涤纶聚酯生产装置的真空系统.doc

涤纶聚酯生产装置的真空系统摘要：文章介绍了聚酯生产中所使用的真空获得系统的发展过程；华达公司开发、设计、生产的真空系统的技术原理及特点。关键词：聚酯；真空系统；一、涤纶聚酯生产装置中真空泵发展历程概述在上世纪最早的涤纶聚酯生产装置中，采用机械真空泵（滑罗机组）作为真空获得设备。由于机械真空泵存在缺点：A、不能抽除可凝性气体（今后干式螺杆泵发展情况怎样？）；B、易受齐聚物堵塞，真空度波动大；C、随着单线产量规模增大，需要许多机械真空泵组并联，机构庞大复杂；维修复杂；50年代（国外）60年代（国内）开始，逐渐被水蒸汽喷射真空泵所取代（上海涤纶厂等）。采用水蒸汽喷射真空泵产生新的问题：A、能耗大；B、产生大量废水；C、原料EG损耗大；60年代开始，德国吉玛公司开始研制以涤纶聚酯原料的乙二醇蒸汽驱动的EG喷射真空泵EG液体喷射真空泵和EG蒸汽喷射真空泵，国内于1977年由北京燕山长征化工厂首先引进使用。整个8090年代，我国引进的或国产的涤纶聚酯装置，大部分仍采用水蒸汽喷射真空泵，小部分采用EG蒸汽喷射真空泵（仪化）。进入21世纪，我国引进的或国产的涤纶聚酯装置，大部分采用EG蒸汽喷射真空泵，小部分仍采用水蒸汽喷射真空泵。实践证明，在涤纶聚酯生产中，EG蒸汽喷射真空泵具有能耗小，不损耗原料EG，不产生废水，真空度稳定等优点。二、华达公司发展EG真空泵历程概述 华达公司（前身建华真空设备机械厂）创立时，生产的第一台设备5级真空泵就是为涤纶聚酯生产服务的。扬州惠通的第一条5000T/A线使用的也是我公司的5级泵。从1991年至2002年我们为间歇式提供了500多台（套）5级水蒸汽喷射真空泵（是中国聚酯工业发展的罪人，谢晓中语）；1999年，我公司开展EG真空泵的理论研究；2000年，自费试制了1台EG真空泵在浙江超同安装，进行了性能测试；2001年，在试验设备的基础上，为上海浦源免费制造2台，在间歇式生产中投入使用；2002年，为上海石化CP-3提供第1台（与汪总、新良合作）；2003年到2008年，为近百条间歇式生产线提供了EG真空泵；同时，从1994年开始为上海石化2号聚酯的6条钟纺线进行真空泵改造，1998年，随着改造进入到EG捕集器的改造阶段；我们开始接触涤纶聚酯生产装置中的整个真空系统。2002年，我公司在加盟汪总聚友公司团队后，使我们有机会参与了张家港新欣化纤的8万吨、新苏15万吨、上海石化的15万吨、埃及4+0.4万吨、新港15+3万吨、华特斯8万吨、，弘兴8+2万吨、金胜10万吨等涤纶聚酯项目工作；同时，我们还参与了国内其他十几套涤纶聚酯装置真空系统的新建和改造工作：上海石化2号聚酯的6条钟纺线、3号聚酯的2条杜邦线、洛阳石化的2条杜邦线、三房巷的3条杜邦线、海南兴业的1条杜邦线、华西的1条吉玛线、华宏1条线、宜兴2条线、中捷1条线。可以这么说，2003年之前，华达公司对EG真空泵及捕集器的开发实践好比一个人的儿童状态，2003年之后，在聚友公司的庇荫下逐步成年，为此，我在这里，谨代表华达公司对在座的和不在座的所有聚友公司的同仁们，表示衷心的感谢！三、我公司真空系统的特点通过以上提到的各项工作的实践，我们对涤纶聚酯生产装置中真空系统：捕集器和EG蒸汽喷射真空泵系统的设计、生产、调试积累了一定的经验，形成了一定的特点，特总结如下，供大家参考，并请斧正。