浆料流速对PTA结晶操作的影响.docx

1、浆料流速对PTA结晶操作的影响（北京燕山石化公司聚厂，102500）董立文亿）篇化曜陆厂PTA结品系统长期存在的运行周期短、管道堵馨我集何题，产整个装量的长周期建定运行。实际观察与测算的结果表明：绍品H迸料流速的大幅g波动是导效这一现象产生的妥瞅因之一.进14流速高时.结晶界内的晶垢形成速度加快;流速低时.PTA晶牲便在&遭内沉降积JR形成戳塞。因此,改善结晶焉之间床量调节性能.集小其波动葩是改善系垸现状，提?整个皱量运行水平的有效方米。关EE竺生咐堵富豪槌叶衬礼1前言北京燕山石化公司聚酯厂的PTA装置（以下简称本装置）是70年代末引进美国阿莫柯公司专利技术，由原西嬉鲁奇公司提供工程设

2、计的PTA生产装置，其作用是博含有（23）礼10-3对蔑基苯甲醛（4-CBA）的粗爵苯二甲酸（TA）精制成4-CBA含蚩小于2.5x的PTA产品，工艺流程简述如下：TA以脱离子水作溶剂，经升温溶解，催化加氢还原其中部分4-CBA为较易溶于水的对甲基苯甲酸（TOL）,然后，通过逐渐降温使溶液中的PTA按规定粒度分布结晶析出，再通过离心沉降分离、干燥，完成对产品的回收。此装置的PTA结晶系统采用五级连续结晶，设置于加氢反应器和沉降离心机'之间的五台结晶器，使PTA料液从281t逐级闪蒸降温至150C。长期以来，此系统存在着结晶器器壁结垢严重（至多连续运行15天就必须停车水洗）和结晶器之间管

3、线堵塞频繁的现象，使PTA装置的稳定运行受到严重影响。尽管经过多年生产实践，一线操作入员已经掌握了一些使其缓解的经验方法，但问题一直没能彻底解决。笔者认为，矗决问题的深度有赖于对问题的认识程度，PTA结晶系统工艺流程虽比较简单，但实际生产中引起结晶器结壁和管线堵塞的原因却是多方面的，本文仅就重要影响因素之一的浆料疯速作一分析讨论，以供同行和专家们在解决这一问题时参考。2结晶器结壁的成因分析地和溶液只有在溶解度曲线上才能存在，超过这条曲线向高浓度方向移觌就落入0:饱和区域内，就会同时存在国和溶液和多余出来的一部分从液相析出的固相、这就是结晶操作的基本方式。关于溶液的过一泡和理论，Miers理论已

4、讲得比较清楚，不再赘述。本装置的结晶1系统使溶液呈过饱和态的手段是绝热闪蒸，即上一级结晶器中的料液在下一级结晶器中闪蒸，闪蒸气体将料液的部分热量带走，使料液冷却，且使溶剂减少.PTA于过饱和态中析出。结晶系统工艺疯程如图lo理论上讲,这种结晶方式，料液不与加热、冷却等固定传热面接触气体蒸发在结晶器自由界面上进行，这样就避免了结垢向题,但事实上并不这样理想，在结晶器中急闪蒸发时，沸腾液面上雾滴飞裁是很严重的，仍然要使溶质粘结在结晶器的空壁上形成晶垢。为了验证本文茯第八次聚酯年会优秀论文一等奖聚酯工业图1PTA结晶系统工艺流.程这一推断，我们在几次清理结壁结晶器内部时，做了细致观察，下面是所观察到

5、的晶垢分'布截面的示意图：图2垢层分布示蠢图从垢层的厚度分布来看，由结晶器顶部向下逐渐变薄，符合空壁结垢的发展趋势，实际生产中也经常出现因结壁严重的垢层脱落而将搅拌机砸停的情况;再观察结壁较轻的结晶器内部，就会发现，垢层仅存于自由液界面以上。另外，实际生产中，气相管线内部常有PTA粉料沉积,说明雾滴夹带是很严重的。飞溅的液滴与器壁接触后，PTA将析出（或附着）并积累，这二过程的微观解释是复杂的，其中包括壁面的几何结构、壁面温度及气液的流动形态等诸多因素的影响。但是，雾滴飞溅程度大小与结晶器结,壁速度快慢相应的关系巳被生产实践反复证明。如：下一级结晶器的严重结壁往往与上一级结晶器的出料不

