精對(duì)苯二甲酸漿料壓力過濾濾餅洗滌、脫水特性的試驗(yàn)研究

李 大 仰

（南京工業(yè)大學(xué)，南京 210009）

精對(duì)苯二甲酸漿料壓力過濾濾餅洗滌、脫水特性的試驗(yàn)研究

李 大 仰

（南京工業(yè)大學(xué)，南京 210009）

對(duì)精對(duì)苯二甲酸（PTA）漿料的壓力過濾過程濾餅洗滌和脫水進(jìn)行試驗(yàn)研究。對(duì)影響PTA濾餅洗滌及脫水的各因素進(jìn)行分析，考察洗滌強(qiáng)度、洗滌量等操作參數(shù)對(duì)PTA濾餅洗滌效果的影響，獲得PTA濾餅洗滌的數(shù)學(xué)模型；考察PTA濾餅脫水過程各操作參數(shù)對(duì)濾餅含濕率的影響，獲得脫水時(shí)間、脫水壓差等操作參數(shù)對(duì)PTA濾餅含濕率的影響規(guī)律。為開發(fā)PTA漿料一級(jí)壓力過濾技術(shù)取代目前廣泛使用的兩級(jí)壓力離心分離技術(shù)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

精對(duì)苯二甲酸 漿料 壓力 過濾 洗滌 脫水

1 前 言

PTA（精對(duì)苯二甲酸）是生產(chǎn)聚酯的重要原料。以PX（對(duì)二甲苯）為原料，以醋酸為溶劑，在醋酸鈷、醋酸錳催化劑的作用下與空氣進(jìn)行液化氧化，生成CTA（粗對(duì)苯二甲酸），然后對(duì)CTA進(jìn)行加氫精制，再經(jīng)分離、干燥，獲得精對(duì)苯二甲酸產(chǎn)品[1]。在PTA精制工段分離單元，廣泛采用兩級(jí)分離技術(shù)，即用第一級(jí)壓力離心分離加第二級(jí)常壓離心分離或真空過濾。第一級(jí)壓力離心分離的目的是保證PTA漿料在高溫（145～150 ℃）條件下脫除大部分溶解在母液中的PT酸（對(duì)甲基苯甲酸）及4-CBA（4-羧基苯甲醛）等有機(jī)雜質(zhì)。第二級(jí)分離的目的是通過第一級(jí)分離獲得PTA濾餅，再經(jīng)無離子水打漿稀釋，進(jìn)一步脫除殘留在PTA濾餅中的PT酸及4-CBA雜質(zhì)，最終獲得合格的PTA。由此可見，采用兩級(jí)分離工藝，除了實(shí)現(xiàn)PTA產(chǎn)品的分離外，唯一的目的是脫除產(chǎn)品中的有機(jī)雜質(zhì)。但兩級(jí)分離技術(shù)存在明顯的不足，主要表現(xiàn)在工藝流程長(zhǎng)、工藝設(shè)備臺(tái)數(shù)多、專用設(shè)備需要進(jìn)口，由此造成一次投資大、運(yùn)行能耗高、檢修維護(hù)費(fèi)用高等缺點(diǎn)。針對(duì)以上問題，本課題對(duì)精對(duì)苯二甲酸（PTA）漿料壓力過濾過程形成的濾餅的洗滌及脫水特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，探索PTA壓力過濾濾餅洗滌及脫水的相關(guān)規(guī)律，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)獲得壓力過濾過程PTA濾餅的洗滌、脫水?dāng)?shù)學(xué)模型，為進(jìn)一步開發(fā)PTA漿料一級(jí)壓力過濾技術(shù)提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)裝置及方法

