顏　輝，趙　彬，韓東釗（.中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司，江蘇省 儀征市 400；.南京天華化學(xué)工程有限公司江蘇省 南京市 6；.天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院有限公司，甘肅省 蘭州市 70060）

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PTA 裝置氧化干燥機(jī)螺旋改進(jìn)研究

顏輝1，趙彬2，韓東釗3
（1.中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司，江蘇省 儀征市 211400；2.南京天華化學(xué)工程有限公司江蘇省 南京市 211162；3.天華化工機(jī)械及自動化研究設(shè)計院有限公司，甘肅省 蘭州市 730060）

本文以國內(nèi)某化工企業(yè)PTA裝置氧化干燥機(jī)堿洗周期研究對象，針對造成干燥機(jī)堿洗停車的原因進(jìn)行分析，在國內(nèi)首次提出了通過改造現(xiàn)有進(jìn)料螺旋軸結(jié)構(gòu)的方式延長干燥機(jī)堿洗周期的方案，并且通過有限元計算及精確強(qiáng)度校核確保了方案的可操作性，結(jié)合工業(yè)裝置的改造運行效果，證明通過改造干燥機(jī)螺旋軸可以延長PTA裝置氧化干燥機(jī)堿洗周期、降低運營成本、增加裝置可靠性。

PTA裝置；堿洗周期；螺旋軸；有限元

1　前言

在PTA裝置中干燥機(jī)［1］是生產(chǎn)PTA半成品和最終產(chǎn)品的重要設(shè)備之一。經(jīng)氧化或加氫的漿料，通過離心過濾之后，最終進(jìn)入干燥機(jī)進(jìn)行干燥。

隨著PTA裝置產(chǎn)能的擴(kuò)大和干燥機(jī)的大型化，在PTA生產(chǎn)過程中，氧化干燥機(jī)會遇到因入口處物料濕含量高和CTA中含有4-CBA等雜質(zhì)，CTA容易在入口處形成結(jié)壁、集聚和堵塞，使干燥機(jī)入口螺旋電流劇烈波動的問題，造成干燥機(jī)加熱效果下降，裝置能耗增加，為了結(jié)解決上述干燥機(jī)運行過程中出現(xiàn)的問題，需要增加干燥機(jī)的停車堿洗頻率來保證干燥機(jī)正常運行。這樣會影響裝置正常運行，再者堿洗使用的NaOH中含有的微量Cl-對不銹鋼帶來了產(chǎn)生點腐蝕和應(yīng)力腐蝕的隱患。

鑒于以上PTA裝置中氧化干燥機(jī)因堿洗而頻繁停車的狀況，筆者以國內(nèi)某化工企業(yè)PTA裝置氧化干燥機(jī)為依托，通過對引起干燥機(jī)堿洗原因進(jìn)行分析，針對干燥機(jī)喂料螺旋進(jìn)行改進(jìn)，減緩濕物料在干燥機(jī)入口處的集聚和堵塞速度，從而延長氧化干燥機(jī)的堿洗周期，保證PTA裝置的長周期運行。降低PTA裝置的運行成本，增加干燥機(jī)長周期運行的可靠性。

