精对苯二甲酸浆料压力过滤滤饼洗涤、脱水特性的试验研究

李 大 仰

（南京工业大学，南京 210009）

精对苯二甲酸浆料压力过滤滤饼洗涤、脱水特性的试验研究

李 大 仰

（南京工业大学，南京 210009）

对精对苯二甲酸（PTA）浆料的压力过滤过程滤饼洗涤和脱水进行试验研究。对影响PTA滤饼洗涤及脱水的各因素进行分析，考察洗涤强度、洗涤量等操作参数对PTA滤饼洗涤效果的影响，获得PTA滤饼洗涤的数学模型；考察PTA滤饼脱水过程各操作参数对滤饼含湿率的影响，获得脱水时间、脱水压差等操作参数对PTA滤饼含湿率的影响规律。为开发PTA浆料一级压力过滤技术取代目前广泛使用的两级压力离心分离技术提供试验数据。

精对苯二甲酸 浆料 压力 过滤 洗涤 脱水

1 前 言

PTA（精对苯二甲酸）是生产聚酯的重要原料。以PX（对二甲苯）为原料，以醋酸为溶剂，在醋酸钴、醋酸锰催化剂的作用下与空气进行液化氧化，生成CTA（粗对苯二甲酸），然后对CTA进行加氢精制，再经分离、干燥，获得精对苯二甲酸产品[1]。在PTA精制工段分离单元，广泛采用两级分离技术，即用第一级压力离心分离加第二级常压离心分离或真空过滤。第一级压力离心分离的目的是保证PTA浆料在高温（145～150 ℃）条件下脱除大部分溶解在母液中的PT酸（对甲基苯甲酸）及4-CBA（4-羧基苯甲醛）等有机杂质。第二级分离的目的是通过第一级分离获得PTA滤饼，再经无离子水打浆稀释，进一步脱除残留在PTA滤饼中的PT酸及4-CBA杂质，最终获得合格的PTA。由此可见，采用两级分离工艺，除了实现PTA产品的分离外，唯一的目的是脱除产品中的有机杂质。但两级分离技术存在明显的不足，主要表现在工艺流程长、工艺设备台数多、专用设备需要进口，由此造成一次投资大、运行能耗高、检修维护费用高等缺点。针对以上问题，本课题对精对苯二甲酸（PTA）浆料压力过滤过程形成的滤饼的洗涤及脱水特性进行试验研究，探索PTA压力过滤滤饼洗涤及脱水的相关规律，并结合实验获得压力过滤过程PTA滤饼的洗涤、脱水数学模型，为进一步开发PTA浆料一级压力过滤技术提供可靠的试验数据。

2 试验装置及方法

在实验室建立高温（145～150 ℃）压力滤叶试验装置，试验流程示意见图1。该装置主要由汽水储存罐、过滤器和电加热器三部分组成，储存罐可为试验提供压力恒定、温度稳定的汽源和水源，电加热器可以使过滤罐中的料浆达到试验所需的温度，蒸汽表和热水表可以准确地计量试验的脱水耗汽量和洗涤水量，压差计用于测量试验过程的过滤、洗涤和脱水压差。试验所用PTA浆料均取自某PTA生产装置压力离心机进料罐，试验前，过滤器中加入一定量的PTA料浆，电加热器将料浆加热到145～150 ℃，使料浆中的PT酸、4-CBA等杂质充分溶解。试验时，PTA浆料在稳定的蒸汽压力下进行过滤，过滤结束后，通入一定量的热水对滤饼进行洗涤，然后使用蒸汽对滤饼进行脱水。

3 滤饼洗涤试验结果及分析

用洗涤液从滤饼中置换出母液的操作称作滤饼洗涤，在固液分离中一般简称为洗涤[2-3]。PTA精制单元过滤工艺中，滤饼洗涤的主要目的是将滤饼中残留的影响其品质的PT酸、4-CBA等杂质置换脱除。

