漿料流速對PTA結(jié)晶操作的影響.docx

1、漿料流速對PTA結(jié)晶操作的影響（北京燕山石化公司聚廠，102500）董立文億）篇化曜陸廠PTA結(jié)品系統(tǒng)長期存在的運(yùn)行周期短、管道堵馨我集何題，產(chǎn)整個裝量的長周期建定運(yùn)行。實際觀察與測算的結(jié)果表明：紹品H迸料流速的大幅g波動是導(dǎo)效這一現(xiàn)象產(chǎn)生的妥瞅因之一.進(jìn)14流速高時.結(jié)晶界內(nèi)的晶垢形成速度加快;流速低時.PTA晶牲便在&遭內(nèi)沉降積JR形成戳塞。因此,改善結(jié)晶焉之間床量調(diào)節(jié)性能.集小其波動葩是改善系垸現(xiàn)狀，提?整個皺量運(yùn)行水平的有效方米。關(guān)EE竺生咐堵富豪槌葉襯禮1前言北京燕山石化公司聚酯廠的PTA裝置（以下簡稱本裝置）是70年代末引進(jìn)美國阿莫柯公司專利技術(shù)，由原西嬉魯奇公司提供工程設(shè)

2、計的PTA生產(chǎn)裝置，其作用是博含有（23）禮10-3對蔑基苯甲醛（4-CBA）的粗爵苯二甲酸（TA）精制成4-CBA含蚩小于2.5x的PTA產(chǎn)品，工藝流程簡述如下：TA以脫離子水作溶劑，經(jīng)升溫溶解，催化加氫還原其中部分4-CBA為較易溶于水的對甲基苯甲酸（TOL）,然后，通過逐漸降溫使溶液中的PTA按規(guī)定粒度分布結(jié)晶析出，再通過離心沉降分離、干燥，完成對產(chǎn)品的回收。此裝置的PTA結(jié)晶系統(tǒng)采用五級連續(xù)結(jié)晶，設(shè)置于加氫反應(yīng)器和沉降離心機(jī)'之間的五臺結(jié)晶器，使PTA料液從281t逐級閃蒸降溫至150C。長期以來，此系統(tǒng)存在著結(jié)晶器器壁結(jié)垢嚴(yán)重（至多連續(xù)運(yùn)行15天就必須停車水洗）和結(jié)晶器之間管

3、線堵塞頻繁的現(xiàn)象，使PTA裝置的穩(wěn)定運(yùn)行受到嚴(yán)重影響。盡管經(jīng)過多年生產(chǎn)實踐，一線操作入員已經(jīng)掌握了一些使其緩解的經(jīng)驗方法，但問題一直沒能徹底解決。筆者認(rèn)為，矗決問題的深度有賴于對問題的認(rèn)識程度，PTA結(jié)晶系統(tǒng)工藝流程雖比較簡單，但實際生產(chǎn)中引起結(jié)晶器結(jié)壁和管線堵塞的原因卻是多方面的，本文僅就重要影響因素之一的漿料瘋速作一分析討論，以供同行和專家們在解決這一問題時參考。2結(jié)晶器結(jié)壁的成因分析地和溶液只有在溶解度曲線上才能存在，超過這條曲線向高濃度方向移覿就落入0:飽和區(qū)域內(nèi)，就會同時存在國和溶液和多余出來的一部分從液相析出的固相、這就是結(jié)晶操作的基本方式。關(guān)于溶液的過一泡和理論，Miers理論已

4、講得比較清楚，不再贅述。本裝置的結(jié)晶1系統(tǒng)使溶液呈過飽和態(tài)的手段是絕熱閃蒸，即上一級結(jié)晶器中的料液在下一級結(jié)晶器中閃蒸，閃蒸氣體將料液的部分熱量帶走，使料液冷卻，且使溶劑減少.PTA于過飽和態(tài)中析出。結(jié)晶系統(tǒng)工藝瘋程如圖lo理論上講,這種結(jié)晶方式，料液不與加熱、冷卻等固定傳熱面接觸氣體蒸發(fā)在結(jié)晶器自由界面上進(jìn)行，這樣就避免了結(jié)垢向題,但事實上并不這樣理想，在結(jié)晶器中急閃蒸發(fā)時，沸騰液面上霧滴飛裁是很嚴(yán)重的，仍然要使溶質(zhì)粘結(jié)在結(jié)晶器的空壁上形成晶垢。為了驗證本文茯第八次聚酯年會優(yōu)秀論文一等獎聚酯工業(yè)圖1PTA結(jié)晶系統(tǒng)工藝流.程這一推斷，我們在幾次清理結(jié)壁結(jié)晶器內(nèi)部時，做了細(xì)致觀察，下面是所觀察到

