新型壓力過濾機技術(shù)研發(fā)與工業(yè)應用

張萬堯， 趙 旭， 孫中心， 李軍良， 林永明， 陳筱金

(1.天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司， 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)式多功能機組[1-3]。該機組廣泛應用于間苯二甲酸(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的PTA后處理過濾分離設(shè)備，目前為國外某廠商獨家供貨。為了滿足我國PTA、PIA等裝置重建、改造及優(yōu)化升級需要，天華化工機械及自動化研究設(shè)計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2011-11一次性開車運行成功，取得良好節(jié)能效果。

1 新型壓力過濾機研究

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

壓力過濾機結(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個組成部分。工作時轉(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)計的密封進行隔離，其外表面被加壓單元分成多個單元。每個單元就是一個腔體，由多個特殊筒體與控制分配頭系統(tǒng)連接而成。壓力過濾機在加壓狀態(tài)下工作時，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、預干燥可在一個或幾個單元中完成。當單元中完全填滿濾餅時，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，最后進入下游單元進行干燥。

圖1 壓力過濾機模型

1.2 工藝流程

傳統(tǒng)的PIA或PTA分離技術(shù)大多為20世紀70年代從國外引進的成套設(shè)備，其精制單元工藝流程見圖2。結(jié)晶反應后采用離心機—罐內(nèi)洗滌—離心機—真空過濾機構(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替代了傳統(tǒng)工藝流程中必須的過濾機、再打漿罐、一級離心機和二級離心機，將過濾、洗滌和預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)應用進一步證明，一體化壓力過濾機具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便以及降低能耗等優(yōu)點。在PIA和PTA生產(chǎn)行業(yè)，一體化壓力過濾機是對傳統(tǒng)分離工藝的創(chuàng)新,成為當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)能降耗有嚴格要求的企業(yè)的重視。

1.3 關(guān)鍵組件應力分析

新型壓力過濾機將傳統(tǒng)分離技術(shù)中必須的多個設(shè)備和多種功能集成一體化，具有功能上的優(yōu)勢，但同時其設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的復雜性增加，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的強度和剛度，不得出現(xiàn)彎曲、變形等缺陷。為確保壓力過濾機長周期安全穩(wěn)定運行，需利用有限元分析軟件對框架和轉(zhuǎn)鼓分別進行疲勞分析計算。

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，然后進行計算，同時利用JB 4732—1995(2005年確認)《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標準》中的疲勞應力幅計算方法，得出框架應力波動云圖，見圖5。從圖5中可以看出，在框架端法蘭頸部區(qū)域應力波動值最大，達到47.521 MPa。對此處進行疲勞評定，其應力幅為95.532 MPa，對照SN曲線，可以看出其壽命為8.1×109次，大于設(shè)計壽命2.1×109次。其余位置應力幅均小于95.532 MPa，因此框架整體設(shè)計壽命滿足設(shè)計要求。

圖5 框架應力波動云圖

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，然后進行計算，得出的應力云圖見圖7。從圖7中可以看出，在轉(zhuǎn)鼓縱橫筋板交界位置應力最大，達到63.5 MPa，此應力值偏高。為滿足設(shè)計壽命，此處焊接接頭需進行特殊設(shè)計處理。

圖6 轉(zhuǎn)鼓網(wǎng)格圖

圖7 轉(zhuǎn)鼓應力分布云圖

1.4 濾餅洗滌計算[10-15]

1.4.1 基本假設(shè)

新型壓力過濾機的過濾、洗滌和干燥過程均要進行一系列試驗或工藝計算，其中洗滌計算為控制過程。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，通過洗滌計算確定洗滌室的個數(shù)。洗滌過程從濾餅開始，在洗滌室進行，洗滌室通常有多個，具體個數(shù)受原料組成、產(chǎn)品控制指標、洗滌水用量等因素影響并經(jīng)過計算確定。

洗滌室的進料為濾餅，由PTA、水和少量PT酸組成，通過多次加水洗滌—稀釋—過濾分離，達到逐步降低濾餅中PT酸至規(guī)定指標的目的。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)重復第1洗滌室的水洗和分離過程，一直到濾餅達到洗滌要求的第n洗滌室。洗滌過程實質(zhì)為濾餅中PT酸的稀釋和濾餅的再過濾過程。在每個洗滌室中，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。為了簡化計算，做如下假設(shè)：①包裹在PTA晶體中的PT酸的質(zhì)量分數(shù)是一定的(根據(jù)工業(yè)測定值確定)。②整個洗滌過程中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在每個洗滌室中，所用的洗滌水量是相等的。

1.4.2 計算模型

壓力過濾機第i洗滌室模型見圖8。

圖8 壓力過濾機第i洗滌室模型

過濾后的濾餅進入到第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)量分數(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)量分數(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)量分數(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)量分數(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)量分數(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)量分數(shù)，ww為濾餅中水的質(zhì)量分數(shù)(干基)，×10-6;α為洗滌水總量與干基PTA量的比值;n為壓力過濾機洗滌室的數(shù)量,個。

2 國產(chǎn)化壓力過濾機工業(yè)應用

2.1 燕山石化分公司PIA裝置

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

表1 國產(chǎn)與進口壓力過濾機性能參數(shù)比對

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

2.2 上海石化分公司PTA裝置

應用天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司研發(fā)的國產(chǎn)化壓力過濾機設(shè)備和技術(shù)設(shè)計的上海石化40萬t/a PTA生產(chǎn)裝置于2011-11一次性開車成功。與進口兩步法過濾系統(tǒng)相比，新型國產(chǎn)壓力過濾機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)量分數(shù))從14 %減少到8.5%，產(chǎn)品中PT酸的質(zhì)量分數(shù)從140×10-6減少到125×10-6。此外，新型國產(chǎn)壓力過濾機的經(jīng)濟性也明顯高于進口兩步法過濾系統(tǒng)，對比情況見表2。

表2 新型國產(chǎn)壓力過濾機與進口兩步法過濾系統(tǒng)經(jīng)濟性對比

從表2可知，采用新型國產(chǎn)壓力過濾機代替進口兩步法過濾系統(tǒng)，除1臺新型壓濾機可代替多臺設(shè)備(離心機、洗滌罐、真空過濾機等)之外，還可節(jié)省電費約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

天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司通過技術(shù)攻關(guān)，成功研發(fā)出了國產(chǎn)化的壓力過濾機技術(shù)和設(shè)備。應用此技術(shù)設(shè)計的國產(chǎn)壓力過濾機在燕山石化4.5萬t/a PIA裝置和上海石化40萬t/a PTA裝置進行首批工業(yè)化投運，分別于2009-10和2011-11一次性開車成功，并平穩(wěn)運行至今。其力學性能和產(chǎn)品質(zhì)量指標均達到或優(yōu)于設(shè)計值，完全滿足了企業(yè)正常生產(chǎn)和擴產(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)得到用戶良好評價和高度認可。2013年，該技術(shù)被PTA專利商INVSITA(英威達)公司高度認可，并成功應用于江陰漢邦石化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，各項指標均符合并優(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。