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己内酰胺装置萃取塔转盘轴承理论计算及选配

发表时间：2020/11/17 来源：《基层建设》2020年第22期作者：郭晓龙杨英杰冯建松刘冉

[导读] 摘要：己内酰胺液相重排法将环己酮肟和烟酸反应生成重排液，在硫铵结晶装置用气氨中和重排液中的烟酸，生成硫酸铵。

        中国石化石家庄炼化公司河北石家庄 050099
        摘要：己内酰胺液相重排法将环己酮肟和烟酸反应生成重排液，在硫铵结晶装置用气氨中和重排液中的烟酸，生成硫酸铵。分离硫酸铵后剩余含有少量杂质的己内酰胺水溶液，在萃取单元先后用苯和水经过萃取、反萃取去除己内酰胺溶液中的硫铵等杂质，形成杂质含量较低的己内酰胺水溶液，进入下游操作单元继续进行离子交换、蒸馏、精馏等操作单元，产生纯己内酰胺。转盘塔为萃取单元主要单台设备，其运行情况直接影响生产线的平稳及产品质量。本文分析了转盘塔轴承故障及寿命理论计算。
        关键词：萃取塔转盘；理论计算；故障分析；选配
        1.工艺简介
        在苯萃取工序中，通过一个转盘塔除去重排反应生成己内酰胺中的大部分杂质。用苯及一定比例的环己烷作为萃取介质。通过萃取，塔顶得到20wt%己内酰胺的苯—己溶液，其中也包含苯溶性杂质；塔底为硫铵、不溶于苯的杂质以及最多0.5wt%的己内酰胺的萃取残液，残液被送入冷凝液汽提塔，回收微量的苯，而后含水残液被排放至废液焚烧装置。
        萃取效率取决于苯里的己内酰胺含量及转子速度，为了达到两相的充分混合，转子速度在萃取负荷低时必须高些，而在萃取负荷高时必须低些，使己内酰胺的损失最大限度的减少。
        转盘塔由旋转轴组成，轴上装有91块位于定环之间的动盘和67块与定环相对的动盘，而塔壁上装有92个定子环，定子环的间距为240mm。两个定子环之间形成的空间称为“室”。轴的正常转数是每分钟30次。根据负荷，借助驱动器的调速装置，转速可在5rpm和30rpm之间调节。液体在塔的顶部和底部进行分离，第一块转盘下面和第91块转盘上面都安装了一个栅板，防止因转盘引起的液体环流运动。为了防止搅动，在塔的顶部和底部的“室”内安装了一根固定管。
        萃取是借助于转盘使含水己内酰胺分散而进行的。由于比重的差别，含水己内酰胺液滴朝下运动，与朝上连续运动的苯相接触。液体在塔内的流动方式是复杂的。这主要取决于转子的运动，转子的转动使整个液体随之转动，同时，由于转盘的离心作用，液体被迫甩向室腔壁上，这股液体在定子环附近沿着轴的方向上改变流动方向。这种不同流动方式的组合使液体形成了一种涡流。
        2.转盘承重部分载重计算
        转盘塔旋转轴结构组成示意图：