在實(shí)驗(yàn)室建立高溫（145～150 ℃）壓力濾葉試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)流程示意見圖1。該裝置主要由汽水儲(chǔ)存罐、過濾器和電加熱器三部分組成，儲(chǔ)存罐可為試驗(yàn)提供壓力恒定、溫度穩(wěn)定的汽源和水源，電加熱器可以使過濾罐中的料漿達(dá)到試驗(yàn)所需的溫度，蒸汽表和熱水表可以準(zhǔn)確地計(jì)量試驗(yàn)的脫水耗汽量和洗滌水量，壓差計(jì)用于測(cè)量試驗(yàn)過程的過濾、洗滌和脫水壓差。試驗(yàn)所用PTA漿料均取自某PTA生產(chǎn)裝置壓力離心機(jī)進(jìn)料罐，試驗(yàn)前，過濾器中加入一定量的PTA料漿，電加熱器將料漿加熱到145～150 ℃，使料漿中的PT酸、4-CBA等雜質(zhì)充分溶解。試驗(yàn)時(shí)，PTA漿料在穩(wěn)定的蒸汽壓力下進(jìn)行過濾，過濾結(jié)束后，通入一定量的熱水對(duì)濾餅進(jìn)行洗滌，然后使用蒸汽對(duì)濾餅進(jìn)行脫水。

3 濾餅洗滌試驗(yàn)結(jié)果及分析

用洗滌液從濾餅中置換出母液的操作稱作濾餅洗滌，在固液分離中一般簡(jiǎn)稱為洗滌[2-3]。PTA精制單元過濾工藝中，濾餅洗滌的主要目的是將濾餅中殘留的影響其品質(zhì)的PT酸、4-CBA等雜質(zhì)置換脫除。

圖1 高溫壓力濾葉試驗(yàn)裝置

3.1 濾餅洗滌效果綜合分析

影響濾餅洗滌效果的因素很多，包括：①物性參數(shù)，即濾餅固體顆粒直徑d、濾餅孔隙率ε、料漿密度ρ；②結(jié)構(gòu)參數(shù)，即濾餅厚度L；③操作參數(shù)，即洗滌時(shí)間t、單位過濾面積洗滌水量V、洗滌壓差△p等。在漿料確定的條件下，這些參數(shù)中，影響濾餅洗滌效果的主要參數(shù)有ρ，t，L，V，△p。將濾餅洗滌后雜質(zhì)含量與洗滌前雜質(zhì)含量的比值定義為洗滌效率E，用來表示洗滌效果。E可以表示為：

式中，△p為過濾壓差，Pa；t為過濾時(shí)間，s；L為濾餅厚度，m；V為單位過濾面積洗滌水量，m3/m2；ρ為漿料密度，kg/m3；a0，a1，a2，a3，a4，a5為系數(shù)。

對(duì)式（1）進(jìn)行因次分析，據(jù)因次一致性原則，其可以化為：

通過改變?yōu)V餅厚度L、洗滌時(shí)間t、單位過濾面積洗滌水量V、洗滌壓差△p、料漿密度ρ等試驗(yàn)參數(shù)，可測(cè)試這些參數(shù)對(duì)濾餅洗滌效果的影響。

3.2 洗滌強(qiáng)度對(duì)洗滌效率的影響

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的洗滌強(qiáng)度與洗滌效率的關(guān)系曲線見圖2。從圖2可以看出，濾餅雜質(zhì)含量隨著洗滌強(qiáng)度的增加而下降。這是因?yàn)殡S著洗滌壓差的增加，濾餅脫液推動(dòng)力遠(yuǎn)比濾液在濾餅空隙內(nèi)流動(dòng)阻力的增加大得多，因而濾餅中殘留濾液很快下降，導(dǎo)致濾餅內(nèi)的雜質(zhì)含量很快下降。但由于毛細(xì)管的作用，使得濾餅內(nèi)殘留濾液下降逐漸緩慢，導(dǎo)致濾餅內(nèi)雜質(zhì)含量的下降最終趨于平緩。因此試圖用機(jī)械方法將雜質(zhì)成分全部洗掉是很困難的。