1、EG捕集器部分在涤纶聚酯装置中，EG捕集器起到捕集缩聚釜中产生的大量可凝性气体和低分子齐聚物的作用，是真空系统的关键设备。如果EG捕集器对可凝性气体捕集效果不好，可凝性气体得不到充分冷凝，将大大增加真空泵的负荷，造成系统真空度达不到要求。如果EG捕集器对齐聚物捕集效果不好，进入真空泵的低分子齐聚物增加，会逐渐地堵塞真空泵，使真空泵无法正常工作，聚酯装置必须停车检修。从一开始，我们接触和改造的捕集器是立式结构，因此，到目前为止，我们设计的捕集器都是立式折流式结构（详见图1），立式折流式捕集器在设计中要解决的（规范的）问题有：1、在理论计算（物料衡算）中：A、工作压力：提出的工作压力是必要条件，还是充分条件，我们认为应按必要条件考虑；今后常规产品就按1.5/0.15KPa；B、工作EG的温度：高温或低温，或高低温结合； 捕集器内的可凝性气体分压取决于（EG-H2O）的饱和蒸汽压，亦即取决于循环EG（EG-H2O）的含水率和工作温度，它必须低于工作压力。高温：既要高温度，又要满足工作压力，即：维持（EG-H2O）的饱和蒸汽压不变，就必须降低含水率。降低含水率依靠两个途径：从出气口被真空泵抽走和溢流口溢流。从出气口被真空泵抽走就要增加真空泵的负荷，导致EG蒸汽用量的增加，设备增大。从溢流口溢流，需要增加溢流量，即需要增加EG补充量。所以高温有一个极限。今后，采用45和30；低温：对降低真空泵的EG蒸汽用量有好处，但EG循环系统容易堵塞。今后不考虑；高温/低温结合：原理：一级高温喷淋捕集齐聚物，二级低温喷淋捕集可凝性气体；初步方案：补充EG分两路补充；一路从终缩一级热井至预缩一级热井；一路从终缩二级热井至预缩二级热井至预缩一级热井。采用50和35；/采用25和25；终缩一级热井能否不补充，作进一步的理论分析。C、循环EG喷淋量：UFPP喷淋量大小主要从捕集效果（温升能否达到）和水泵功率两方面考虑（考虑68温升）；FIN喷淋量大小则是从捕集效果（横截面能否有效覆盖）和水泵功率两方面考虑（考虑0.51.5温升）；考虑在理论计算基础上适当放大；D、补充EG量：在工艺流程中容许真空系统用多少EG？真空泵系统及真空度调节系统需要用多少EG？剩余为补充EG量（当然要留一定余量）。补充EG量大，溢流量也大，循环EG的含水率就低，真空泵耗能就少。E、立式折流式喷淋捕集器相当于一台液体喷射器，喷淋EG有一定抽空作用，程度尚无法计算和定量，影响真空度调节（真空度过高）；2、在结构设计中：A、进气口直径：决定于真空度（气体的比容/密度）和气体流速（重量流速/体积流速/速度流速）的选取；决定于缩聚釜气升口直径的选取；目前情况： 今后怎么取：B、外形尺寸：进气口直径决定了上筒体直径（上筒体无非是通道）；上筒体直径决定下筒体的内外筒体的直径；如果上筒体采用大开孔，则：上筒体与下筒体的内筒体之间采用锥体过渡（直径差为200400，45或60）；如果上筒体不采用大开孔，则：上筒体与下筒体的内筒体直径可以一致；前者优点：1、避免上筒体齐聚物堵塞喷淋孔； 2、刮刀直径小； 3、喷头容易布置，多布置； 4、挂在上下运动刮刀上的齐聚物容易被EG冲掉；前者缺点：1、大开孔，上筒体强度差，焊接变形大；2、下筒体的内筒体喷淋EG 的覆盖密度降低；下筒体的内外筒体的间距：100200毫米；主要考虑下喷淋EG能否将内外筒体的横截面全部覆盖（间距小，难以全部覆盖），以及气流的悬浮速度。