        转盘驱动及传动设备位于转盘塔上部，转盘转动部件，包含轴与动盘等组件，自重约14293Kg。100%负荷时转速控制14~18rpm。电机功率15Kw，装备西门子H3HV07B减速机、FSJ160机架，配套1块22244轴承和2块30244轴承，轴径220mm。
        计算书及公式依据
        轴承基本额定寿命计算公式：L10h=106÷(60×n)×(C/P)ε
        式中:L10h--基本额定寿命(h)
        n-----转速(r/min)
        ε----命指数(球轴承ε=3，滚子轴承ε=10/3)
        轴承当量动载荷计算公式：P=X×Fr+Y×Fa
        式中：X-----径向动载荷系数（第五版机械设计手册）
        Y----轴向动载荷系数（第五版机械设计手册）
        Fr----轴承所承受径向载荷（N）
        Fa----轴承所承受轴向载荷（N）
        第i个搅拌器上的流体径向力Fhi=K1×Mnqi×103÷（3/8×Dji）
        式中：K1----流体径向力系数，按照HG/T20569-2013《机械搅拌设备》查得。
        Mnqi----第i个搅拌器功率产生的扭矩，Mnqi=9553×Pqi÷n
        Pqi----第i个搅拌器的设计功率
        Dji----第i个搅拌器直径，mm
        2.1方案一：采用30244轴承+22244K轴承
        2.1.1轴承32244计算
        32244为圆锥滚子轴承，滚子角度θ=16°，基本额定动载荷C=1610000 N。该轴承所承受轴向载荷：
        Fa=14293Kg×9.8N/Kg=140071N
        圆盘径向力计算：计算中间轴承以上的动盘，中间轴承一下的动盘的径向力被中间轴承吸收，可忽略。动盘3件1组，共22组，动盘直径按1300mm计算。每个动盘的功率：
        Pq=15Kw÷158个=0.095Kw/个
        每组转盘上的流体径向力：
        Fh=0.16×9553×0.095×3/20×1000×8/3÷1300=45N
        已知每组动盘距机架下轴承的距离和机架内上下轴承的距离，根据力矩平衡公式可得机架上轴承所承受的径向载荷Fr=15356N。
        根据轴承当量动载荷计算公式，可得该轴承的当量动载荷P=201543N。
        根据轴承基本额定寿命计算公式可得L10h=849194h。
        2.1.2轴承22244K计算（调心滚子轴承，承受纯径向力，无轴向力）
        该轴承承受基本额定载荷C=1520000N。
        该轴承所承受轴向载荷Fa=0。
        该轴承承受的景象载荷Fr=15356N。
        根据轴承当量动载荷计算公式，可得该轴承的当量动载荷P=15356N。
        根据轴承基本额定寿命计算公式，可得L10h=3738303816h。
        2.2方案二：采用29344E轴承+NJ244轴承
        2.2.1轴承29344E计算（该轴承为推力调心滚子轴承，滚子角度θ=45°）
        该轴承承受基本额定动载荷C=1730000N，承受轴向载荷：
        Fa=14293Kg×9.8N/Kg=140071N
        动盘径向力计算：计算中间轴承以上的动盘，中间轴承以下的动盘的径向力被中间轴承吸收，可忽略。动盘3件1组，共22组，动盘直径按1300mm计算。每个动盘的功率：
        Pq=15Kw÷158个=0.095Kw/个
        每组转盘上的流体径向力：
        Fh=0.16×9553×0.095×3/20×1000×8/3÷1300=45N
        已知每组动盘距机架下轴承的距离和机架内上下轴承的距离，根据力矩平衡公式可得机架上轴承所承受的径向载荷Fr=15356N。
        根据轴承当量动载荷计算公式，可得该轴承的当量动载荷P=155427N。
        根据轴承基本额定寿命计算公式可得L10h=2565752h。
        2.2.2轴承NJ244计算（该轴承为圆柱滚子轴承，承受纯径向力，无轴向力）
        该轴承承受基本额定载荷C=765000N。
        该轴承所承受轴向载荷Fa=0。
        该轴承承受的景象载荷Fr=15356N。
        根据轴承当量动载荷计算公式，可得该轴承的当量动载荷P=15356N。
        根据轴承基本额定寿命计算公式，可得L10h=379083672h。
        2.3方案三：采用30244轴承+22244K轴承
        2.3.1轴承30244计算（该轴承为圆锥滚子轴承，滚子角度θ=15°）
        该轴承承受基本额定载荷C=990000N，承受轴向载荷：
        Fa=14293Kg×9.8N/Kg=140071N
        动盘径向力计算：计算中间轴承以上的动盘，中间轴承以下的动盘的径向力被中间轴承吸收，可忽略。动盘3件1组，共22组，动盘直径按1300mm计算。每个动盘的功率：
        Pq=15Kw÷158个=0.095Kw/个
        每组转盘上的流体径向力：
        Fh=0.16×9553×0.095×3/20×1000×8/3÷1300=45N
        已知每组动盘距机架下轴承的距离和机架内上下轴承的距离，根据力矩平衡公式可得机架上轴承所承受的径向载荷Fr=15356N。
        根据轴承当量动载荷计算公式，可得该轴承的当量动载荷P=215250N。
        根据轴承基本额定寿命计算公式可得L10h=134830h。
        2.3.2轴承22244K计算（该轴承承受纯径向力，无轴向力）
        计算过程同2.1.2。
        3选配对比表

        己内酰胺萃取塔体高35.8m、直径2.4m。设备所处区域地震基本烈度为7级，年平均风速2.3m/s，受风载影响，塔体晃动幅度较大。己内酰胺转盘轴长约28m，中间设置304滑动轴承一套、底部聚四氟乙烯滑动轴承1套，设备大修周期不低于3年。兼顾设备检修合理性，塔体内部滑动轴承寿命不应低于外部滚动轴承寿命。综合考虑转盘部分轴承风载影响以及轴承类型特性，我装置萃取塔转盘机架装配1块22244K轴承+2块30244轴承，即采用方案三的选配设置。
        4结束语
        上述三个轴承装配方案理论寿命均满足企业长周期运行需求，我装置通过对比和现场结构与合理检修时间安排，轴承装配方式优选采用方案三。另外影响轴承使用寿命要素还有很多方面，例如设备安装的几何尺寸精准度、搅拌装置运转时轴承承受力面承受力的偏心程度、轴承和的机加工精度、整套装置的安装精度等。上述数据和计算均为理想工况下使用的理论寿命。本文所述己内酰胺转盘塔轴承理论计算及选配可为同行同类设备或者其他类似设备设计与制作提供相关理论计算依据。
        参考文献
        [1]成大先机械设计手册(轴承)化学工业出版社
        [2]HG/T20569-2013《机械搅拌设备》中国计划出版社
        [3]李先华新型转盘萃取塔在己内酰胺生产中的应用合成纤维工业