圖2 洗滌效率與洗滌強(qiáng)度的關(guān)系

3.3 相對(duì)洗滌量對(duì)洗滌效率的影響

相對(duì)洗滌量對(duì)濾餅雜質(zhì)含量的影響見圖3。從圖3可以看出，濾餅雜質(zhì)含量隨相對(duì)洗滌量的增加而迅速下降。這是因?yàn)闉V餅經(jīng)洗滌前的脫液操作后，殘留于濾餅中的濾液在顆粒接觸點(diǎn)周圍成為滯流液體或以薄膜方式殘留在顆粒表面上，這時(shí)加入的洗滌液與殘留液間產(chǎn)生有效的傳質(zhì)置換，使殘留濾液中的雜質(zhì)迅速減少。圖3還表明，隨著洗滌量的增加，濾餅內(nèi)雜質(zhì)量將趨于平緩，這是因?yàn)椴糠蛛s質(zhì)遺留于顆粒間的凹陷內(nèi)而沒有完全暴露于流動(dòng)的洗滌液中，所以無法被洗滌液所置換。

圖3 洗滌效率與相對(duì)洗滌量的關(guān)系

3.4 濾餅洗滌過程數(shù)學(xué)模型

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可知，影響PTA濾餅洗滌效果的宏觀控制參數(shù)主要是：洗滌強(qiáng)度Tw、相對(duì)洗滌量Vr等參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用量綱分析法，得到PTA漿料壓力濾葉試驗(yàn)洗滌數(shù)學(xué)模型：

4 濾餅脫水試驗(yàn)結(jié)果及分析

濾餅脫水又稱濾餅脫液、脫干或干燥，與濾餅洗滌均屬于凈化作業(yè)[3]。通過脫水處理，進(jìn)一步去除PTA濾餅中殘留的PT酸等雜質(zhì)液體及洗滌液，以滿足濾餅含濕率的要求。濾餅脫水常用的方法包括：機(jī)械壓榨法、氣體置換法、離心法、液體脫水法及其它方法。試驗(yàn)采用氣體置換脫水。

4.1 脫水時(shí)間對(duì)脫水效果的影響

采用PTA漿料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%、壓差為55.0 kPa的條件下生成的濾餅，在55.0 kPa的脫水壓力下進(jìn)行脫水試驗(yàn)，采集不同脫水時(shí)間的濾餅，分別稱量干燥前后的濾餅質(zhì)量，計(jì)算濾餅的含濕率。脫水時(shí)間對(duì)含濕率的影響見圖4。從圖4可以看出，在最初的幾秒鐘（約5 s）之內(nèi)，曲線斜率較大，含濕率經(jīng)歷了一個(gè)突降的過程，該階段脫除的主要是重力水和孔隙水，這兩者可以較容易地被脫除；而后續(xù)過程含濕率的變化則相對(duì)平緩了許多，主要因?yàn)樵撾A段重力水和孔隙水基本上已經(jīng)被脫除，此時(shí)脫除的水以薄膜水和毛細(xì)水為主，有一定難度；當(dāng)時(shí)間超過某一個(gè)時(shí)刻后，無論時(shí)間怎么增加，其濾餅含濕率基本上維持不變，這說明濾餅中的毛細(xì)力與排液力達(dá)到平衡，已經(jīng)沒有液體排出。因此，脫水時(shí)間對(duì)含濕率的影響可以分成三個(gè)區(qū)：脫孔隙水區(qū)、脫薄膜水區(qū)和含濕率穩(wěn)定區(qū)。

圖4 脫水時(shí)間對(duì)含濕率的影響

4.2 脫水壓力對(duì)脫水效果的影響

采用PTA漿料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%、壓差分別為55.0，75.0，90.0 kPa條件下生成的濾餅，分別在55.0，75.0，90.0 kPa的壓力下進(jìn)行脫水試驗(yàn)，采集不同脫水時(shí)間的濾餅，分別稱量干燥前后的濾餅質(zhì)量，計(jì)算濾餅的含濕率。脫水壓力對(duì)濾餅含濕率的影響見圖5。從圖5可以看出，盡管脫水壓差有一定區(qū)別，但在脫水的前5 s的過程中，濾餅含濕率與壓力沒有太大的關(guān)系，這表明脫除重力水和孔隙水并不需要很大的壓力；但隨著壓力不斷提高，濾餅的最終含濕率呈下降趨勢(shì)。因?yàn)閴毫ι吆?，排液力明顯升高，而對(duì)相同的濾餅而言，其毛細(xì)力基本上是恒定不變的，所以高的脫水壓差可比低壓差排出更多的薄膜水和毛細(xì)水，能夠獲得含濕率更低的濾餅，減少濾餅中PT酸等的含量，提高PTA產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖5 脫水壓力對(duì)濾餅含濕率的影響

