PTA主搅拌器机械密封设计及应用

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冲洗系统选用 PLAN 独立的泵站, 采用强制 循环换热的方案,这样可以有效带走机械密封所产生 的热量。隔离液的选择通常选用既适用于机械密封润 滑,也要不能污染工艺介质物料的液体。通常选用脱 离子水及白油。 2.1 摩擦副的结构设计 对于摩擦副的设计是整个机械密封设计环节中 重要的部分。机械密封的摩擦副结构设计是指其在运 转工况下的温度与压力协调变形的控制技术。摩擦副 在压力变形下呈现收敛状态,在温度影响的变形呈现
(镶装结构)要大很多。较低的接触应力 Pc 可以使密
小于整体环的应力,说明在大轴径高压力方面,镶装 环具备更好的耐受性。 通过分析可以看出, 在大尺寸、 高压力方面镶 装结构具备更好的性能优势,但是从加工工艺、成本 控制方面,整体环就具备较大的优势,在摩擦副结构 选取的时候,要综合多方面因素集中考虑。针对具体 情况进行设计优化。

顾永泉 . 平行面机械密封结构和性能的研究 [J]. 化工机械 , ():-.
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图7 G1-301氧化反应器机械密封
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图8 大轴径氧化反应器机械密封
3.2 CTA结晶器机械密封应用 从氧化反应器中排出的浆料反应产物进入 CTA 结晶器,从第一结晶器到第三结晶器,工况参数中的 压力与温度逐渐降低。CTA 结晶器的搅拌器机械密 封的工况要求较氧化反应器要低,在 CTA 结晶过程
3 机械密封应用介绍
PTA 的搅拌器主要由氧化反应器、CTA 结晶器 及 PTA 结晶器组成。 这些釜式反应器运转工况及使 用情况各不相同,所需要的机械密封也不相同,以下 对其相关应用做以介绍。 3.1 氧化反应机械密封应用
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作为氧化装置的主反应器,原料对二甲苯(PX)
工设
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备与
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对于某些 PTA 工艺,机械密封不仅要承受轴套 受力所产生得轴向力及搅拌轴的径向摆动, 甚至需
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应性。

℃,压力达 bar,搅拌设备轴径最大到 0 mm, 机械密封的选择要注意强度的耐用性以及材料的适
图10 PTA第一结晶器机械密封
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()压力因素。压力在 0 bar 或轴径 0 mm 以 上,不建议采用整体结构,因为镶装结构为金属材料 与非金属材料石墨(或碳化硅)镶装而成,在高压下 具备较高耐压能力。
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况。很明显由于整体结构的变形量导致密封端面的间 隙发生变化, 无论是接触力还是液膜膜压都较后者 封具备长周期、高寿命、低发热量的性能。 图 是摩擦副中强度较弱的石墨环的 Von Mises 应 力 分 布, 可 以 看 出 整 体 环 的 应 力 最 大 可 以 达 到 0. MPa,而对于镶装环的应力最高为 . MPa,
台搅拌式结晶器, 从第一结晶器至第五结晶器的操 台中最为苛刻的, 所以对于密封的选择要有所区 别和注意。 () 某 厂 PTA 第 一 结 晶 器, 压 力 高 达 0 bar, 故选用镶装式摩擦副结构。 () 从第二结晶器至第五结晶器, 由于工况参 数的逐渐下降,密封可以选择整体结构。 ()PTA 结晶器特别设计
图1 摩擦副耦合变形
素为压力与轴径尺寸。具体选型如表 所示。
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轴径≥0 mm 镶装结构 镶装结构
表2 摩擦副选型原则
轴径<0 mm 整体结构 压力P<0 bar 压力P≥0 bar
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视具体情况
图2 镶装结构和非镶装结构(整体结构)
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变形情况。
0. 条光带,说明大尺寸下,镶装结构的摩擦副在耐 压变形方面具备更好的性能。能够通过外圈金属箍的 强度来降低石墨环的变形量。对于镶装结构可以较容 易地解决力变形的问题,而整体摩擦副则需要更多的 巧妙设计来优化结构,抵消作用力,来平衡摩擦副的 图 显示了摩擦副密封端面间的作用力分布情
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[] [] 00. []
术的提高,通过监控技术的发展,使机械密封的性能
达到最佳,从而保证 PTA 搅拌装置的安全平稳运转, 创造更大的产值。
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参考文献
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汪 英 枝 . 国 内 PTA 工 艺 技 术 比 较 及 评 析 [J]. 聚 酯 工 业 , 00,():-. 顾永泉 . 机械密封实用技术 [M]. 北京: 机械工业出版社,
2012 年全国石油化工设备年会会刊
PTA主搅拌器机械密封设计及应用
张宝君,杨惠霞
(大连华阳光大密封有限公司)
摘 要:介绍了PTA工艺中搅拌式反应器的机械密封设计原则。对于PTA主搅拌器机械密封类型,根据运
转设备的工况特点,从氧化反应器、CTA结晶器、PTA结晶器这几个重要位段的搅拌器机械密封做详细介 绍及其对应的应用业绩。
表3 材料选型
名称 非金属部件 O形圈 摩擦副 与介质接触 不与介质接触 材料 FFKM/EPDM/FKM 石墨/碳化硅/硬质合金 钛材/双相钢/L L/0
由于介质侧温度较高, 长时间的运行, 金属部 件会发生高温蠕变,进而致使金属材料的力学性能下 降,金属部件发生变形,对机械密封的摩擦副产生影 响,导致机械密封寿命降低以致失效。于是在机械密 封底部增加水夹套(反应器的顶部) ,设置水套冷却 结构,有效降低介质侧密封环内测的运行温度,对 O 形环以及摩擦副的良好运行提供较好的温度环境。如 图 所示。
求同样很高。 对 CTA 结晶器来说, 它的轴径和操作 工况相对于前两者都较小,机械密封相对容易。
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压力 /bar ~ 0.~ .~

