李 大 仰

（南京工業大學，南京 210009）

精對苯二甲酸漿料壓力過濾濾餅洗滌、脫水特性的試驗研究

李 大 仰

（南京工業大學，南京 210009）

對精對苯二甲酸（PTA）漿料的壓力過濾過程濾餅洗滌和脫水進行試驗研究。對影響PTA濾餅洗滌及脫水的各因素進行分析，考察洗滌強度、洗滌量等操作參數對PTA濾餅洗滌效果的影響，獲得PTA濾餅洗滌的數學模型；考察PTA濾餅脫水過程各操作參數對濾餅含濕率的影響，獲得脫水時間、脫水壓差等操作參數對PTA濾餅含濕率的影響規律。為開發PTA漿料一級壓力過濾技術取代目前廣泛使用的兩級壓力離心分離技術提供試驗數據。

精對苯二甲酸 漿料 壓力 過濾 洗滌 脫水

1 前 言

PTA（精對苯二甲酸）是生產聚酯的重要原料。以PX（對二甲苯）為原料，以醋酸為溶劑，在醋酸鈷、醋酸錳催化劑的作用下與空氣進行液化氧化，生成CTA（粗對苯二甲酸），然后對CTA進行加氫精制，再經分離、干燥，獲得精對苯二甲酸產品[1]。在PTA精制工段分離單元，廣泛采用兩級分離技術，即用第一級壓力離心分離加第二級常壓離心分離或真空過濾。第一級壓力離心分離的目的是保證PTA漿料在高溫（145～150 ℃）條件下脫除大部分溶解在母液中的PT酸（對甲基苯甲酸）及4-CBA（4-羧基苯甲醛）等有機雜質。第二級分離的目的是通過第一級分離獲得PTA濾餅，再經無離子水打漿稀釋，進一步脫除殘留在PTA濾餅中的PT酸及4-CBA雜質，最終獲得合格的PTA。由此可見，采用兩級分離工藝，除了實現PTA產品的分離外，唯一的目的是脫除產品中的有機雜質。但兩級分離技術存在明顯的不足，主要表現在工藝流程長、工藝設備臺數多、專用設備需要進口，由此造成一次投資大、運行能耗高、檢修維護費用高等缺點。針對以上問題，本課題對精對苯二甲酸（PTA）漿料壓力過濾過程形成的濾餅的洗滌及脫水特性進行試驗研究，探索PTA壓力過濾濾餅洗滌及脫水的相關規律，并結合實驗獲得壓力過濾過程PTA濾餅的洗滌、脫水數學模型，為進一步開發PTA漿料一級壓力過濾技術提供可靠的試驗數據。

2 試驗裝置及方法

在實驗室建立高溫（145～150 ℃）壓力濾葉試驗裝置，試驗流程示意見圖1。該裝置主要由汽水儲存罐、過濾器和電加熱器三部分組成，儲存罐可為試驗提供壓力恒定、溫度穩定的汽源和水源，電加熱器可以使過濾罐中的料漿達到試驗所需的溫度，蒸汽表和熱水表可以準確地計量試驗的脫水耗汽量和洗滌水量，壓差計用于測量試驗過程的過濾、洗滌和脫水壓差。試驗所用PTA漿料均取自某PTA生產裝置壓力離心機進料罐，試驗前，過濾器中加入一定量的PTA料漿，電加熱器將料漿加熱到145～150 ℃，使料漿中的PT酸、4-CBA等雜質充分溶解。試驗時，PTA漿料在穩定的蒸汽壓力下進行過濾，過濾結束后，通入一定量的熱水對濾餅進行洗滌，然后使用蒸汽對濾餅進行脫水。

3 濾餅洗滌試驗結果及分析

用洗滌液從濾餅中置換出母液的操作稱作濾餅洗滌，在固液分離中一般簡稱為洗滌[2-3]。PTA精制單元過濾工藝中，濾餅洗滌的主要目的是將濾餅中殘留的影響其品質的PT酸、4-CBA等雜質置換脫除。

圖1 高溫壓力濾葉試驗裝置

3.1 濾餅洗滌效果綜合分析

影響濾餅洗滌效果的因素很多，包括：①物性參數，即濾餅固體顆粒直徑d、濾餅孔隙率ε、料漿密度ρ；②結構參數，即濾餅厚度L；③操作參數，即洗滌時間t、單位過濾面積洗滌水量V、洗滌壓差△p等。在漿料確定的條件下，這些參數中，影響濾餅洗滌效果的主要參數有ρ，t，L，V，△p。將濾餅洗滌后雜質含量與洗滌前雜質含量的比值定義為洗滌效率E，用來表示洗滌效果。E可以表示為：

式中，△p為過濾壓差，Pa；t為過濾時間，s；L為濾餅厚度，m；V為單位過濾面積洗滌水量，m3/m2；ρ為漿料密度，kg/m3；a0，a1，a2，a3，a4，a5為系數。