5、的晶垢分'布截面的示意圖：圖2垢層分布示蠢圖從垢層的厚度分布來看，由結(jié)晶器頂部向下逐漸變薄，符合空壁結(jié)垢的發(fā)展趨勢，實際生產(chǎn)中也經(jīng)常出現(xiàn)因結(jié)壁嚴(yán)重的垢層脫落而將攪拌機(jī)砸停的情況;再觀察結(jié)壁較輕的結(jié)晶器內(nèi)部，就會發(fā)現(xiàn)，垢層僅存于自由液界面以上。另外，實際生產(chǎn)中，氣相管線內(nèi)部常有PTA粉料沉積,說明霧滴夾帶是很嚴(yán)重的。飛濺的液滴與器壁接觸后，PTA將析出（或附著）并積累，這二過程的微觀解釋是復(fù)雜的，其中包括壁面的幾何結(jié)構(gòu)、壁面溫度及氣液的流動形態(tài)等諸多因素的影響。但是，霧滴飛濺程度大小與結(jié)晶器結(jié),壁速度快慢相應(yīng)的關(guān)系巳被生產(chǎn)實踐反復(fù)證明。如：下一級結(jié)晶器的嚴(yán)重結(jié)壁往往與上一級結(jié)晶器的出料不

6、穩(wěn)相伴而生；高負(fù)荷運(yùn)行時結(jié)壁速度高于低負(fù)荷等。Perry化學(xué)手冊中，將氣體鼓泡通過液體的霧沫夾帶起因歸為4條：（1）過度起泡；（2）由于氣泡頂?shù)钠茐男纬尚〉?；?）由于液體的涌流以填充氣泡破裂所造成的空間而產(chǎn)生的噴射,形成小滴；（4）在較高的蒸汽負(fù)荷下，蒸汽的動能而不是氣泡提供射流和液片的沖力，并以不均勻的模式將其上拋，并指出，在較低的速度范圍,E（kg）夾帶液體/（kg）蒸汽與速度成正比。由此可見，造成霧滴飛濺的直接原因是溶劑的內(nèi)部蒸發(fā)。由底部進(jìn)入結(jié)晶器內(nèi)部的過熱物料，在液層內(nèi)部閃蒸，蒸發(fā)汽沖破液層由氣相管線同熱重一起移出，同時，氣泡的破裂，快速上的氣流使大蛾霧滴被帶向空中。關(guān)于這方面的微觀

7、模型.我們還可以從精情、吸收等許多有關(guān)氣液傳質(zhì)的著述中找到相似的論述。為了搞清楚影響結(jié)晶器蒸發(fā)量的因素及相互關(guān)系，通過結(jié)晶器的物料平衡關(guān)系，我們得出下列等式：D=W（1-B/B）（1）式中：D溶劑蒸發(fā)量kg/h；W料液進(jìn)料最,kg/h；B進(jìn)料液中PTA的重量組分,；B'結(jié)晶器料液中水的重量組分，；式（1）表示了結(jié)晶器蒸發(fā)星與進(jìn)科量的關(guān)系，當(dāng)裝置工藝及設(shè)備條件確定時，B、B'、W均已確定,D也隨之而定，似乎結(jié)壁問題只能歸咎于設(shè)計而無可奈何了，其實不盡然。通過觀察我們發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶器的進(jìn)料控制方式對進(jìn)料量有較大影響，W的瞬時值實際上是在很大范圍內(nèi)波動。雖然結(jié)晶器的操作是連續(xù)的，但其進(jìn)料

