新型壓力過濾機(jī)技術(shù)研發(fā)與工業(yè)應(yīng)用

張萬堯， 趙 旭， 孫中心， 李軍良， 林永明， 陳筱金

(1.天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計(jì)院有限公司， 甘肅 蘭州 730060；2. 中國石化 北京燕山石化分公司， 北京 102500；3.中國石化 上海石油化工股份有限公司， 上海 200540)

壓力過濾機(jī)是一種集過濾、洗滌、干燥和卸料于一體的連續(xù)式多功能機(jī)組[1-3]。該機(jī)組廣泛應(yīng)用于間苯二甲酸(PIA)、精對苯二甲酸(PTA)、粗對苯二甲酸及芳香酸等化工產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域，是目前世界上最先進(jìn)的PTA后處理過濾分離設(shè)備，目前為國外某廠商獨(dú)家供貨。為了滿足我國PTA、PIA等裝置重建、改造及優(yōu)化升級需要，天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計(jì)院有限公司展開了相關(guān)技術(shù)設(shè)備的研發(fā)。研發(fā)的技術(shù)成果已經(jīng)應(yīng)用于燕山石化分公司PIA工業(yè)裝置和上海石化分公司PTA裝置，分別于2009-10和2011-11一次性開車運(yùn)行成功，取得良好節(jié)能效果。

1 新型壓力過濾機(jī)研究

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

壓力過濾機(jī)結(jié)構(gòu)模型見圖1，主要包括框架、轉(zhuǎn)鼓、分配頭系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)以及加壓密封系統(tǒng)5個(gè)組成部分。工作時(shí)轉(zhuǎn)鼓以調(diào)速方式在框架內(nèi)受壓旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)鼓與框架之間采用特殊設(shè)計(jì)的密封進(jìn)行隔離，其外表面被加壓單元分成多個(gè)單元。每個(gè)單元就是一個(gè)腔體，由多個(gè)特殊筒體與控制分配頭系統(tǒng)連接而成。壓力過濾機(jī)在加壓狀態(tài)下工作時(shí)，濾餅持續(xù)在單元室中成長，并隨著轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)傳輸?shù)胶笮騾^(qū)域中。濾餅的過濾、洗滌、預(yù)干燥可在一個(gè)或幾個(gè)單元中完成。當(dāng)單元中完全填滿濾餅時(shí)，洗滌液便從不同的清洗口注入以置換穿過濾餅的流體，之后濾餅先在特定的區(qū)域預(yù)干燥，然后旋轉(zhuǎn)到卸料區(qū)。采用氣體反吹或刮板方式卸料，最后進(jìn)入下游單元進(jìn)行干燥。

圖1 壓力過濾機(jī)模型

1.2 工藝流程

傳統(tǒng)的PIA或PTA分離技術(shù)大多為20世紀(jì)70年代從國外引進(jìn)的成套設(shè)備，其精制單元工藝流程見圖2。結(jié)晶反應(yīng)后采用離心機(jī)—罐內(nèi)洗滌—離心機(jī)—真空過濾機(jī)構(gòu)成的組合工藝技術(shù)，其分離流程長、設(shè)備多、技術(shù)落后[4-9]。

圖2 PIA和PTA裝置精制單元傳統(tǒng)分離工藝路線簡圖

新型PIA或PTA精制單元分離工藝路線見圖3。對比圖2的流程可見，新型一體化壓力過濾機(jī)替代了傳統(tǒng)工藝流程中必須的過濾機(jī)、再打漿罐、一級離心機(jī)和二級離心機(jī)，將過濾、洗滌和預(yù)干燥等工序和功能集于一體，縮短了工藝流程，減少了設(shè)備占用的空間。

圖3 PIA和PTA裝置精制單元新型分離工藝路線簡圖

工業(yè)應(yīng)用進(jìn)一步證明，一體化壓力過濾機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便以及降低能耗等優(yōu)點(diǎn)。在PIA和PTA生產(chǎn)行業(yè)，一體化壓力過濾機(jī)是對傳統(tǒng)分離工藝的創(chuàng)新,成為當(dāng)前最受歡迎的一種新型過濾分離技術(shù)，特別適合在用PIA和PTA裝置和在建裝置的工藝流程優(yōu)化，尤其受到對節(jié)能降耗有嚴(yán)格要求的企業(yè)的重視。

