高的产品收率和优良的产品质量。(3)Eastman(伊斯曼 )化学公司的 EPTA 工艺，由氧化单元、粗对苯二甲酸(CTA)分离单元、后氧化单元、EPTA 分离单元以及催化剂回收单元五大部分组成。其工艺省略了加氢精制工序，代之以 TA 的熟化工序，其所含杂质的总量与其他 PTA 生产工艺接近，但是其杂质的种类
20、却与其他工艺不同。(4)QTA 工艺，该工艺采用高活性催化剂进行对二甲苯氧化。以铈替代高温氧化工艺中的催化剂锰，同时附加镧催化剂，并采用了无机溴化物。该工艺的反应条件较温和，同时需要对中间产品进行补充氧化。该工艺反应物单耗接近高温氧化工艺，但能耗降低，并且不需要加氢 8。各种工艺的 PTA 生产装置产生废气主要是氧化反应器排放的含 PX、醋酸、醋酸酯类的有机废气，以及分离、过滤、干燥、料仓排放的放空尾气，其污染物浓度不高，但气量很大2.2 研究目的及意义PTA 生产包括氧化和精制两个单元，生产过程中的废气主要来自氧化过程，氧化反应器排放的含 PX、醋酸、醋酸酯类的有机废气，以及分离、过滤、干燥
21、、料仓排放的放空尾气，其污染物浓度不高，但气量很大 10。根据现有条件，设计一套有效地尾气处理系统。参考国内外尾气处理方法，进一步完善尾气处理系统。2.3 国内外现状及发展趋势目前 PTA 氧化尾气处理技术主要有两类，热氧化( Thermal Oxidation)技术和催化氧化(Catalytic Oxidaton)技术,或称催化燃烧(Catalytic Combustion)。 采用热氧化方法处理 PTA 装置氧化尾气的技术,它的特点是氧化尾气的热裂解和传热在充填有高效传热陶瓷的加热炉内实现。催化氧化技术的关键是催化剂,根据催化剂性能的不同,催化氧化的操作温度不同,同时也派生出了不同的 PT
22、A 尾气处理流程。主要有 HPCCU 流程和中温催化氧化流程。（1）热氧化方法处理法（RTO） ，通过一定方法使,尾气温度达到 800 左右。然后将发生热裂解后的高温气体通过一段高效传热的陶瓷床层,使该陶瓷床层变热而自身的温度降低,然后让新鲜的氧化尾气通过已变得炽热的陶瓷床层,达到热裂解温度。热裂解后的高温气体再加热新的一段陶瓷床层,加热后的陶瓷床层再用于加热新鲜的氧化尾气,如此不断循环。只要陶瓷床层换热后的尾气温度比始终比新鲜尾气的温度高 50 左右,那么不需要加入燃料就能使装置连续运行。本科生毕业论文3（2）催化氧化技术该技术可分为 HPCCU (High Pressure Catalyt
23、ic Combustion U2nit)流程和中温催化氧化流程该流程的特点是先使尾气经过换热器加热，使得温度达到 300 左右，在反应器内进行催化燃烧反应，反应后的尾气通过反应释放的热量自行加热，然后经过换热器回收能量，回收能量后的尾气一部分去膨胀剂，用于发电，另一部分去烘干机用于物料吹扫。中温催化氧化流程此类流程所用催化剂的操作温度在 280300 ,而根据操作压力的不同,又可分为中温低压流程和中温高压流程。中温低压流程该流程中与 RTO 类似，只是其反应是在低压下进行,自高压吸收塔而来的 PTA 尾气经过加热器加热至约 160 后先进膨胀机回收能量,然后与催化氧化反应器的高温尾气换热后进催
24、化氧化反应器。反应后的尾气与新鲜尾气换热,通过洗涤塔洗涤之后排空。该流程压降小,回收的能量也少 6。中温高压流程氧化尾气先用蒸汽加热,加热到一定温度后再与反应器的高温尾气换热（此流程与 HPCCU 相似）然后进入催化氧化反应器进行反应,反应后的尾气与新鲜尾气换热后温度降至约 160 ,然后送膨胀机回收能量，当然膨胀机需要级间加热 ,随后经洗涤塔洗涤后排空。该系统的特点是换热器的压降较中温低压流程要小,氧化尾气在膨胀机中的压降可相应大一点 6。3.设计任务书3.1 基本数据尾气组分名称 N2 O2 CO2 H2O CO CH3COOH3CH3COOHCH3Br含量%（wt）91.476 5.0
