PTA 装置氧化干燥机螺旋改进研究

2016-08-11韩东钊中国石化仪征化纤有限责任公司江苏省仪征市400南京天华化学工程有限公司江苏省南京市天华化工机械及自动化研究设计院有限公司甘肃省兰州市70060

低碳世界 2016年9期

颜　辉，赵　彬，韩东钊（.中国石化仪征化纤有限责任公司，江苏省仪征市 400；.南京天华化学工程有限公司江苏省南京市 6；.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃省兰州市 70060）

PTA 装置氧化干燥机螺旋改进研究

颜辉1，赵彬2，韩东钊3
（1.中国石化仪征化纤有限责任公司，江苏省仪征市 211400；2.南京天华化学工程有限公司江苏省南京市 211162；3.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃省兰州市 730060）

本文以国内某化工企业PTA装置氧化干燥机碱洗周期研究对象，针对造成干燥机碱洗停车的原因进行分析，在国内首次提出了通过改造现有进料螺旋轴结构的方式延长干燥机碱洗周期的方案，并且通过有限元计算及精确强度校核确保了方案的可操作性，结合工业装置的改造运行效果，证明通过改造干燥机螺旋轴可以延长PTA装置氧化干燥机碱洗周期、降低运营成本、增加装置可靠性。

PTA装置；碱洗周期；螺旋轴；有限元

1　前言

在PTA装置中干燥机［1］是生产PTA半成品和最终产品的重要设备之一。经氧化或加氢的浆料，通过离心过滤之后，最终进入干燥机进行干燥。

随着PTA装置产能的扩大和干燥机的大型化，在PTA生产过程中，氧化干燥机会遇到因入口处物料湿含量高和CTA中含有4-CBA等杂质，CTA容易在入口处形成结壁、集聚和堵塞，使干燥机入口螺旋电流剧烈波动的问题，造成干燥机加热效果下降，装置能耗增加，为了结解决上述干燥机运行过程中出现的问题，需要增加干燥机的停车碱洗频率来保证干燥机正常运行。这样会影响装置正常运行，再者碱洗使用的NaOH中含有的微量Cl-对不锈钢带来了产生点腐蚀和应力腐蚀的隐患。

鉴于以上PTA装置中氧化干燥机因碱洗而频繁停车的状况，笔者以国内某化工企业PTA装置氧化干燥机为依托，通过对引起干燥机碱洗原因进行分析，针对干燥机喂料螺旋进行改进，减缓湿物料在干燥机入口处的集聚和堵塞速度，从而延长氧化干燥机的碱洗周期，保证PTA装置的长周期运行。降低PTA装置的运行成本，增加干燥机长周期运行的可靠性。

2　氧化干燥机碱洗原因分析

笔者通过对干燥机内物料结垢原因的研究发现干燥机进料湿含量、载气流量、物料中杂质含量等原因均是由工艺条件所确定，在装置实际运行过程中对其进行调整具有一定难度；干燥机内物料的停留时间与填充率也属于干燥机固有特性；但是由于干燥机内部物料分布并非理想状态，在干燥机进料口位置湿物料大量堆积，湿物料具有粘性大，流动性差的特点，这样在干燥机进料口位置物料停留时间与填充率均大于理论计算值，换热管在此处热负荷高，干燥机进料口位置物料更加容易在换热管形成粘壁，从而造成结构、堵塞，进料通道被占用，与进料公用一个通道的载气通道亦被占用，含酸湿气不能及得以排放，这样干燥机进料端附近的粘壁、结垢、堵塞将愈演愈烈；而在干燥机出料端附件干物料具有粘性小、流动性强等特点，此处物料可以及时排出干燥机，因此出料口附近物料停留时间与填充率均小于理论计算值，此处传热管热负荷较小；干燥机内部这样的物料分布状态导致干燥机进料端与出料端热负荷不均匀，干燥机的换热能力不能得以充分利用，进料端容易结垢、堵塞而影响干燥机的正常运行，使得干燥机不得不停车碱洗。

本文针对干燥机进料端与出料端布料不均匀导致干燥机碱洗频率增加的特点，通过对干燥机物料入口螺旋结构进行改造，使得物料在干燥机进口分布更加均匀，减缓干燥机进料口附近的物料粘壁、结垢、堵塞，从而延长干燥机的碱洗周期。

3　螺旋轴改进措施

3.1螺旋轴结构

物料在干燥机内蒸发换热后，从干燥机尾端排出，随着干燥机运行周期的增加，物料会逐渐在干燥机中会发生粘壁现象，尤其在干燥机入料口会发生物料堆积现象，进而堵塞入料和载气通道，缩短了干燥机的碱洗周期，为了避免物料在干燥机入口出现堆积，阻碍载气通道，恶化干燥机换热效果，要求进入干燥机内部的物料迅速均匀的向干燥机尾端推进，故针对现有螺旋轴，改进方案采用增加螺旋轴长度的方法，使其深入干燥机内部的距离加长500mm，将更多的物料推向干燥机内部，解决干燥机物料在入口堆积现象。

3.2螺旋轴材质改进措施

由于增加了螺旋轴的长度，因而会导致现有螺旋轴材质316L不能满足悬臂螺旋轴强度方面的要求，逼着根据新螺旋轴的结构特点及使用环境，寻找具有更加优良机械性能的金属材质。通过比对发现，TA3材质具有较高的屈服强度，并且弯曲疲劳极限与扭转疲劳极限均高于316L材质。因此我们针对TA3与316L两种材质进行基础力学性能数据分析，通过两分钟材料的螺旋轴进行精确校核，最终确保螺旋轴采用TA3材质比现有316L材质强度更加可靠。

