濃相氣力輸送在PTA輸送系統(tǒng)上的應(yīng)用

李　娜

上海寰球工程有限公司　上?！?00032

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濃相氣力輸送在PTA輸送系統(tǒng)上的應(yīng)用

李娜*

上海寰球工程有限公司上海200032

介紹濃相氣力輸送的技術(shù)原理、工作過程、系統(tǒng)的自動(dòng)控制及在PTA粉料輸送上的應(yīng)用。

濃相氣力輸送PTA粉料

氣力輸送，是指利用氣體在管道中的流動(dòng)，使物料沿著指定的路線進(jìn)行輸送。因其占地面積小、設(shè)備易于安裝、自動(dòng)化程度高、有利于環(huán)境保護(hù)等特點(diǎn)，氣力輸送技術(shù)越來越受到國(guó)內(nèi)多行業(yè)的重視。濃相輸送作為氣力輸送中的新技術(shù)，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，是目前國(guó)際上比較先進(jìn)的氣力輸送技術(shù)之一[1]。

1　工作原理及過程

1.1工作原理

濃相輸送，是利用輸送管內(nèi)壓縮氣體的靜壓及動(dòng)壓輸送物料，采用間歇式自動(dòng)運(yùn)行方式循環(huán)運(yùn)行。物料通過頂部下料閥落入發(fā)送罐后，利用發(fā)送罐底部的流化盤對(duì)物料進(jìn)行流化處理，當(dāng)發(fā)送罐內(nèi)壓力上升到設(shè)定值后，開啟出料閥，物料以流化態(tài)的形式進(jìn)行輸送。輸送結(jié)束后，延時(shí)進(jìn)行管道吹掃，當(dāng)輸送壓力下降到設(shè)定值后，再開啟下料閥開始下料，物料按以上步驟進(jìn)行循環(huán)輸送。

1.2工作過程

濃相輸送的輸送循環(huán)可分為四個(gè)階段：進(jìn)料階段、充壓階段、輸送階段和吹掃階段。各個(gè)階段循環(huán)見圖1。

進(jìn)料階段——進(jìn)料閥與排氣閥開啟，進(jìn)氣閥和出料閥關(guān)閉，需輸送的物料進(jìn)倉(cāng)泵，當(dāng)達(dá)到設(shè)定料位或設(shè)定重量(帶稱重儀)時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)料閥及排氣閥，進(jìn)料結(jié)束。

充壓階段——進(jìn)料閥、排氣閥及出料閥關(guān)閉，進(jìn)氣閥開啟，壓縮氣體通過流化盤均勻進(jìn)入倉(cāng)泵，倉(cāng)泵內(nèi)壓力升高，倉(cāng)泵內(nèi)粉料均勻流化，當(dāng)倉(cāng)泵內(nèi)壓力升至設(shè)定點(diǎn)時(shí)，打開出料閥，充壓結(jié)束。

圖1　濃相輸送循環(huán)

輸送階段——進(jìn)料閥關(guān)閉，進(jìn)氣閥和出料閥呈開啟狀態(tài)，氣固混合物進(jìn)輸送管道。在輸送過程中，倉(cāng)泵內(nèi)保持平穩(wěn)輸送壓力，當(dāng)倉(cāng)泵內(nèi)物料輸送完畢，倉(cāng)泵內(nèi)壓力下降，當(dāng)壓力降至設(shè)定值時(shí)，結(jié)束輸送狀態(tài)，進(jìn)入吹掃。

吹掃階段——進(jìn)料閥保持關(guān)閉，進(jìn)氣閥和出料閥仍呈開啟狀態(tài)，壓縮氣體吹掃倉(cāng)泵和輸送管道內(nèi)殘余的物料，便于下一循環(huán)輸送。吹掃過程由時(shí)間控制。吹掃過程結(jié)束后，系統(tǒng)關(guān)閉出料閥及進(jìn)氣閥，打開進(jìn)料閥及排氣閥，系統(tǒng)恢復(fù)至進(jìn)料。