25、2.0 1.0 0.5 0.01 0.008 0.006尾气流量 400000kg/h 压力 1.12MpA 整个过程中视为恒定尾气比热容 Cp=1.08KJKg-1K-1，在整个过程中视为恒定，各装置热损耗按 5%计算。0.38MP 蒸汽温度为 1503.2 设计要求在尾气处理需满足名称 消除率 99.5%本科生毕业论文4 ，A 99%CH3Br 95%压降：0.1MP（流向膨胀机）尾气温度 42 ；反应器入口温度 300；低压蒸汽用量17800kg/h出口温度（流向膨胀机） 170180,4/5 流量出口温度（流向烘干机） 6575,1/5 流量3.3 设计原则（1） 按要求设计计算，达到
26、设计要求（2） 尽量减少能耗，减少占地（3） 尽可能减少设备使用量，达到经济合理的要求（4） 充分利用装置副产物，尽可能多的回收能量（5） 设备管线尽量简短，易于检修（6） 做到流程简单，操作管理方便4技术选定及流程计算说明4.1 技术选择本设计采用 HPCCU 技术，原因：此技术在高压下操作，设备占地面积小，系统能耗净值相对其他流程较低，回收能量多，符合设计原则。4.2 流程说明自高压吸收塔而来的氧化尾气，经过尾气第一加热器 E01 温度由42升高温度 T1，再经过第二加热器 E02 加热到 T2 ，然后由第三加热器 E03 将尾气加热至反应所需 300，尾气在反应器内发生催化燃烧反应,使尾
27、气中有害组分达到所要求的标准，利用反应释放的热量加热反应后尾气，以下称废气。废气将被送入 E03 中以便加热尾气，从E03 出来的废气温度 175，4/5 直接去膨胀机，剩下的去 E01 继续加热尾气回收能量，自身降温至 67后去烘干机。E02 用装置副产 0.38Mp，150蒸汽加热。0201尾 气去 烘 干 机低 压 凝 液去 彭 胀 机.蒸 汽 3本科生毕业论文5图 4.2 工艺流程示意图EO1 E02 E03 R01尾气第一加热器 尾气第二加热器 尾气第三加热器 催化燃烧反应器4.3 计算流程介绍首先计算反应器 R01，进行物料与热量横算，并计算出反应器出口温度，通过出口温度计算换热器
28、 E03 入口温度 T2，计算换热器 E01 并计算出该换热器出口温度 T1，由 T1T2计算出低压蒸汽用量，并校核5工艺计算5.1R01 计算5.1.1 反应方程式CO + 1/2 O2CO 2 (-Hr) 298=283000KJ/KmolCH3COOH + 2O22CO 2 + 2H2O (-Hr) 298=926100KJ/KmolCH3COOCH3 + 7/2O23CO 2+3H2O (-Hr) 298=1628000KJ/KmolCH3Br + 7/4 O2CO 2+3/2H2O+1/2Br2 (-Hr) 298=770000KJ/Kmol5.1.2 物料衡算反应器进口尾气各组分流
29、量N2 4000000.91476=365904kg/h=13068kmol/hO2 4000000.05=20000kg/h=625kmol/hCO2 4000000.02=8000kg/h=181.82kmol/hH2O 4000000.01=4000kg/h=222.22kmol/hCO 4000000.005=2000kg/h=71.43kmol/hCH3COOCH3 4000000.0001=40kg/h=0.54kmol/hCH3COOH 4000000.00008=32kg/h=0.53kmol/hCH3Br 4000000.00006=24kg/h=0.25kmol/h反应器出口各组分流量N2 4000000.91476=365904kg/h=13068kmol/hO2 625-71.430.9950.5-0.530.992-0.540.992/7-0.250.954/7=18756kg/h =586.12kmol/hCO2 181.82+71.430.995+0.540.993+0.530.992+0.250.95=11254.476kg/h=255.78kmol/hH2O 222.22+0.530.992+0.540.993+0.250.953/2=4054.13kg/h=225.23kmol/h