2　氧化干燥機(jī)堿洗原因分析

筆者通過對干燥機(jī)內(nèi)物料結(jié)垢原因的研究發(fā)現(xiàn)干燥機(jī)進(jìn)料濕含量、載氣流量、物料中雜質(zhì)含量等原因均是由工藝條件所確定，在裝置實際運行過程中對其進(jìn)行調(diào)整具有一定難度；干燥機(jī)內(nèi)物料的停留時間與填充率也屬于干燥機(jī)固有特性；但是由于干燥機(jī)內(nèi)部物料分布并非理想狀態(tài)，在干燥機(jī)進(jìn)料口位置濕物料大量堆積，濕物料具有粘性大，流動性差的特點，這樣在干燥機(jī)進(jìn)料口位置物料停留時間與填充率均大于理論計算值，換熱管在此處熱負(fù)荷高，干燥機(jī)進(jìn)料口位置物料更加容易在換熱管形成粘壁，從而造成結(jié)構(gòu)、堵塞，進(jìn)料通道被占用，與進(jìn)料公用一個通道的載氣通道亦被占用，含酸濕氣不能及得以排放，這樣干燥機(jī)進(jìn)料端附近的粘壁、結(jié)垢、堵塞將愈演愈烈；而在干燥機(jī)出料端附件干物料具有粘性小、流動性強(qiáng)等特點，此處物料可以及時排出干燥機(jī)，因此出料口附近物料停留時間與填充率均小于理論計算值，此處傳熱管熱負(fù)荷較??；干燥機(jī)內(nèi)部這樣的物料分布狀態(tài)導(dǎo)致干燥機(jī)進(jìn)料端與出料端熱負(fù)荷不均勻，干燥機(jī)的換熱能力不能得以充分利用，進(jìn)料端容易結(jié)垢、堵塞而影響干燥機(jī)的正常運行，使得干燥機(jī)不得不停車堿洗。

本文針對干燥機(jī)進(jìn)料端與出料端布料不均勻?qū)е赂稍餀C(jī)堿洗頻率增加的特點，通過對干燥機(jī)物料入口螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使得物料在干燥機(jī)進(jìn)口分布更加均勻，減緩干燥機(jī)進(jìn)料口附近的物料粘壁、結(jié)垢、堵塞，從而延長干燥機(jī)的堿洗周期。

3　螺旋軸改進(jìn)措施

3.1螺旋軸結(jié)構(gòu)

物料在干燥機(jī)內(nèi)蒸發(fā)換熱后，從干燥機(jī)尾端排出，隨著干燥機(jī)運行周期的增加，物料會逐漸在干燥機(jī)中會發(fā)生粘壁現(xiàn)象，尤其在干燥機(jī)入料口會發(fā)生物料堆積現(xiàn)象，進(jìn)而堵塞入料和載氣通道，縮短了干燥機(jī)的堿洗周期，為了避免物料在干燥機(jī)入口出現(xiàn)堆積，阻礙載氣通道，惡化干燥機(jī)換熱效果，要求進(jìn)入干燥機(jī)內(nèi)部的物料迅速均勻的向干燥機(jī)尾端推進(jìn)，故針對現(xiàn)有螺旋軸，改進(jìn)方案采用增加螺旋軸長度的方法，使其深入干燥機(jī)內(nèi)部的距離加長500mm，將更多的物料推向干燥機(jī)內(nèi)部，解決干燥機(jī)物料在入口堆積現(xiàn)象。

3.2螺旋軸材質(zhì)改進(jìn)措施

由于增加了螺旋軸的長度，因而會導(dǎo)致現(xiàn)有螺旋軸材質(zhì)316L不能滿足懸臂螺旋軸強(qiáng)度方面的要求，逼著根據(jù)新螺旋軸的結(jié)構(gòu)特點及使用環(huán)境，尋找具有更加優(yōu)良機(jī)械性能的金屬材質(zhì)。通過比對發(fā)現(xiàn)，TA3材質(zhì)具有較高的屈服強(qiáng)度，并且彎曲疲勞極限與扭轉(zhuǎn)疲勞極限均高于316L材質(zhì)。因此我們針對TA3與316L兩種材質(zhì)進(jìn)行基礎(chǔ)力學(xué)性能數(shù)據(jù)分析，通過兩分鐘材料的螺旋軸進(jìn)行精確校核，最終確保螺旋軸采用TA3材質(zhì)比現(xiàn)有316L材質(zhì)強(qiáng)度更加可靠。

表1為TA3材質(zhì)與316L材質(zhì)基本力學(xué)性能對比列表，由表1可知，TA3材質(zhì)具有較小的密度，除了抗拉強(qiáng)度略小于316L材質(zhì)，在彎曲疲勞極限與扭轉(zhuǎn)疲勞極限均高于316L，尤其是屈服強(qiáng)度是316L材質(zhì)的兩倍多，因此在材料機(jī)械性能方面TA3較316L更加具有優(yōu)勢。