1.3 關(guān)鍵組件應(yīng)力分析

新型壓力過濾機(jī)將傳統(tǒng)分離技術(shù)中必須的多個(gè)設(shè)備和多種功能集成一體化，具有功能上的優(yōu)勢，但同時(shí)其設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性增加，突出表現(xiàn)為部分局部結(jié)構(gòu)受力不均?？蚣茉谶^濾、洗滌和干燥工作段承受1.0 MPa內(nèi)壓力，而在其他工作段卻為常壓，承受交變疲勞載荷。轉(zhuǎn)鼓承受持續(xù)的交變疲勞載荷，在任何工作段必須保證相應(yīng)的強(qiáng)度和剛度，不得出現(xiàn)彎曲、變形等缺陷。為確保壓力過濾機(jī)長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，需利用有限元分析軟件對框架和轉(zhuǎn)鼓分別進(jìn)行疲勞分析計(jì)算。

1.3.1 框架

由于框架整體為對稱結(jié)構(gòu)，因此只需創(chuàng)建1/2模型，網(wǎng)格劃分詳見圖4。

圖4 框架網(wǎng)格圖

在框架端法蘭上施加固定約束，框架中心面上施加關(guān)于y向的對稱邊界條件，在框架內(nèi)側(cè)施加不同的壓力載荷和溫度載荷，然后進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)利用JB 4732—1995(2005年確認(rèn))《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的疲勞應(yīng)力幅計(jì)算方法，得出框架應(yīng)力波動云圖，見圖5。從圖5中可以看出，在框架端法蘭頸部區(qū)域應(yīng)力波動值最大，達(dá)到47.521 MPa。對此處進(jìn)行疲勞評定，其應(yīng)力幅為95.532 MPa，對照SN曲線，可以看出其壽命為8.1×109次，大于設(shè)計(jì)壽命2.1×109次。其余位置應(yīng)力幅均小于95.532 MPa，因此框架整體設(shè)計(jì)壽命滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 框架應(yīng)力波動云圖

1.3.2 轉(zhuǎn)鼓

對轉(zhuǎn)鼓建立整體模型，網(wǎng)格劃分見圖6。在轉(zhuǎn)鼓軸承位置施加對應(yīng)軸承邊界條件，在轉(zhuǎn)鼓驅(qū)動側(cè)端面施加扭矩載荷，在轉(zhuǎn)鼓單元格區(qū)域施加壓力載荷，然后進(jìn)行計(jì)算，得出的應(yīng)力云圖見圖7。從圖7中可以看出，在轉(zhuǎn)鼓縱橫筋板交界位置應(yīng)力最大，達(dá)到63.5 MPa，此應(yīng)力值偏高。為滿足設(shè)計(jì)壽命，此處焊接接頭需進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)處理。

圖6 轉(zhuǎn)鼓網(wǎng)格圖

圖7 轉(zhuǎn)鼓應(yīng)力分布云圖

1.4 濾餅洗滌計(jì)算[10-15]

1.4.1 基本假設(shè)

新型壓力過濾機(jī)的過濾、洗滌和干燥過程均要進(jìn)行一系列試驗(yàn)或工藝計(jì)算，其中洗滌計(jì)算為控制過程。在給定入口濾餅(或漿料)組成和排出對甲基苯甲酸(PT酸)總量的情況下，通過洗滌計(jì)算確定洗滌室的個(gè)數(shù)。洗滌過程從濾餅開始，在洗滌室進(jìn)行，洗滌室通常有多個(gè)，具體個(gè)數(shù)受原料組成、產(chǎn)品控制指標(biāo)、洗滌水用量等因素影響并經(jīng)過計(jì)算確定。

