PTA裝置氧化單元過濾系統(tǒng)技術(shù)改造

雷 玲，錢枝茂，尹 新

(1.南京科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210048；2. 江陰漢邦石化公司，江蘇 江陰 214432；3.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210031)

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PTA裝置氧化單元過濾系統(tǒng)技術(shù)改造

雷 玲1，錢枝茂2，尹 新3

(1.南京科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 210048；2. 江陰漢邦石化公司，江蘇 江陰 214432；3.南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210031)

以采用Dupont工藝技術(shù)的600 kt/a精對(duì)苯二甲酸(PTA)生產(chǎn)裝置為例，介紹了裝置氧化單元的過濾工藝及旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)的工作原理；由于旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)存在配套設(shè)備較多、能耗偏高、投資偏高等問題，需對(duì)其過濾系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)；以旋轉(zhuǎn)液壓過濾機(jī)取代旋轉(zhuǎn)真空(壓力)過濾機(jī)，對(duì)旋轉(zhuǎn)液壓過濾機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，將其應(yīng)用于生產(chǎn)。結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)液壓過濾機(jī)的基本操作參數(shù)設(shè)定為壓力0.50～0.60 MPa，溫度142～148 ℃，過濾壓差0.22～0.26 MPa，轉(zhuǎn)速1 r/min，在此條件下得到了操作停留時(shí)間為洗滌時(shí)間10 s，脫水時(shí)間10 s，反吹時(shí)間10 s，其旋轉(zhuǎn)液壓過濾機(jī)處理效果較好；在停留時(shí)間相同、負(fù)荷相同的條件下，旋轉(zhuǎn)液壓過濾機(jī)的處理能力是旋轉(zhuǎn)真空(壓力)過濾機(jī)處理能力的2倍左右，其能耗和投資分別是旋轉(zhuǎn)真空(壓力)過濾機(jī)的30%，35%。

精對(duì)苯二甲酸 旋轉(zhuǎn)液壓過濾機(jī) 旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī) 氧化單元 工藝參數(shù)

精對(duì)苯二甲酸(PTA)是一種重要的有機(jī)化工原料，廣泛應(yīng)用于化纖、食品包裝、建筑材料等各個(gè)行業(yè)。目前典型PTA生產(chǎn)工藝分兩步：第一步是對(duì)二甲苯(PX)氧化單元，以醋酸(HAC)為溶劑， Co2+/Mn2+/Br-為催化劑，PX與氧氣反應(yīng)(反應(yīng)溫度192～201 ℃，壓力1.35～1.65 MPa)，生成粗對(duì)苯二甲酸(TA)；然后含有TA的反應(yīng)液經(jīng)過結(jié)晶、過濾、干燥等過程，得到TA產(chǎn)品；第二步是TA精制，以水為溶劑， Pd/C為催化劑，TA水溶液經(jīng)加氫反應(yīng)(反應(yīng)溫度280～286 ℃，壓力6.8～8.1 MPa)，除去對(duì)羧基苯甲醛(4-CBA)等雜質(zhì)，再經(jīng)過固液分離、干燥等過程，得到PTA產(chǎn)品。

近年來國內(nèi)PTA產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，單套PTA裝置生產(chǎn)能力已達(dá)2 100 kt/a；2014年，中國PTA總生產(chǎn)能力已達(dá)到31 470 kt/a[1]。PTA 企業(yè)間的競爭日益激烈，目前，相比同等規(guī)模的Dupont工藝PTA裝置，采用國際先進(jìn)的BP-Amoco工藝PTA裝置綜合能耗降低了約60%[2]。因此，如何簡化工藝流程，減少投資費(fèi)用，降低綜合能耗，是各PTA生產(chǎn)廠亟待解決的問題。作者以采用Dupont工藝技術(shù)的600 kt/a PTA裝置(簡稱Pupont工藝PTA裝置)改造擴(kuò)建為例，主要介紹PTA裝置氧化單元的固-液分離(過濾)系統(tǒng)的工藝改進(jìn)，以旋轉(zhuǎn)液壓過濾機(jī)取代旋轉(zhuǎn)真空(壓力)過濾機(jī)，并且對(duì)液壓過濾機(jī)技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，確定合適的工藝參數(shù)，為PTA生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行工藝技術(shù)改造提供參考。

