PTA 裝置氧化干燥機螺旋改進研究

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

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PTA 裝置氧化干燥機螺旋改進研究

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

本文以國內某化工企業PTA裝置氧化干燥機堿洗周期研究對象，針對造成干燥機堿洗停車的原因進行分析，在國內首次提出了通過改造現有進料螺旋軸結構的方式延長干燥機堿洗周期的方案，并且通過有限元計算及精確強度校核確保了方案的可操作性，結合工業裝置的改造運行效果，證明通過改造干燥機螺旋軸可以延長PTA裝置氧化干燥機堿洗周期、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［1］是生產PTA半成品和最終產品的重要設備之一。經氧化或加氫的漿料，通過離心過濾之后，最終進入干燥機進行干燥。

隨著PTA裝置產能的擴大和干燥機的大型化，在PTA生產過程中，氧化干燥機會遇到因入口處物料濕含量高和CTA中含有4-CBA等雜質，CTA容易在入口處形成結壁、集聚和堵塞，使干燥機入口螺旋電流劇烈波動的問題，造成干燥機加熱效果下降，裝置能耗增加，為了結解決上述干燥機運行過程中出現的問題，需要增加干燥機的停車堿洗頻率來保證干燥機正常運行。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-對不銹鋼帶來了產生點腐蝕和應力腐蝕的隱患。

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

2　氧化干燥機堿洗原因分析

筆者通過對干燥機內物料結垢原因的研究發現干燥機進料濕含量、載氣流量、物料中雜質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行調整具有一定難度；干燥機內物料的停留時間與填充率也屬于干燥機固有特性；但是由于干燥機內部物料分布并非理想狀態，在干燥機進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，這樣在干燥機進料口位置物料停留時間與填充率均大于理論計算值，換熱管在此處熱負荷高，干燥機進料口位置物料更加容易在換熱管形成粘壁，從而造成結構、堵塞，進料通道被占用，與進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，這樣干燥機進料端附近的粘壁、結垢、堵塞將愈演愈烈；而在干燥機出料端附件干物料具有粘性小、流動性強等特點，此處物料可以及時排出干燥機，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，此處傳熱管熱負荷較小；干燥機內部這樣的物料分布狀態導致干燥機進料端與出料端熱負荷不均勻，干燥機的換熱能力不能得以充分利用，進料端容易結垢、堵塞而影響干燥機的正常運行，使得干燥機不得不停車堿洗。

本文針對干燥機進料端與出料端布料不均勻導致干燥機堿洗頻率增加的特點，通過對干燥機物料入口螺旋結構進行改造，使得物料在干燥機進口分布更加均勻，減緩干燥機進料口附近的物料粘壁、結垢、堵塞，從而延長干燥機的堿洗周期。

3　螺旋軸改進措施

3.1螺旋軸結構

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

3.2螺旋軸材質改進措施

由于增加了螺旋軸的長度，因而會導致現有螺旋軸材質316L不能滿足懸臂螺旋軸強度方面的要求，逼著根據新螺旋軸的結構特點及使用環境，尋找具有更加優良機械性能的金屬材質。通過比對發現，TA3材質具有較高的屈服強度，并且彎曲疲勞極限與扭轉疲勞極限均高于316L材質。因此我們針對TA3與316L兩種材質進行基礎力學性能數據分析，通過兩分鐘材料的螺旋軸進行精確校核，最終確保螺旋軸采用TA3材質比現有316L材質強度更加可靠。

表1為TA3材質與316L材質基本力學性能對比列表，由表1可知，TA3材質具有較小的密度，除了抗拉強度略小于316L材質，在彎曲疲勞極限與扭轉疲勞極限均高于316L，尤其是屈服強度是316L材質的兩倍多，因此在材料機械性能方面TA3較316L更加具有優勢。

