快開(kāi)密封連接結(jié)構(gòu)的研究

1萃取釜的設(shè)計(jì)在臨界壓力和臨界溫度以上的液體具有良好的滲透性和較強(qiáng)的溶解能力。臨界流萃取是一種利用液體特征快速開(kāi)發(fā)的化工分離技術(shù)。超臨界流體萃取過(guò)程通常在高壓下進(jìn)行,且多為半間歇操作,使用的關(guān)鍵設(shè)備——萃取釜中的物料需頻繁更換且需經(jīng)常打開(kāi)清洗。因此萃取釜應(yīng)采用便于開(kāi)、閉且密封性能良好的快開(kāi)結(jié)構(gòu)?？ü渴娇扉_(kāi)結(jié)構(gòu)具有開(kāi)啟方便、適用壓力范圍廣、承壓能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于需要頻繁啟閉的壓力容器上。由于卡箍式快開(kāi)結(jié)構(gòu)本身及其受力情況比較復(fù)雜,目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟的設(shè)計(jì)規(guī)范可循。美國(guó)鍋爐和壓力容器規(guī)范ASMEⅧ-1規(guī)定的卡箍連接設(shè)計(jì)方法中,頂蓋、筒體端部和卡箍的接觸為具有楔入作用的連接。日本標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)根據(jù)ASMEⅧ-1卡箍連接的設(shè)計(jì)原理,規(guī)定了壓力容器快開(kāi)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一計(jì)算方法。文中根據(jù)萃取釜的工作特點(diǎn),提出了一種改進(jìn)的萃取釜筒體與頂蓋連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。所設(shè)計(jì)的連接結(jié)構(gòu)不僅具有良好的密封性能和耐高壓性能,而且密封件壽命長(zhǎng),可實(shí)現(xiàn)頂蓋的自動(dòng)開(kāi)合。2螺紋式快開(kāi)高壓自緊密封結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)超臨界流體具有強(qiáng)溶解性和高滲透性,對(duì)萃取釜密封材料的破壞非常嚴(yán)重。因此密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和密封材料的選用必須滿足超臨界流體的要求。目前常用的密封結(jié)構(gòu)形式有螺紋式、滑塊式和卡箍式3種。螺紋式快開(kāi)高壓自緊密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,操作方便,但其使用的密封件——橡膠O形密封圈存在嚴(yán)重的溶漲現(xiàn)象,造成拆卸困難。而螺紋結(jié)構(gòu)本身不能實(shí)現(xiàn)頂蓋的快開(kāi),尤其在高壓操作條件下,螺紋結(jié)構(gòu)容易發(fā)生咬死現(xiàn)象;滑塊式快開(kāi)高壓自緊密封結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化操作,適合于大型裝置,但是橡膠O形密封圈同樣存在嚴(yán)重的溶漲而導(dǎo)致拆卸困難,并且加工精度要求較高;卡箍式快開(kāi)高壓自緊密封結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)迅速,可采用液壓或氣動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)釜蓋開(kāi)關(guān)操作的自動(dòng)化,適合于大型萃取裝置,其主要問(wèn)題仍是密封圈的溶漲,且大型卡箍需要大型的鍛件,加工成本高。2.1改進(jìn)的卡再連接結(jié)構(gòu)綜合上述3種連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn),為了滿足操作安全、可靠且開(kāi)關(guān)迅速的要求,萃取釜采用卡箍式快開(kāi)高壓自緊密封結(jié)構(gòu),并作進(jìn)一步改進(jìn)。在頂蓋內(nèi)部開(kāi)凹槽,將C形密封圈置于槽內(nèi),密封圈依靠自身彈性緊貼在槽中,從而裝卸頂蓋時(shí)無(wú)須拆下密封圈,大大減少了密封圈的裝卸次數(shù),保護(hù)了密封面。