1 PTA裝置氧化單元過濾系統(tǒng)工藝介紹

對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)的PTA裝置，其氧化單元固-液分離系統(tǒng)最早采用壓力離心機(jī)和常壓離心機(jī)進(jìn)行分離操作，由于壓力離心機(jī)和常壓離心機(jī)存在速度高，能耗高、故障率高等缺點(diǎn)，后來被轉(zhuǎn)速較低的壓力過濾機(jī)或真空過濾機(jī)取代[3]，以加壓或真空作為推動(dòng)力進(jìn)行過濾分離操作。隨著PTA工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步， 現(xiàn)在采用的真空(壓力)過濾機(jī)仍然存在能耗偏高的問題；為了裝置節(jié)能降耗，需進(jìn)一步對(duì)過濾系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。旋轉(zhuǎn)壓力過濾機(jī)與旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)構(gòu)造、工作原理完全相同，只是操作壓力不同，下面主要介紹旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)工作原理。

1.1 旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)工作原理

Dupont工藝PTA裝置氧化單元過濾系統(tǒng)采用兩臺(tái)旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)，通常兩臺(tái)并行運(yùn)轉(zhuǎn)，并且配套有母液罐、真空泵，緩沖罐等相應(yīng)設(shè)備。旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)是由繞水平軸旋轉(zhuǎn)的圓筒形過濾轉(zhuǎn)鼓和氮?dú)饷芊獾臍んw組成，見圖1。進(jìn)料罐中的漿料由泵輸送至漿料槽中，過濾機(jī)將母液吸入轉(zhuǎn)鼓中，再經(jīng)過濾布過濾，濾布安裝在轉(zhuǎn)鼓外側(cè)面；TA固體留在轉(zhuǎn)鼓的外側(cè)面形成濾餅，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)側(cè)由于處在真空狀態(tài)，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)外壓差約50 kPa,使得母液通過濾布被壓入轉(zhuǎn)鼓內(nèi)。

圖1 旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)構(gòu)造示意Fig.1 Structure of rotary vacuum filter

過濾機(jī)漿料槽內(nèi)設(shè)有可調(diào)高度的擋板，用于改變漿料槽深度，轉(zhuǎn)鼓浸沒漿料槽一定深度(10%～20%)。在過濾過程中，使用溶劑噴淋洗滌濾餅。反吹板里的氣體穿過轉(zhuǎn)鼓和濾布，將濾布上的濾餅吹落，濾餅掉入排料槽后再輸送至干燥器。反吹板也可以將醋酸溶劑和氣體穿過轉(zhuǎn)鼓和濾布后進(jìn)入漿料槽，用于間歇清洗濾布。旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)旋轉(zhuǎn)一周包括過濾、脫酸、沖洗、再脫酸、反吹下料、清洗濾布等6個(gè)步驟。過濾機(jī)材質(zhì)為316L不銹鋼，轉(zhuǎn)鼓外壓力為0.10～0.11 MPa，轉(zhuǎn)鼓內(nèi)為真空0.04～0.05 MPa，漿料進(jìn)料溫度85～92 ℃ (殼體內(nèi)設(shè)計(jì)溫度125 ℃)。旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)轉(zhuǎn)鼓過濾面積為16～17 m2。

1.2 TA過濾系統(tǒng)工藝流程

Dupont工藝PTA裝置的氧化單元采用旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)，TA過濾系統(tǒng)工藝流程見圖2。由圖2可看出，從氧化單元第三結(jié)晶器排出的TA漿料輸送到過濾機(jī)進(jìn)料罐中，然后再進(jìn)料至旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)中，TA濕濾餅留在過濾機(jī)濾布上，而母液進(jìn)入到過濾機(jī)轉(zhuǎn)鼓內(nèi)。母液和氣體(汽化物)被抽出過濾機(jī)轉(zhuǎn)鼓后進(jìn)入到母液分離罐中，分離為兩相。惰性氣體及汽化物經(jīng)真空氣體冷凝器后進(jìn)入到真空泵，后又被送至真空泵氣液分離罐中；過量的濾液輸送至母液分離罐中。循環(huán)惰性氣體返回過濾機(jī)中被分為兩股，一股在過濾機(jī)殼體中，氣體流過濾餅使之干燥；另一股在濾餅排料槽中，用于反吹濾餅下料，TA濾餅排放去干燥機(jī)。

