蒸餾塔預灰桶結構優化研究

張寶峰

(唐山三友集團有限公司,河北 唐山 063305)

預灰桶是氨堿法純堿生產中蒸餾工序的重要設備,蒸餾塔配套生產設備之一,在回收母液內固定銨的生產過程中起到至關重要的作用。其運行狀態的好與壞直接關系到蒸餾工序工藝指標控制水平以及蒸餾塔運行周期的長短。我公司預灰桶規格φ4500×22825,容積269 m3,攪拌額定功率37 kW,攪拌轉速22.2 r/min。預灰桶垂直安裝于廢液一級閃發器上部,與之形成上下一體的筒式結構,二者通過預灰桶底部錐形隔板隔斷,在支撐預灰桶攪拌裝置下部定心軸承的同時,保證預灰桶內物料不落入廢液一級閃發器內。

攪拌裝置是預灰桶的核心部件,整體高度大約13 m,起到使石灰乳與預熱母液充分混合均勻并強化反應的作用。原設計預灰桶攪拌裝置采用無心軸籠式結構,攪拌框架由角鋼加工制作,并經過螺栓組對形成上部小、下部大的整體籠式結構,如圖1所示。其上部由預灰桶下段軸、上段軸垂直吊掛在減速機機架軸承座上。下部由底軸定心,用以限制籠式攪拌裝置徑向擺動。

圖1 預灰桶攪拌結構

1 存在問題

原設計預灰桶投入使用后,經數年生產運行,逐漸暴露出一些結構設計以及選材等不足,導致故障頻發,嚴重制約蒸餾塔長周期穩定運行。主要存在以下幾個方面的問題:1)攪拌結構抗扭強度低,剛性差,運行阻力增加時易變形,出現“麻花”狀扭曲變形,甚至令攪拌底部定心軸脫離軸承座;2)底部定心軸承軸瓦及攪拌裝置下部短軸易磨損失效,使用周期偏短,短時僅1個月左右,長時不足3個月,與蒸餾塔清理周期不匹配;3)預灰桶底部錐形隔板因磨損出現泄漏,調和液進入閃發器,導致廢液工藝指標超標,檢修頻次偏高。

2 原因分析

2.1 攪拌結構抗扭強度不足

2.2 底部軸瓦、軸頸磨損

進入預灰桶之中的石灰乳,雖然在上一道工序進行過砂石分離,但仍不可避免會有部分細小砂子隨石灰乳進入預灰桶中。然而,攪拌裝置底部定心軸承與軸頸的配合采用較大的間隙配合,砂子會隨著石灰乳的流動進入到間隙之中,生產運行過程中隨著攪拌裝置的轉動,攪拌裝置底軸與定心軸承產生相對運動,間隙中的砂子在轉軸的帶動下做不同步轉動,對兩配合面產生磨削作用,導致配合間隙不斷增大,流入配合間隙的砂子量隨之增加,產生惡性循環。當配合間隙量增加到一定數值時,攪拌裝置底部定心軸承的定心功能失效,籠式攪拌裝置產生振擺,促發其緊固部件松動或整體扭曲變形。

2.3 預灰桶底部錐形隔板泄漏

在實際生產過程中,預灰桶內物料挾帶的砂粒隨著石灰乳在桶內停留時間的延長,逐漸在預灰桶底部產生積聚,攪拌裝置旋轉運行過程中帶動砂粒旋轉。在攪拌裝置的推動與擠壓下砂粒相對于錐形隔板產生類磨削運動,造成隔板不斷磨損減薄。在一段時間運行后,錐形隔板局部因磨損減薄出現孔洞或因反復擠壓出現裂紋,預灰桶內調和液直接泄漏到廢液一級閃發器內,并隨廢液進入二級閃發器后外排,含氨泄漏物料未按生產工藝流程進入蒸餾塔蒸氨,直接導致蒸餾塔廢液過剩灰、廢液含氨等指標異常,氨耗升高,進而影響蒸餾塔穩定運行。

3 預灰桶結構優化

3.1 籠式攪拌裝置結構優化——設置心軸

原攪拌裝置的攪拌效果良好,重新優化攪拌裝置結構時保留其原籠式結構不變。為了提高籠式攪拌裝置整體結構抗扭變形能力,在籠式結構內設置心軸,采用厚壁20鋼無縫管制作,與下段軸、底軸采用法蘭加螺栓連接固定,并與籠式攪拌裝置角鋼聯接形成強度和穩定性較高的整體結構,如圖2所示,承受較大扭矩時可以保證籠式攪拌裝置上下角速度一致。生產運行過程中可以將預灰桶內物料對攪拌裝置的作用力有效傳遞到心軸上,減少攪拌裝置籠式結構發生扭曲變形的概率,延長其使用壽命。

圖2 籠式攪拌裝置結構

心軸采用20鋼無縫管加工制作,運轉時預灰桶攪拌裝置心軸只承受扭矩,基本不承受彎矩以及軸向力,查閱機械設計手冊知,可按空心軸扭轉強度及剛度計算公式進行軸徑估算:

(1)

(2)

式中:d——軸直徑,mm;

P——軸傳遞功率,kW,本文為37 kW;

n——軸工作轉速,r/min,本文為22.2 r/min;

A——系數;

B——系數;

α——空心軸內外徑之比。

當軸承受彎矩較小,載荷平穩且無軸向載荷時,A取值相對較小,查表20鋼A取值范圍為149～126,權且取值130;按要求穩定的傳動軸取值,B值取129;采用厚壁管加工心軸,α估取0.75;將上述各數值分別代入公式(1)、(2)進行直徑估算,得