此外,C形密封圈具有自緊密封作用,保證了連接結(jié)構(gòu)良好的密封性能。由于頂蓋自重較大,采用手工開(kāi)合費(fèi)力費(fèi)時(shí),而機(jī)械吊裝的定位精度不易控制。為此,在頂蓋上部安裝氣動(dòng)伺服裝置,該裝置與水平搖臂相連。由伺服裝置控制頂蓋的上下移動(dòng),頂蓋升起后,轉(zhuǎn)動(dòng)搖臂即可移開(kāi)頂蓋,從而可在萃取釜內(nèi)進(jìn)行其他操作。改進(jìn)后的卡箍連接結(jié)構(gòu)如圖1所示。本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)卡箍連接結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于:(1)采用材料為增強(qiáng)聚四氟乙烯、具有自緊密封作用的C形密封圈,杜絕了傳統(tǒng)橡膠材料在超臨界CO2流體下的高溶漲現(xiàn)象,操作更加方便可靠。(2)將C形密封圈安裝在頂蓋內(nèi)部。密封圈一旦裝填到頂蓋的凹槽后便不會(huì)掉出,開(kāi)啟萃取釜時(shí)密封圈隨頂蓋一起移動(dòng),減少了對(duì)密封圈的磨損,且操作簡(jiǎn)便,延長(zhǎng)了密封圈的使用壽命。(3)頂蓋和萃取釜筒體使用快開(kāi)式的兩瓣卡箍進(jìn)行連接和緊固。卡箍與頂蓋及筒體法蘭凸肩接觸的卡箍?jī)?nèi)表面為平面,加工方便;而傳統(tǒng)的卡箍密封面為錐面,加工困難,成本高。(4)C形密封圈的初始預(yù)緊力依賴(lài)于氣缸壓力及裝配精度,操作靈敏。傳統(tǒng)的卡箍連接結(jié)構(gòu)依靠錐面配合使頂蓋產(chǎn)生軸向移動(dòng)來(lái)施加預(yù)緊力,預(yù)緊力的大小由螺栓力控制,操作不便。(5)加裝了氣動(dòng)伺服裝置和搖壁機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了頂蓋開(kāi)合的自動(dòng)化,無(wú)須提供輔助加力裝置,僅需控制氣缸壓力;結(jié)構(gòu)安全可靠,自動(dòng)化程度高,便于工業(yè)化生產(chǎn)。綜上,文中設(shè)計(jì)的超臨界萃取釜快開(kāi)式密封連接結(jié)構(gòu)包括C形密封圈、卡箍、頂蓋、伺服氣缸和圓柱銷(xiāo)等部件。2.2化學(xué)改性橡膠密封圈C形密封圈是易損件,其合理選材是萃取釜安全、高效工作的保證。傳統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)中大多使用O形橡膠密封圈,在強(qiáng)溶解性和高滲透性超臨界流體的作用下,橡膠材料往往無(wú)法滿足裝置長(zhǎng)周期、安全、可靠操作的要求。據(jù)報(bào)道,瑞士NOVA公司小型萃取裝置中使用的密封圈可重復(fù)使用,但目前國(guó)內(nèi)尚不能有效解決橡膠密封圈無(wú)法反復(fù)使用的問(wèn)題。聚四氟乙烯在超臨界流體中具有低溶漲性,經(jīng)改性的聚四氟乙烯,其強(qiáng)度可以滿足高壓超臨界流體萃取裝置的使用要求。日本AKICO公司生產(chǎn)的某小型超臨界萃取試驗(yàn)裝置中萃取釜就采用聚四氟乙烯O形密封圈作為密封元件。為此,文中采用改性聚四氟乙烯作為密封圈材料。2.3局部高應(yīng)力齒根部分疲勞分析萃取釜的設(shè)計(jì)涉及應(yīng)力分析、強(qiáng)度校核、疲勞分析,計(jì)算工作量較大。為了提高設(shè)計(jì)效率,編制了設(shè)計(jì)計(jì)算程序?？扉_(kāi)裝置中頂蓋、卡箍及筒體端部法蘭的設(shè)計(jì)計(jì)算參考日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JISB8284—2003進(jìn)行。