8、演量的控制形式卻是介于間歇與連續(xù)之間.通過觀察實際液位調(diào)節(jié)閥（即進(jìn)料流量控制悶）闋位隨時間的變化，根據(jù)枳分相等的原則,我們畝以對設(shè)計流量和買際流,作工示意性對比：圖3流曾對比示意圖觀察結(jié)果表明，進(jìn)料閥的關(guān)閉時間與開啟時間基本相等，對比平均流量，實際流量峰值高出設(shè)計值近一倍（遇管線堵塞等情況，此現(xiàn)象還要加劇），這樣，實際閃蒸量也在麝時大大高于設(shè)計值，較高的氣速使笄滴夾帶量增加,結(jié)晶器的結(jié)壁速率隨之增加。這就使我們感到結(jié)晶器的設(shè)計直徑太?。ㄒ环N分折觀點(diǎn)），也解釋了結(jié)壁周期隨管線流速的穩(wěn)定（沖洗次數(shù)少）而延長的現(xiàn)象。3結(jié)晶器管線堵塞的成因分析通過對大地文獻(xiàn)資料的查閱和對本裝置生產(chǎn)過程的分析，可以確定

9、，結(jié)晶器管線的堵塞只能是兩種情況，一是PTA顆粒于管道中沉積而造成的堵塞，二是溶斌卷PTA于管線或閥口處結(jié)成晶垢而造成堵塞?！卑船F(xiàn)有的設(shè)備條件，在運(yùn)行狀態(tài)下，由于禪壁溫度和液位控制方式的限制，PTA于管道內(nèi)結(jié)晶并引起堵塞,以晶核形成及成長的條件上講,是很困難的。故以下主要對第一種情況展開討論。圖4水罕管的凌動形態(tài)和壓降曲線本裝置結(jié)晶系統(tǒng)的物料，從溶質(zhì)、溶劑的性質(zhì)、濃度和技徑的分布看,屬于典型的牛頓型流體，由于70%以上的PTA已在第一結(jié)晶器中析出，90%以上巳在第二結(jié)晶器內(nèi)完成析出，我們可以把系統(tǒng)的漿料近似地看成是牛頓型固液兩相流體，以便于對一般性問題進(jìn)行討論。對于固液兩相流體流動規(guī)律的研究.

10、國內(nèi)外的有關(guān)著述校多，關(guān)于沉積堵塞的成因，看法也較為一致。見圖4。聚醋工業(yè)當(dāng)混合物流速高于某一數(shù)值uml時，顆粒在流體中處于充分懸浮狀態(tài)，并沿管軸線對稱分布。當(dāng)流速降至小于uml時，湍流強(qiáng)度減弱，固體粒子碰撞到下半部管壁后又被彈回流體，于是，較多的粒子特別是尺寸較大的粒子主要分布在管道的下半部，管內(nèi)上半部的粒子濃度比下半部小，這種流動稱為不對稱懸浮流動，隨流速的減少,直到um2以前，這種流動可以一直保持，當(dāng)流速降至um2后，粒子就會沉積在管底部，首先是象分離的“沙丘”那樣，然后成為連續(xù)的流動床，沙丘或移動床的移動速度比液體速度小,'沙丘或移動床上部的粒子較其下部粒子以更快的速度滾動前進(jìn)

11、，對于粒徑很接近的情況，幾乎所有粒子都沉積在沙丘和移動床上，上層液體是澄清的，對于混合粒子的情況，顆粒底層由沉降最快的粒子組成，中等沉降速度的粒子處于不對稱懸浮狀態(tài)，而沉降速度最小的粒子，則保持對稱懸浮狀態(tài)。當(dāng)流速進(jìn)一步降低到um3時，粒子床的底層幾乎靜止不動，床層增厚,床層最上部粒子跳躍浪動前進(jìn)，對于平均粒徑較小的混合粒子，則有小粒子仍然能夠在床層上部保持為不對稱懸浮流動狀態(tài)，這樣的狀態(tài)稱為靜止床一跳動一不對稱懸浮狀態(tài)，最后，隨流速減少到um4時，靜止床快速增厚，導(dǎo)至將管道堵塞T,固液兩相流的正常流速一般選擇在um2uml范圍內(nèi)，不能低于um2,否則無法保證流動的正常。我們選用與實際較為接近