6、稳相伴而生；高负荷运行时结壁速度高于低负荷等。Perry化学手册中，将气体鼓泡通过液体的雾沫夹带起因归为4条：（1）过度起泡；（2）由于气泡顶的破坏形成小滴；（3）由于液体的涌流以填充气泡破裂所造成的空间而产生的喷射,形成小滴；（4）在较高的蒸汽负荷下，蒸汽的动能而不是气泡提供射流和液片的冲力，并以不均匀的模式将其上抛，并指出，在较低的速度范围,E（kg）夹带液体/（kg）蒸汽与速度成正比。由此可见，造成雾滴飞溅的直接原因是溶剂的内部蒸发。由底部进入结晶器内部的过热物料，在液层内部闪蒸，蒸发汽冲破液层由气相管线同热重一起移出，同时，气泡的破裂，快速上的气流使大蛾雾滴被带向空中。关于这方面的微观

7、模型.我们还可以从精情、吸收等许多有关气液传质的著述中找到相似的论述。为了搞清楚影响结晶器蒸发量的因素及相互关系，通过结晶器的物料平衡关系，我们得出下列等式：D=W（1-B/B）（1）式中：D溶剂蒸发量kg/h；W料液进料最,kg/h；B进料液中PTA的重量组分,；B'结晶器料液中水的重量组分，；式（1）表示了结晶器蒸发星与进科量的关系，当装置工艺及设备条件确定时，B、B'、W均已确定,D也随之而定，似乎结壁问题只能归咎于设计而无可奈何了，其实不尽然。通过观察我们发现，结晶器的进料控制方式对进料量有较大影响，W的瞬时值实际上是在很大范围内波动。虽然结晶器的操作是连续的，但其进料

8、演量的控制形式却是介于间歇与连续之间.通过观察实际液位调节阀（即进料流量控制闷）阕位随时间的变化，根据枳分相等的原则,我们亩以对设计流量和买际流,作工示意性对比：图3流曾对比示意图观察结果表明，进料阀的关闭时间与开启时间基本相等，对比平均流量，实际流量峰值高出设计值近一倍（遇管线堵塞等情况，此现象还要加剧），这样，实际闪蒸量也在麝时大大高于设计值，较高的气速使笄滴夹带量增加,结晶器的结壁速率随之增加。这就使我们感到结晶器的设计直径太小（一种分折观点），也解释了结壁周期随管线流速的稳定（冲洗次数少）而延长的现象。3结晶器管线堵塞的成因分析通过对大地文献资料的查阅和对本装置生产过程的分析，可以确定

9、，结晶器管线的堵塞只能是两种情况，一是PTA颗粒于管道中沉积而造成的堵塞，二是溶斌卷PTA于管线或阀口处结成晶垢而造成堵塞。”按现有的设备条件，在运行状态下，由于禅壁温度和液位控制方式的限制，PTA于管道内结晶并引起堵塞,以晶核形成及成长的条件上讲,是很困难的。故以下主要对第一种情况展开讨论。图4水罕管的凌动形态和压降曲线本装置结晶系统的物料，从溶质、溶剂的性质、浓度和技径的分布看,属于典型的牛顿型流体，由于70%以上的PTA已在第一结晶器中析出，90%以上巳在第二结晶器内完成析出，我们可以把系统的浆料近似地看成是牛顿型固液两相流体，以便于对一般性问题进行讨论。对于固液两相流体流动规律的研究.

10、国内外的有关著述校多，关于沉积堵塞的成因，看法也较为一致。见图4。聚醋工业当混合物流速高于某一数值uml时，颗粒在流体中处于充分悬浮状态，并沿管轴线对称分布。当流速降至小于uml时，湍流强度减弱，固体粒子碰撞到下半部管壁后又被弹回流体，于是，较多的粒子特别是尺寸较大的粒子主要分布在管道的下半部，管内上半部的粒子浓度比下半部小，这种流动称为不对称悬浮流动，随流速的减少,直到um2以前，这种流动可以一直保持，当流速降至um2后，粒子就会沉积在管底部，首先是象分离的“沙丘”那样，然后成为连续的流动床，沙丘或移动床的移动速度比液体速度小,'沙丘或移动床上部的粒子较其下部粒子以更快的速度滚动前进