洗滌室的進(jìn)料為濾餅，由PTA、水和少量PT酸組成，通過多次加水洗滌—稀釋—過濾分離，達(dá)到逐步降低濾餅中PT酸至規(guī)定指標(biāo)的目的。洗滌過程按順序由第1洗滌室開始到第n洗滌室結(jié)束，整個(gè)洗滌過程可以描述為：初始原料濾餅在第1洗滌室內(nèi)混入洗滌水后分離得到第1級洗滌液和第1級分離漿料，其中第1級洗滌液直接排出，第1級分離漿料作為第2洗滌室的原料并在第2洗滌室內(nèi)重復(fù)第1洗滌室的水洗和分離過程，一直到濾餅達(dá)到洗滌要求的第n洗滌室。洗滌過程實(shí)質(zhì)為濾餅中PT酸的稀釋和濾餅的再過濾過程。在每個(gè)洗滌室中，所用的洗滌水量是相等的。

PT酸在PTA漿料中有2種存在形式，一是溶解在PTA漿料攜帶的水中，可以通過過濾和洗滌的方法除去。二是包裹在PTA晶體中，采用過濾和洗滌均很難將其消除。為了簡化計(jì)算，做如下假設(shè)：①包裹在PTA晶體中的PT酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是一定的(根據(jù)工業(yè)測定值確定)。②整個(gè)洗滌過程中PTA沒有損失，即質(zhì)量保持不變。③加入洗滌水可以和濾餅中的水分、PT酸完全充分混合。④在每個(gè)洗滌室中，所用的洗滌水量是相等的。

1.4.2 計(jì)算模型

壓力過濾機(jī)第i洗滌室模型見圖8。

圖8 壓力過濾機(jī)第i洗滌室模型

過濾后的濾餅進(jìn)入到第1洗滌室中，在其中加入洗滌液后，PT酸在濾餅液相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：

(1)

經(jīng)過第1洗滌室洗滌后排出的洗滌液中所含PT酸的質(zhì)量流量為：

(2)

經(jīng)過第1洗滌室洗滌后，濾餅進(jìn)入到第2洗滌室中，在其中加入洗滌液后，PT酸在濾餅液相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：

(3)

(4)

經(jīng)第2洗滌室洗滌后，排出的洗滌液中所含的PT酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：

(5)

同理，對于第i洗滌室，加入洗滌液后，PT酸在濾餅液相中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：

(6)

經(jīng)第i洗滌室洗滌后，排出的洗滌液中所含的PT酸的質(zhì)量流量為：

(7)

經(jīng)過n次洗滌后，排出的PT酸質(zhì)量流量為：

(8)

式(1)～式(8)中，qmPT1為第1洗滌室過濾完成后濾餅中的PT酸質(zhì)量流量，qmPT1′為第1洗滌室排出的洗滌液中PT酸的質(zhì)量流量，qmPT2為第2洗滌室過濾完成后濾餅中PT酸的質(zhì)量流量，qmPT2′為第2洗滌室排出的洗滌液中PT酸的質(zhì)量流量，qmPTi′為第i洗滌室排出的洗滌液中PT酸的質(zhì)量流量，qmPT為經(jīng)過n次洗滌后排出的總的PT酸的質(zhì)量流量，qml為過濾完成后濾餅中液相的質(zhì)量流量(各洗滌室相同)，qmw為洗滌水的質(zhì)量流量(各洗滌室相同)，qmPTA為PTA的質(zhì)量流量(絕干基)，kg/h;w0為進(jìn)入第1洗滌室的PTA漿料(原料濾餅)中PT酸溶解在水中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，w1、w2、wi分別為第1洗滌室、第2洗滌室和第i洗滌室內(nèi)PTA漿料中PT酸溶解在水中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，ww為濾餅中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(干基)，×10-6;α為洗滌水總量與干基PTA量的比值;n為壓力過濾機(jī)洗滌室的數(shù)量,個(gè)。

