制冷劑生產(chǎn)滲透蒸發(fā)膜濾芯外殼裂紋分析及對策

胡曉偉，蔣紅偉，胡劍峰

（浙江衢化氟化學(xué)有限公司，浙江 衢州 324004）

滲透蒸發(fā)膜分離過程主要是利用料液中各組分和膜之間化學(xué)物理作用的不同來實(shí)現(xiàn)分離。滲透蒸發(fā)過程中組分有相變發(fā)生，相變所需的潛熱由原料的顯熱來提供[1]。

在某制冷劑生產(chǎn)裝置中含有多種含氟氯有機(jī)物，為分離出所需的有機(jī)物，通過增加滲透蒸發(fā)膜分系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了不同氣體分子的分離，效果顯著。使用的膜分離器由金屬殼體和膜芯（外殼為ABS塑料）組成，內(nèi)部膜芯是由數(shù)以萬計(jì)的中空纖維管組成，利用膜對各氣體的滲透速率的不同以達(dá)到分離的目的。

但是在使用過程中發(fā)現(xiàn)膜芯外殼經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，導(dǎo)致使用一段時(shí)間之后需要更換膜芯，使用成本高昂。

1 膜芯裂紋現(xiàn)象

將滲透蒸發(fā)膜外殼拆開后發(fā)現(xiàn)多根膜芯出現(xiàn)了較深的裂紋，且有4種不同的裂紋，如圖1所示。

圖1(a)為膜芯兩頭出現(xiàn)的裂紋，該裂紋疑似受壓所產(chǎn)生的裂紋；圖1(b)為膜芯中間出現(xiàn)的另一種裂紋，該裂紋向外浮起，疑似受壓所產(chǎn)生的裂紋；圖1(c)為外殼在膜殼內(nèi)卡死，取出過程通過破壞性拉出造成的斷裂，但從裂紋紋理看，和受壓產(chǎn)生的裂紋相似；圖1(d)為ABS表層浮起，體積膨脹，且有長條裂紋。

圖1 膜芯的4種裂紋Fig 1 Four kinds of crack shapes of membrane core

2 裂紋問題分析

2.1 基于SolidWorks的力學(xué)分析

通過建立模型，模仿膜芯在膜殼內(nèi)受力狀態(tài)。模芯除受到系統(tǒng)壓力的同時(shí)，還受到螺栓的壓緊力作用。膜芯兩頭是金屬鋁合金材質(zhì)，中間為ABS材質(zhì)，因此可近似為剛性。當(dāng)膜芯受到螺栓的壓緊力時(shí)，力均勻分布在膜芯邊緣，模芯處于系統(tǒng)中同時(shí)受到系統(tǒng)壓力和螺栓壓緊力的雙重作用，膜芯外殼受到的壓力方向是由內(nèi)向外，膜分受到的實(shí)際系統(tǒng)壓力為1 MPa，現(xiàn)場的膜殼蓋使用了8只8.8級的螺栓，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[2]可知，8.8級螺栓預(yù)緊力是72.5 kN[2]。則單邊法蘭受到的螺栓總壓緊力為72.5 kN×8=580 kN，膜芯O型圈（全接觸）接觸面積為π18.5 mm2=1 075 mm2，墊片接觸面積為π(88.5 mm2-77.5 mm2)=4 637 mm2，則膜芯O型圈接觸面積占比例為1 075 mm2/4 637 mm2=18.8%，所以膜芯受到的壓力為580 kN×18.8%=109.0 kN。

通過受力分析，由計(jì)算結(jié)果可知，產(chǎn)生的位移在0.001～1.65 mm，產(chǎn)生的應(yīng)力在0.47～86.49 MPa，位移和應(yīng)力最大處均在膜芯兩頭。根據(jù)查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，ABS材料的彎曲強(qiáng)度97MPa，膜芯受到的應(yīng)力小于ABS的彎曲強(qiáng)度（86.49 MPa<97 MPa），2種結(jié)果表明，在不考慮系統(tǒng)介質(zhì)、溫度等因素的影響，僅系統(tǒng)內(nèi)的壓力工況不能使膜芯產(chǎn)生裂紋。