表1　TA3與316L性能對比［2］

4　螺旋軸強(qiáng)度校核

4.1螺旋軸的結(jié)構(gòu)

螺旋軸結(jié)構(gòu)如圖1所示，由實心軸頭、軸管及螺旋葉片和支撐桿所組成，軸頭端通過兩個支撐軸承對整個軸體進(jìn)行懸臂支撐，在軸頭端裝有驅(qū)動鏈輪用以提供軸體轉(zhuǎn)動所需的扭矩，螺旋葉片通過支撐桿與空心軸管進(jìn)行連接，旋轉(zhuǎn)的螺旋軸通過螺旋葉片推動所需輸送物料流動。

4.2有限元強(qiáng)度校核

4.2.1螺旋軸有限元模型的建立

螺旋軸的受力主要來源于三個方面：①由于螺旋軸自重而產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力；②軸頭端受到減速機(jī)驅(qū)動而傳遞到軸體上的扭矩載荷；③由于進(jìn)料口物料由高處掉落而產(chǎn)生的沖擊載荷?？紤]到螺旋軸結(jié)構(gòu)及受力的復(fù)雜性及長期處于交變循環(huán)應(yīng)力環(huán)境下，因此采用常規(guī)的經(jīng)驗公式無法準(zhǔn)確計算螺旋軸各處的應(yīng)力及預(yù)測其壽命，本文采用有限元軟件ANSYS［3］，根據(jù)螺旋軸的結(jié)構(gòu)特征及受力特點對實際情況進(jìn)行簡化，建立螺旋軸有限元模型，采用數(shù)值計算的方法獲取螺旋軸的彎曲應(yīng)力及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力分布情況，采用彎扭組合校核的方式計算螺旋軸的安全系數(shù)以確保螺旋軸的運行壽命滿足要求。

圖1　螺旋軸結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)大量的工業(yè)應(yīng)用實例，螺旋軸的損壞主要產(chǎn)生在軸頭與軸管連接位置，這是由于軸頭與軸管承受著較大的彎曲應(yīng)力與扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，在兩種應(yīng)力共同作用下在軸體產(chǎn)生應(yīng)力集中，而該應(yīng)力由交變循環(huán)載荷產(chǎn)生，因此在應(yīng)力集中位置開始產(chǎn)生疲勞裂紋，伴隨著設(shè)備運行該裂紋逐漸增大直至軸體最終斷裂。根據(jù)螺旋葉片及支撐桿所受應(yīng)力較小的特點，本文建立有限元模型時對螺旋葉片及支撐桿進(jìn)行簡化，將葉片與支撐桿重量通過均布載荷的方式施加于軸管之上，這樣在保證計算結(jié)果滿足使用要求的同時大大節(jié)省了計算機(jī)資源，提高了計算效率，表2為螺旋軸各部分材質(zhì)特性表。

表2　材料物性表［4］

本文所建立螺旋軸有限元模型如圖2所示，為了方便同類結(jié)構(gòu)軸體的分析計算，筆者利用ANSYS的參數(shù)化建模方法及APDL代碼建立了完整的螺旋軸有限元模型，本分析采用beam189單元［5］。

圖2　螺旋軸有限元模型圖

4.2.2邊界條件的加載

螺旋軸所受載荷有自重、傳動端所施加扭矩、來自上游的物料沖擊載荷等機(jī)械載荷及物料對螺旋軸的腐蝕作用。考慮到有限元模型所用單元類型為beam189，施加豎直方向的等效重力加速度即可，該螺旋軸所加重力載荷為1759kg，傳動軸功率為37kW，傳動軸轉(zhuǎn)速為24.2rpm，故傳動端所受扭矩為14601N·m；考慮到上游物料跌落于螺旋軸的沖擊作用，物料墜落高度按10m考慮，考慮到物料的腐蝕性，在計算中軸管及葉片考慮1.5mm的腐蝕裕量；軸頭與軸管采用過盈配合的連接方式。