1.3輸送設(shè)備

上引式發(fā)送罐是濃相輸送系統(tǒng)中較為常用的一種輸送設(shè)備，其結(jié)構(gòu)圖見圖2。

采用上引式流態(tài)化倉(cāng)泵結(jié)構(gòu)，倉(cāng)泵本體是能承受一定壓力和溫度的壓力容器，并具有抗內(nèi)壁磨損和承受循環(huán)疲勞載荷的能力。倉(cāng)泵上端配置氣動(dòng)進(jìn)料閥，該閥可采用氣動(dòng)蝶閥或?qū)Ｓ眠M(jìn)料閥。倉(cāng)泵內(nèi)部為一上引式管道，與出料閥及輸送管道相連。上引管下端為流化盤，上引管端部與流化盤之間保持一定的間距。倉(cāng)泵本體上設(shè)有必要的工藝管道及傳感器件接口和檢修手孔。

圖2　上引式發(fā)送罐

1.4系統(tǒng)控制

濃相輸送過程主要由DCS或PLC通過現(xiàn)場(chǎng)安裝的料位計(jì)、壓力變送器等元器件采集發(fā)送罐的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，并按合理的工藝流程加以控制，使系統(tǒng)具備以下功能：數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)監(jiān)視和工廠的過程控制；順序控制；報(bào)警、事件處理和操作記錄；實(shí)時(shí)參數(shù)值，帶圖像和數(shù)據(jù)顯示；工藝變量的趨勢(shì)顯示；具有動(dòng)態(tài)更新數(shù)據(jù)的工藝流程畫面；維護(hù)管理；數(shù)據(jù)庫(kù)管理和報(bào)告管理。

2　PTA粉料的濃相輸送

2.1項(xiàng)目概況

以某公司PTA(精對(duì)苯二甲酸)氣力輸送系統(tǒng)為例，詳細(xì)說明濃相輸送技術(shù)在PTA粉料輸送系統(tǒng)中的應(yīng)用。該公司180kt/a聚酯項(xiàng)目PTA轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)要求將原有PTA粉料儲(chǔ)存料倉(cāng)中的PTA原料通過氣力輸送送至包裝料倉(cāng)，輸送水平距離為700m，垂直距離20m。物料性質(zhì)見表1。

表1　物料性質(zhì)

項(xiàng)目難點(diǎn)在于系統(tǒng)的遠(yuǎn)距離輸送，當(dāng)時(shí)在國(guó)內(nèi)同行業(yè)的PTA輸送上，還沒有出現(xiàn)400m以上的距離。分析原始條件，最終將輸送方式定為濃相式氣力輸送。因?yàn)橄鄬?duì)單純依靠動(dòng)壓輸送的稀相輸送而言，輸送效率更高，能耗更少；相對(duì)于單純依靠靜壓輸送的密相脈沖輸送(氣刀式脈沖輸送)而言，輸送更加穩(wěn)定，輸送距離也更遠(yuǎn)。

初步設(shè)計(jì)流程見圖3。

圖3　PTA粉料輸送流程

儲(chǔ)存料倉(cāng)中的PTA粉料通過下料閥門落入上引式發(fā)送罐，來自壓縮機(jī)的壓縮氮?dú)饨?jīng)冷卻器冷卻后通過發(fā)送罐底部的流化盤對(duì)罐內(nèi)的粉料進(jìn)行流化，當(dāng)罐內(nèi)壓力上升到設(shè)定值后，系統(tǒng)開啟出料閥門將物料輸送至包裝料倉(cāng)，輸送氣體經(jīng)袋濾器過濾后排至后系統(tǒng)進(jìn)行處理(兩臺(tái)發(fā)送罐共用一條輸送管道，交替發(fā)送操作)。

2.2系統(tǒng)計(jì)算

初步流程確定后，對(duì)物料輸送管進(jìn)行配管研究，確定管道走向及設(shè)備布置，然后對(duì)輸送系統(tǒng)進(jìn)行一系列工藝計(jì)算。

計(jì)算氣力輸送系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)通過的最大輸送量，一般按下式計(jì)算：

(1)

式中，G′為小時(shí)生產(chǎn)量，kg/h；G為裝置年需要量，kg/h；Dy為年工作日；H為每天工作小時(shí)數(shù)。

該裝置需要量為180kt/a，年工作日為300d，三班制工作，每班工作8h，將以上條件代入式(1)，得出最大輸送量為25×103kg/h。

氣力輸送計(jì)算風(fēng)量指在常壓狀態(tài)下，溫度20℃，相對(duì)濕度50%，輸送物料所需的有效風(fēng)量。計(jì)算公式：

(2)