對式（1）進行因次分析，據因次一致性原則，其可以化為：

通過改變濾餅厚度L、洗滌時間t、單位過濾面積洗滌水量V、洗滌壓差△p、料漿密度ρ等試驗參數，可測試這些參數對濾餅洗滌效果的影響。

3.2 洗滌強度對洗滌效率的影響

根據試驗數據繪制的洗滌強度與洗滌效率的關系曲線見圖2。從圖2可以看出，濾餅雜質含量隨著洗滌強度的增加而下降。這是因為隨著洗滌壓差的增加，濾餅脫液推動力遠比濾液在濾餅空隙內流動阻力的增加大得多，因而濾餅中殘留濾液很快下降，導致濾餅內的雜質含量很快下降。但由于毛細管的作用，使得濾餅內殘留濾液下降逐漸緩慢，導致濾餅內雜質含量的下降最終趨于平緩。因此試圖用機械方法將雜質成分全部洗掉是很困難的。

圖2 洗滌效率與洗滌強度的關系

3.3 相對洗滌量對洗滌效率的影響

相對洗滌量對濾餅雜質含量的影響見圖3。從圖3可以看出，濾餅雜質含量隨相對洗滌量的增加而迅速下降。這是因為濾餅經洗滌前的脫液操作后，殘留于濾餅中的濾液在顆粒接觸點周圍成為滯流液體或以薄膜方式殘留在顆粒表面上，這時加入的洗滌液與殘留液間產生有效的傳質置換，使殘留濾液中的雜質迅速減少。圖3還表明，隨著洗滌量的增加，濾餅內雜質量將趨于平緩，這是因為部分雜質遺留于顆粒間的凹陷內而沒有完全暴露于流動的洗滌液中，所以無法被洗滌液所置換。

圖3 洗滌效率與相對洗滌量的關系

3.4 濾餅洗滌過程數學模型

綜合上述試驗結果可知，影響PTA濾餅洗滌效果的宏觀控制參數主要是：洗滌強度Tw、相對洗滌量Vr等參數。根據試驗數據，利用量綱分析法，得到PTA漿料壓力濾葉試驗洗滌數學模型：

4 濾餅脫水試驗結果及分析

濾餅脫水又稱濾餅脫液、脫干或干燥，與濾餅洗滌均屬于凈化作業[3]。通過脫水處理，進一步去除PTA濾餅中殘留的PT酸等雜質液體及洗滌液，以滿足濾餅含濕率的要求。濾餅脫水常用的方法包括：機械壓榨法、氣體置換法、離心法、液體脫水法及其它方法。試驗采用氣體置換脫水。

4.1 脫水時間對脫水效果的影響

采用PTA漿料質量分數為30%、壓差為55.0 kPa的條件下生成的濾餅，在55.0 kPa的脫水壓力下進行脫水試驗，采集不同脫水時間的濾餅，分別稱量干燥前后的濾餅質量，計算濾餅的含濕率。脫水時間對含濕率的影響見圖4。從圖4可以看出，在最初的幾秒鐘（約5 s）之內，曲線斜率較大，含濕率經歷了一個突降的過程，該階段脫除的主要是重力水和孔隙水，這兩者可以較容易地被脫除；而后續過程含濕率的變化則相對平緩了許多，主要因為該階段重力水和孔隙水基本上已經被脫除，此時脫除的水以薄膜水和毛細水為主，有一定難度；當時間超過某一個時刻后，無論時間怎么增加，其濾餅含濕率基本上維持不變，這說明濾餅中的毛細力與排液力達到平衡，已經沒有液體排出。因此，脫水時間對含濕率的影響可以分成三個區：脫孔隙水區、脫薄膜水區和含濕率穩定區。

圖4 脫水時間對含濕率的影響

4.2 脫水壓力對脫水效果的影響

采用PTA漿料質量分數為30%、壓差分別為55.0，75.0，90.0 kPa條件下生成的濾餅，分別在55.0，75.0，90.0 kPa的壓力下進行脫水試驗，采集不同脫水時間的濾餅，分別稱量干燥前后的濾餅質量，計算濾餅的含濕率。脫水壓力對濾餅含濕率的影響見圖5。從圖5可以看出，盡管脫水壓差有一定區別，但在脫水的前5 s的過程中，濾餅含濕率與壓力沒有太大的關系，這表明脫除重力水和孔隙水并不需要很大的壓力；但隨著壓力不斷提高，濾餅的最終含濕率呈下降趨勢。因為壓力升高后，排液力明顯升高，而對相同的濾餅而言，其毛細力基本上是恒定不變的，所以高的脫水壓差可比低壓差排出更多的薄膜水和毛細水，能夠獲得含濕率更低的濾餅，減少濾餅中PT酸等的含量，提高PTA產品的質量。

