濃相氣力輸送在PTA輸送系統上的應用

李　娜

上海寰球工程有限公司　上海　200032

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濃相氣力輸送在PTA輸送系統上的應用

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原理、工作過程、系統的自動控制及在PTA粉料輸送上的應用。

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，使物料沿著指定的路線進行輸送。因其占地面積小、設備易于安裝、自動化程度高、有利于環境保護等特點，氣力輸送技術越來越受到國內多行業的重視。濃相輸送作為氣力輸送中的新技術，應用范圍不斷擴大，是目前國際上比較先進的氣力輸送技術之一[1]。

1　工作原理及過程

1.1工作原理

濃相輸送，是利用輸送管內壓縮氣體的靜壓及動壓輸送物料，采用間歇式自動運行方式循環運行。物料通過頂部下料閥落入發送罐后，利用發送罐底部的流化盤對物料進行流化處理，當發送罐內壓力上升到設定值后，開啟出料閥，物料以流化態的形式進行輸送。輸送結束后，延時進行管道吹掃，當輸送壓力下降到設定值后，再開啟下料閥開始下料，物料按以上步驟進行循環輸送。

1.2工作過程

濃相輸送的輸送循環可分為四個階段：進料階段、充壓階段、輸送階段和吹掃階段。各個階段循環見圖1。

進料階段——進料閥與排氣閥開啟，進氣閥和出料閥關閉，需輸送的物料進倉泵，當達到設定料位或設定重量(帶稱重儀)時，自動關閉進料閥及排氣閥，進料結束。

充壓階段——進料閥、排氣閥及出料閥關閉，進氣閥開啟，壓縮氣體通過流化盤均勻進入倉泵，倉泵內壓力升高，倉泵內粉料均勻流化，當倉泵內壓力升至設定點時，打開出料閥，充壓結束。

圖1　濃相輸送循環

輸送階段——進料閥關閉，進氣閥和出料閥呈開啟狀態，氣固混合物進輸送管道。在輸送過程中，倉泵內保持平穩輸送壓力，當倉泵內物料輸送完畢，倉泵內壓力下降，當壓力降至設定值時，結束輸送狀態，進入吹掃。

吹掃階段——進料閥保持關閉，進氣閥和出料閥仍呈開啟狀態，壓縮氣體吹掃倉泵和輸送管道內殘余的物料，便于下一循環輸送。吹掃過程由時間控制。吹掃過程結束后，系統關閉出料閥及進氣閥，打開進料閥及排氣閥，系統恢復至進料。

1.3輸送設備

上引式發送罐是濃相輸送系統中較為常用的一種輸送設備，其結構圖見圖2。

采用上引式流態化倉泵結構，倉泵本體是能承受一定壓力和溫度的壓力容器，并具有抗內壁磨損和承受循環疲勞載荷的能力。倉泵上端配置氣動進料閥，該閥可采用氣動蝶閥或專用進料閥。倉泵內部為一上引式管道，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。倉泵本體上設有必要的工藝管道及傳感器件接口和檢修手孔。

圖2　上引式發送罐

1.4系統控制

濃相輸送過程主要由DCS或PLC通過現場安裝的料位計、壓力變送器等元器件采集發送罐的運行狀態信號，并按合理的工藝流程加以控制，使系統具備以下功能：數據采集，系統監視和工廠的過程控制；順序控制；報警、事件處理和操作記錄；實時參數值，帶圖像和數據顯示；工藝變量的趨勢顯示；具有動態更新數據的工藝流程畫面；維護管理；數據庫管理和報告管理。

2　PTA粉料的濃相輸送

2.1項目概況

以某公司PTA(精對苯二甲酸)氣力輸送系統為例，詳細說明濃相輸送技術在PTA粉料輸送系統中的應用。該公司180kt/a聚酯項目PTA轉運系統要求將原有PTA粉料儲存料倉中的PTA原料通過氣力輸送送至包裝料倉，輸送水平距離為700m，垂直距離20m。物料性質見表1。

表1　物料性質

項目難點在于系統的遠距離輸送，當時在國內同行業的PTA輸送上，還沒有出現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。因為相對單純依靠動壓輸送的稀相輸送而言，輸送效率更高，能耗更少；相對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，輸送更加穩定，輸送距離也更遠。

初步設計流程見圖3。

圖3　PTA粉料輸送流程

儲存料倉中的PTA粉料通過下料閥門落入上引式發送罐，來自壓縮機的壓縮氮氣經冷卻器冷卻后通過發送罐底部的流化盤對罐內的粉料進行流化，當罐內壓力上升到設定值后，系統開啟出料閥門將物料輸送至包裝料倉，輸送氣體經袋濾器過濾后排至后系統進行處理(兩臺發送罐共用一條輸送管道，交替發送操作)。

2.2系統計算

初步流程確定后，對物料輸送管進行配管研究，確定管道走向及設備布置，然后對輸送系統進行一系列工藝計算。

計算氣力輸送系統在單位時間內通過的最大輸送量，一般按下式計算：

(1)

式中，G′為小時生產量，kg/h；G為裝置年需要量，kg/h；Dy為年工作日；H為每天工作小時數。

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。

氣力輸送計算風量指在常壓狀態下，溫度20℃，相對濕度50%，輸送物料所需的有效風量。計算公式：

(2)

式中，Q0為常壓下20℃時的輸送風量，m3/h；Gs為計算生產率，kg/h；μ為固氣比；ρ0為常壓下20℃時的氣體密度，氮氣為1.16kg/m3；α0為裕量系數，取1.05。