表1　TA3與316L性能對比［2］

4　螺旋軸強度校核

4.1螺旋軸的結構

螺旋軸結構如圖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行懸臂支撐，在軸頭端裝有驅動鏈輪用以提供軸體轉動所需的扭矩，螺旋葉片通過支撐桿與空心軸管進行連接，旋轉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生的彎曲應力；②軸頭端受到減速機驅動而傳遞到軸體上的扭矩載荷；③由于進料口物料由高處掉落而產生的沖擊載荷。考慮到螺旋軸結構及受力的復雜性及長期處于交變循環應力環境下，因此采用常規的經驗公式無法準確計算螺旋軸各處的應力及預測其壽命，本文采用有限元軟件ANSYS［3］，根據螺旋軸的結構特征及受力特點對實際情況進行簡化，建立螺旋軸有限元模型，采用數值計算的方法獲取螺旋軸的彎曲應力及扭轉應力分布情況，采用彎扭組合校核的方式計算螺旋軸的安全系數以確保螺旋軸的運行壽命滿足要求。

圖1　螺旋軸結構示意圖

根據大量的工業應用實例，螺旋軸的損壞主要產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力與扭轉應力，在兩種應力共同作用下在軸體產生應力集中，而該應力由交變循環載荷產生，因此在應力集中位置開始產生疲勞裂紋，伴隨著設備運行該裂紋逐漸增大直至軸體最終斷裂。根據螺旋葉片及支撐桿所受應力較小的特點，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，這樣在保證計算結果滿足使用要求的同時大大節省了計算機資源，提高了計算效率，表2為螺旋軸各部分材質特性表。

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，為了方便同類結構軸體的分析計算，筆者利用ANSYS的參數化建模方法及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計算結果

經過結算得到螺旋軸的撓度云圖、應力分布云圖及彎矩、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，根據圖中計算結果顯示螺旋軸撓度最大值為3.47mm，最大撓度出現在軸管遠離軸頭端。圖4為螺旋軸基于第三強度理論［6］的等效應力分布云圖，根據圖中計算結果小時螺旋軸等效應力最大值為13.7MPa，最大應力出現在鏈輪位置。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離軸頭端軸體的彎矩均為零，在軸體中間位置出現了彎矩最大值，該最大值位于遠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。

根據以上螺旋軸應力分析計算結果，軸體最大應力值與撓度值均滿足強度要求。

4.3軸體強度精確校核

上節通過強度校核確認螺旋軸強度足夠，滿足要求。考慮到螺旋軸所承受載荷為周期交變循環載荷，為避免長周期運行所產生的疲勞損壞，本節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。根據螺旋軸的結構特征及自身受力特點，選取圖7所示6個截面為危險截面，對各個危險截面進行精確強度校核，確保螺旋軸具有足夠的強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個截面的精確強度校核，從校核結果看出安全系數最小的截面為鏈輪位置與遠離鏈輪的第二個軸承位置，這兩個截面的安全系數分別為2.8與3.09，均大于許用安全系數，故螺旋軸精確強度校核合格，螺旋軸滿足長周期運行條件。

5　結論

（1）本文提出在國內裝置中首次通過改進螺旋軸結構的方法來延長干燥機堿洗周期，并且在國內某化工企業PTA裝置上予以實施，經過運行發現，改進后的干燥機堿洗周期可由原來的3～4個月延長至6個月左右。

表3

（2）將螺旋軸材質由常規設計的316L更改為TA3，解決了螺旋軸加長以后強度不足的問題，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合的方法來計算螺旋軸的強度與使用壽命，保證了有限元分析中模型簡化的準確性，確保了螺旋軸長周期運行的可靠性。

［1］劉相東，于才淵，周德．常用工業干燥設備及應用．北京：化學工業出版社，2005.

［2］成大先．《機械設計手冊》．北京：化學工業出版社，2007.

［3］商躍進．有限元原理與ANSYS應用指南．北京：清華大學出版社，2005.

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

［5］博弈創作室．Ansys9.0經典產品高級分析技術與實例詳解．中國水利水電出版社，2005.

［6］《鋼制壓力容器-分析設計標準》（JB4732-95）.

2016-3-10

TQ245.1

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2095-2066（2016）09-0232-03