制冷劑生產滲透蒸發膜濾芯外殼裂紋分析及對策

胡曉偉，蔣紅偉，胡劍峰

（浙江衢化氟化學有限公司，浙江 衢州 324004）

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

在某制冷劑生產裝置中含有多種含氟氯有機物，為分離出所需的有機物，通過增加滲透蒸發膜分系統，成功實現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，內部膜芯是由數以萬計的中空纖維管組成，利用膜對各氣體的滲透速率的不同以達到分離的目的。

但是在使用過程中發現膜芯外殼經常會出現破裂現象，導致使用一段時間之后需要更換膜芯，使用成本高昂。

1 膜芯裂紋現象

將滲透蒸發膜外殼拆開后發現多根膜芯出現了較深的裂紋，且有4種不同的裂紋，如圖1所示。

圖1(a)為膜芯兩頭出現的裂紋，該裂紋疑似受壓所產生的裂紋；圖1(b)為膜芯中間出現的另一種裂紋，該裂紋向外浮起，疑似受壓所產生的裂紋；圖1(c)為外殼在膜殼內卡死，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的力學分析

通過建立模型，模仿膜芯在膜殼內受力狀態。模芯除受到系統壓力的同時，還受到螺栓的壓緊力作用。膜芯兩頭是金屬鋁合金材質，中間為ABS材質，因此可近似為剛性。當膜芯受到螺栓的壓緊力時，力均勻分布在膜芯邊緣，模芯處于系統中同時受到系統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向外，膜分受到的實際系統壓力為1 MPa，現場的膜殼蓋使用了8只8.8級的螺栓，查機械設計手冊[2]可知，8.8級螺栓預緊力是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，由計算結果可知，產生的位移在0.001～1.65 mm，產生的應力在0.47～86.49 MPa，位移和應力最大處均在膜芯兩頭。根據查機械設計手冊，ABS材料的彎曲強度97MPa，膜芯受到的應力小于ABS的彎曲強度（86.49 MPa<97 MPa），2種結果表明，在不考慮系統介質、溫度等因素的影響，僅系統內的壓力工況不能使膜芯產生裂紋。

2.2 溶脹性能分析

溶脹即是指高分子聚合物吸附有機溶劑分子，從而使高分子體積發生膨脹的現象。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種單體任意的結合，它主要由SAN相（苯乙烯-丙烯腈的連續相）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，醇類等有機溶質中。該膜分離器內介質為含氟類有機化合物，腐蝕數據和選材手冊中未查到ABS在含氟類有機化合物的腐蝕數據，但參考其中ABS塑料在含鹵素有機化合物（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，腐蝕嚴重狀態，同族元素化學性質相似，可以推測在含氟類有機化合物中ABS塑料會發生腐蝕現象，即表面發生溶脹現象。

二汽技術中心采用有機溶劑溶脹法使ABS塑料表面有限溶脹，有機溶劑溶脹后ABS塑料表面會變軟，力學性能發生變化[3]，當ABS塑料無限溶脹時，會導致其發生環境應力開裂，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力開裂現象，即在此處發生了有機溶劑內的無限溶脹[4]。在系統壓力作用下便逐步產生裂紋，因此，膜殼的ABS材質不適用于該處的工況介質。

3 對策與結果

通過以上分析，模芯發生裂紋主要原因是ABS塑料外殼發生溶脹，同時受到系統內工況壓力的作用力后產生了裂紋，因此現場根據這一原因做出了相應的整改：1）膜芯的膜殼材質由ABS塑料改為合金材質；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出口配活套法蘭代替原膜分外殼的進出口。

經過改造，現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個月的結果顯示，在相同的系統負荷條件下，降低蒸發消耗量約15%，減少了蒸汽的消耗。

合金外殼的膜分價格為15萬元/根，原先1組膜分共計5根膜芯，膜芯價格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約45萬元。

該裝置每次更換膜芯需要停用裝置，以60 t/d產量計（100%負荷），每噸價格4萬元，更換時間為2 d，每年需更換4次，由此預計多產產品480 t，總價值1 920萬元。

4結論

針對滲透蒸發膜分離器濾芯外殼在某化工裝置生產中出現裂紋這一問題，通過Solid Works的力學分析和ABS塑料溶脹的理論分析出發，排除了系統內的壓力工況使膜芯產生裂紋的可能，而實際原因是ABS塑料發生了溶脹現象。針對影響原因實施了改進措施，將膜芯的膜殼材質由ABS塑料改為金屬合金。實施后，預計每年多產產品480 t，節約成本約1 965萬元，同時極大減少了中間產物的浪費，進一步提高產品轉換率。