11、，对于粒径很接近的情况，几乎所有粒子都沉积在沙丘和移动床上，上层液体是澄清的，对于混合粒子的情况，颗粒底层由沉降最快的粒子组成，中等沉降速度的粒子处于不对称悬浮状态，而沉降速度最小的粒子，则保持对称悬浮状态。当流速进一步降低到um3时，粒子床的底层几乎静止不动，床层增厚,床层最上部粒子跳跃浪动前进，对于平均粒径较小的混合粒子，则有小粒子仍然能够在床层上部保持为不对称悬浮流动状态，这样的状态称为静止床一跳动一不对称悬浮状态，最后，随流速减少到um4时，静止床快速增厚，导至将管道堵塞T,固液两相流的正常流速一般选择在um2uml范围内，不能低于um2,否则无法保证流动的正常。我们选用与实际较为接近

12、的经验公式，对本系统PTA浆料输送的um2(水平管)进行了估算，下面就是选用被广泛用于设计的、安全性较大的Durand关联式计算的过程：um2=Fi(2gD(S-l)°5(2)式中：S=rt/rf=固体重度/流体重度=1.55D管径=0.05mFi无因次系数=f(dp,Cs)dp质点直径=210pmCs固体体积分数=26%由关联图查出Fil.331um2=1.32x9.81x0.05(1.55-I)05=0.95m/s管线设计的平均速：um=V/A=13/(0.0252x3.14x3600)=1.84m/s>>um2用Spells关于upil的条件相近的经验关联式估算结果

13、与Durand的um2结果几乎相等，另外，我们还查阅了一些煤、石灰等两相流(因比重条件与PTA相近)的设速度推荐表，速度都在lm/s附近，1986年天津大学为我们所做的“水一对苯二甲酸晶粒水平管内流动情况的实验研究,'中,25%浓度的TA水溶液在13mm水平管内流动的极限沉积速度也仅为。.6m/so这说明设计流速是满足流动要求的。但如上所述，设计流速与实际流速之间存在着较大差异，故不得不对实际流速进行重新考察。实际流速在0utop之间反复波动的(如图3所示)，当管内流速长时间保持在一个较小值时,PTA粒子必然会在管内沉积，并使管道堵塞。从阀门开关过程来看，阀门开关之间的时间是很短的，不

14、存在长期小流量的情况，而实际上，调节阀关不严的情况是本装置本系统调节阀的常见故障。物料进入阀杆密封处的晶折使阀卡在某一小开度，阀杆弯曲使阀头与阀口不吻合，一些贴壁块料卡在阀头与阀口之间等，都是造成管内长时间小流量的直接原因，都给管线埼塞提供了可能性。4结论综上所述，结晶器浆料管道流速的大幅度波动，既是造成结晶器结壁严重，也是引起浆料管线堵塞的重要因素，见图5分析。实际流量的大幅度波动，使结晶器内的蒸发汽动能和浆料管内的流速发生大幅度变化。高流速时，结晶器内蒸发汽量超过结晶器的设计负荷，使过量雾滴射溅在空壁上，加快了晶垢的发展速度。低流速时,管道内流速低于沉积国5流量控制分忻图流速,PTA晶粒便

15、在管道内沉降积累，形成淤塞c由此可知，攻善结晶器之间流量的调节性能，缩小其正常波动的范围，即使其真正落在以设计流速为中心，以um2为幅宽的波动范围内，将是改善结晶系统现状，提高整个PTA装置运行水平的有效方法。5结束语本文是在装置多年生产经验总结的基础上完成的，在此衷心感谢本装置广大职工在生产中做出的长期努力和探索，由于笔者水平所限，文章中难免有不妥之处，诚望读者批评指正。致湖燕化蜜南厂沈中格等同志曾为本文提出过许多宝贵建仪，特此致谢。参考文献1岳德龙等编.化孚工程手第9筒）、化学工业出版社.1985.158（美）R.H.Perry.PERRY化学工程手第六版下i»）.化学工业出版社.1993.18勇3）周肇义等殖.化学工程手册（第4篇）.化学工业出版社,1987.117120。G整）E.J.瓦斯善等.困体物料的系料管道输送、水利电力出版社.）984.1C2（收稿日期W9405V9）（上接第27页）发，我倡还是控制在十个月的使用周期,即使如此，我们还是比原设计节省了近一半的催化剂，估计费用在590万美元。Pd/C催化剂的升级换代已经可能将使用寿命延长2-3倍，据有关资料介绍，近年来这是一个发展的趋势