表1为TA3材质与316L材质基本力学性能对比列表，由表1可知，TA3材质具有较小的密度，除了抗拉强度略小于316L材质，在弯曲疲劳极限与扭转疲劳极限均高于316L，尤其是屈服强度是316L材质的两倍多，因此在材料机械性能方面TA3较316L更加具有优势。

表1　TA3与316L性能对比［2］

4　螺旋轴强度校核

4.1螺旋轴的结构

螺旋轴结构如图1所示，由实心轴头、轴管及螺旋叶片和支撑杆所组成，轴头端通过两个支撑轴承对整个轴体进行悬臂支撑，在轴头端装有驱动链轮用以提供轴体转动所需的扭矩，螺旋叶片通过支撑杆与空心轴管进行连接，旋转的螺旋轴通过螺旋叶片推动所需输送物料流动。

4.2有限元强度校核

4.2.1螺旋轴有限元模型的建立

螺旋轴的受力主要来源于三个方面：①由于螺旋轴自重而产生的弯曲应力；②轴头端受到减速机驱动而传递到轴体上的扭矩载荷；③由于进料口物料由高处掉落而产生的冲击载荷。考虑到螺旋轴结构及受力的复杂性及长期处于交变循环应力环境下，因此采用常规的经验公式无法准确计算螺旋轴各处的应力及预测其寿命，本文采用有限元软件ANSYS［3］，根据螺旋轴的结构特征及受力特点对实际情况进行简化，建立螺旋轴有限元模型，采用数值计算的方法获取螺旋轴的弯曲应力及扭转应力分布情况，采用弯扭组合校核的方式计算螺旋轴的安全系数以确保螺旋轴的运行寿命满足要求。

图1　螺旋轴结构示意图

根据大量的工业应用实例，螺旋轴的损坏主要产生在轴头与轴管连接位置，这是由于轴头与轴管承受着较大的弯曲应力与扭转应力，在两种应力共同作用下在轴体产生应力集中，而该应力由交变循环载荷产生，因此在应力集中位置开始产生疲劳裂纹，伴随着设备运行该裂纹逐渐增大直至轴体最终断裂。根据螺旋叶片及支撑杆所受应力较小的特点，本文建立有限元模型时对螺旋叶片及支撑杆进行简化，将叶片与支撑杆重量通过均布载荷的方式施加于轴管之上，这样在保证计算结果满足使用要求的同时大大节省了计算机资源，提高了计算效率，表2为螺旋轴各部分材质特性表。

表2　材料物性表［4］

本文所建立螺旋轴有限元模型如图2所示，为了方便同类结构轴体的分析计算，笔者利用ANSYS的参数化建模方法及APDL代码建立了完整的螺旋轴有限元模型，本分析采用beam189单元［5］。

图2　螺旋轴有限元模型图

4.2.2边界条件的加载

螺旋轴所受载荷有自重、传动端所施加扭矩、来自上游的物料冲击载荷等机械载荷及物料对螺旋轴的腐蚀作用。考虑到有限元模型所用单元类型为beam189，施加竖直方向的等效重力加速度即可，该螺旋轴所加重力载荷为1759kg，传动轴功率为37kW，传动轴转速为24.2rpm，故传动端所受扭矩为14601N·m；考虑到上游物料跌落于螺旋轴的冲击作用，物料坠落高度按10m考虑，考虑到物料的腐蚀性，在计算中轴管及叶片考虑1.5mm的腐蚀裕量；轴头与轴管采用过盈配合的连接方式。

4.2.3计算结果

经过结算得到螺旋轴的挠度云图、应力分布云图及弯矩、扭矩分布图，分别如图3～6所示。

图3　螺旋轴挠度分布云图

图4　螺旋轴应力分布云图

图5　螺旋轴弯矩分布云图

图6　螺旋轴扭矩分布云图

图3为螺旋轴挠度分布云图，根据图中计算结果显示螺旋轴挠度最大值为3.47mm，最大挠度出现在轴管远离轴头端。图4为螺旋轴基于第三强度理论［6］的等效应力分布云图，根据图中计算结果小时螺旋轴等效应力最大值为13.7MPa，最大应力出现在链轮位置。图5为螺旋轴弯矩分布图，从图中可以看出在链轮位置与远离轴头端轴体的弯矩均为零，在轴体中间位置出现了弯矩最大值，该最大值位于远离链轮的第二个轴承支撑处。图6为螺旋轴扭矩分布图，从图中可以看出整个轴体承受均匀的扭矩，扭矩值为14601N·m。

根据以上螺旋轴应力分析计算结果，轴体最大应力值与挠度值均满足强度要求。

4.3轴体强度精确校核

上节通过强度校核确认螺旋轴强度足够，满足要求。考虑到螺旋轴所承受载荷为周期交变循环载荷，为避免长周期运行所产生的疲劳损坏，本节采用基于无限寿命的轴体精确校核，确定轴体在使用工况下的安全系数。根据螺旋轴的结构特征及自身受力特点，选取图7所示6个截面为危险截面，对各个危险截面进行精确强度校核，确保螺旋轴具有足够的强度可以抵抗运行过程中的疲劳破坏（如表3）。