转速 /(r.min-) ~0 0~0 0~0
轴径/mm 0~0 0~0 0~
2 机械密封结构设计和选型
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轴承箱。
对性。 如图 , 就是某厂的 PTA 第一、 二结晶器 机械密封示意图, 整个机械密封设计时包含了轴与
4 PTA搅拌器机械密封需注意问题
()由于工业介质的腐蚀性大。如在氧化工段, 以对二甲苯为原料,以醋酸为溶剂,以醋酸钴、醋酸 锰为催化剂在 . MPa、0 ℃下进行氧化反应, 高 温醋酸的腐蚀性极大。 () 高温、高压、大轴径。精制工段温度最高达
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图3 两组摩擦副温度与压力耦合变形
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2.2 材料选型
图4 整体结构与镶装结构密封端面压力分布
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2.3 机械密封金属部件设计

图5 整体结构与镶装结构石墨环的Von Mises应力云图
对于 PTA 的搅拌式反应器的工作介质为高温醋 酸、TA、水、催化剂等,尤其是醋酸在高温时具有较 强的腐蚀性。可根据具体使用情况进行选型,如表 。
()轴径因素。轴径在 0 m 以下, 压力较低时, 可采用整体结构,由于整体结构无论是在加工还是控 制密封封变形上更加简单,成本可以有较好的控制。 以下通过两组摩擦副做对比分析, 两组摩擦副 具备相同的滑移直径 φ mm, 一组为整体结构, 另一组为镶装结构。采用国外引进的专用机械密封稳 态分析软件,综合考虑了密封环的力变形和热变形, 及密封端面的摩擦学分析。对两组摩擦副做相同工况 下的有限元(FEM)模拟分析。 从分析结果可以看出, 图 中两组摩擦副的变 形情况以及摩擦副的温度场分布,对于整体结构的摩 擦副变形量为 条光带,镶装结构的摩擦副变形量为
图6 冷却水夹套结构
设备的参数逐渐提高,产量不断加大,反应器轴的尺 寸也在不断加大,从 0 mm 到 0 mm 不等。 () 某厂氧化反应器 G-0, 轴径为 mm, 如图 所示, 机械密封采用整体结构, 采用拨叉传动。 现场连续运转 年以上,运转良好。 () 某厂 G-0, 轴径达到 0 mm, 如图 所示, 机械密封采用镶装结构, 无论是受力还是传动以及 耐受性方面都有着很大的提高,现场运行 年以上, 运转良好。
关键词:机械密封;氧化反应器;结晶器;PTA
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精对苯二甲酸( 简称 PTA) 是目前国内化纤产 业链的主要原料, 由对二甲苯(PX) 为原料在一定 近年来随着 PTA 专利商及应用商对工艺参数充分利 用,对设备不断的完善和优化改进,其装置规模在不
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温度、 压力条件下, 经空气氧化反应而生成 PTA。
工艺中,最苛刻工况为 CTA 第一结晶器。 CTA 结晶器位号为 0~0,轴径 0~0 mm, 压力 0.~. MPa,选用整体摩擦副结构,平衡型密 封。现场运转 年以上,运转良好。如图 所示。
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3.3 PTA结晶器机械密封应用
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图9 CTA结晶器机械密封
PTA 结晶工艺是从结晶器中排出水蒸汽, 将留 下的溶液降温, 使 PTA 成晶体析出。 从结晶器闪蒸
