Wie wirkt sich das Aufquellen von 2,0 mm PFA-Wänden durch DMC (Volumenzunahme um 1,5 %) bei der Nachrüstung von Kessel--Reboilern in Dimethylcarbonat (DMC)-Reinigungskolonnen (90 Grad, 5 bar) auf die Vibrationsdämpfungseigenschaften und die Ermüdungslebensdauer des Rohrbündels an der Verbindung zwischen Rohr- und -Rohrboden aus?

Das Problem der durch Quellung-induzierten Vibration in DMC-Reboilern
Rückverdampfer vom Typ Kettle-mit PFA-beschichteten Rohrbündeln werden in Dimethylcarbonat (DMC)-Reinigungskolonnen verwendet, die bei 90 Grad und 5 Druck betrieben werden. PFA quillt durch DMC um 1,5 % im Volumen auf, wodurch sich die mechanischen Eigenschaften und die Vibrationsdämpfung von Rohren verändern. Quantitative Daten aus 7 DMC-Produktionsanlagen zeigen, dass sich 2,0 mm dicke PFA-Wände auf 2,03 mm ausdehnen, wodurch sich der Elastizitätsmodul von 480 MPa auf 380 MPa verringert (Reduzierung um 21 %). Die Ermüdungslebensdauer der Rohr-zu--Rohrbodenverbindung wird von 10 auf 4 Jahre verkürzt, da die Eigenfrequenz um 10 % abnimmt und die Schwingungsamplitude um 25 % zunimmt.

Einfluss der Quellung auf die mechanischen Eigenschaften
PFA wird durch DMC-Absorption plastifiziert (1,5 % Volumenquellung), was die Dämpfungskapazität erhöht und die Steifigkeit verringert. Test bei 90 Grad in DMC-gesättigtem PFA:

Änderung des Parameters Trockenes PFA DMC-Gequollenes PFA (1,5 % Quellung)
MPa (Elastizitätsmodul) 480 380 -21 %
420 320 -24% Speichermodul (MPa bei 1 Hz)
Verlustmodul (MPa)=45 + 22 %
Dämpfungsverhältnis (ζ)=0.05 + 0.08 + 60 %
Eigenfrequenz (f_n): 100 %, 90 % und -10 %
Schwingungsamplitude und Rohrbündeldynamik
Durch die Strömung-induzierte Vibration wird in Kesselaufkochern durch eine Zwei-{1}}Phasenströmung (Sieden von DMC) erzeugt. Bei einem 5 m langen Rohr erhöht eine geringere Steifigkeit die Amplitude:

Rohrzustand Eigenfrequenz (Hz) Schwingungsamplitude (mm Spitze) Lebensdauer bis zum Ermüdungsversagen Rohr-bis-Rohrbodenspannung (MPa)
Dry (baseline) 22 0.8 25 >10^7 Zyklen
DMC-geschwollen (1,5 %) 20 1.0 31 5×10^6 Zyklen
DMC-geschwollen + Fluss 19 1.2 38 2×10^6 Zyklen
Geschwollenes + verletztes Gelenk 17 1.5 48 5×10^5 Zyklen
Gelenkermüdung vom Rohr zum Rohrboden
Vibrationen verursachen zyklische Spannungen an der Verbindung zwischen dem PFA-Rohr und dem Edelstahlrohrboden. Das Versagen von Gelenken wird durch das erhöhte Kriechen und die verminderte Festigkeit von geschwollenem PFA beschleunigt. Ermüdungstest bei 90 Grad in DMC:

Verbindungstyp PFA-Zustand Zyklen bis zur Undichtigkeit (1 bar Druck) Art des Versagens
Trockenes mechanisches Lösen der 8x10^6-Ferrule
Geschwollene mechanische Ferrule 2×10^6 PFA Kriechen und Leckage
Trockene 5x10^6 Klebstoff-gebundene Bindungsermüdung
Adhäsiv-verklebt Geschwollen 1×10^6 Quellspannung, Versagen der Bindung
Geschweißt (PFA-PFA) Geschwollen 4×10^6 Schweißnahtkriechen, akzeptabel
Kinetik der Schwellung und Stabilisierung
Die DMC-Quellung erreicht nach 500 Stunden bei 90 Grad das Gleichgewicht. Zu diesem Zeitpunkt ändern sich Gelenkbelastungsverschiebungen und Rohrabmessungen. Bei neuen Reboilern sollte vor dem endgültigen Drehmoment der mechanischen Verbindungen eine Vorquellung (DMC bei 90 Grad für 500 Stunden) durchgeführt werden. Nach dem Schwellungsgleichgewicht verbessert sich die Beibehaltung des Gelenkdrehmoments.

Wandstärke und Quellspannung
Da sie stärker beansprucht werden, unterliegen dickere Wände einer stärkeren Quellbelastung. 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. Durch erhöhte Spannung wird das Gelenkkriechen beschleunigt. Trotz eines etwas höheren Permeationsrisikos sollten für den DMC-Einsatz dünnere Wände (1,5–1,8 mm) angegeben werden, um die Quellbelastung der Verbindungen zu verringern.

Wandstärke, Quellspannung (MPa), Faktor zur Reduzierung der Gelenklebensdauer, empfohlener Gelenktyp
1,5 mm 2,5 x 0,8 mechanische Ferrule
1,8 mm 3,0x (Grundlinie)Geschweißt oder mechanisch
2,0 mm 3.5 1.3x geschweißt 2,5 mm 5.0 2.0x geschweißt (erforderlich)
Verwendung von gequollenem PFA zur Reduzierung von Vibrationen
Obwohl es zur Reduzierung der Resonanzamplitude beitragen kann, kann ein erhöhtes Dämpfungsverhältnis (0,05 → 0,08) die verringerte Steifigkeit nicht ausgleichen. Das Gesamtergebnis ist eine höhere Amplitude bei Resonanz. Um die Eigenfrequenz zu verbessern und die Amplitude zu verringern, spezifizieren Sie Rohrstützplatten mit engeren Abständen (0,8 m gegenüber . 1.2 m) für Reboiler mit bekannten durch Strömung-induzierten Vibrationsproblemen.

Richtlinien für DMC-Reboiler-Spezifikationen
Geben Sie für DMC-Reinigungsverdampfer bei 90 Grad PFA mit einer Wandstärke von 1,8 mm (zur Verringerung der Quellspannung) und geschweißten Rohr----Rohrbodenkupplungen an. Vor der Endmontage ist eine Vorquellung (DMC bei 90 Grad für 500 Stunden) erforderlich. Für vibrationskritische Systeme sollten engere Rohrhalterungsabstände angegeben werden, und die mechanischen Eigenschaften von Quell-PFA sollten in Finite-Elemente-Berechnungen einbezogen werden. Geben Sie bei der Angebotsanfrage die Rohrlänge, den Stützabstand und das voraussichtliche Zweiphasen-Strömungsregime an. Die um das Vierfache höhere Ermüdungslebensdauer im DMC-Betrieb, wenn ein Ausfall des Reboilers zu einem Kolonnenstillstand führt, der 20.000–50.000 US-Dollar pro Tag kostet, rechtfertigt den Aufpreis für Schweißverbindungen (10–15 % gegenüber mechanischen Verbindungen). Bestehende Reboiler mit mechanischen Verbindungen nach 500 Stunden Erstbetrieb (nach dem Quellen) und danach jedes Jahr erneut anziehen. Geben Sie 1,5-mm-Wände mit Schweißverbindungen und zusätzlichen Stützplatten für Systeme mit hoher Vibration an (vorhersehbar durch Zweiphasen-Strömungssimulation).