式中，Q0為常壓下20℃時(shí)的輸送風(fēng)量，m3/h；Gs為計(jì)算生產(chǎn)率，kg/h；μ為固氣比；ρ0為常壓下20℃時(shí)的氣體密度，氮?dú)鉃?.16kg/m3；α0為裕量系數(shù)，取1.05。

由于系統(tǒng)輸送距離較遠(yuǎn)并參考工程經(jīng)驗(yàn)，選固氣比μ為20。

將數(shù)據(jù)帶入式(2)，得出輸送風(fēng)量為1131m3/h。

輸送管內(nèi)徑計(jì)算公式：

(3)

式中，D為輸送管內(nèi)徑，m；Q為所需氣量，m3/h；υ為氣體流速，m/s，設(shè)管道終端流速為20m/s。

設(shè)輸送管終端壓力P1為106.3kPa，體積流量Q：

將數(shù)據(jù)帶入式(3)，得出輸送管內(nèi)徑為0.138m。取標(biāo)準(zhǔn)管內(nèi)徑Φ為134mm。

由于系統(tǒng)輸送水平距離太長(zhǎng)，輸送管一直用Φ=134mm的管徑輸送時(shí)輸送管后半段速度會(huì)很大，容易產(chǎn)生物料熔融、粘壁等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致輸送管堵料等問題。決定采用變徑管道系統(tǒng)，初步設(shè)定管道變徑范圍5″～8″(逐步變徑，以免速度變化過快)。

系統(tǒng)壓力損失計(jì)算：

本系統(tǒng)壓力損失包括：Ⅰ號(hào)水平輸送管；Ⅱ號(hào)彎管；Ⅲ號(hào)垂直輸送管；Ⅳ號(hào)彎管；Ⅴ號(hào)水平輸送管；物料啟動(dòng)壓力損失和袋濾器(袋式除塵器)壓力損失[2]。

為方便計(jì)算，從管道終點(diǎn)向前推算。系統(tǒng)末端為袋濾器，根據(jù)所選用設(shè)備的資料，其壓力損失估算ΔP尾為5kPa，現(xiàn)逐步推算：

設(shè)袋濾器進(jìn)料口為①號(hào)點(diǎn)：

氮?dú)鈮毫Γ?/p>

P1=101.3+5≈106.3kPa

氮?dú)饷芏龋?/p>

氮?dú)饬魉伲?/p>

υ1=20m/s

Ⅰ號(hào)水平輸送管壓力損失：

ΔPⅠ=ΔP沿(1+μK)=687.3×(1+20×0.5)

≈7560Pa=7.56kPa

Ⅱ號(hào)彎管壓力損失：

設(shè)彎管與上述水平管連接處為②點(diǎn)

Ⅲ號(hào)垂直管壓力損失：

設(shè)垂直管與上述彎頭接管處為③點(diǎn)

Ⅳ號(hào)彎管壓力損失：

設(shè)彎頭與上述垂直管處為④

由于彎頭是水平轉(zhuǎn)垂直，上式中的K彎取3。

Ⅴ號(hào)水平管壓力損失：

已設(shè)定輸送管線變徑范圍為5″～8″， 設(shè)：L1=190m，D1=0.213mm；L2=180m，D2=0.188mm；L3=150m，D3=0.162mm；L4=150m，D4=0.134mm。分別代入公式計(jì)算：