4.3 脫水氣體溫度對(duì)脫水效果的影響

圖6 脫水氣體溫度對(duì)濾餅含濕率的影響

對(duì)在過濾壓差為55.0 kPa條件下生成的濾餅，分別采用常溫壓縮空氣和工況溫度（150 ℃）過熱蒸汽進(jìn)行脫水試驗(yàn)，采集不同脫水時(shí)間的濾餅，分別稱量干燥前后的濾餅質(zhì)量，計(jì)算濾餅的含濕率。脫水溫度對(duì)濾餅含濕率的影響見圖6。從圖6可以看出，用蒸汽脫水效果要優(yōu)于用空氣脫水。這主要是因?yàn)闇囟壬吆笳羝c濾餅顆粒之間的傳質(zhì)、傳熱作用，濾餅中的水分被冷凝面強(qiáng)烈加熱，致使濾液溫度升高而使水的粘度和表面張力減少，導(dǎo)致附著在PTA顆粒表面的毛細(xì)水和薄膜水更容易被脫除；同時(shí)在蒸汽穿透以后，用蒸汽進(jìn)一步脫水，使濾餅顆粒內(nèi)部水被強(qiáng)制對(duì)流，濾餅內(nèi)巨大的交換表面導(dǎo)致快而廣泛的干燥脫水；另外，蒸汽的高溫引起濾餅內(nèi)部水分的蒸發(fā)，也有利于降低濾餅水分。

4.4 料漿濃度對(duì)濾餅脫水特性的影響

分別采用PTA漿料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，30%，40%、壓差為90.0 kPa條件下生成的濾餅，在90.0 kPa的脫水壓力下采用壓縮空氣進(jìn)行脫水試驗(yàn)，采集不同脫水時(shí)間的濾餅，分別稱量干燥前后的濾餅質(zhì)量，計(jì)算濾餅的含濕率。料漿濃度對(duì)含濕率的影響見圖7。從圖7可以看出，在同樣的脫水條件下，漿料濃度越低，濾餅含濕率也越低。較濃的漿料在相同的過濾時(shí)間下可以得到較厚的濾餅和較大的平均孔隙率。在相同的脫水壓差下，濾餅越厚，壓力梯度則越小，排液力就越小，所以其濾餅的含濕率就相對(duì)較大。但同時(shí)大平均孔隙率又會(huì)使得高濃度漿料產(chǎn)生的濾餅比阻較小，有利于脫水的進(jìn)行。但相對(duì)而言，在相同的過濾時(shí)間內(nèi)形成的濾餅厚度較高，導(dǎo)致脫水壓力梯度降低而產(chǎn)生的影響更大一些，所以現(xiàn)場(chǎng)漿料濃度的波動(dòng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響不是很大。

圖7 料漿濃度對(duì)含濕率的影響

干燥相關(guān)因子對(duì)PTA濾餅含濕率的影響見圖8。干燥相關(guān)因子為單位面積上單位質(zhì)量濾餅的脫水時(shí)間，它可以消除在其它參數(shù)相同的條件下，濾餅厚度的影響。從圖8可以看出，不同濃度料漿形成的濾餅的含濕率基本上只與干燥相關(guān)因子的大小有關(guān)，當(dāng)干燥相關(guān)因子大于0.30 s·（kg/m2)-1時(shí)，濾餅的含濕率就已經(jīng)低于12%，與濃度沒有太大關(guān)系。對(duì)于采用過熱蒸汽（150 ℃）進(jìn)行脫水實(shí)驗(yàn)，干燥相關(guān)因子達(dá)到0.25 s·（kg/m2）-1即可保證濾餅含濕率低于12%。這說明雖然高濃度的漿料會(huì)形成大的平均孔隙率，使濾餅的比阻降低，有利于脫水，但同時(shí)，高濃度的漿料在相同的過濾時(shí)間內(nèi)形成的大厚度濾餅的影響更大一些。

