Pompy wirowe Sundyne z serii HMP są preferowanymi pompami wysokociśnieniowymi wykorzystywanymi w reaktorach w zakładach produkcji oczyszczonego kwasu tereftalowego na całym świecie. Wysokoobrotowe przekładniowe pompy wirowe są wykorzystywane przy oczyszczaniu kwasu tereftalowego (TA). Pompy Sundyne tłoczą zawiesinę kwasu tereftalowego zawierającą sproszkowany kwas tereftalowy umieszczony w demineralizowanej wodzie pod wysoką temperaturą do reaktora uwodorniania, aby umożliwić eliminację zanieczyszczeń w reakcji z wodorem.

Oczyszczony kwas tereftalowy PTA jest podstawowym surowcem do produkcji oczyszczonej żywicy poliestrowej, która jest szeroko stosowana w produkcji włókien poliestrowych, żywicy do produkcji butelek z politereftalanu etylenu (PET), poliestru i tworzyw sztucznych.

Niezawodność działania wysokociśnieniowych pomp zasilających reaktor, należących do wysokoobrotowych przekładniowych pomp wirowych stosowanych podczas oczyszczania kwasu tereftalowego (TA), ma fundamentalne znaczenie dla utrzymania stałej pracy zakładu oczyszczania kwasu tereftalowego PTA. Uszczelnienia mechaniczne są jednymi z najwrażliwszych elementów pomp ze względu na pracę na wysokich obrotach i pod wysokim ciśnieniem.

Pompa wirowa dobrana do omawianego zastosowania jest dwustopniową poziomą pompą przekładniową, wyposażoną w pojedynczy wał o dwóch końcach o prędkości obrotowej 6200 min^-1 z wirnikami przymocowanymi na każdym końcu. Oba cykle następują kolejno po sobie, aby uzyskać odpowiednią wysokość słupa wody. Wyrzut zatłoczonej cieczy w pierwszym cyklu pogłębia efekt zasysania w cyklu drugim, pozwalając osiągnąć ciśnienie do 80 bar (1,160 psi).

Opracowano uszczelnienia kompaktowe podwójne, pracujące w układzie face-to-face w cyklu 1 i w układzie tandemowym pracujące w układzie face-to-back w cyklu 2. Taki system pracy pozwala rozłożyć ciśnienie różnicowe na dwa uszczelnienia i utrzymać odpowiednie parametry prędkości fali ciśnienia. System zasilający zapewnia dopływ do obu cykli pompy, chroniąc boczne uszczelnienia przed zatkaniem zawiesiną TA.

Szczególne wyzwania techniczne

Jedno z głównych wyzwań technicznych dotyczyło cieczy buforowej, standardowo podawanej przez centralny system zasilający uszczelnienia w produkcji PTA. W omawianym rozwiązaniu jeden z największych producentów PTA na świecie zwrócił się z prośbą o wykorzystanie gorącej wody powrotnej z instalacji zakładu, mającej temperaturę od 65 do 85 °C (149 °F ... 185 °F), w charakterze cieczy buforowej. Do wymagań tego procesu zalicza się to, że mogą powstać niekorzystne warunki uszczelnienia, takie jak niewystarczające rozpraszanie ciepła i niewystarczające smarowanie powierzchni ślizgowych wskutek parowania tej cieczy.

Dodatkowym technicznym wyzwaniem była zmiana kierunku przepływu fali ciśnienia podczas cyklu 2 przy załączaniu i wyłączaniu pompy. Przy załączaniu ciecz buforowa wprowadzona do systemu zasilającego przed uruchomieniem głównego napędu pompy powoduje przepływ fali ciśnienia w odwrotnym kierunku. W warunkach przejściowych, gdy pompa osiąga maksymalną prędkość przepływu i maksymalne wartości ciśnienia, fala ciśnienia oddziałująca na uszczelnienia zmienia kierunek biegu, mogąc zaburzyć jego pracę. Analogiczne zjawisko, choć w odwrotnej sekwencji, zachodzi na etapie od wybiegu do zatrzymania pompy. Pierwotną konstrukcję pompy zmodyfikowano, aby zapobiec zakłóceniom w pracy pompy, wywołanym przez uszczelnienie poboczne.

