新型压力过滤机技术研发与工业应用

张万尧， 赵 旭， 孙中心， 李军良， 林永明， 陈筱金

(1.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司， 甘肃 兰州 730060；2. 中国石化 北京燕山石化分公司， 北京 102500；3.中国石化 上海石油化工股份有限公司， 上海 200540)

压力过滤机是一种集过滤、洗涤、干燥和卸料于一体的连续式多功能机组[1-3]。该机组广泛应用于间苯二甲酸(PIA)、精对苯二甲酸(PTA)、粗对苯二甲酸及芳香酸等化工产品生产领域，是目前世界上最先进的PTA后处理过滤分离设备，目前为国外某厂商独家供货。为了满足我国PTA、PIA等装置重建、改造及优化升级需要，天华化工机械及自动化研究设计院有限公司展开了相关技术设备的研发。研发的技术成果已经应用于燕山石化分公司PIA工业装置和上海石化分公司PTA装置，分别于2009-10和2011-11一次性开车运行成功，取得良好节能效果。

1 新型压力过滤机研究

1.1 结构与工作原理

压力过滤机结构模型见图1，主要包括框架、转鼓、分配头系统、传动系统以及加压密封系统5个组成部分。工作时转鼓以调速方式在框架内受压旋转，转鼓与框架之间采用特殊设计的密封进行隔离，其外表面被加压单元分成多个单元。每个单元就是一个腔体，由多个特殊筒体与控制分配头系统连接而成。压力过滤机在加压状态下工作时，滤饼持续在单元室中成长，并随着转鼓的旋转传输到后序区域中。滤饼的过滤、洗涤、预干燥可在一个或几个单元中完成。当单元中完全填满滤饼时，洗涤液便从不同的清洗口注入以置换穿过滤饼的流体，之后滤饼先在特定的区域预干燥，然后旋转到卸料区。采用气体反吹或刮板方式卸料，最后进入下游单元进行干燥。

图1 压力过滤机模型

1.2 工艺流程

传统的PIA或PTA分离技术大多为20世纪70年代从国外引进的成套设备，其精制单元工艺流程见图2。结晶反应后采用离心机—罐内洗涤—离心机—真空过滤机构成的组合工艺技术，其分离流程长、设备多、技术落后[4-9]。

图2 PIA和PTA装置精制单元传统分离工艺路线简图

新型PIA或PTA精制单元分离工艺路线见图3。对比图2的流程可见，新型一体化压力过滤机替代了传统工艺流程中必须的过滤机、再打浆罐、一级离心机和二级离心机，将过滤、洗涤和预干燥等工序和功能集于一体，缩短了工艺流程，减少了设备占用的空间。

图3 PIA和PTA装置精制单元新型分离工艺路线简图

工业应用进一步证明，一体化压力过滤机具有结构简单、操作方便以及降低能耗等优点。在PIA和PTA生产行业，一体化压力过滤机是对传统分离工艺的创新,成为当前最受欢迎的一种新型过滤分离技术，特别适合在用PIA和PTA装置和在建装置的工艺流程优化，尤其受到对节能降耗有严格要求的企业的重视。

1.3 关键组件应力分析

新型压力过滤机将传统分离技术中必须的多个设备和多种功能集成一体化，具有功能上的优势，但同时其设备结构设计的复杂性增加，突出表现为部分局部结构受力不均。框架在过滤、洗涤和干燥工作段承受1.0 MPa内压力，而在其他工作段却为常压，承受交变疲劳载荷。转鼓承受持续的交变疲劳载荷，在任何工作段必须保证相应的强度和刚度，不得出现弯曲、变形等缺陷。为确保压力过滤机长周期安全稳定运行，需利用有限元分析软件对框架和转鼓分别进行疲劳分析计算。