图1 高温压力滤叶试验装置

3.1 滤饼洗涤效果综合分析

影响滤饼洗涤效果的因素很多，包括：①物性参数，即滤饼固体颗粒直径d、滤饼孔隙率ε、料浆密度ρ；②结构参数，即滤饼厚度L；③操作参数，即洗涤时间t、单位过滤面积洗涤水量V、洗涤压差△p等。在浆料确定的条件下，这些参数中，影响滤饼洗涤效果的主要参数有ρ，t，L，V，△p。将滤饼洗涤后杂质含量与洗涤前杂质含量的比值定义为洗涤效率E，用来表示洗涤效果。E可以表示为：

式中，△p为过滤压差，Pa；t为过滤时间，s；L为滤饼厚度，m；V为单位过滤面积洗涤水量，m3/m2；ρ为浆料密度，kg/m3；a0，a1，a2，a3，a4，a5为系数。

对式（1）进行因次分析，据因次一致性原则，其可以化为：

通过改变滤饼厚度L、洗涤时间t、单位过滤面积洗涤水量V、洗涤压差△p、料浆密度ρ等试验参数，可测试这些参数对滤饼洗涤效果的影响。

3.2 洗涤强度对洗涤效率的影响

根据试验数据绘制的洗涤强度与洗涤效率的关系曲线见图2。从图2可以看出，滤饼杂质含量随着洗涤强度的增加而下降。这是因为随着洗涤压差的增加，滤饼脱液推动力远比滤液在滤饼空隙内流动阻力的增加大得多，因而滤饼中残留滤液很快下降，导致滤饼内的杂质含量很快下降。但由于毛细管的作用，使得滤饼内残留滤液下降逐渐缓慢，导致滤饼内杂质含量的下降最终趋于平缓。因此试图用机械方法将杂质成分全部洗掉是很困难的。

图2 洗涤效率与洗涤强度的关系

3.3 相对洗涤量对洗涤效率的影响

相对洗涤量对滤饼杂质含量的影响见图3。从图3可以看出，滤饼杂质含量随相对洗涤量的增加而迅速下降。这是因为滤饼经洗涤前的脱液操作后，残留于滤饼中的滤液在颗粒接触点周围成为滞流液体或以薄膜方式残留在颗粒表面上，这时加入的洗涤液与残留液间产生有效的传质置换，使残留滤液中的杂质迅速减少。图3还表明，随着洗涤量的增加，滤饼内杂质量将趋于平缓，这是因为部分杂质遗留于颗粒间的凹陷内而没有完全暴露于流动的洗涤液中，所以无法被洗涤液所置换。

图3 洗涤效率与相对洗涤量的关系

3.4 滤饼洗涤过程数学模型

综合上述试验结果可知，影响PTA滤饼洗涤效果的宏观控制参数主要是：洗涤强度Tw、相对洗涤量Vr等参数。根据试验数据，利用量纲分析法，得到PTA浆料压力滤叶试验洗涤数学模型：

4 滤饼脱水试验结果及分析

滤饼脱水又称滤饼脱液、脱干或干燥，与滤饼洗涤均属于净化作业[3]。通过脱水处理，进一步去除PTA滤饼中残留的PT酸等杂质液体及洗涤液，以满足滤饼含湿率的要求。滤饼脱水常用的方法包括：机械压榨法、气体置换法、离心法、液体脱水法及其它方法。试验采用气体置换脱水。

4.1 脱水时间对脱水效果的影响

采用PTA浆料质量分数为30%、压差为55.0 kPa的条件下生成的滤饼，在55.0 kPa的脱水压力下进行脱水试验，采集不同脱水时间的滤饼，分别称量干燥前后的滤饼质量，计算滤饼的含湿率。脱水时间对含湿率的影响见图4。从图4可以看出，在最初的几秒钟（约5 s）之内，曲线斜率较大，含湿率经历了一个突降的过程，该阶段脱除的主要是重力水和孔隙水，这两者可以较容易地被脱除；而后续过程含湿率的变化则相对平缓了许多，主要因为该阶段重力水和孔隙水基本上已经被脱除，此时脱除的水以薄膜水和毛细水为主，有一定难度；当时间超过某一个时刻后，无论时间怎么增加，其滤饼含湿率基本上维持不变，这说明滤饼中的毛细力与排液力达到平衡，已经没有液体排出。因此，脱水时间对含湿率的影响可以分成三个区：脱孔隙水区、脱薄膜水区和含湿率稳定区。