設(shè)第一段8″管與上述彎頭相接處為⑤

設(shè)7″管與8″管相接處為⑥

設(shè)6″管與7″管相接處為⑦

≈43.1kPa

設(shè)5″管與6″管相接處為⑧

得：

ΔPⅤ=ΔPa+ΔPb+ΔPc+ΔPd≈187kPa

物料啟動(dòng)壓力損失計(jì)算：

ΔP總=ΔP尾+ΔPⅠ+ΔPⅡ+ΔPⅢ

+ΔPⅣ+ΔPⅤ+ΔP起=215kPa

由于壓力損失還應(yīng)包括壓縮機(jī)、消音器、接管等壓力損失，設(shè)計(jì)時(shí)增加20%的裕量，總壓降為260kPa。

壓縮機(jī)所需氣量為：

Q=A·υ=0.785×0.2132×20×3600≈2564m3/h

2.3系統(tǒng)配置

系統(tǒng)配置見表2。

表2　系統(tǒng)配置

2.4工藝簡(jiǎn)述

工藝流程參見圖3。來自生產(chǎn)區(qū)儲(chǔ)存料倉(cāng)中的PTA粉料分別通過氣動(dòng)滑板閥和氣動(dòng)蝶閥進(jìn)上引式發(fā)送罐。為使下料通暢，在下料的過程中需使平衡管線上的氣動(dòng)球閥處于開啟狀態(tài)。發(fā)送罐進(jìn)料到料位高報(bào)警后，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉氣動(dòng)滑板閥，5s后再關(guān)閉氣動(dòng)蝶閥，閥門關(guān)閉到位后，系統(tǒng)開啟進(jìn)氣閥，通過發(fā)送罐底部流化盤使罐內(nèi)PTA粉料充氣流化，發(fā)送罐內(nèi)的壓力也隨之緩慢上升，當(dāng)達(dá)到壓力設(shè)定值P1后開啟二次氣閥，延時(shí)2s出料閥開啟，PTA粉料隨即以懸浮狀態(tài)進(jìn)輸送管道進(jìn)行輸送，直到輸送壓力降到壓力設(shè)定值P2后，關(guān)閉進(jìn)氣閥，同時(shí)關(guān)閉出料閥，結(jié)束物料的輸送過程，延時(shí)20s吹掃輸送管后，關(guān)閉二次氣閥結(jié)束吹掃，同時(shí)開啟平衡氣閥平衡罐內(nèi)壓力，當(dāng)壓力下降到壓力設(shè)定值P3時(shí)，由PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和儲(chǔ)存，并顯示出輸送次數(shù)、累計(jì)輸送量、送料時(shí)間等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)記錄完畢后，系統(tǒng)依次開啟發(fā)送罐頂部氣動(dòng)蝶閥及氣動(dòng)滑板閥下料，開始下一輪輸送循環(huán)。

2.5現(xiàn)場(chǎng)開車情況反饋

開車情況參數(shù)見表3和表4。

表3　現(xiàn)場(chǎng)開車情況反饋發(fā)送罐A

表4　現(xiàn)場(chǎng)開車情況反饋發(fā)送罐B

從現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試情況來看，文中的設(shè)計(jì)計(jì)算及設(shè)備選型是確實(shí)可靠的，發(fā)送罐B的平均輸送壓力為257kPa，發(fā)送罐A由于布置的原因，輸送距離比B罐遠(yuǎn)，所以平均輸送壓力也相應(yīng)增加至280kPa。按表3和表4所示，系統(tǒng)每批物料的平均輸送時(shí)間為90s左右。因雙罐交替發(fā)送，下料時(shí)間可以不記入輸送循環(huán)時(shí)間(A罐輸送時(shí)B罐下料，反之亦然)，計(jì)算所得實(shí)際輸送能力基本滿足設(shè)計(jì)要求。

3　結(jié)語

該公司180kt/a聚酯項(xiàng)目原料PTA轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)已于2005年10月正式開車并穩(wěn)定運(yùn)行至今。從文中的設(shè)計(jì)計(jì)算及生產(chǎn)中的實(shí)際運(yùn)用來看，濃相輸送作為氣力輸送中的新型技術(shù)，相對(duì)傳統(tǒng)的稀相輸送技術(shù)而言，它的固氣比高，動(dòng)能消耗少，輸送距離遠(yuǎn)，輸送效率高；相對(duì)脈沖密相輸送(氣刀輸送)技術(shù)而言，它沒有脈動(dòng)的沖擊，輸送時(shí)更為和諧、穩(wěn)定。濃相輸送系統(tǒng)雖然一次性投資較高，但系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，能量損耗少，維修成本低，是輸送行業(yè)的必然發(fā)展趨勢(shì)。

1陳志希、陳厚通、許向明等. 粉粒體氣力輸送設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 西安：河南科學(xué)技術(shù)出版社，2001：1～48.

2陳宏勛.管道物料輸送與工程應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003:82～86.

3唐敬麟、張祿虎.除塵裝置系統(tǒng)及設(shè)備設(shè)計(jì)選用手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003:295～313.

*李娜：工程師。2004年畢業(yè)于西安石油大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)。從事粉體工程設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：18918180143，E-mail: hjgapple@163.com。

2016-04-12)