1.3.1 框架

由于框架整体为对称结构，因此只需创建1/2模型，网格划分详见图4。

图4 框架网格图

在框架端法兰上施加固定约束，框架中心面上施加关于y向的对称边界条件，在框架内侧施加不同的压力载荷和温度载荷，然后进行计算，同时利用JB 4732—1995(2005年确认)《钢制压力容器——分析设计标准》中的疲劳应力幅计算方法，得出框架应力波动云图，见图5。从图5中可以看出，在框架端法兰颈部区域应力波动值最大，达到47.521 MPa。对此处进行疲劳评定，其应力幅为95.532 MPa，对照SN曲线，可以看出其寿命为8.1×109次，大于设计寿命2.1×109次。其余位置应力幅均小于95.532 MPa，因此框架整体设计寿命满足设计要求。

图5 框架应力波动云图

1.3.2 转鼓

对转鼓建立整体模型，网格划分见图6。在转鼓轴承位置施加对应轴承边界条件，在转鼓驱动侧端面施加扭矩载荷，在转鼓单元格区域施加压力载荷，然后进行计算，得出的应力云图见图7。从图7中可以看出，在转鼓纵横筋板交界位置应力最大，达到63.5 MPa，此应力值偏高。为满足设计寿命，此处焊接接头需进行特殊设计处理。

图6 转鼓网格图

图7 转鼓应力分布云图

1.4 滤饼洗涤计算[10-15]

1.4.1 基本假设

新型压力过滤机的过滤、洗涤和干燥过程均要进行一系列试验或工艺计算，其中洗涤计算为控制过程。在给定入口滤饼(或浆料)组成和排出对甲基苯甲酸(PT酸)总量的情况下，通过洗涤计算确定洗涤室的个数。洗涤过程从滤饼开始，在洗涤室进行，洗涤室通常有多个，具体个数受原料组成、产品控制指标、洗涤水用量等因素影响并经过计算确定。

洗涤室的进料为滤饼，由PTA、水和少量PT酸组成，通过多次加水洗涤—稀释—过滤分离，达到逐步降低滤饼中PT酸至规定指标的目的。洗涤过程按顺序由第1洗涤室开始到第n洗涤室结束，整个洗涤过程可以描述为：初始原料滤饼在第1洗涤室内混入洗涤水后分离得到第1级洗涤液和第1级分离浆料，其中第1级洗涤液直接排出，第1级分离浆料作为第2洗涤室的原料并在第2洗涤室内重复第1洗涤室的水洗和分离过程，一直到滤饼达到洗涤要求的第n洗涤室。洗涤过程实质为滤饼中PT酸的稀释和滤饼的再过滤过程。在每个洗涤室中，所用的洗涤水量是相等的。

PT酸在PTA浆料中有2种存在形式，一是溶解在PTA浆料携带的水中，可以通过过滤和洗涤的方法除去。二是包裹在PTA晶体中，采用过滤和洗涤均很难将其消除。为了简化计算，做如下假设：①包裹在PTA晶体中的PT酸的质量分数是一定的(根据工业测定值确定)。②整个洗涤过程中PTA没有损失，即质量保持不变。③加入洗涤水可以和滤饼中的水分、PT酸完全充分混合。④在每个洗涤室中，所用的洗涤水量是相等的。

1.4.2 计算模型

压力过滤机第i洗涤室模型见图8。

图8 压力过滤机第i洗涤室模型

过滤后的滤饼进入到第1洗涤室中，在其中加入洗涤液后，PT酸在滤饼液相中的质量分数为：

(1)

经过第1洗涤室洗涤后排出的洗涤液中所含PT酸的质量流量为：

(2)

经过第1洗涤室洗涤后，滤饼进入到第2洗涤室中，在其中加入洗涤液后，PT酸在滤饼液相中的质量分数为：

(3)

(4)

经第2洗涤室洗涤后，排出的洗涤液中所含的PT酸的质量分数为：

(5)

同理，对于第i洗涤室，加入洗涤液后，PT酸在滤饼液相中的质量分数为：

(6)

经第i洗涤室洗涤后，排出的洗涤液中所含的PT酸的质量流量为：

(7)

经过n次洗涤后，排出的PT酸质量流量为：

(8)

