ES2201307T3 - Control de la lubricacion y de la temperatura de los cojinetes de una bomba. - Google Patents

Abstract

PROCEDIMIENTO Y APARATO PARA TRANSPORTAR UNA SOLUCION DE CELULOSA EN UN DISOLVENTE DE OXIDO AMINICO MEDIANTE UNA BOMBA DE ENGRANAJES (11). ESTA TIENE UN CUERPO (12) Y UN PAR DE RUEDAS ENGRANADAS (15, 16) MONTADAS EN EJES (17, 18) QUE GIRAN SOBRE COJINETES (21) FIJADOS EN RELACION CON EL CUERPO DE LA BOMBA (12). LA TEMPERATURA DE AL MENOS UNO DE LOS COJINETES CITADOS (21) SE CONTROLA Y SE UTILIZA PARA CONTROLAR EL CAUDAL DE LA BOMBA (11) DEPENDIENDO DE LA TEMPERATURA CONTROLADA.

Description

Control de la lubricación y de la temperatura de los cojinetes de una bomba.

Esta invención se refiere al transporte de una solución de celulosa en un disolvente, particularmente un disolvente N-óxido de amina terciaria, a través de una bomba de engranajes.

La patente de los EE. UU. 4.416.698 describe un método de producir filamentos de celulosa mediante la disolución de la celulosa en un disolvente adecuado, tal como un óxido de amina terciaria mezclado con agua. Una característica de la solución, denominada comúnmente aditivo, es que está caliente y, si contiene una cantidad significativa de celulosa, es viscosa, requiriendo el uso de presiones extremadamente elevadas de hasta 200 bares, con el fin de hacer pasar la solución a través de los filtros y las toberas de hilatura. El aditivo de celulosa se prepara mezclando material de celulosa cortado en tiras con una solución de óxido de amina y agua, por ejemplo, de la manera descrita en detalle en el documento WO 94/28215.

Es un problema cuando se producen filamentos de celulosa, que la materia fibrosa y diversas partículas, en particular partículas de sílice, son transportadas en la solución de celulosa con el material de celulosa y quedan suspendidas en la solución hasta que se filtra antes de la etapa de hilatura. Normalmente, el material de celulosa contendrá 40-200 ppm de sílice en peso, y las partículas de sílice tendrán una distribución de tamaño desde menos de 1 micra de diámetro hasta 250 micras de diámetro, representando las partículas más grandes, digamos por encima de las 30 micras de diámetro, aproximadamente el 60% en peso de la sílice presente.

Las partículas de sílice son transportadas por el aditivo de celulosa a través del proceso. El aditivo de celulosa, cuando entra en las etapas finales del proceso, tiene una viscosidad elevada del orden de 500-1500 Pa y, generalmente, del orden de 800-1000 Pa a una velocidad de cizallamiento de entre 1-10 s^{-1} y a una temperatura de 100-120ºC. Se ha encontrado que las bombas de engranajes son particularmente idóneas para mover materiales que tienen estas viscosidades y que estas bombas pueden funcionar a presiones muy elevadas, por ejemplo de hasta 200 bares. Una bomba de engranajes conocida se describe en el documento US-A-4.725.211 en el que el material viscoso se bombea mediante engranajes engranados transportados sobre árboles de engranaje que están montados de forma rotatoria en cojinetes en el cuerpo de la bomba. El material bombeado se alimenta al espacio anular entre el árbol y el cojinete para lubricar el cojinete.

En algunas bombas de engranajes de la técnica anterior, las superficies del cojinete de cada cojinete se proporcionan con al menos un canal de lubricación que se extiende desde el lado de presión elevada de la bomba hacia el interior del cojinete. Estos canales pueden estar en un ángulo de corte al bies con respecto al eje de rotación de los árboles, de manera que la rotación del árbol ayude a tirar del material hacia el interior del canal. Normalmente, los canales son canales ciegos en los que el material bombeado se está forzando desde el canal hacia el interior del espacio anular entre el árbol y el cojinete. Las partículas de sílice más grandes presentes en el aditivo de celulosa pueden llegar a quedar atrapadas en el canal de lubricación, lo que conduce finalmente al bloqueo del canal y a una pérdida de lubricación y al fallo del cojinete.