出来的热蒸汽主要来作预热器的热媒。 一般设置 作压力及温度逐渐降低,PTA 第一结晶器的工况为
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要机械密封去承受整个搅拌轴、 桨叶在运转时所产 生的轴向力, 那么机械密封的设计就需要有一定针
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发散状态 []。所以摩擦副的设计要合理控制两者耦合 变形,使摩擦副在使用中达到收敛或平直状态,变形 分析如图 所示。 目前所使用的摩擦副结构大致可以分为两类(图 ) ,一类为整体结构(摩擦副分别由单一材料整体加 工而成) ;另一类为镶装结构(摩擦副分别由不同材 料镶装而成) 。两类的使用是有区别的,主要影响因
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性高。
图11 PTA结晶器机械密封
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图12 某厂PTA结晶器机械密封
()搅拌设备都是单台配置, 一旦密封出现问 题需全线停车抢修, 这样就要求密封寿命长, 可靠
5 结束语
目前, 国内已经引进多家 PTA 专利技术,PTA
的装置的产能迅速扩大,整体技术水平有着显著的提 高,设备的大型化和工艺参数的提高对未来机械密封 发展提出了苛刻的要求。机械密封的提高不仅仅是在 产品应用范围上的提高,未来也是对机械密封监控技
金属部件
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与醋酸溶剂、 催化剂溶液混合后送入反应器, 和加 入反应器的空气中的氧气反应, 反应中生成的大部 分 CTA 成晶体析出, 在反应器中形成浆料, 然后输 送到 CTA 第一结晶器搅拌器进行进一步结晶,反应 尾气经过降温、过滤后作为整个装置惰性气体的主要 来源 。 氧化反应器在 PTA 工艺中多数采用一台, 随着
在 PTA 工艺设备中,氧化反应器、CTA/PTA 结 晶器的工况对机械密封设计都提出较高难度。由于搅 拌设备的特殊性,如高摆动、大轴径、转速低等特点, 机械密封的设计需要遵循其符合设备规律性的原则。 从 PTA 整个工艺角度出发, 根据工况参数, 机 械密封的选取为双端面平衡型的机械密封结构,能够 耐足够的压力及温度变形,并且隔离液可以有效防止 介质泄漏到大气中,对人身及环境产生危害,做到介 质的“零泄漏”[]。
断扩大。反应器及结晶器的设备规模也在不断扩大, 对机械密封的要求也越来越高。
1 PTA主搅拌器的工况参数
由于国内 PTA 工艺的专利商有所不同, 大致可
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数量 介质 TA、水、醋酸 PTA、水、醋酸
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以分为阿莫科、三井油化、杜邦、日立、英威达、伊
斯特曼等 []。虽然专利商不同,但是对于反应器及结 晶器的工况参数可如表 Fra Baidu bibliotek 所示。 从表 中可以看出主搅拌器的工况参数不同,
氧化反应器的温度及其轴径是最大的,所以对于机械 密封的要求最高, 其次是 PTA 结晶器由于轴径相对 于氧化反应器较小,但是其压力较高,对机械密封要
表1 PTA主搅拌器工况参数
名称 氧化反应器 CTA结晶器 PTA结晶器 CTA、水、醋酸、PX、催化剂
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温度 /℃ 0~0 0~ ~0
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