對應管道壁厚分別為:21.9 mm或20.1 mm。

綜合計算結果對直徑及壁厚值圓整,取其直徑為180 mm,壁厚取為22 mm。

由于攪拌裝置高度較大,心軸長度近13 m,為防止其因自身柔度大受力變形以及易于保證加工精度,心軸采用分段成型的方式,分為上中下三段。各段之間采用法蘭連接的剛性連接方式,以保證心軸的強度及剛度。其法蘭借鑒十字滑塊聯軸器結構,采用榫槽配合形式,使法蘭接觸面增大,利用凹凸面接觸,承擔大部分剪切力,降低連接螺栓載荷,不僅增強了法蘭之間連接的強度和穩定性,而且更加牢固不易損壞。

鑒于轉籠整體高度大,心軸較長,為提高攪拌結構整體剛度,在心軸中間部位設置聯接法蘭,見圖2,利用角鋼將籠式攪拌裝置與心軸連接固定,使其中間部位與心軸形成一整體結構,進一步強化攪拌裝置抗變形能力。

3.2 底部軸承組件優化

原設計底部定心軸承座采用鑄鐵材質,底軸采用調質45鋼,底軸外部安裝20鋼保護套,軸端安裝擋板,如圖3優化前所示。為降低籠式攪拌裝置及底部軸承組件安裝難度,底軸護套與定心軸承間隙較大,不低于1 mm。運行中砂粒進入其間,加速保護套與軸承座的磨損,因二者耐磨性能又較低,使用壽命急劇縮短。

優化前

3.2.1 材質優選

經查閱資料并借鑒公司內部耐磨材料應用的經驗,最終,選用ZMn13材質。ZMn13是具有特殊性能的高碳合金鋼,在受到沖擊載荷或因擠壓力而產生表面變形時,其表層產生冷作加工硬化從而極大的提高其表面耐磨性能,極其適用于受沖擊或較大擠壓力且要求高耐磨性能的場合。

3.2.2 底部軸承組件結構優化

改變原有設計結構,采用ZMn13材質制作軸承座內襯軸瓦、底軸保護套,保護套摒棄原軸端擋板加鍵連接的方式,采用過盈熱裝于底軸上,與軸瓦形成一對摩擦副,如圖3優化后所示。攪拌運轉時,利用砂粒在軸瓦與保護套之間產生的擠壓力促使其表面產生加工硬化效應,達到延長軸瓦與保護套使用壽命的目的。

3.3 錐形隔板結構優化

原設計預灰桶與廢液一級閃發器之間錐形隔板是單層的,材質采用Q235B,既是預灰桶底板又是廢液一級閃發器的頂板,當其磨損或焊口出現裂紋泄漏時,預灰桶內介質直接泄漏進入閃發器,需要通過廢液工藝指標來反饋判斷,不直觀且繁瑣。為此,經過多次研究決定從材質到結構對其進行優化再設計。

3.3.1 材質優選

高耐磨材質其焊接性能、加工性能一般都較差,且脆而易碎,錐形隔板屬于鉚焊件,整體采用高耐磨材質是不可行的。借鑒公司內部雙金屬耐磨材質應用先例的經驗,決定選用雙金屬復合板制作錐形底板,提高其耐磨性能。

雙金屬復合板以中低碳鋼為基材,在其經過預處理的表面上,熔敷含有大量Cr7C3的硬質顆粒耐磨合金以及特殊作用的元素,使得Cr7C3體積分數達到50%以上,形成具有極高耐磨性能的表面層,耐磨層硬度可達到HRC56-65,耐磨性是普通低碳鋼的20倍,是熱處理耐磨鋼的8倍。

本文中錐形隔板所用雙金屬復合板以厚度16mm的 Q235B為基材,表面熔敷厚度6mm耐磨層。

3.3.2 錐形隔板結構優化

選用耐磨雙金屬復合板提高了其耐磨性能,但一旦單層底板焊口出現問題,其泄漏介質進入閃發器的問題依舊未能圓滿解決。為此,經過細化研究,對其結構進行優化,設計出一種雙層錐形隔板結構,如圖4所示。

圖4 錐形隔板結構優化

首先在預灰桶桶壁一定高度焊接環板,采用雙金屬耐磨復合板制作,中心軸承座部位焊接安裝適當高度的套管。同時,利用原設計錐形隔板為基礎,在其上均布加強立筋板,雙金屬耐磨隔板部件與環板、套管以及立筋板相互焊接形成整體結構,在提高了錐形隔板耐磨性能的同時提高了其整體強度。而且,在新、舊錐形隔板以及桶壁和套管之間形成夾套空間,空間范圍內的桶壁上相隔90°各焊接一相應管口,作為檢查孔。當出現泄漏時,可以直觀從檢查孔看到泄漏的介質,便于及時安排檢修,也避免了泄漏介質直接進入廢液一級閃發器內。為保持籠式攪拌裝置與錐形隔板運行時必須的間隙,籠式攪拌裝置安裝位置相應提高即可。

4 結 語

預灰桶經過以上一系列的結構及材質優化改進,提高了其籠式攪拌裝置的抗扭曲變形能力以及底部軸承組件和錐形隔板的耐磨能力,經過數年的生產運行檢驗,效果十分顯著。籠式攪拌裝置未發生過扭曲變形,底部錐形隔板也從未出現泄漏現象,底部軸承組件更換周期由最初的不足3個月延長到9個月以上,大大延長了預灰桶穩定運行周期,與蒸餾塔3個月的清理周期得到了很好的匹配,為蒸餾工藝系統的長周期運行以及指標優化控制奠定了物質基礎。同時也為類似設備改造提供了寶貴借鑒經驗。