4.2.3計算結(jié)果

經(jīng)過結(jié)算得到螺旋軸的撓度云圖、應(yīng)力分布云圖及彎矩、扭矩分布圖，分別如圖3～6所示。

圖3　螺旋軸撓度分布云圖

圖4　螺旋軸應(yīng)力分布云圖

圖5　螺旋軸彎矩分布云圖

圖6　螺旋軸扭矩分布云圖

圖3為螺旋軸撓度分布云圖，根據(jù)圖中計算結(jié)果顯示螺旋軸撓度最大值為3.47mm，最大撓度出現(xiàn)在軸管遠(yuǎn)離軸頭端。圖4為螺旋軸基于第三強(qiáng)度理論［6］的等效應(yīng)力分布云圖，根據(jù)圖中計算結(jié)果小時螺旋軸等效應(yīng)力最大值為13.7MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在鏈輪位置。圖5為螺旋軸彎矩分布圖，從圖中可以看出在鏈輪位置與遠(yuǎn)離軸頭端軸體的彎矩均為零，在軸體中間位置出現(xiàn)了彎矩最大值，該最大值位于遠(yuǎn)離鏈輪的第二個軸承支撐處。圖6為螺旋軸扭矩分布圖，從圖中可以看出整個軸體承受均勻的扭矩，扭矩值為14601N·m。

根據(jù)以上螺旋軸應(yīng)力分析計算結(jié)果，軸體最大應(yīng)力值與撓度值均滿足強(qiáng)度要求。

4.3軸體強(qiáng)度精確校核

上節(jié)通過強(qiáng)度校核確認(rèn)螺旋軸強(qiáng)度足夠，滿足要求。考慮到螺旋軸所承受載荷為周期交變循環(huán)載荷，為避免長周期運行所產(chǎn)生的疲勞損壞，本節(jié)采用基于無限壽命的軸體精確校核，確定軸體在使用工況下的安全系數(shù)。根據(jù)螺旋軸的結(jié)構(gòu)特征及自身受力特點，選取圖7所示6個截面為危險截面，對各個危險截面進(jìn)行精確強(qiáng)度校核，確保螺旋軸具有足夠的強(qiáng)度可以抵抗運行過程中的疲勞破壞（如表3）。

圖7　螺旋軸危險截面示意圖

以上為螺旋軸6個截面的精確強(qiáng)度校核，從校核結(jié)果看出安全系數(shù)最小的截面為鏈輪位置與遠(yuǎn)離鏈輪的第二個軸承位置，這兩個截面的安全系數(shù)分別為2.8與3.09，均大于許用安全系數(shù)，故螺旋軸精確強(qiáng)度校核合格，螺旋軸滿足長周期運行條件。

5　結(jié)論

（1）本文提出在國內(nèi)裝置中首次通過改進(jìn)螺旋軸結(jié)構(gòu)的方法來延長干燥機(jī)堿洗周期，并且在國內(nèi)某化工企業(yè)PTA裝置上予以實施，經(jīng)過運行發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的干燥機(jī)堿洗周期可由原來的3～4個月延長至6個月左右。

表3

（2）將螺旋軸材質(zhì)由常規(guī)設(shè)計的316L更改為TA3，解決了螺旋軸加長以后強(qiáng)度不足的問題，保證了改造方案的課操作性。

（3）首次提出有限元計算與精確校核相結(jié)合的方法來計算螺旋軸的強(qiáng)度與使用壽命，保證了有限元分析中模型簡化的準(zhǔn)確性，確保了螺旋軸長周期運行的可靠性。

［1］劉相東，于才淵，周德．常用工業(yè)干燥設(shè)備及應(yīng)用．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］成大先．《機(jī)械設(shè)計手冊》．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［3］商躍進(jìn)．有限元原理與ANSYS應(yīng)用指南．北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［4］ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL COMMITTEE SUBCOMMITTEE ON MATERIALS-2009.

［5］博弈創(chuàng)作室．Ansys9.0經(jīng)典產(chǎn)品高級分析技術(shù)與實例詳解．中國水利水電出版社，2005.

［6］《鋼制壓力容器-分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（JB4732-95）.

2016-3-10

TQ245.1

A

2095-2066（2016）09-0232-03