式(1)～式(8)中，qmPT1为第1洗涤室过滤完成后滤饼中的PT酸质量流量，qmPT1′为第1洗涤室排出的洗涤液中PT酸的质量流量，qmPT2为第2洗涤室过滤完成后滤饼中PT酸的质量流量，qmPT2′为第2洗涤室排出的洗涤液中PT酸的质量流量，qmPTi′为第i洗涤室排出的洗涤液中PT酸的质量流量，qmPT为经过n次洗涤后排出的总的PT酸的质量流量，qml为过滤完成后滤饼中液相的质量流量(各洗涤室相同)，qmw为洗涤水的质量流量(各洗涤室相同)，qmPTA为PTA的质量流量(绝干基)，kg/h;w0为进入第1洗涤室的PTA浆料(原料滤饼)中PT酸溶解在水中的质量分数，w1、w2、wi分别为第1洗涤室、第2洗涤室和第i洗涤室内PTA浆料中PT酸溶解在水中的质量分数，ww为滤饼中水的质量分数(干基)，×10-6;α为洗涤水总量与干基PTA量的比值;n为压力过滤机洗涤室的数量,个。

2 国产化压力过滤机工业应用

2.1 燕山石化分公司PIA装置

应用天华化工机械及自动化研究设计院有限公司研发的国产化压力过滤机设备和技术设计的燕山石化4.5万t/a PIA工业生产装置于2009-10一次性开车成功。现场的压力过滤机设备参数和运行性能标定数据体现了较高的技术水平，将其与同类进口压力过滤机的相关参数进行对比，见表1。表中干燥气体的体积流量为标准状况下测定。

表1 国产与进口压力过滤机性能参数比对

由表1可知，同样的产能，国产过滤机的功率仅为进口的一半，能耗大大降低，且干燥后湿含量低于进口设备，这使得后续干燥工段的负荷大幅降低，能耗节约效果明显。

2.2 上海石化分公司PTA装置

应用天华化工机械及自动化研究设计院有限公司研发的国产化压力过滤机设备和技术设计的上海石化40万t/a PTA生产装置于2011-11一次性开车成功。与进口两步法过滤系统相比，新型国产压力过滤机操作的洗涤水用量从70 t/h减少到20 t/h，产品含湿量(质量分数)从14 %减少到8.5%，产品中PT酸的质量分数从140×10-6减少到125×10-6。此外，新型国产压力过滤机的经济性也明显高于进口两步法过滤系统，对比情况见表2。

表2 新型国产压力过滤机与进口两步法过滤系统经济性对比

从表2可知，采用新型国产压力过滤机代替进口两步法过滤系统，除1台新型压滤机可代替多台设备(离心机、洗涤罐、真空过滤机等)之外，还可节省电费约403万元，分别节省蒸汽用量、纯水用量、循环洗涤水用量1.15 t、25.0 t和146.5 t，按照1用1备配置，节省投资近1 000万元。

3 结语

天华化工机械及自动化研究设计院有限公司通过技术攻关，成功研发出了国产化的压力过滤机技术和设备。应用此技术设计的国产压力过滤机在燕山石化4.5万t/a PIA装置和上海石化40万t/a PTA装置进行首批工业化投运，分别于2009-10和2011-11一次性开车成功，并平稳运行至今。其力学性能和产品质量指标均达到或优于设计值，完全满足了企业正常生产和扩产增能需求，显示了突出的节能降耗和节省投资优势，在行业内得到用户良好评价和高度认可。2013年，该技术被PTA专利商INVSITA(英威达)公司高度认可，并成功应用于江阴汉邦石化220万t/a PTA装置和嘉兴石化240万t/a PTA装置中的精制和氧化分离单元，各项指标均符合并优于专利商的规定和要求。该技术在大连恒力石化和福建百宏新建装置中被采用。2016年以来,沙特、土耳其、印度、俄罗斯、日本等国企业慕名而来，该技术的成功应用在世界PTA行业内影响极大，可以推广到其他领域使用，前景广阔。