Les pompes centrifuges de série HPM appartiennent depuis de nombreuses années aux pompes d’alimentation de réacteurs haute pression les plus utilisées dans les installations PTA du monde entier. Ces pompes spéciales à transmission intégrée sont utilisées pendant les phases de nettoyage et/ou de préparation de l’acide téréphtalique (TA). Les pompes entraînent des boues de TA, une poudre de TA dissoute dans le l’eau distillée à haute température dans un réacteur d’hydrogénation. Toutes les impuretés sont alors détachées de la suspension par réaction chimique avec l’hydrogène.

Le PTA fait partie des principaux matériaux de base pour la fabrication de résine polyester très pure nécessaire, entre autre, à la production de polyéthylène-téréphtalate (PTE), le matériau brut des bouteilles en PET, des films en polyester, des fibres textiles et des produits plastiques techniques.

Les pompes d’alimentation de réacteurs haute pression à transmission intégrée sont utilisées pendant les phases de nettoyage et/ou de préparation de l’acide téréphtalique (TA) brut. Les pompes entraînent des boues de TA, une poudre de TA dissoute dans le l’eau distillée à haute température dans un réacteur d’hydrogénation. Toutes les impuretés sont alors détachées de la suspension par réaction chimique avec l’hydrogène. La fiabilité des pompes d’alimentation de réacteurs haute pression est décisive pour la stabilité des processus de production dans les installations de préparation PTA. Les garnitures mécaniques d’étanchéité font partie des composants de produits particulièrement critiques - en particulier à cause des conditions de haute pression et de vitesse élevée extrêmes.

La pompe centrifuge définie pour cette application PTA est une machine à agencement horizontal dotée d’un engrenage intégré de deux niveaux sur lequel les rotors tournent des deux côtés de l’arbre d’entraînement à une vitesse de rotation de 6 200 min^-1. Les niveaux raccordés entre eux fonctionnent en série pour générer la pression nécessaire. La pression de sortie du premier niveau de la pompe est alimentée dans l’entrée du second niveau - où elle est augmentée de manière considérable. Dans la zone du joint d’arbre du second niveau de la pompe, la pression atteint 80 bas (1 160 PSI).

Les garnitures conçues pour cette application sont de configuration système de cartouche double effet agencées à l’opposé, en configuration dite Face-to-Face. A niveau 2, les garnitures sont d’agencement tandem avec une orientation dans le même sens (Face-to-Back) pour répartir la pression différentielle sur les deux garnitures et assurer un rapport pression-vitesse adapté. Le rinçage des deux niveaux de la pompe est assuré sur le système d’alimentation des garnitures de manière à éviter le colmatage de la garniture côté fluide en boue de TA.

Exigences techniques particulières

L’un des défis techniques les plus exigeants concernait le fluide de barrage fourni généralement, sur les installations PTA, par un système d’alimentation en étanchéité centralisé. Pour l’application particulière, l’utilisateur final - un des plus importants producteurs de PTA au monde - a exigé l’utilisation d’une eau chaude à 65 °C ... 85 °C (149 °F ... 185 °F) de l’installation en tant que fluide de barrage. L’un des défis de ce processus résidait en le fait que des conditions désavantageuses d’étanchéité, telles qu’une dissipation insuffisante de la chaleur et une lubrification insuffisante des surfaces de glissement peuvent découler suite à l’évaporation du fluide de barrage.

D’autre par, la montée en pression inversée de la garniture côté fluide dans le niveau 2 de la pompe lors du démarrage et de l’arrêt de la pompe présente un défi supplémentaire. Lors du démarrage, avant la mise en service du moteur principal de la pompe, cette garniture est chargée, à l’arrière, en pression par le fluide de barrage du système d’alimentation des garnitures. Pendant la phase de transition pendant laquelle la pompe démarre à la vitesse de rotation la plus élevée pour atteindre la pression de sortie requise, la montée en pression est inversée sur la garniture - et les surfaces d’étanchéité soulevées. Le même processus survient en ordre inverse lors de l’arrêt de la pompe, pendant la phase d’arrêt de l’installation. Pour contrecarrer le phénomène et avoir un fonctionnement stable pendant toute la durée d’utilisation, la construction de la garniture d’origine a dû être modifiée et optimisée en conséquence.

Besoin d’un savoir-faire global

La base de conception des nouvelles garnitures doubles était une garniture haute pression spéciale éprouvée de la gamme des produits existants. EagleBurgmann a opté pour la puissante garniture haute pression SH(V), utilisée depuis des années dans les applications à pressions élevées. Contrairement aux garnitures mécaniques d’étanchéité classiques dans des domaines standard, les garnitures haute pression présente une particularité : Sur ces garnitures, l’anneau opposé est monté sur l’arbre alors que l’anneau de glissement est monté - avec le ressort - fixe dans le boîtier. Ce concept de garniture assure une stabilité supplémentaire à vitesses de rotation élevées. À des vitesses de glissement de 20 m/s (66 ft/s), les ressorts doivent être fixes pour ne pas encaisser de vibrations et ne pas se déformer.

Optimisation de la construction

La construction de la garniture SH(V) éprouvée a, de plus, été optimisée pour cette application concrète. Pour assurer un fonctionnement sûr sur toute la plage d’utilisation, des améliorations techniques de construction ont été pensées. Et des matériaux très performants utilisés : pour l’anneau de glissement fixe de cette solution, le matériau choisi est une variante de carbure de silicium BuKa 30. Ce matériau très performant de EagleBurgmann a une portion de carbone élevée qui permet de résoudre les problèmes dans des fluides peu lubrifiants comme l’eau. BuKa 30 présente de très bonnes propriétés de fonctionnement d’urgence et/ou une grande tolérance à la marche à sec.

La garniture a encore été optimisée pour assurer sa fonction également dans les zones limites. Un anneau de glissement à pose libre assure une sécurité supplémentaire contre le basculement et l’accrochage. La garniture haute pression développée spécifiquement pour l’application PTA présente une autre particularité technique : une finition précise des rainures calculées dans les surfaces de glissement. La profondeur et la géométrie sont des paramètres très précis. Les rainures que EagleBurgmann utilise depuis des années dans le domaine des Dry Gas Seal assistent le fonctionnement sécurisé des garnitures doubles à lubrification liquide, même dans les phases critiques. Ainsi les rainures favorisent, à basse pression, le soulèvement des surfaces de glissement en créant un tampon de pression positive pour assurer très rapidement un état de fonctionnement stable. À haute pression les rainures ont un effet stabilisant en empêchant l’agrandissement de la fente.

Éprouvées en essais et en pratique

La combinaison de mesures a découlé sur des systèmes d’étanchéité exigeants en configuration tandem et Back-to-Back garantissant une plage d’utilisation jusqu’à 100 bar (1 450 PSI) et 9 000 min^-1 ainsi que la sécurité de fonctionnement exigée par le fabricant de la pompe. Les garnitures doubles à lubrification liquide maîtrisent parfaitement tous les paramètres grâce à une étanchéité constante, même lors de variations considérables de pression, de température et de vitesses de rotation. Ces propriétés ont été vérifiées lors de marches d’essai dynamiques au centre d’essai de Wolfratshausen où les garnitures configurées en tant que systèmes de cartouches faciles à monter ont été testées en profondeur avant d’être réceptionnées par les représentants de Sundyne.

En pratique, les nouvelles garnitures doubles font leurs preuves dans de nombreuses pompes haute pression de Sundyne à transmission intégrée mises en services en 2014 en Chine dans l’une des plus grandes installations de PTA du monde.