国产真空过滤机在PTA装置中的应用
0 前言
近年来随着国产真空过滤机技术的日趋成熟,为PTA装置运用此项分离技术提供了技术保证,在2001年7月扬子PTA装置精制单元对常压离心机系统进行了重大改造,拆除了从1989年PTA装置投产就运行的5台常压离心机,在原基础上增设了国产真空过滤机系统,并在当年大检修后正式投用,从2001年8月运行至今,运行情况良好,取得了预期效果。
1 常压离心机改造
1. 1 常压离心机的运行状况
原设计PTA装置常压离心机用于精制单元二级分离。PTA浆料经过压力离心机分离后用新鲜无离子水(WD I)配制成质量分数为36%的浆料。该浆料闪蒸后,压力降到常压,经控制阀进入供料罐,然后由供料泵把质量分数约39%的浆料送到常压离心机(JM-402)进行分离,其主要目的是将经过一级分离的滤饼进一步打浆洗涤,溶解滤饼中的杂质(主要是PT酸) ,再通过离心分离得到合格的PTA产品。
常压离心机的转鼓经长期高速运行,设备磨损严重,故障率高。由于受到原设计转鼓直径较小的制约,单台处理量小,产能低,虽然有5台常压离心机,仍然不能满足高负荷生产的需要。
1. 2 国产真空过滤机的应用
1. 2. 1 分离原理
国产真空过滤机为转鼓式真空过滤机,其特点是把过滤、洗涤、吹干、卸料和清洗滤布等几个阶段的操作在转筒的旋转过程中完成,转筒每旋转一周,过滤机完成一个循环周期。过滤机是以真空为推动力,过滤时,真空过滤机转筒外为常压,转筒内在真空泵的作用下产生一定的真空,滤液由转筒隔层小孔通过,滤饼吸附在滤布上,从而达到固液分离。
国产真空过滤机结构简单,操作方便,转速范围大,由于转筒面积大,单台处理能力大,能够满足PTA装置高负荷生产的需要。
1. 2. 2 过滤数学模型
PTA装置用的转鼓式真空过滤机的过滤属于非一元过滤,对于非一元过滤,可以看成对一元过滤方程的过滤面积进行修正后得到的。也就是说,只要引入有效面积的系数,则非一元过滤就可以用一元过滤的方程来处理。
(1)根据达西(Darcy)过滤基本方程[ 1 ] :
式中: u 为瞬时过滤速度,m / s; V 为滤液体积,m3 ; A为过滤面积,m2 ; t为过滤时间, s;Δp为滤饼与滤布两侧的总压强降,即过滤压差, Pa;μ为滤液黏度, Pa·s ;Rm 为过滤介质阻力;m- 1 ; Rc 为滤饼阻力,m- 1。
(2)过滤面积A采用有效过滤面积Ae 代替,Ae =J11A。J 11为有效过滤面积系数,可由试验数据推得。
(3)过滤介质阻力Rm 可以看作常数。根据试验数据,可以取Rm = 2 ×109 m- 1。
(4)滤饼阻力Rc =La。a为Lewis滤饼平均比阻(1 /m2 ) ,其中滤饼平均厚度:
式中: L 为滤饼平均厚度, m; ρs 为滤饼的真密度,kg / m3 ; m 为单位过滤介质面积上的滤饼质量,kg / m2 ; ε为滤饼的平均空隙率,m3 / m3。
滤饼平均比阻a与物性参数、操作参数和转鼓的结构参数有关。a的计算可以根据经验表达式得出:
式中: Eu为欧拉准数; Re为雷诺准数; N c为相对浓度准数。滤饼平均比阻的模型数据与试验数据间的偏差小于10%。
以上所得到的滤饼平均比阻a数据模型就是PTA装置PTA单元所用国产转鼓式真空过滤机的过滤数学模型。
1. 2. 3 生产能力
根据达西(Darcy)过滤基本方程推导出转鼓式真空过滤机一元过滤方程式为:
式中:α为Ruth滤饼平均比阻,m /kg; C为获取单位体积滤液而产生的滤饼质量, kg/ m3。
由一元过滤方程推导而得的转鼓式真空过滤机的单位时间生产量W 计算式为:
式中:W 为单位时间生产量, kg/ s; Vf 为单位时间滤液体积量,m3 / s; n为转鼓的转速, r /min;θ为转鼓的浸液角,弧度。
通过将国产转鼓式真空过滤机相关设计数据代入上公式测算出的生产量能够满足PTA装置年产72 万t生产需要。
1. 2. 4 主要尺寸和工艺参数
转鼓尺寸: D 1 700 mm ×L 1 800 mm,过滤面积近10 m2 ;转速: 2. 4 ～6 r /min; 压力: 50 ～65 kPa;PTA干料处理量Q ≥45 t/h (一开一备) ; w (H2O)≤12%;滤布更换周期不小于4个月。
2 常压离心机改国产真空过滤机
根据PTA装置的运行情况,并参照国内外新建PTA装置的情况,用2台国产旋转真空过滤机替代现有的5台常压离心机,并增加与之相配套的设备,原装置中除常压离心机和2个螺旋输送器外,其余的均留用。原有的公用工程和电量可以满足要求。
工艺设计由扬子设计院自行设计, 装置改造施工前期作业采取边生产边施工的方案,并由化工厂原机修车间承担主体施工任务,实现了边生产边改造的最优施工方案。
真空过滤机运行方式是一开一备,也可2台同时运行, 2套真空系统可以互为备用,这种运行方式保证了装置的稳定运行。改造后的工艺流程图见图1。
从进料缓冲罐JD2405来的浆料,其质量分数为43. 8% ,温度为100 ℃的浆料,注入27 ℃的脱离子水,使浆料冷却到90 ℃,质量分数降为37. 8% ,经浆料泵JG2402A /B 和LV22412 送至过滤机进料缓冲罐JD2415, 再经G2415A /B /C 浆料泵, 由FV22404 /2405控制进入旋转真空过滤机JM2402A /B,过滤后滤饼经螺旋输送器P2405A /B、JP2402A /B送入干燥系统。母液进入母液罐JD2416A /B,再经母液泵JG2416A /B送至原再循环溶剂罐JD2501,母液罐分离出的气相组分经过滤机气相冷凝器JE2416A /B冷凝后输入真空泵JC2402A /B,排出物送入密封液罐JD2417A /B进行气液分离,罐顶气相经补充低压氮后送入旋转真空过滤机作反吹气,以便卸下滤饼。液相出料分2 股,一股经密封冷却器JE2417A /B冷却后作真空泵的密封液用,另一股进入再循环溶剂罐JD2501。
3 改造后的效果
由于旋转真空过滤机运行稳定,除滤布定期更换外,其它可2 a一修,大大降低了检修成本, 1 a可节约检修费300万元。
由于设备故障导致生产负荷降低, 1 a按多产PTA 5 000 t计,每t PTA利润按300元计,可创利150万元,两项共可创利450万元。另外,由于过滤机的稳定运行,避免了该系统的停车或减负荷,保证了PTA装置安、稳、长、满、优运行,间接经济效益尤为显著。除经济效益外,社会效益同样较大,更换过滤机后可大大减少跑、冒、滴、漏,减少了污染,保护了环境。
真空过滤机自2001年8月1日正式投入生产运行至今,真空过滤机、真空泵等主要设备没有因故障而检修,运行情况良好,电仪等系统控制平稳,工艺运行状况平稳,未出现因真空过滤机系统波动而造成生产负荷波动,有力地保证了精制单元高负荷运行,实现了装置重大改造一次投用成功。由于真空过滤机可再次通过喷淋洗涤除去产品中的PT酸,能有效降低PTA产品中的PT2酸,真空过滤机投用后, PTA产品中的PT酸含量得到了有效控制,不仅解决二线精制中PT2酸含量波动幅度大的难题,而且PT2酸的质量分数的值也从139 ×10- 6降至130 ×10- 6。
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