Este problema se complica adicionalmente por el hecho de que el aditivo de celulosa en un disolvente N-óxido de amina es susceptible de experimentar una reacción exotérmica y, por tanto, es necesario mantener la temperatura del aditivo en el intervalo de desde 100ºC hasta 120ºC. Por tanto, el bloqueo de los canales en los cojinetes pueden conducir a una reacción exotérmica, debido a la falta de lubricación, y al aumento del calor en el cojinete producido por el calor y al aumento del calor en el cojinete generado por la fricción debido a la falta de lubricación y por el flujo reducido del aditivo que no elimina el calor del cojinete.

Sorprendentemente, se ha encontrado que puede predecirse el comienzo de una reacción exotérmica en la solución de celulosa que pasa a través de una bomba de engranajes mediante la monitorización de la temperatura de los cojinetes.

Según la invención, se prevé un método para evitar una reacción exotérmica dentro de una bomba de engranajes usada para el transporte de una solución de celulosa en una solución óxido de amina y que comprende un cuerpo de bomba con un par de ruedas dentadas engranadas montadas sobre árboles que rotan en cojinetes fijados con relación al cuerpo, en el que se monitoriza la temperatura de al menos uno de los cojinetes y cuando dicha temperatura supera un primer límite predeterminado, se reduce el caudal volumétrico de la bomba.

La invención también incluye un método de transporte de una solución de celulosa mediante el bombeo de la solución a través de una bomba de engranajes que tiene un cuerpo de la bomba y un par de ruedas dentadas engranadas montadas sobre árboles que pueden rotar en los cojinetes fijados con relación al cuerpo de bomba, comprendiendo el método la monitorización de la temperatura de al menos uno de dichos cojinetes y el control del caudal volumétrico de la bomba dependiendo de la temperatura monitorizada y reduciendo preferiblemente el caudal volumétrico cuando la temperatura monitorizada supera un primer límite predeterminado.

Preferiblemente, cuando la temperatura supera un segundo límite predeterminado superior de temperatura, la bomba se para. Los límites primero y segundo pueden ser de aproximadamente 112ºC y de aproximadamente 115ºC, respectivamente.

Tal método también puede, aunque no necesariamente, evitar el daño a los cojinetes. Sin embargo, el principal objeto de la invención es evitar que se inicie una reacción exotérmica en el sistema de celulosa por un aumento del calor excesivo en la bomba de engranajes, reacción que podría extenderse a otras partes del sistema.

Una bomba de engranajes para el transporte de una solución de celulosa con relación a la invención comprende un cuerpo de la bomba que tiene un par de ruedas dentadas engranadas montadas sobre árboles que rotan en cojinetes fijados al cuerpo de la bomba, y un dispositivo de detección de la temperatura para detectar la temperatura de al menos uno de los cojinetes, idóneamente adyacente a su superficie de cojinete y preferiblemente un dispositivo de detección de la temperatura separado para cada cojinete. Cada dispositivo de detección de la temperatura puede comprender un montaje de termopar alojado en un tubo de acero inoxidable. Cada cojinete puede tener una ranura de lubricación sobre su superficie de cojinete a través de la cual puede pasar la solución de celulosa en uso para lubricar el cojinete, y cada dispositivo de detección de la temperatura puede abrirse a la ranura de lubricación o a una asociada. Un sistema de control para la bomba anterior funciona para reducir el caudal de la bomba cuando la temperatura detectada alcanza un primer nivel predeterminado, por ejemplo, de aproximadamente 112ºC, y para parar la bomba cuando la temperatura detectada alcanza un segundo nivel predeterminado, por ejemplo, de aproximadamente 115ºC.

Un sistema de control para controlar el transporte de una solución de celulosa mediante una bomba de engranajes en un método según la invención comprende un motor eléctrico para propulsar la bomba de engranajes y medios de control para comparar las temperaturas monitorizadas en cualquiera de las superficies del cojinete con los parámetros prefijados y, en el caso de que cualquier temperatura monitorizada supere un parámetro fijado, hace que la bomba se ralentice y, si la temperatura vuelve a ser inferior a dicho parámetro fijado, hace que se cancele la ralentización de la bomba. Ventajosamente, cuando la temperatura detectada supera un segundo parámetro fijado, el medio de control hace que la bomba se desconecte, volviéndose a inicializar la bomba sólo a través de un control de reiniciación.

