Da anni, le pompe centrifughe della serie HPM di Sundyne appartengono alle pompe di alimentazione reattore ad alta pressione, preferite a livello mondiale in impianti di PTA di tutto il mondo. Queste pompe speciali, con azionamenti integrati, vengono utilizzate durante la fase di pulizia o di preparazione  dell’acido tereftalico grezzo (TA). Le pompe erogano fanghi di TA, una polvere di TA disciolta in acqua  distillata a temperatura elevata, in un reattore di idrogenazione. Qui, tutte le impurità vengono rimosse dalla sospensione mediante reazione chimica con idrogeno.

L’acido tereftalico purificato è una delle materie prime essenziali per la produzione di resine poliestere ad alta purezza, che, tra l'altro, sono necessarie per la produzione di polietilene tereftalato (PET), di materia prima per bottiglie in PET, di pellicole di poliestere, di fibre tessili e di prodotti tecnici in plastica.

Le pompe di alimentazione reattore ad alta pressione con azionamenti integrati vengono utilizzate durante la fase di pulizia o di preparazione dell’acido tereftalico grezzo (TA). Le pompe erogano fanghi di TA, una polvere di TA disciolta in acqua  distillata a temperatura elevata, in un reattore di idrogenazione. Qui, tutte le impurità vengono rimosse dalla sospensione mediante reazione chimica con idrogeno. L'affidabilità delle pompe di alimentazione reattore ad alta pressione è cruciale per processi di produzione stabili negli impianti di trattamento del PTA. Le tenute meccaniche rientrano nei componenti più critici della pompa - anche a causa delle straordinarie condizioni di alta velocità e alta pressione.

La pompa centrifuga scelta per le applicazioni PTA è una macchina montata orizzontalmente con una trasmissione a due stadi integrata  con un solo albero motore sui cui lati sono montate giranti con una velocità di rotazione di 6.200 min^-1. Gli stadi sono collegati insieme per operare in serie, in modo da generare la pressione necessaria. Qui, la pressione di uscita del primo stadio della pompa alimenta l’aspirazione della pompa del secondo stadio - che aumentata nuovamente. Nell’area della tenuta dell’albero il secondo stadio della pompa raggiunge una pressione fino a 80 bar (1.160 PSI).

Le tenute per questa applicazione nello stadio 1 della pompa sono state previste a cartuccia ed in configurazione doppia contrapposta, cosiddetta Face-to-Face. Nello stadio 2, è stata invece progettata una configurazione in tandem, ossia con orientamento in linea della tenuta (Face-to-Back), in modo da ripartire la pressione differenziale su entrambe le tenute e garantire adeguati rapporti di velocità di pressione. Attraverso il sistema di alimentazione della tenuta, il risciacquo viene eseguito su entrambi gli stadi della pompa, in modo da evitare l’intasamento di ciascuna tenuta con i fanghi di TA.

Problemi tecnici particolari

Uno dei problemi tecnici più impegnativi interessava il fluido di sbarramento, che negli impianti di PTA viene generalmente erogato tramite un sistema centralizzato di alimentazione delle tenute. Per l'applicazione specifica, l'utente finale - il più grande produttore di PTA del mondo - ha richiesto di utilizzare come fluido di sbarramento l’acqua calda 65 °C ... 85 °C (149 °F ... 185 °F) di ritorno dell’impianto. Alle difficoltà di questo processo si aggiunge il fatto che possono manifestarsi condizioni avverse, come la dissipazione del calore inadeguata e la mancanza di lubrificazione delle superfici di scorrimento a causa dell’evaporazione del fluido di sbarramento.

Un'altra sfida tecnica deriva dal carico a pressione inverso della tenuta centrale nella fase pompa 2 durante l'avviamento e lo spegnimento della pompa. Nel processo di avvio, prima che l'unità principale pompa venga attivata, questa tenuta viene interessata da carico a pressione inversa da parte del fluido di sbarramento dal sistema di alimentazione delle tenute. Durante la fase di transizione in cui la pompa si avvia ad alta velocità di rotazione per ottenere la pressione di uscita completa, vi è un'inversione del carico di pressione sulla tenuta - e un distaccamento delle superfici di tenuta. La stessa cosa avviene in senso inverso allo spegnimento della pompa in fase di fermo impianto. Per contrastare questo fenomeno e ottenere un'efficiente e stabile funzionamento sull'intero campo di applicazione, il progetto strutturale originario della tenuta doveva essere opportunamente modificato e ottimizzato.