2 國產(chǎn)化壓力過濾機(jī)工業(yè)應(yīng)用

2.1 燕山石化分公司PIA裝置

應(yīng)用天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計(jì)院有限公司研發(fā)的國產(chǎn)化壓力過濾機(jī)設(shè)備和技術(shù)設(shè)計(jì)的燕山石化4.5萬t/a PIA工業(yè)生產(chǎn)裝置于2009-10一次性開車成功?，F(xiàn)場的壓力過濾機(jī)設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行性能標(biāo)定數(shù)據(jù)體現(xiàn)了較高的技術(shù)水平，將其與同類進(jìn)口壓力過濾機(jī)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行對比，見表1。表中干燥氣體的體積流量為標(biāo)準(zhǔn)狀況下測定。

表1 國產(chǎn)與進(jìn)口壓力過濾機(jī)性能參數(shù)比對

由表1可知，同樣的產(chǎn)能，國產(chǎn)過濾機(jī)的功率僅為進(jìn)口的一半，能耗大大降低，且干燥后濕含量低于進(jìn)口設(shè)備，這使得后續(xù)干燥工段的負(fù)荷大幅降低，能耗節(jié)約效果明顯。

2.2 上海石化分公司PTA裝置

應(yīng)用天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計(jì)院有限公司研發(fā)的國產(chǎn)化壓力過濾機(jī)設(shè)備和技術(shù)設(shè)計(jì)的上海石化40萬t/a PTA生產(chǎn)裝置于2011-11一次性開車成功。與進(jìn)口兩步法過濾系統(tǒng)相比，新型國產(chǎn)壓力過濾機(jī)操作的洗滌水用量從70 t/h減少到20 t/h，產(chǎn)品含濕量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))從14 %減少到8.5%，產(chǎn)品中PT酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從140×10-6減少到125×10-6。此外，新型國產(chǎn)壓力過濾機(jī)的經(jīng)濟(jì)性也明顯高于進(jìn)口兩步法過濾系統(tǒng)，對比情況見表2。

表2 新型國產(chǎn)壓力過濾機(jī)與進(jìn)口兩步法過濾系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性對比

從表2可知，采用新型國產(chǎn)壓力過濾機(jī)代替進(jìn)口兩步法過濾系統(tǒng)，除1臺新型壓濾機(jī)可代替多臺設(shè)備(離心機(jī)、洗滌罐、真空過濾機(jī)等)之外，還可節(jié)省電費(fèi)約403萬元，分別節(jié)省蒸汽用量、純水用量、循環(huán)洗滌水用量1.15 t、25.0 t和146.5 t，按照1用1備配置，節(jié)省投資近1 000萬元。

3 結(jié)語

天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計(jì)院有限公司通過技術(shù)攻關(guān)，成功研發(fā)出了國產(chǎn)化的壓力過濾機(jī)技術(shù)和設(shè)備。應(yīng)用此技術(shù)設(shè)計(jì)的國產(chǎn)壓力過濾機(jī)在燕山石化4.5萬t/a PIA裝置和上海石化40萬t/a PTA裝置進(jìn)行首批工業(yè)化投運(yùn)，分別于2009-10和2011-11一次性開車成功，并平穩(wěn)運(yùn)行至今。其力學(xué)性能和產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)值，完全滿足了企業(yè)正常生產(chǎn)和擴(kuò)產(chǎn)增能需求，顯示了突出的節(jié)能降耗和節(jié)省投資優(yōu)勢，在行業(yè)內(nèi)得到用戶良好評價(jià)和高度認(rèn)可。2013年，該技術(shù)被PTA專利商INVSITA(英威達(dá))公司高度認(rèn)可，并成功應(yīng)用于江陰漢邦石化220萬t/a PTA裝置和嘉興石化240萬t/a PTA裝置中的精制和氧化分離單元，各項(xiàng)指標(biāo)均符合并優(yōu)于專利商的規(guī)定和要求。該技術(shù)在大連恒力石化和福建百宏新建裝置中被采用。2016年以來,沙特、土耳其、印度、俄羅斯、日本等國企業(yè)慕名而來，該技術(shù)的成功應(yīng)用在世界PTA行業(yè)內(nèi)影響極大，可以推廣到其他領(lǐng)域使用，前景廣闊。