圖5 脫水壓力對濾餅含濕率的影響

4.3 脫水氣體溫度對脫水效果的影響

圖6 脫水氣體溫度對濾餅含濕率的影響

對在過濾壓差為55.0 kPa條件下生成的濾餅，分別采用常溫壓縮空氣和工況溫度（150 ℃）過熱蒸汽進行脫水試驗，采集不同脫水時間的濾餅，分別稱量干燥前后的濾餅質量，計算濾餅的含濕率。脫水溫度對濾餅含濕率的影響見圖6。從圖6可以看出，用蒸汽脫水效果要優于用空氣脫水。這主要是因為溫度升高后蒸汽與濾餅顆粒之間的傳質、傳熱作用，濾餅中的水分被冷凝面強烈加熱，致使濾液溫度升高而使水的粘度和表面張力減少，導致附著在PTA顆粒表面的毛細水和薄膜水更容易被脫除；同時在蒸汽穿透以后，用蒸汽進一步脫水，使濾餅顆粒內部水被強制對流，濾餅內巨大的交換表面導致快而廣泛的干燥脫水；另外，蒸汽的高溫引起濾餅內部水分的蒸發，也有利于降低濾餅水分。

4.4 料漿濃度對濾餅脫水特性的影響

分別采用PTA漿料質量分數為20%，30%，40%、壓差為90.0 kPa條件下生成的濾餅，在90.0 kPa的脫水壓力下采用壓縮空氣進行脫水試驗，采集不同脫水時間的濾餅，分別稱量干燥前后的濾餅質量，計算濾餅的含濕率。料漿濃度對含濕率的影響見圖7。從圖7可以看出，在同樣的脫水條件下，漿料濃度越低，濾餅含濕率也越低。較濃的漿料在相同的過濾時間下可以得到較厚的濾餅和較大的平均孔隙率。在相同的脫水壓差下，濾餅越厚，壓力梯度則越小，排液力就越小，所以其濾餅的含濕率就相對較大。但同時大平均孔隙率又會使得高濃度漿料產生的濾餅比阻較小，有利于脫水的進行。但相對而言，在相同的過濾時間內形成的濾餅厚度較高，導致脫水壓力梯度降低而產生的影響更大一些，所以現場漿料濃度的波動對產品質量的影響不是很大。

圖7 料漿濃度對含濕率的影響

干燥相關因子對PTA濾餅含濕率的影響見圖8。干燥相關因子為單位面積上單位質量濾餅的脫水時間，它可以消除在其它參數相同的條件下，濾餅厚度的影響。從圖8可以看出，不同濃度料漿形成的濾餅的含濕率基本上只與干燥相關因子的大小有關，當干燥相關因子大于0.30 s·（kg/m2)-1時，濾餅的含濕率就已經低于12%，與濃度沒有太大關系。對于采用過熱蒸汽（150 ℃）進行脫水實驗，干燥相關因子達到0.25 s·（kg/m2）-1即可保證濾餅含濕率低于12%。這說明雖然高濃度的漿料會形成大的平均孔隙率，使濾餅的比阻降低，有利于脫水，但同時，高濃度的漿料在相同的過濾時間內形成的大厚度濾餅的影響更大一些。

圖8 干燥相關因子對濾餅含濕率的影響

5 結 論

（1）PTA濾餅的洗滌效果主要受PTA濾餅厚度，洗滌時間，洗滌水用量，洗滌壓差，漿料密度的影響，試驗獲得了PTA濾餅的洗滌過程的數學模

（2）PTA濾餅的脫水效果受脫水時間、脫水壓差、脫水氣體溫度、料漿濃度等因素影響，適當延長脫水時間、增大脫水壓差可在一定程度上降低濾餅的含濕率。采用壓縮空氣進行脫水試驗，當干燥相關因子大于0.3 s·（kg/m2）-1時，濾餅的含濕率小于12%；采用過熱蒸汽（150 ℃）進行脫水實驗，干燥相關因子達到0.25 s·（kg/m2）-1即可保證濾餅含濕率低于12%。

[1] 劉建新，白鵬.對苯二甲酸工藝技術及生產[J].化工科技，2000，8（3）:64-67

[2] 陳樹章，王紹亭.非均相物系分離[M].北京：化學工業出版社，1993:90-92

[3] 丁啟圣，王維一.新型實用過濾技術[M].第二版.北京:冶金工業出版社，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

阿克蘇諾貝爾公司的寧波螯合物裝置投產

阿克蘇諾貝爾公司于2009年12月21日宣布，其在寧波投資2.75億歐元的多產品生產基地建設的螯合物裝置投產。該裝置的開工投產意味著阿克蘇諾貝爾公司現已成為在歐洲、北美和亞洲擁有這類生產裝置唯一的大型螯合物生產商。新的乙胺和環氧乙烷裝置也將于2010年在該生產基地投入生產，隨后還將投產有機過氧化物裝置。

阿克蘇諾貝爾公司表示，該新裝置將有助于優化該公司的全球供應鏈，將按阿克蘇諾貝爾公司Dissolvine?產品品牌來生產基礎螯合物中的大多數產品。這將包括該公司新的生物可降解螯合劑Dissolvine GL，Dissolvine GL可用于生產清洗劑和油田化學品，預計作為清洗配方中磷酸鹽的替代將起重要作用。

阿克蘇諾貝爾公司在中國已擁有超過6 000名員工和25個生產基地，2008年的營業收入為10億歐元。

[章文摘譯自 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，教授級高級工程師，化工機械專業，主要從事化工設備管理工作。