Wymagane doświadczenie obejmujące pełen proces

Nowe podwójne uszczelnienie zostało oparte na sprawdzonym projekcie uszczelnienia wysokociśnieniowego z dostępnego portfolio. Wybór zespołu EagleBurgmann padł na stosowane od lat wysokowydajne uszczelnienie wysokociśnieniowe SH(V). W przeciwieństwie do konwencjonalnego uszczelnienia mechanicznego uszczelnienia przewidziane do pracy na wysokich obrotach mają jedną ważną cechę: uszczelnienie obraca się na wale, natomiast jego czoło wraz ze sprężyną pozostają nieruchome w obudowie. Konstrukcja uszczelnienia zapewnia dodatkową stabilność przy pracy na wysokich obrotach. Przy prędkościach ślizgu rzędu 20 m/s (66 stóp/sekundę) lub więcej, sprężyny powinny pozostać w miejscu i nie pochłaniać energii drgań, wywołując deformacje.

Optymalizacja rozwiązania

Projekt uszczelnienia SH(V) dopasowano do omawianego zastosowania. Wprowadzono specjalne usprawnienia, aby zapewnić stabilną pracę w całym zakresie roboczym. Obejmowały one wykorzystanie wysokowydajnych materiałów, takich jak BuKa30 z węglika krzemu. Ten ultra-wydajny materiał opracowany przez firmę EagleBurgmann posiada wysoką zawartość węgla, co czyni go idealnym do pracy z czynnikami o niskich właściwościach smarnych, takich jak woda. BuKa 30 imponuje skutecznością pracy w warunkach zagrożenia awarią oraz tolerancją na pracę na sucho.

Uszczelnienie dodatkowo ulepszono w celu zapewnienia niezawodności funkcjonalnej nawet przy niskim ciśnieniu. Luźno osadzone pierścienie uszczelnienia dodatkowo zabezpieczają uszczelnienie przed deformacjami. Jedną ze szczególnych właściwości technicznych uszczelnień wysokociśnieniowych, opracowanych na potrzeby wykorzystania w zakładach PTA, jest wykonanie rowków w jednej z powierzchni czołowej pierścienia uszczelnienia, zgodnie z obliczeniami działu R&D. Głębokość i geometria rowków smarujących określone są z niezwykłą precyzją. Rowkowanie, od wielu lat stosowane przez firmę EagleBurgmann w uszczelnieniach gazodynamicznych w krytycznych fazach eksploatacji wspiera również bezpieczeństwo pracy podwójnych uszczelnień smarowanych cieczą. Przy niskim ciśnieniu rowkowanie sprzyja odciążaniu pierścieni, tworząc przestrzeń nadciśnienia i tym samym w szybkim tempie prowadząc do ustalenia stabilnych warunków pracy. Przy wysokim ciśnieniu rowkowanie ma działanie stabilizujące, ograniczając różnicę ciśnień.

Sprawdzone w testach i w praktyce

Połączenie wszystkich wymienionych środków doprowadziło do powstania złożonego systemu uszczelniającego w układzie tandem oraz back-to-back. Uzyskane rozwiązanie nadaje się do wykorzystania w zakresie do 100 bar (1450 psi) i do minimum 9000obr/min oraz gwarantuje niezawodność działania zgodną z wymaganiami Sundyne. Smarowane cieczą podwójne uszczelnienia mechaniczne sprawdzają się w dowolnych warunkach pracy a ich stała wydajność jest imponująca, nawet jeśli są wystawione na działanie wysokiego ciśnienia, wysokiej temperatury lub wahania w prędkości przepływu. Powyższe parametry przetestowano i potwierdzono podczas testów dynamicznych w Wolfratshausen. Uszczelnienia, zaprojektowane jako uszczelnienia kompaktowe pozwalające na łatwy montaż, poddano intensywnym testom które zostały zatwierdzone przez zespół inżynierów reprezentujący firmę Sundyne.

Nowe podwójne uszczelnienia dowiodły swojej funkcjonalności w wielu modelach pomp przekładniowych HMP firmy Sundyne, które oddano do użytku w Chinach w 2014 roku w jednym z największych zakładów PTA na świecie.