圖8 干燥相關(guān)因子對(duì)濾餅含濕率的影響

5 結(jié) 論

（1）PTA濾餅的洗滌效果主要受PTA濾餅厚度，洗滌時(shí)間，洗滌水用量，洗滌壓差，漿料密度的影響，試驗(yàn)獲得了PTA濾餅的洗滌過程的數(shù)學(xué)模

（2）PTA濾餅的脫水效果受脫水時(shí)間、脫水壓差、脫水氣體溫度、料漿濃度等因素影響，適當(dāng)延長(zhǎng)脫水時(shí)間、增大脫水壓差可在一定程度上降低濾餅的含濕率。采用壓縮空氣進(jìn)行脫水試驗(yàn)，當(dāng)干燥相關(guān)因子大于0.3 s·（kg/m2）-1時(shí)，濾餅的含濕率小于12%；采用過熱蒸汽（150 ℃）進(jìn)行脫水實(shí)驗(yàn)，干燥相關(guān)因子達(dá)到0.25 s·（kg/m2）-1即可保證濾餅含濕率低于12%。

[1] 劉建新，白鵬.對(duì)苯二甲酸工藝技術(shù)及生產(chǎn)[J].化工科技，2000，8（3）:64-67

[2] 陳樹章，王紹亭.非均相物系分離[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993:90-92

[3] 丁啟圣，王維一.新型實(shí)用過濾技術(shù)[M].第二版.北京:冶金工業(yè)出版社，2005:56-68

Abstract A theoretical and experimental study of the filter cake washing and drying performance during the pressure filtration of purified terephthalic acid （PTA） slurry was conducted. Factors affecting the filter cake washing and drying performance were analyzed theoretically. The influence of operating parameters，such as washing intensity and washing water amount on the washing effect was studied， and a mathematical model of PTA filter cake washing was developed. The influence of filter cake drying parameters， such as time and pressure， on the moisture content of filter cake was analyzed， and an affecting rule was obtained. These results w ill be helpful for the development of one-step PTA pressure filtration technology， which m ight replace the existed popular two-step PTA centrifugal separation technology in future.

Key Words：purified terephthalic acid; slurry; pressure; filtration; washing; drying

阿克蘇諾貝爾公司的寧波螯合物裝置投產(chǎn)

阿克蘇諾貝爾公司于2009年12月21日宣布，其在寧波投資2.75億歐元的多產(chǎn)品生產(chǎn)基地建設(shè)的螯合物裝置投產(chǎn)。該裝置的開工投產(chǎn)意味著阿克蘇諾貝爾公司現(xiàn)已成為在歐洲、北美和亞洲擁有這類生產(chǎn)裝置唯一的大型螯合物生產(chǎn)商。新的乙胺和環(huán)氧乙烷裝置也將于2010年在該生產(chǎn)基地投入生產(chǎn)，隨后還將投產(chǎn)有機(jī)過氧化物裝置。

阿克蘇諾貝爾公司表示，該新裝置將有助于優(yōu)化該公司的全球供應(yīng)鏈，將按阿克蘇諾貝爾公司Dissolvine?產(chǎn)品品牌來生產(chǎn)基礎(chǔ)螯合物中的大多數(shù)產(chǎn)品。這將包括該公司新的生物可降解螯合劑Dissolvine GL，Dissolvine GL可用于生產(chǎn)清洗劑和油田化學(xué)品，預(yù)計(jì)作為清洗配方中磷酸鹽的替代將起重要作用。

阿克蘇諾貝爾公司在中國(guó)已擁有超過6 000名員工和25個(gè)生產(chǎn)基地，2008年的營(yíng)業(yè)收入為10億歐元。

[章文摘譯自 CE，2009-12-21]

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF THE FILTER CAKE WASHING AND DRYING PERFORMANCE DURING PTA SLURRY PRESSURE FILTRATION

Li Dayang
（Nanjing University of Technology，Nanjing 210009）

2009-10-10；修改稿收到日期：2009-12-01。

李大仰（1964—），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，化工機(jī)械專業(yè)，主要從事化工設(shè)備管理工作。