圖2 Dupont工藝TA過濾系統(tǒng)工藝流程Fig.2 Flow chart of TA filtration system for Dupont process

從母(濾)液分離罐中排出的母液被送至母液罐中，母液循環(huán)率為85%。旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)可以將從進(jìn)料罐輸送來的漿料分離成濾餅和母液兩部分，其中濾餅中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于15%，而母液中固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于1%。

1.3 旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)存在問題

Dupont工藝 PTA裝置氧化單元采用旋轉(zhuǎn)真空過濾機(jī)加干燥機(jī)進(jìn)行固-液分離、干燥獲得TA中間產(chǎn)品，存在設(shè)備數(shù)量較多、能耗偏高，投資偏多等問題。另外，旋轉(zhuǎn)真空(壓力)過濾機(jī)轉(zhuǎn)鼓外面的大型濾布面積為16～17 m2，轉(zhuǎn)鼓的外側(cè)面形成大型濾餅，由于受到重力作用，濾餅厚度一般不超過5 cm。旋轉(zhuǎn)真空(壓力)過濾機(jī)從進(jìn)料泵進(jìn)料后在料斗中減壓，由于氣流速度較快(一般可達(dá)到10 m/s),造成液體在過濾機(jī)料斗中易形成大的渦流，從而造成能量損失[4]，影響大型濾餅的形成。

2 旋轉(zhuǎn)液壓過濾機(jī)技術(shù)特點(diǎn)分析

為了PTA裝置節(jié)能降耗，必需進(jìn)一步對(duì)TA過濾系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。由于旋轉(zhuǎn)真空(壓力)過濾機(jī)因氣流速度較快而使得液體在過濾機(jī)料斗中易形成大的渦流，所以必需對(duì)過濾機(jī)料斗中大渦流進(jìn)行分解，消除渦流影響?；谏鲜隹紤]，對(duì)過濾機(jī)及過濾系統(tǒng)的改進(jìn)提出以下設(shè)想：

(1)設(shè)計(jì)新型液壓過濾機(jī)，降低流體流速，減少能量損失，即充分利用進(jìn)料泵的壓力，氣壓推動(dòng)改為液壓推動(dòng)(液體流速一般1～2 m/s)。

(2)設(shè)計(jì)新型液壓過濾機(jī)，縮小過濾面積，分解大渦流，形成層流，即將原大型濾餅劃分為許多個(gè)小型濾餅，而濾餅形成總量不變，濾餅厚度增加。

(3)改進(jìn)過濾機(jī)轉(zhuǎn)鼓外側(cè)面結(jié)構(gòu)，側(cè)面劃分為許多個(gè)有一定深度的小方格，利于形成小型濾餅。

(4)縮小過濾機(jī)外形尺寸，減少占地面積。

(5)設(shè)計(jì)新型液壓過濾機(jī)，同時(shí)具備溶劑置換功能，即直接用水置換出TA漿料中的醋酸，含水TA漿料送至加氫精制單元打漿罐，以新型液壓過濾機(jī)代替真空過濾機(jī)，同時(shí)取消干燥機(jī)和中間料倉。

3 旋轉(zhuǎn)液壓過濾機(jī)在PTA生產(chǎn)中的應(yīng)用

設(shè)計(jì)一個(gè)小型過濾系統(tǒng)試驗(yàn)裝置，包含旋轉(zhuǎn)液壓過濾器(過濾面積約為0.06 m2)，以及緩沖罐、濾液罐、水洗罐(三者體積均為為0.5 m3)。物料取自PTA裝置氧化單元第三結(jié)晶器排出的TA漿料，將TA漿料置于緩沖罐內(nèi)。試驗(yàn)時(shí)先根據(jù)需要確定過濾單元高度，然后TA漿料進(jìn)入到過濾器中，利用液壓進(jìn)行過濾；過濾結(jié)束后，再依次進(jìn)行水洗、脫水，再水洗、再脫水過程，最后反吹下料。該試驗(yàn)裝置有液位、壓力和流量指示。 液壓過濾機(jī)洗滌液體形態(tài)為層流，洗滌為浸泡式，比原來的旋轉(zhuǎn)真空(壓力)過濾的淋洗效果要好。