2.2 溶脹性能分析

溶脹即是指高分子聚合物吸附有機(jī)溶劑分子，從而使高分子體積發(fā)生膨脹的現(xiàn)象。ABS塑料是一種三元共聚物，是丙烯腈（A）、丁二烯（B）和苯乙烯（S）3種單體任意的結(jié)合，它主要由SAN相（苯乙烯-丙烯腈的連續(xù)相）和B相（丁二烯的分散相）2部分組成。B相影響的是ABS塑料的抗沖擊性能，SAN相影響的是ABS的化學(xué)性能，其中B相雙鍵的存在使得ABS塑料具有極大的韌性，SAN相溶于烴類，醇類等有機(jī)溶質(zhì)中。該膜分離器內(nèi)介質(zhì)為含氟類有機(jī)化合物，腐蝕數(shù)據(jù)和選材手冊中未查到ABS在含氟類有機(jī)化合物的腐蝕數(shù)據(jù)，但參考其中ABS塑料在含鹵素有機(jī)化合物（二氯乙烯、二氯乙烷、三氯乙烯和全氯乙烯等）中耐蝕情況是不適用，腐蝕嚴(yán)重狀態(tài)，同族元素化學(xué)性質(zhì)相似，可以推測在含氟類有機(jī)化合物中ABS塑料會(huì)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，即表面發(fā)生溶脹現(xiàn)象。

二汽技術(shù)中心采用有機(jī)溶劑溶脹法使ABS塑料表面有限溶脹，有機(jī)溶劑溶脹后ABS塑料表面會(huì)變軟，力學(xué)性能發(fā)生變化[3]，當(dāng)ABS塑料無限溶脹時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生環(huán)境應(yīng)力開裂，即如圖1的(a)、(c)和(d)中，模芯外殼明顯可以看到有溶脹后的應(yīng)力開裂現(xiàn)象，即在此處發(fā)生了有機(jī)溶劑內(nèi)的無限溶脹[4]。在系統(tǒng)壓力作用下便逐步產(chǎn)生裂紋，因此，膜殼的ABS材質(zhì)不適用于該處的工況介質(zhì)。

3 對策與結(jié)果

通過以上分析，模芯發(fā)生裂紋主要原因是ABS塑料外殼發(fā)生溶脹，同時(shí)受到系統(tǒng)內(nèi)工況壓力的作用力后產(chǎn)生了裂紋，因此現(xiàn)場根據(jù)這一原因做出了相應(yīng)的整改：1）膜芯的膜殼材質(zhì)由ABS塑料改為合金材質(zhì)；2）取消原膜分的金屬外殼，直接在全金屬鋁合金的膜芯外殼上加進(jìn)出口配活套法蘭代替原膜分外殼的進(jìn)出口。

經(jīng)過改造，現(xiàn)1根膜分離管的作用可以替代1組原先的膜分離器。使用1個(gè)月的結(jié)果顯示，在相同的系統(tǒng)負(fù)荷條件下，降低蒸發(fā)消耗量約15%，減少了蒸汽的消耗。

合金外殼的膜分價(jià)格為15萬元/根，原先1組膜分共計(jì)5根膜芯，膜芯價(jià)格5萬元/根，每次更換2～3根，每年更換4次，即每年膜芯成本可節(jié)約45萬元。

該裝置每次更換膜芯需要停用裝置，以60 t/d產(chǎn)量計(jì)（100%負(fù)荷），每噸價(jià)格4萬元，更換時(shí)間為2 d，每年需更換4次，由此預(yù)計(jì)多產(chǎn)產(chǎn)品480 t，總價(jià)值1 920萬元。

4結(jié)論

針對滲透蒸發(fā)膜分離器濾芯外殼在某化工裝置生產(chǎn)中出現(xiàn)裂紋這一問題，通過Solid Works的力學(xué)分析和ABS塑料溶脹的理論分析出發(fā)，排除了系統(tǒng)內(nèi)的壓力工況使膜芯產(chǎn)生裂紋的可能，而實(shí)際原因是ABS塑料發(fā)生了溶脹現(xiàn)象。針對影響原因?qū)嵤┝烁倪M(jìn)措施，將膜芯的膜殼材質(zhì)由ABS塑料改為金屬合金。實(shí)施后，預(yù)計(jì)每年多產(chǎn)產(chǎn)品480 t，節(jié)約成本約1 965萬元，同時(shí)極大減少了中間產(chǎn)物的浪費(fèi)，進(jìn)一步提高產(chǎn)品轉(zhuǎn)換率。