下筒体长度：一般为直径的23倍，主要考虑满足出气口、喷淋EG口、环管、支座、视镜的位置，其次考虑气流悬浮速度所需要的悬浮空间（夹带物在重力作用下的减速距离）。C、环管直径：由循环EG喷淋量和速度流速决定；新良已有规定D、出气口直径：原则上由真空泵的抽气口直径决定；E、出液口直径：原则上由循环EG喷淋量和速度流速决定，但应考虑从刮刀上掉下的齐聚物能否通过的问题；3、喷头及喷头安装雾化喷头比降膜喷头好，特别在下筒体。安装雾化喷头的非标球阀：3种非标球阀和各种流量的雾化喷头；雾化喷头带X芯，被安装在非标球阀的球体内；球阀在开启状态时，EG液体通过球体内的雾化喷头，以液雾、液滴状喷出；球阀在关闭状态时，打开阀体上的闷盖，可以对雾化喷头进行在线清理或更换；要注意的问题是：1、球阀在开启状态时，不能内漏；一旦内漏，部分EG液体未通过球体内的雾化喷头而进入捕集器，不但雾化效果差；而且EG流量也增大，且无法控制；2、正常情况下，EG流量受喷头和压力控制，要调节流量，只能通过更换喷头和调节压力，千万不能调节球阀；球阀只能全开或全关；3、球阀全关，目的是对雾化喷头进行在线清理，或更换雾化喷头，或调节阀门的内部压紧螺母；4、盖板及夹套热媒温度要高：。5、仍然采用上下型气缸通棒,也可以考虑用液压通棒；我公司的通棒3种形式：分别为上下型、旋转型、上下旋转综合型； 效果：上下旋转综合型最好，缺点是高度比较高,是行程的两倍； 上下型气缸通棒使用最广；我公司尚无旋转型的使用经历；旋转型需要现场装配；机械密封能否水平运输；若可以，则可在公司内装配好；2、EG真空泵部分 图5传统筛板折流式 EG真空泵是涤纶聚酯装置中获得和保持真空状态的基本设备，真空度越高，聚酯产品的聚合度就越高，粘度也越高，质量越好。引进设备中，3个级间冷凝器都采用同样的筛板折流式结构，如图示意，即：冷凝器的内件由多层交叉设置的筛板组成；其基本工作机理是：EG冷却液通过筛板上的小孔，以雨柱状自然下降，EG蒸汽在筛板间绕行上升，与EG冷却液形成逆流接触，从而达到冷凝捕集或加热蒸馏的目的。其普遍存在的缺点是：1、EG冷却液为雨柱状，表面积小，间隙大，虽与蒸汽逆流，但接触效果差；使得冷凝捕集或加热蒸馏的效果都差；2、筛板上的小孔易堵塞，造成冷却液的分布不均匀，影响冷凝或加热效果，使真空度波动；严重时，还会引起气体短路，使系统真空度下降；3、筛板上的小孔堵塞后，即使停车也难以清除；冷却液容易飞溅进入下级喷射器，也会引起真空度波动；4、气体通过交叉设置的筛板时，流动阻力较大，造成前置喷射器的背压高，真空度低。 5、同时，3个级间冷凝器使用同样温度的冷却EG，也使得第一、二级间冷凝器的喷淋EG量过小，无法满足水分的蒸发量要求；6、循环EG的含水率过高，使得第一级间冷凝器的可凝性气体分压和工作压力过高，是影响工作真空度的根本原因。这说明，国外生产商的设计理念或理论有错误。