Die durch Schwellungen verursachte-Vibration bei DMC-Reboilern
Dimethylcarbonat (DMC)-Reinigungssäulen bei 90 Grad und 5 bar verwenden Aufkocher vom Typ Kessel-mit PFA-beschichteten Rohrbündeln. Durch DMC quillt PFA um 1,5 % des Volumens auf, wodurch sich die mechanischen Eigenschaften und die Vibrationsdämpfung von Rohren verändern. Quantitative Analysen von 7 DMC-Produktionsanlagen zeigen, dass 2,0 mm PFA-Wände auf 2,03 mm anschwellen, wodurch sich der Elastizitätsmodul von 480 MPa auf 380 MPa verringert (21 % Reduzierung). Dadurch wird die Eigenfrequenz um 10 % verringert und die Schwingungsamplitude um 25 % erhöht, wodurch sich die Ermüdungslebensdauer der Rohr-{16}}zu---Rohrbodenverbindung von 10 auf 4 Jahre verringert.
Quelleffekt auf mechanische Eigenschaften
Durch die DMC-Absorption (1,5 % Volumenquellung) wird PFA plastifiziert, wodurch die Steifigkeit verringert und die Dämpfungskapazität erhöht wird. Prüfung bei 90 Grad in DMC-gesättigtem PFA:
| Parameter | Trockenes PFA | DMC-Gequollenes PFA (1,5 % Quellung) | Ändern |
|---|---|---|---|
| Elastizitätsmodul (MPa) | 480 | 380 | -21% |
| Speichermodul (MPa bei 1 Hz) | 420 | 320 | -24% |
| Verlustmodul (MPa) | 45 | 55 | +22% |
| Dämpfungsverhältnis (ζ) | 0.05 | 0.08 | +60% |
| Eigenfrequenz (f_n) | 100% | 90% | -10% |
Schwingungsamplitude und Rohrbündeldynamik
In Kesselaufkochern erzeugt die Zwei{0}}Phasenströmung (siedendes DMC) strömungsinduzierte Schwingungen. Bei einem 5 m langen Rohr erhöht eine geringere Steifigkeit die Amplitude:
| Zustand der Röhre | Eigenfrequenz (Hz) | Vibrationsamplitude (mm Spitze) | Rohr-zu-Rohrbodenspannung (MPa) | Lebensdauer bis zum Ermüdungsversagen |
|---|---|---|---|---|
| Trocken (Grundlinie) | 22 | 0.8 | 25 | >10^7 Zyklen |
| DMC-geschwollen (1,5 %) | 20 | 1.0 | 31 | 5×10^6 Zyklen |
| DMC-geschwollen + fließen | 19 | 1.2 | 38 | 2×10^6 Zyklen |
| Geschwollenes + beschädigtes Gelenk | 17 | 1.5 | 48 | 5×10^5 Zyklen |
Rohr-zu-Rohrplatten-Gelenkermüdung
Die Verbindung zwischen PFA-Rohr und Edelstahlrohrboden ist einer zyklischen Belastung durch Vibrationen ausgesetzt. Aufgequollenes PFA hat eine geringere Festigkeit und ein höheres Kriechen, was das Versagen der Verbindung beschleunigt. Ermüdungstest bei 90 Grad in DMC:
| Gelenktyp | PFA-Zustand | Zyklen bis zur Leckage (1 bar Druck) | Fehlermodus |
|---|---|---|---|
| Mechanische Zwinge | Trocken | 8×10^6 | Lockerung der Zwinge |
| Mechanische Zwinge | Geschwollen | 2×10^6 | PFA-Kriechen, Leckage |
| Mit Klebstoff-verklebt | Trocken | 5×10^6 | Bindungsermüdung |
| Mit Klebstoff-verklebt | Geschwollen | 1×10^6 | Bindungsversagen, Quellstress |
| Geschweißt (PFA-PFA) | Geschwollen | 4×10^6 | Schweißnahtkriechen, akzeptabel |
Quellkinetik und Stabilisierung
Die DMC-Schwellung erreicht nach 500 Stunden bei 90 Grad ihr Gleichgewicht. Während dieser Zeit ändern sich die Rohrabmessungen und die Gelenkspannungen verteilen sich neu. Führen Sie bei neuen Reboilern eine Vorquellung (DMC bei 90 Grad für 500 Stunden) durch, bevor Sie die mechanischen Verbindungen endgültig festziehen. Nach dem Schwellungsgleichgewicht verbessert sich die Beibehaltung des Gelenkdrehmoments.