3.1 旋轉(zhuǎn)液壓過濾機(jī)基本操作參數(shù)

旋轉(zhuǎn)液壓過濾機(jī)基本操作參數(shù)設(shè)定參照旋轉(zhuǎn)真空壓力過濾機(jī)操作參數(shù)設(shè)定。 液壓過濾機(jī)操作壓力為0.5～0.60 MPa，操作溫度142～148 ℃，過濾壓差為0.22～0.26 MPa。試驗(yàn)時(shí)液壓過濾機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定1 r/min。

3.2 操作停留時(shí)間

3.2.1 洗滌時(shí)間

在溫度為142～148 ℃，過濾壓差為0.22～0.26 MPa的條件下進(jìn)行過濾、洗滌，其洗滌時(shí)間對(duì)濾餅的質(zhì)量影響如表1所示。由表1可看出，當(dāng)洗滌時(shí)間為10，11 s時(shí)，濾餅的雜質(zhì)含量為145，140 μg/g，達(dá)到工藝要求的濾餅雜質(zhì)含量小于150 μg/g的標(biāo)準(zhǔn)，考慮到過濾效率和成本等因素，確定洗滌時(shí)間為10 s較適宜。

表1 洗滌時(shí)間對(duì)濾餅質(zhì)量的影響Tab.1 Effect of washing time on filter cake quality

3.2.2 脫水時(shí)間

在溫度為142～148 ℃，過濾壓差為0.22～0.26 MPa，脫水氣壓為0. 10 ～ 0. 15MPa的條件下，進(jìn)行過濾、洗滌、脫水，其脫水時(shí)間對(duì)濾餅的脫水效果如表2所示。由表2可見，當(dāng)脫水時(shí)間為10，11 s時(shí)，其濾餅的含濕量為9.9%，8.9%，達(dá)到工藝要求的含濕量小于10%的標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮，選擇脫水時(shí)間為10 s較適宜。

表2 脫水時(shí)間對(duì)濾餅質(zhì)量的影響Tab.2 Effect of dewatering time on filter cake quality

3.2.3 反吹時(shí)間

在溫度為142～148 ℃，過濾壓差為0. 22 ～ 0. 26 MPa，反吹氣壓為0. 10 ～ 0. 15 MPa的條件下，反吹時(shí)間對(duì)過濾效果的影響如表3所示。由表3可見，當(dāng)反吹時(shí)間為10，11 s時(shí)，其濾餅的含濕量達(dá)到工藝要求的含濕量小于10% 的標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮其他因素影響，確定反吹時(shí)間為10 s較適宜。

表3 反吹時(shí)間對(duì)濾餅質(zhì)量的影響Tab.3 Effect of blowback time on filter quality

3.3 旋轉(zhuǎn)液壓過濾機(jī)的應(yīng)用效果

將旋轉(zhuǎn)液壓過濾機(jī)進(jìn)行工業(yè)化設(shè)計(jì)并應(yīng)用于PTA生產(chǎn)裝置，在旋轉(zhuǎn)液壓過濾機(jī)與旋轉(zhuǎn)真空(壓力)過濾機(jī)操作停留時(shí)間相同，生產(chǎn)負(fù)荷相同、產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)的情況下，旋轉(zhuǎn)液壓過濾機(jī)的處理能力有了很大提高。二者的應(yīng)用效果對(duì)比見表4。

表4 旋轉(zhuǎn)真空(壓力)過濾機(jī)與旋轉(zhuǎn)液壓過濾機(jī)的應(yīng)用效果Tab.4 Application of rotary vacuum (pressure) filter and rotary hydraulic filter