图4 脱水时间对含湿率的影响

4.2 脱水压力对脱水效果的影响

采用PTA浆料质量分数为30%、压差分别为55.0，75.0，90.0 kPa条件下生成的滤饼，分别在55.0，75.0，90.0 kPa的压力下进行脱水试验，采集不同脱水时间的滤饼，分别称量干燥前后的滤饼质量，计算滤饼的含湿率。脱水压力对滤饼含湿率的影响见图5。从图5可以看出，尽管脱水压差有一定区别，但在脱水的前5 s的过程中，滤饼含湿率与压力没有太大的关系，这表明脱除重力水和孔隙水并不需要很大的压力；但随着压力不断提高，滤饼的最终含湿率呈下降趋势。因为压力升高后，排液力明显升高，而对相同的滤饼而言，其毛细力基本上是恒定不变的，所以高的脱水压差可比低压差排出更多的薄膜水和毛细水，能够获得含湿率更低的滤饼，减少滤饼中PT酸等的含量，提高PTA产品的质量。

图5 脱水压力对滤饼含湿率的影响

4.3 脱水气体温度对脱水效果的影响

图6 脱水气体温度对滤饼含湿率的影响

对在过滤压差为55.0 kPa条件下生成的滤饼，分别采用常温压缩空气和工况温度（150 ℃）过热蒸汽进行脱水试验，采集不同脱水时间的滤饼，分别称量干燥前后的滤饼质量，计算滤饼的含湿率。脱水温度对滤饼含湿率的影响见图6。从图6可以看出，用蒸汽脱水效果要优于用空气脱水。这主要是因为温度升高后蒸汽与滤饼颗粒之间的传质、传热作用，滤饼中的水分被冷凝面强烈加热，致使滤液温度升高而使水的粘度和表面张力减少，导致附着在PTA颗粒表面的毛细水和薄膜水更容易被脱除；同时在蒸汽穿透以后，用蒸汽进一步脱水，使滤饼颗粒内部水被强制对流，滤饼内巨大的交换表面导致快而广泛的干燥脱水；另外，蒸汽的高温引起滤饼内部水分的蒸发，也有利于降低滤饼水分。

4.4 料浆浓度对滤饼脱水特性的影响

分别采用PTA浆料质量分数为20%，30%，40%、压差为90.0 kPa条件下生成的滤饼，在90.0 kPa的脱水压力下采用压缩空气进行脱水试验，采集不同脱水时间的滤饼，分别称量干燥前后的滤饼质量，计算滤饼的含湿率。料浆浓度对含湿率的影响见图7。从图7可以看出，在同样的脱水条件下，浆料浓度越低，滤饼含湿率也越低。较浓的浆料在相同的过滤时间下可以得到较厚的滤饼和较大的平均孔隙率。在相同的脱水压差下，滤饼越厚，压力梯度则越小，排液力就越小，所以其滤饼的含湿率就相对较大。但同时大平均孔隙率又会使得高浓度浆料产生的滤饼比阻较小，有利于脱水的进行。但相对而言，在相同的过滤时间内形成的滤饼厚度较高，导致脱水压力梯度降低而产生的影响更大一些，所以现场浆料浓度的波动对产品质量的影响不是很大。