Know-how globale richiesto

La base strutturale per le nuove tenute doppie ha dato vita ad una tenuta speciale ad alta pressione derivata dal testato portafoglio di prodotti esistente. In particolare, si è deciso  per la robusta tenuta SH(V) ad alta pressione, che da anni  viene utilizzata universalmente in applicazioni ad alte pressioni. A differenza delle tenute meccaniche tradizionali della gamma standard le tenute ad alta pressione hanno una caratteristica significativa: l'anello di accoppiamento è montato sull'albero e ruota, mentre l'anello di scorrimento - con il sistema a molla - è montato fisso nell'alloggiamento. Questo concetto di tenuta garantisce una maggiore stabilità ad alta velocità. Soprattutto con velocità di scorrimento di 20 m/s (66 ft/s) e oltre, dove le molle devono essere stazionarie in maniera tale da non assorbire vibrazioni e non deformarsi.

Strutturalmente ottimizzate

Inoltre, il design della collaudata tenuta SH(V) è stato ottimizzato per questa applicazione specifica. Per garantire un funzionamento affidabile su tutta la gamma di utilizzo, sono stati espressamente apportati miglioramenti costruttivi. Inoltre, sono stati usati materiali ad alte prestazioni: l'anello di tenuta stazionario di questa soluzione si basa sulla variante in carburo di silicio Buka 30. Questo materiale ad alte prestazioni di EagleBurgmann ha un alto contenuto di carbonio, che lo rende risolutivo in fluidi scarsamente lubrificanti come l’acqua. Il Buka 30 ha dato ottimi risultati in condizioni di marcia critiche e per la sua tolleranza nel funzionamento a secco.

La tenuta è stata ulteriormente ottimizzata, in modo che, anche nelle condizioni limite, viene garantito il funzionamento. Un anello di scorrimento non serrato ermeticamente offre maggiore sicurezza di tenuta anche con inclinazione. Le caratteristiche tecniche della tenuta ad alta pressione sviluppata per l’applicazione PTA include l'inserimento preciso di scanalature calcolate nelle superfici di scorrimento. La profondità e la geometria sono definite con precisione. Le scanalature, con cui EagleBurgmann ha lavorato nel settore Dry Gas Seal, supportano il funzionamento sicuro delle tenute doppie lubrificate con liquido anche nelle fasi critiche. Le scanalature garantiscono, in presenza di bassa pressione, il sollevamento delle superfici di scorrimento grazie alla generazione di un cuscinetto a portanza positiva che consente un rapido raggiungimento di una condizione di funzionamento stabile. In presenza di alta pressione, le scanalature hanno un effetto stabilizzante, impedendo un aumento del gap.

Collaudate in sala prove e sul campo

Come risultato, si è ottenuta una combinazione di sistemi di tenuta molto performanti in versione tandem e back-to-back, che hanno un intervallo di applicazione fino a 100 bar (1.450 PSI) e 9.000 min^-1 e garantiscono l’affidabilità  richiesta dal costruttore della pompa. Le tenute doppie lubrificate con liquido gestiscono facilmente tutti i parametri di funzionamento - e confermano prestazioni di tenuta costanti, anche con pressione, temperatura e variazioni di velocità notevoli. Sono state testate e approvate nei test di fabbrica a Wolfratshausen; in questa sede, queste tenute a cartuccia, facili da installare, sono state anche testate alla presenza dei rappresentanti Sundyne ed approvate.

In pratica, le nuove tenute doppie dimostrano i loro punti di forza in una varietà di pompe ad alta pressione Sundyne con cambio integrato, che sono state installate nel 2014 in uno dei più grandi impianti PTA del mondo in funzione in Cina.