酯化反应器搅拌系统振动分析

酯化反应器搅拌系统振动分析

酯化器是连接到聚合物设备的重要设备。在设备中配备了一个大的桨式注射器。搅拌的操作可以维持酯化器中浆料的固体悬浮状态，强化浆料的传质和传统工艺，帮助处理反应。酯化搅拌器的平稳运行是产品质量的有力保证,在搅拌器安装、检验及试运转等环节应认真检查,严格把关。某化纤公司酯化反应器在试运行过程中,搅拌器和设备振动数据超标,如不采取有效措施,振动将严重影响搅拌器的轴承、机械密封和减速箱等部件的使用寿命。本文从搅拌器安装检验、设备基础稳定性、反应器结构刚度和临界转速等诸多影响搅拌器振动的因素入手,结合相关振动检测数据进行综合分析,找出了搅拌器的振动原因,提出了解决方案,达到了降振的目的。1酯化器器的基本结构1.1反应器盘管材料酯化反应器为立式夹套容器,内配加热盘管,内径3800mm,反应器内介质为乙二醇和PTA的混合浆料,浆料反应过程吸收大量的热量,生成酯化物及附属产物水。反应器主体材料为S30408+Q345R,设计温度为300℃,工作温度为265℃,设计压力为0.22MPa,工作压力为0.20MPa。反应器夹套内介质为联苯加联苯醚,夹套材料为Q345R,设计温度为300℃,工作温度为285℃,设计压力为0.20MPa,工作压力为0.18MPa。反应器盘管内介质为氢化三联苯,盘管材料为S30408,设计温度为315℃,工作温度为300℃,设计压力为1.0MPa,工作压力为0.8MPa。反应器内安装了圆筒形导流筒,可以破坏涡流,强化搅拌效果,见图1所示。1.2机械密封机械密封的结构酯化搅拌器部分包括搅拌桨叶、搅拌轴、底部支撑轴承、机封、减速箱、机架及电机等。搅拌轴底部的支撑轴承可以有效限制轴端的横向摆动,机封上部的轴承可以有效地承受机封处的径向跳动,改善机封工作状况,机封型式为双端面机械密封,机架采用单支点机架,机架中部大轴承设计承受搅拌轴全部的轴向载荷和部分的径向载荷。电机输出转速为1485r/min,减速机速比为15.15,输出转速为98r/min。整体结构示意图见图1。2器的振动检测酯化反应器试运转是以水代料测试搅拌器工作状态,将反应器内液位加至100%,启动搅拌器,观测搅拌器运行状态及工作电流,然后降低液位至90%、80%、70%、60%、50%分别启动搅拌器进行观测,以上几种工况在搅拌器运转时均能感到反应器和搅拌器有强烈的振动。由于振感比较明显,为确认振幅是否在搅拌器的允许范围内,对搅拌器的各点振动幅度进行了测试,具体测点布置见图2,各测点振动数据见表1。3酯化器器器的振动原因分析3.1轴的摆动量的测量搅拌器轴的垂直度和底部定位轴承的偏心是安装阶段引发搅拌器振动的主要因素,因此在搅拌器安装阶段,需对上述安装质量进行检测并记录。搅拌轴的直线度一般可以用轴的端部摆动量来衡量,此值在搅拌器的安装过程中可以较方便地测量,一般情况下低速轴的端部摆动量不超过0.5mm/m,轴的整体摆动量不超过2mm。本台搅拌器轴的端部摆动量为0.6mm。底部定位轴承是否偏心,在安装后是可以测量的。手动盘动搅拌器,测量搅拌轴与轴承间的间隙,本台搅拌轴与轴承四个方向的间隙分别为+0.03;+0.02;+0.01;+0.02。由以上安装数据判定,搅拌轴的直线度和底部定位轴承安装良好。3.2反应封头刚度本文中所述搅拌器振动时,反应器封头亦有明显振动。按HG/T20569-2013《机械搅拌设备》2.5.3中规定,封头计算应当考虑搅拌机重力载荷的作用以及转动装置产生的震动等动力载荷的影响。将搅拌装置重量、搅拌轴的周期弯矩和搅拌载荷等因素等效为静力载荷来校核反应器封头的刚度。经计算,封头计算厚度T≈8mm,而实际封头厚度为12mm,且封头上焊有图1所示的加强筋,因此封头的刚度能够满足要求。3.3钢结构支撑平台稳定性不足的影响酯化反应器由钢结构支撑,属于弹性基础,钢结构支撑平台的稳定性不足可能成为搅拌器和设备振动的外因。把钢结构支撑平台简化为一简单的弹性支撑系统,可得到简化公式:3.4分散剂的等效转速与临界转速比的确定搅拌轴的临界转速与很多因素有关,在实际工程设计中只考虑主要因素进行计算。有底轴承单层搅拌器的简化计算模型见图3,其一阶临界转速计算公式为:式中:W0-搅拌轴的质量,kg;G-搅拌桨叶的质量,kg;d-搅拌轴直径。将实际的搅拌器参数带入公式中得到该搅拌器的近似临界转速r/min。把近似临界转速与搅拌器的机械频率进行比较,搅拌器的电机转速为1485r/min,工作频率为29.7Hz,减速机输出转速为98r/min,工作频率为1.64Hz,搅拌器为三叶桨式搅拌器,激振频率为4.92Hz。由此可见,搅拌器桨叶激振频率的等效转速与临界转速的比值为0.84,不满足HG/T20569-2013《机械搅拌设备》3.3.4.5中n/≤0.7的抗振条件。由于反应器内件并非轴对称结构,在某一特定方向流体对桨叶的反力不同,桨叶激振频率的作用被放大。4对前器器振动的改进效果根据上述分析结果,搅拌器桨叶激振频率的等效转速与临界转速较接近,导致机械共振是搅拌器振动值超标的主要原因。因此,可通过提高临界转速或降低搅拌器转速的方法来解决振动问题。由于改变搅拌器临界转速不易实施,实际操作中,可对该搅拌器电机增加变频装置,在保证工艺生产的前提下,适当降低搅拌器的转速以避开临界转速。按照上述措施改进后,在搅拌器试运转和实际生产过程中达到了预期效果。由于增加了变频装置,经测试,搅拌器在0-45Hz频率间运转平稳,45Hz以上时搅拌器开始明显振动,频率越高,振动越大。改进后搅拌器各点在45Hz下的振动数据见表2。振动数值已大大降低,可满足运行要求。5振动值的计算引起搅拌器振动的因素很多,基于不同原因采取的处理措施不尽相同,因此在处理搅拌器振动问题时要综合考虑,逐一排查,找到关键原因,采取正确的措施才能取得预期效果。尽管低速搅拌器在设计时可不考虑临界转速的影响,但在诸多因素影响下,搅拌器自身的激振频率如与临界转速接近,也可能发生共振,导致搅拌器振动值超标。式中:M-反应器的质量,kg;X-反应器位移,m;F-机械激振力,N;ω-角频率,rad/s;K-具有长度量纲的常数;G-支撑平台的刚度。公式说明