图7 料浆浓度对含湿率的影响

干燥相关因子对PTA滤饼含湿率的影响见图8。干燥相关因子为单位面积上单位质量滤饼的脱水时间，它可以消除在其它参数相同的条件下，滤饼厚度的影响。从图8可以看出，不同浓度料浆形成的滤饼的含湿率基本上只与干燥相关因子的大小有关，当干燥相关因子大于0.30 s·（kg/m2)-1时，滤饼的含湿率就已经低于12%，与浓度没有太大关系。对于采用过热蒸汽（150 ℃）进行脱水实验，干燥相关因子达到0.25 s·（kg/m2）-1即可保证滤饼含湿率低于12%。这说明虽然高浓度的浆料会形成大的平均孔隙率，使滤饼的比阻降低，有利于脱水，但同时，高浓度的浆料在相同的过滤时间内形成的大厚度滤饼的影响更大一些。

图8 干燥相关因子对滤饼含湿率的影响

5 结 论

（1）PTA滤饼的洗涤效果主要受PTA滤饼厚度，洗涤时间，洗涤水用量，洗涤压差，浆料密度的影响，试验获得了PTA滤饼的洗涤过程的数学模

（2）PTA滤饼的脱水效果受脱水时间、脱水压差、脱水气体温度、料浆浓度等因素影响，适当延长脱水时间、增大脱水压差可在一定程度上降低滤饼的含湿率。采用压缩空气进行脱水试验，当干燥相关因子大于0.3 s·（kg/m2）-1时，滤饼的含湿率小于12%；采用过热蒸汽（150 ℃）进行脱水实验，干燥相关因子达到0.25 s·（kg/m2）-1即可保证滤饼含湿率低于12%。

[1] 刘建新，白鹏.对苯二甲酸工艺技术及生产[J].化工科技，2000，8（3）:64-67

[2] 陈树章，王绍亭.非均相物系分离[M].北京：化学工业出版社，1993:90-92

[3] 丁启圣，王维一.新型实用过滤技术[M].第二版.北京:冶金工业出版社，2005:56-68

Abstract A theoretical and experimental study of the filter cake washing and drying performance during the pressure filtration of purified terephthalic acid （PTA） slurry was conducted. Factors affecting the filter cake washing and drying performance were analyzed theoretically. The influence of operating parameters，such as washing intensity and washing water amount on the washing effect was studied， and a mathematical model of PTA filter cake washing was developed. The influence of filter cake drying parameters， such as time and pressure， on the moisture content of filter cake was analyzed， and an affecting rule was obtained. These results w ill be helpful for the development of one-step PTA pressure filtration technology， which m ight replace the existed popular two-step PTA centrifugal separation technology in future.

Key Words：purified terephthalic acid; slurry; pressure; filtration; washing; drying

阿克苏诺贝尔公司的宁波螯合物装置投产

阿克苏诺贝尔公司于2009年12月21日宣布，其在宁波投资2.75亿欧元的多产品生产基地建设的螯合物装置投产。该装置的开工投产意味着阿克苏诺贝尔公司现已成为在欧洲、北美和亚洲拥有这类生产装置唯一的大型螯合物生产商。新的乙胺和环氧乙烷装置也将于2010年在该生产基地投入生产，随后还将投产有机过氧化物装置。

阿克苏诺贝尔公司表示，该新装置将有助于优化该公司的全球供应链，将按阿克苏诺贝尔公司Dissolvine®产品品牌来生产基础螯合物中的大多数产品。这将包括该公司新的生物可降解螯合剂Dissolvine GL，Dissolvine GL可用于生产清洗剂和油田化学品，预计作为清洗配方中磷酸盐的替代将起重要作用。

阿克苏诺贝尔公司在中国已拥有超过6 000名员工和25个生产基地，2008年的营业收入为10亿欧元。

[章文摘译自 CE，2009-12-21]

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF THE FILTER CAKE WASHING AND DRYING PERFORMANCE DURING PTA SLURRY PRESSURE FILTRATION

Li Dayang
（Nanjing University of Technology，Nanjing 210009）

2009-10-10；修改稿收到日期：2009-12-01。

李大仰（1964—），男，教授级高级工程师，化工机械专业，主要从事化工设备管理工作。