为此，我们建立了自己的设计EG喷射真空泵的理论计算模式：A、最高工作真空度要达到50100Pa，第一级EG喷射器的压缩比应小于或等于13，即：50到650Pa；因此，第一级间冷凝器的工作压力必须低于650Pa(5mmHg)；B、要保证第一级间冷凝器的工作压力达到低于650Pa(5mmHg)，就需要第一级间冷凝器中的可凝气体分压尽可能地低于400Pa(3mmHg)；为此，第一级间冷凝器的冷却EG进液温度应40，冷却EG出液温度应44；同时，应确保循环EG的含水率应低于1.5 (实际运行含水率低于1.0) ；C、因此，对EG喷射泵机组而言，应把水分全部当作不凝气抽除；但其实际过程性质又是可凝的；D、因此：第二、三级间冷凝器必须具备充分蒸发水分的能力。由液环真空泵的工作能力确定：第三级间冷凝器的工作压力应为10Kpa，冷却EG进液温度应或略小于60，则，冷却EG出液温度应100；如果确定第二级间冷凝器的工作压力为3.3Kpa，则冷却EG的进液温度应60，冷却EG的出液温度应80；这时，真空热井的EG温度60；E、这样：第二级EG喷射器的压缩比为5，即：650到3.3KPa；第二级EG喷射器的压缩比为3，即：3.3到10Kpa。F、第一级间冷凝器的作用是充分捕集和冷凝第一级喷射器排出的可凝性气体（EG蒸气和水蒸气），以减轻第二级EG喷射器的工作负荷，达到增大抽气能力、降低能耗的目的；第二、第三级间冷凝器的作用是：首先保证蒸馏水分，其次冷凝EG蒸气。为了达到理论模式规定的要求，我们设计了新型结构的级间冷凝器。对第二、第三级间冷凝器，我们采用雾化喷淋形式（结构见图1）。它的工作原理是：EG液体经过雾化喷头后形成雾滴状喷出，在冷凝器筒体内形成均匀的、高密度的、雾滴状的EG液体，雾滴状的EG液体与被冷凝气体可以充分接触，达到对被冷凝气体中EG蒸汽最佳的冷凝捕集的效果；同时，EG蒸汽将热量传递给EG液体，使EG液体中的水份得以充分汽化，达到降低循环EG中含水率下降的效果。同时，由于冷凝器内部没有其它构件（只有上部有喷头），不影响通导面积，气体运行阻力最小，也降低了前置喷射器的背压。对第一级间冷凝器，我们采用强制膜喷淋形式（结构见图2）。它的工作原理是：EG液体经过强制喷头后，形成30米/秒流速的伞形的连续膜，象一个锅盖一样均匀地、毫无间隙地覆盖了冷凝器筒体的横截面，当被冷凝的气体逆向上升时，必须与强制膜充分接触，其中的可凝性气体被强制膜的正面完全吸收，达到最佳冷凝捕集的效果，大大降低了第二级喷射器的负荷；同时，加速下降的环状EG液体对被冷凝气体产生抽吸作用（冷凝器相当于水喷射泵），大大降低了第一级喷射器的背压；此外，由于冷凝器内部没有其它构件（只有上部有喷头），通导最大面积，气体运行阻力最小，也降低了第一级喷射器的背压。图1 雾化喷淋式 图2强制膜式三种冷凝器的优缺可以从汇总比较的表1中明显看得出来。表1 三种冷凝器的比较项 目传统筛板折流式强制膜式雾化喷淋式冷凝器内气流速度3543米/秒1820米/秒1820米/秒机械阻力510mmHg无无液流抽空作用微小 -0.03MPa-0.08MPa 作用明显-0.08MPa 作用明显冷却EG液流形状雨状或紊乱膜状雾状汽体与冷却EG液体热交换特点接触交换（有温差）扩散交换（有压差）抽吸交换（无压差、无温差）强制交换（无温差、有微压差）抽吸交换（无压差、无温差）雾状交换（无温差、有微压差）冷凝机理有温差、压差无温差、微压差无温差、微压差主要冷凝发生及效果冷凝器中部，效果差在冷凝器底部和下液管内，效果最好在冷凝器全部，效果好主要蒸发发生及效果冷凝器中部，效果差几乎不发生在冷凝器全部，效果好对喷射器影响有飞溅进入下级泵无飞溅进入下级泵无飞溅进入下级泵冷却液量调整复杂、不可计量简单、可计量简单、可计量维修、使用可靠性复杂、易堵塞、不可靠简单、不易堵塞、可靠简单、不易堵塞、可靠3、系统配置对不同的涤纶聚酯生产工艺流程，我们认为应采用不同的真空系统配置。