12、的經(jīng)驗公式，對本系統(tǒng)PTA漿料輸送的um2(水平管)進(jìn)行了估算，下面就是選用被廣泛用于設(shè)計的、安全性較大的Durand關(guān)聯(lián)式計算的過程：um2=Fi(2gD(S-l)°5(2)式中：S=rt/rf=固體重度/流體重度=1.55D管徑=0.05mFi無因次系數(shù)=f(dp,Cs)dp質(zhì)點(diǎn)直徑=210pmCs固體體積分?jǐn)?shù)=26%由關(guān)聯(lián)圖查出Fil.331um2=1.32x9.81x0.05(1.55-I)05=0.95m/s管線設(shè)計的平均速：um=V/A=13/(0.0252x3.14x3600)=1.84m/s>>um2用Spells關(guān)于upil的條件相近的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式估算結(jié)果

13、與Durand的um2結(jié)果幾乎相等，另外，我們還查閱了一些煤、石灰等兩相流(因比重條件與PTA相近)的設(shè)速度推薦表，速度都在lm/s附近，1986年天津大學(xué)為我們所做的“水一對苯二甲酸晶粒水平管內(nèi)流動情況的實驗研究,'中,25%濃度的TA水溶液在13mm水平管內(nèi)流動的極限沉積速度也僅為。.6m/so這說明設(shè)計流速是滿足流動要求的。但如上所述，設(shè)計流速與實際流速之間存在著較大差異，故不得不對實際流速進(jìn)行重新考察。實際流速在0utop之間反復(fù)波動的(如圖3所示)，當(dāng)管內(nèi)流速長時間保持在一個較小值時,PTA粒子必然會在管內(nèi)沉積，并使管道堵塞。從閥門開關(guān)過程來看，閥門開關(guān)之間的時間是很短的，不

14、存在長期小流量的情況，而實際上，調(diào)節(jié)閥關(guān)不嚴(yán)的情況是本裝置本系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥的常見故障。物料進(jìn)入閥桿密封處的晶折使閥卡在某一小開度，閥桿彎曲使閥頭與閥口不吻合，一些貼壁塊料卡在閥頭與閥口之間等，都是造成管內(nèi)長時間小流量的直接原因，都給管線埼塞提供了可能性。4結(jié)論綜上所述，結(jié)晶器漿料管道流速的大幅度波動，既是造成結(jié)晶器結(jié)壁嚴(yán)重，也是引起漿料管線堵塞的重要因素，見圖5分析。實際流量的大幅度波動，使結(jié)晶器內(nèi)的蒸發(fā)汽動能和漿料管內(nèi)的流速發(fā)生大幅度變化。高流速時，結(jié)晶器內(nèi)蒸發(fā)汽量超過結(jié)晶器的設(shè)計負(fù)荷，使過量霧滴射濺在空壁上，加快了晶垢的發(fā)展速度。低流速時,管道內(nèi)流速低于沉積國5流量控制分忻圖流速,PTA晶粒便

15、在管道內(nèi)沉降積累，形成淤塞c由此可知，攻善結(jié)晶器之間流量的調(diào)節(jié)性能，縮小其正常波動的范圍，即使其真正落在以設(shè)計流速為中心，以um2為幅寬的波動范圍內(nèi)，將是改善結(jié)晶系統(tǒng)現(xiàn)狀，提高整個PTA裝置運(yùn)行水平的有效方法。5結(jié)束語本文是在裝置多年生產(chǎn)經(jīng)驗總結(jié)的基礎(chǔ)上完成的，在此衷心感謝本裝置廣大職工在生產(chǎn)中做出的長期努力和探索，由于筆者水平所限，文章中難免有不妥之處，誠望讀者批評指正。致湖燕化蜜南廠沈中格等同志曾為本文提出過許多寶貴建儀，特此致謝。參考文獻(xiàn)1岳德龍等編.化孚工程手第9筒）、化學(xué)工業(yè)出版社.1985.158（美）R.H.Perry.PERRY化學(xué)工程手第六版下i»）.化學(xué)工業(yè)出版社.1993.18勇3）周肇義等殖.化學(xué)工程手冊（第4篇）.化學(xué)工業(yè)出版社,1987.117120。G整）E.J.瓦斯善等.困體物料的系料管道輸送、水利電力出版社.）984.1C2（收稿日期W9405V9）（上接第27頁）發(fā)，我倡還是控制在十個月的使用周期,即使如此，我們還是比原設(shè)計節(jié)省了近一半的催化劑，估計費(fèi)用在590萬美元。Pd/C催化劑的升級換代已經(jīng)可能將使用壽命延長2-3倍，據(jù)有關(guān)資料介紹，近年來這是一個發(fā)展的趨勢