由應(yīng)力集中引起的局部高應(yīng)力齒根部分疲勞分析計(jì)算按照J(rèn)B4732—95《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)所需的各種曲線、圖表及所用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)計(jì)計(jì)算后產(chǎn)生的各種幾何尺寸、結(jié)構(gòu)參數(shù)等數(shù)據(jù)均存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中,通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理來(lái)實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的讀取和存儲(chǔ),提高了設(shè)計(jì)效率。設(shè)計(jì)時(shí)使用到的各類(lèi)曲線型數(shù)據(jù)采用最小二乘法擬合成多項(xiàng)式方程;對(duì)于表格數(shù)據(jù),將其賦值給數(shù)組,然后調(diào)用插值函數(shù)得到所需數(shù)據(jù)。用戶僅需輸入萃取釜容量、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度等,選擇使用的材質(zhì)及密封形式,由計(jì)算程序便可完成分析計(jì)算。3項(xiàng)目實(shí)例3.1萃取設(shè)備及材料參數(shù)采用文中提出的快開(kāi)式密封連接結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了一臺(tái)容量為5L的萃取釜。設(shè)計(jì)要求:工作壓力:50MPa;設(shè)計(jì)壓力:51MPa;工作溫度:80℃;設(shè)計(jì)溫度:100℃;腐蝕裕度:0mm;焊接接頭系數(shù):?=1;材料參數(shù):E=2.1×105MPa,μ=0.3,σa=137MPa。該萃取釜的筒體內(nèi)徑為125mm,筒體的壁厚為35mm,整體高度為722mm。萃取釜的筒體、頂蓋以及卡箍均為整體鍛造而成,材料為0Cr18Ni9不銹鋼。兩瓣卡箍用圓柱銷(xiāo)連接固定在筒體上。該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算及校核結(jié)果見(jiàn)表1。3.2有限元模型計(jì)算結(jié)果運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)萃取釜卡箍式快開(kāi)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力分析。根據(jù)快開(kāi)結(jié)構(gòu)的形式與承載特點(diǎn),建立了快開(kāi)密封結(jié)構(gòu)的二維軸對(duì)稱(chēng)有限元模型。其中筒體端部、頂蓋、C形密封圈和卡箍采用軸對(duì)稱(chēng)單元。筒體上端—C形密封圈、頂蓋—C形密封圈、筒體上端—卡箍以及頂蓋—卡箍等與接觸有關(guān)的部位采用受壓間隙單元。計(jì)算結(jié)果表明,頂蓋、卡箍以及C形密封圈的應(yīng)力值均小于該溫度下材料的許用應(yīng)力,結(jié)構(gòu)安全可靠。在內(nèi)壓作用下,密封圈和頂蓋、筒體迅速緊密貼合,從而有效阻止了超臨界流體的泄漏,密封效果良好。3.3萃取釜疲勞分析超臨界流體萃取過(guò)程往往在高壓下進(jìn)行,且多為半間歇操作。萃取釜的物料更換、打開(kāi)清洗、開(kāi)停車(chē)以及壓力波動(dòng)、溫度變化等,均會(huì)造成萃取釜的應(yīng)力隨時(shí)間變化,故而應(yīng)對(duì)萃取釜進(jìn)行疲勞分析。超臨界流體萃取釜,每次萃取周期一般為2～3h,一年以300天計(jì)算,需要升壓降壓2400次。若設(shè)計(jì)壽命為20年,則使用期間萃取釜所受交變應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)為48000次,故萃取釜危險(xiǎn)點(diǎn)的疲勞分析屬于低循環(huán)疲勞的范圍。采用JB4732—95《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中圖C-2對(duì)萃取釜進(jìn)行危險(xiǎn)點(diǎn)疲勞分析,結(jié)果表明,設(shè)計(jì)萃取釜滿足疲勞強(qiáng)度要求。4建立萃取設(shè)備,優(yōu)化萃取過(guò)程超臨界流體萃取釜的快開(kāi)連接結(jié)構(gòu)要求具有良好的密封性能和快開(kāi)特性