從表4可以看出，旋轉(zhuǎn)液壓過濾機(jī)的處理能力高于旋轉(zhuǎn)真空(壓力)過濾機(jī)的處理能力，其濾餅平均厚度由旋轉(zhuǎn)真空壓力過濾機(jī)的35 mm增加到135 mm，其處理能力是旋轉(zhuǎn)真空(壓力)過濾機(jī)的2倍左右；液壓過濾機(jī)能耗只有旋轉(zhuǎn)真空(壓力)過濾機(jī)的30%，投資只有旋轉(zhuǎn)真空(壓力)過濾機(jī)的35%。

4 結(jié)論

a. 液壓過濾機(jī)是一種低能耗的固-液分離設(shè)備，Dupont工藝PTA裝置采用旋轉(zhuǎn)液壓過濾機(jī)替代旋轉(zhuǎn)真空(壓力)過濾機(jī)，可以簡化氧化單元工藝流程，取消干燥機(jī)和中間料倉。

b. 在設(shè)定旋轉(zhuǎn)液壓過濾機(jī)的基本操作參數(shù)為操作壓力0.50～0. 60 MPa，溫度142～148 ℃，過濾壓差0.22～0.26 MPa，轉(zhuǎn)速1 r/min的條件下，得到操作停留時(shí)間為洗滌時(shí)間10 s，脫水時(shí)間10 s，反吹時(shí)間10 s。

c. 在停留時(shí)間相同、生產(chǎn)負(fù)荷相同的條件下，旋轉(zhuǎn)液壓過濾機(jī)的處理能力是旋轉(zhuǎn)真空(壓力)過濾機(jī)的2倍左右，但其能耗只有旋轉(zhuǎn)真空(壓力)過濾機(jī)的30%，投資成本只有旋轉(zhuǎn)真空(壓力)過濾機(jī)的35%。

[1] 錢伯章.世界PET及其原料工業(yè)發(fā)展趨勢[J].聚酯工業(yè),2015,28(5):1-3.

[2] 雷玲,錢枝茂.BP-Amoco精對(duì)苯二甲酸生產(chǎn)工藝技術(shù)分析[J].合成纖維工業(yè),2014,37(5):65-68.

[3] 黃興東.國產(chǎn)真空過濾機(jī)在PTA裝置中的應(yīng)用[J],聚酯工業(yè),2007,20(2):51-53.

[4] 周光垌.流體力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2011:276-278.

Technological reformation of filtration system for oxidation unit of PTA plant

Lei Ling1, Qian Zhimao2, Yin Xin3

(1．NanjingPolytechnicInstitute,Nanjing210048; 2.JiangyinHanbangPetrochemicalCompany,Jiangyin214432; 3.NanjingInstituteofRailwayTechnology,Nanjing,210031)

The filtration process of oxidation unit and the working principle of rotary vacuum filter were introduced by using a 600 kt/a purified terephthalic acid (PTA) plant of Dupont process as an example. The filtration system was reformed because of complex auxiliary equipments, high energy consumption and high investment. The rotary vacuum (pressure) filter was replaced with a rotary hydraulic filter. And the technological characteristics of the rotary hydraulic filter was analyzed and the production application was carried out. The results showed that the basic operation parameters of rotary hydraulic filter were set as pressure 0.50-0.60 MPa, temperature 142-148 ℃, filtration pressure difference 0.22-0.26 MPa, rotation speed 1 r/min; the filtration effect was satisfying when the residence time was decided as washing time 10 s, dewatering time 10 s and blowback time 10 s based on the basic operation parameters; the rotary hydraulic filter was about twice the filtration efficiency of rotary vacuum (pressure) filter and was 30% and 35% of the rotary vacuum (pressure) filter in the energy consumption and investment cost, respectively, at the same residence time and load.

purified terephthalic acid; rotary hydraulic filter; rotary vacuum filter; oxidation unit; process parameter

2015- 05- 08； 修改稿收到日期：2016- 01-11。

雷玲(1965 —)，女，碩士，副教授，現(xiàn)主要從事化工專業(yè)課程教學(xué)及科研工作。E-mail：leilinghn@163.com。

2013年江蘇省高校哲社科學(xué)基金項(xiàng)目“建設(shè)生態(tài)文明的江蘇物流業(yè)新體系研究”(2013SJB6300065)。

TQ245.1+2

A

1001- 0041(2016)01- 0062- 04