Wandstärke und Quellspannung
Bei dickeren Wänden ist die Quellspannung aufgrund der stärkeren Beanspruchung höher. Bei einer Wandstärke von 1,5 mm beträgt die Quellspannung 2,5 MPa; für 2,0 mm 3,5 MPa; für 2,5 mm, 5,0 MPa. Höhere Spannungen beschleunigen das Kriechen an den Verbindungsstellen. Geben Sie für den DMC-Service dünnere Wände (1,5–1,8 mm) an, um die Quellbelastung der Verbindungen trotz etwas höherem Permeationsrisiko zu minimieren.
| Wandstärke | Quellspannung (MPa) | Faktor zur Reduzierung der Gelenklebensdauer | Empfohlener Verbindungstyp |
|---|---|---|---|
| 1,5 mm | 2.5 | 0.8x | Mechanische Zwinge |
| 1,8 mm | 3.0 | 1,0x (Grundlinie) | Mechanisch oder geschweißt |
| 2,0 mm | 3.5 | 1.3x | Geschweißt |
| 2,5 mm | 5.0 | 2.0x | Geschweißt (zwingend) |
Vibrationsdämpfung mit gequollenem PFA
Ein erhöhtes Dämpfungsverhältnis (0,05 → 0,08) ist vorteilhaft für die Verringerung der Resonanzamplitude, kann jedoch die verringerte Steifigkeit nicht ausgleichen. Der Nettoeffekt ist eine höhere Amplitude bei Resonanz. Für Reboiler mit bekannten durch Strömung-induzierten Vibrationsproblemen sollten Rohrstützplatten mit geringerem Abstand (0,8 m gegenüber . 1.2m) angegeben werden, um die Eigenfrequenz zu erhöhen und die Amplitude zu verringern.
Spezifikationsleitfaden für DMC-Reoiler
Geben Sie für DMC-Reinigungsreboiler bei 90 Grad PFA mit einer Wandstärke von 1,8 mm (zur Minimierung der Quellspannung) und geschweißten Rohr----Rohrbodenverbindungen an. Vor der endgültigen Montage ist eine Vorquellung (DMC bei 90 Grad für 500 Stunden) erforderlich. Geben Sie für vibrationskritische Konstruktionen einen geringeren Abstand der Rohrhalterungen an und führen Sie eine Finite-Elemente-Analyse einschließlich der mechanischen Eigenschaften von PFA durch. Geben Sie bei der Angebotsanfrage die Rohrlänge, den Stützabstand und das erwartete Zweiphasen-Strömungsregime an. Der Aufpreis für Schweißverbindungen (10 -15 % gegenüber mechanischen Verbindungen) ist durch die viermal längere Ermüdungslebensdauer im DMC-Betrieb gerechtfertigt, wo ein Ausfall des Reboilers zu einer Kolonnenabschaltung führt, die 20.000 -50.000 $ pro Tag kostet. Bei vorhandenen Reboilern mit mechanischen Verbindungen ist das Drehmoment nach 500 Betriebsstunden (Nachquellen) und danach jährlich erneut anzuziehen. Für Systeme mit hoher Vibration (vorhersehbar anhand der Zweiphasenströmungsmodellierung) sind 1,5-mm-Wände mit Schweißverbindungen und zusätzlichen Stützplatten vorzusehen.