由于系統輸送距離較遠并參考工程經驗，選固氣比μ為20。

將數據帶入式(2)，得出輸送風量為1131m3/h。

輸送管內徑計算公式：

(3)

式中，D為輸送管內徑，m；Q為所需氣量，m3/h；υ為氣體流速，m/s，設管道終端流速為20m/s。

設輸送管終端壓力P1為106.3kPa，體積流量Q：

將數據帶入式(3)，得出輸送管內徑為0.138m。取標準管內徑Φ為134mm。

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

系統壓力損失計算：

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

為方便計算，從管道終點向前推算。系統末端為袋濾器，根據所選用設備的資料，其壓力損失估算ΔP尾為5kPa，現逐步推算：

設袋濾器進料口為①號點：

氮氣壓力：

P1=101.3+5≈106.3kPa

氮氣密度：

氮氣流速：

υ1=20m/s

Ⅰ號水平輸送管壓力損失：

ΔPⅠ=ΔP沿(1+μK)=687.3×(1+20×0.5)

≈7560Pa=7.56kPa

Ⅱ號彎管壓力損失：

設彎管與上述水平管連接處為②點

Ⅲ號垂直管壓力損失：

設垂直管與上述彎頭接管處為③點

Ⅳ號彎管壓力損失：

設彎頭與上述垂直管處為④

由于彎頭是水平轉垂直，上式中的K彎取3。

Ⅴ號水平管壓力損失：

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

設第一段8″管與上述彎頭相接處為⑤

設7″管與8″管相接處為⑥

設6″管與7″管相接處為⑦

≈43.1kPa

設5″管與6″管相接處為⑧

得：

ΔPⅤ=ΔPa+ΔPb+ΔPc+ΔPd≈187kPa

物料啟動壓力損失計算：

ΔP總=ΔP尾+ΔPⅠ+ΔPⅡ+ΔPⅢ

+ΔPⅣ+ΔPⅤ+ΔP起=215kPa

由于壓力損失還應包括壓縮機、消音器、接管等壓力損失，設計時增加20%的裕量，總壓降為260kPa。

壓縮機所需氣量為：

Q=A·υ=0.785×0.2132×20×3600≈2564m3/h

2.3系統配置

系統配置見表2。

表2　系統配置

2.4工藝簡述

工藝流程參見圖3。來自生產區儲存料倉中的PTA粉料分別通過氣動滑板閥和氣動蝶閥進上引式發送罐。為使下料通暢，在下料的過程中需使平衡管線上的氣動球閥處于開啟狀態。發送罐進料到料位高報警后，系統自動關閉氣動滑板閥，5s后再關閉氣動蝶閥，閥門關閉到位后，系統開啟進氣閥，通過發送罐底部流化盤使罐內PTA粉料充氣流化，發送罐內的壓力也隨之緩慢上升，當達到壓力設定值P1后開啟二次氣閥，延時2s出料閥開啟，PTA粉料隨即以懸浮狀態進輸送管道進行輸送，直到輸送壓力降到壓力設定值P2后，關閉進氣閥，同時關閉出料閥，結束物料的輸送過程，延時20s吹掃輸送管后，關閉二次氣閥結束吹掃，同時開啟平衡氣閥平衡罐內壓力，當壓力下降到壓力設定值P3時，由PLC進行數據處理和儲存，并顯示出輸送次數、累計輸送量、送料時間等數據。數據記錄完畢后，系統依次開啟發送罐頂部氣動蝶閥及氣動滑板閥下料，開始下一輪輸送循環。

2.5現場開車情況反饋

開車情況參數見表3和表4。

表3　現場開車情況反饋發送罐A

表4　現場開車情況反饋發送罐B

從現場的調試情況來看，文中的設計計算及設備選型是確實可靠的，發送罐B的平均輸送壓力為257kPa，發送罐A由于布置的原因，輸送距離比B罐遠，所以平均輸送壓力也相應增加至280kPa。按表3和表4所示，系統每批物料的平均輸送時間為90s左右。因雙罐交替發送，下料時間可以不記入輸送循環時間(A罐輸送時B罐下料，反之亦然)，計算所得實際輸送能力基本滿足設計要求。

3　結語

該公司180kt/a聚酯項目原料PTA轉運系統已于2005年10月正式開車并穩定運行至今。從文中的設計計算及生產中的實際運用來看，濃相輸送作為氣力輸送中的新型技術，相對傳統的稀相輸送技術而言，它的固氣比高，動能消耗少，輸送距離遠，輸送效率高；相對脈沖密相輸送(氣刀輸送)技術而言，它沒有脈動的沖擊，輸送時更為和諧、穩定。濃相輸送系統雖然一次性投資較高，但系統自動化程度高，能量損耗少，維修成本低，是輸送行業的必然發展趨勢。

1陳志希、陳厚通、許向明等. 粉粒體氣力輸送設計手冊[M]. 西安：河南科學技術出版社，2001：1～48.

2陳宏勛.管道物料輸送與工程應用[M].北京:化學工業出版社,2003:82～86.

3唐敬麟、張祿虎.除塵裝置系統及設備設計選用手冊[M].北京：化學工業出版社，2003:295～313.

*李娜：工程師。2004年畢業于西安石油大學化學工程與工藝專業。從事粉體工程設計工作。聯系電話：18918180143，E-mail: hjgapple@163.com。

2016-04-12)