国外进口的 EG蒸汽喷射真空泵基本上都是由三个EG蒸汽喷射器和三个级间冷凝器组成，并以EG液环泵作为前级排大气泵。配置流程如图3所示：我们分析、研究后认为：如果EG捕集器使用高温EG（高于40）进行冷凝捕集，以上方法可行；如果EG捕集器使用低温EG（低于40）进行冷凝捕集，则，EG蒸汽喷射泵应采取由四个EG蒸汽喷射器和三个EG级间冷凝器组成的结构，这样，不但终缩聚釜真空度更高、更稳定，工艺流程容易调节，而且能耗也大大下降。具体配置流程如图4所示：1、 一级EG蒸汽喷射器；2、一级EG冷凝器；3、二级EG蒸汽喷射器；4、二级EG冷凝器；5、三级 EG蒸汽喷射器；6、三级EG冷凝器图3 3级 EG蒸汽喷射泵流程简图2、 第一级EG蒸汽喷射器；2、第一级间冷凝器；3、第二级EG蒸汽喷射器；4、第二级间冷凝器；5、第三级 EG蒸汽喷射器；6、第三级间冷凝器;7、第二级辅助EG蒸汽喷射器图4 4级 EG蒸汽喷射泵流程简图总结（设计规范）一、真空系统空气量及EG补充量：可凝性气体量及乙醛量与生产工艺及产量有关；空气量与产量有部分关（系统体积及配置的管道件），但不一定成正比例关系，今后大致按照下表定： 第一级泵及第二极辅泵结构（扩压管喉径）根据产量进行圆整。产量（万吨年）不凝性气体量（千克小时）终缩聚EG补充量：在工艺流程中容许真空系统用多少EG，由聚友提供数据，由华达决定在真空泵系统及真空度调节系统的EG使用量，剩余为捕集器补充EG量（当然要留一定余量）。二、捕集器工作参数及结构1、捕集器工作参数A、工作压力：今后常规产品的工作压力就按1.5/0.15KPa；B、工作温度：原则上，今后对低温工作状态不考虑；对小线采用高温喷淋；采用40和30高温； 对大线采用高低温结合的二级喷淋：一级喷淋捕集聚合物和，二级喷淋降低尾气中的可凝性气体量。UFPP采用50和25；FIN 采用40和25；补充EG分两路补充；一路从终缩一级热井至预缩一级热井；一路从终缩二级热井至预缩二级热井至预缩一级热井；终缩一级热井能否不补充，由华达再作进一步的理论分析。C、循环EG喷淋量：喷淋量考虑在理论计算基础上适当放大。UFPP喷淋量大小主要从捕集效果（温升能否达到）和水泵功率两方面考虑（考虑68温升）；FIN喷淋量大小则是从捕集效果（横截面能否有效覆盖）和水泵功率两方面考虑（考虑0.51.5温升）；2、结构A、进气口的直径、壁厚由聚友决定（确定规格表）；B、盖板、上筒体、及进气管夹套应统一采用气相或液相热媒，温度要；再采用气相事，上筒体与进气管热媒系统合二为一；在采用液相时，上筒体与进气管热媒系统应分开；C、出气口直径根据喷射泵进气口直径；D、出液口的直径主要考虑集聚物，最大为刮刀内径的四分之一的弦高；E、今后，环管不配；是不是要分为封闭的两半？环管直径按速度流速11.5米/秒计算？环管与连接管之间要装夹板式球阀；环管与