Una bomba de engranajes para bombear una solución de celulosa en un disolvente de óxido de amina / agua para su uso en relación con la invención, comprende un par de ruedas dentadas engranadas montadas de forma que puedan rotar sobre árboles localizados en cojinetes fijados en un alojamiento, lubricándose los árboles que pasan a través de dicho cojinete mediante la solución de celulosa que entra en cada cojinete a través de al menos un canal de lubricación en la superficie del cojinete del cojinete que se extiende hacia dentro desde una entrada en el extremo interior del cojinete respectivo, en un ángulo de corte al bies con respecto al eje de rotación del árbol, caracterizada porque el canal de lubricación está conectado al extremo exterior del cojinete respectivo, preferiblemente a través de una salida que tiene un área transversal más pequeña que la entrada.

La conexión del canal de lubricación con el extremo exterior de cada cojinete respectivo permite que las partículas de sílice se laven fuera del cojinete. Sin embargo, si la salida desde el canal lubricado tiene, por ejemplo, la misma área transversal que la entrada, entonces la eficacia de la bomba resultará seriamente afectada y, además, el aditivo que proporciona la lubricación bajará preferentemente por el canal de lubricación, en lugar de ir hacia el interior del cojinete, conduciendo de nuevo al fallo del cojinete.

Por tanto, se deduce que hay un equilibrio entre los requisitos de lubricación deseados, la eficacia aceptable de la bomba y la prevención del aumento de partículas de sílice que conducen al daño del cojinete.

Preferiblemente, la razón del área transversal de la salida con respecto al área transversal de la entrada está entre 1:30 y 1:60 y, más preferiblemente, entre 1:40 y 1:50.

La salida es considerablemente menos profunda que la entrada. Preferiblemente, la salida tiene una profundidad máxima de aproximadamente 0,5 mm.

Puede monitorizarse el bloqueo de un canal de lubricación en los cojinetes de una bomba de engranajes y un aumento en la eficacia de la bomba se toma como una indicación de un aumento de la materia dentro del canal de lubricación.

Ahora se describirá una realización de la invención, únicamente a modo de ejemplo, y con referencia particular a los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 es una vista transversal a través de una bomba de engranajes según un aspecto de la presente invención;

la figura 2 es una vista ampliada de una parte de la figura 1 que muestra un termopar en su lugar en un cojinete de la bomba de engranajes;

la figura 3 es una vista desde un extremo de un cojinete tal como se ve desde la línea III-III de

\hbox{la figura 1;}

la figura 4 es un alzado lateral de un cojinete; y

la figura 5 es un diagrama de flujo para un sistema de control de la bomba.

Con referencia a las figuras de la 1 a la 4, se muestra una bomba 11 de engranajes de un tipo usado para el transporte de aditivo de celulosa, que contiene preferiblemente aproximadamente un 15% de celulosa, un 76% en peso de N-óxido de amina y un 9% en peso de agua. El aditivo a 100ºC-110ºC tiene una viscosidad de entre 500-1000 Pa a una velocidad de cizalladura de 1-10 s^{-1}. Tal material requiere presiones de transporte extremadamente elevadas con el fin de que el aditivo sea forzado a través de los filtros antes de la hilatura. La bomba 11 es una bomba de presión elevada capaz de funcionar hasta a 200 bares y comprende un alojamiento 12 que tiene canales 13 de enfriamiento que discurren a través de las paredes del mismo. Una cámara 14 de la bomba se forma dentro del alojamiento y tiene dos ruedas 15 y 16 dentadas engranadas de acero endurecido para herramientas montadas en la misma. La rueda 15 dentada está impulsada por un motor eléctrico (no mostrado) conectado a su árbol 17. La otra rueda 16 dentada está impulsada por la rueda 15 dentada con la que está engranada y rota sobre su eje 18. En una realización alternativa (no mostrada) ambas ruedas dentadas pueden tener mecanismos impulsores independientes sincronizados.

Las dos ruedas 15 y 16 dentadas están montadas para su rotación en el alojamiento 12 mediante bujes cilíndricos o cojinetes 21. Cada cojinete 21 está fijado de forma segura en el alojamiento 12, teniendo cada cojinete una superficie 22 plana sobre su superficie cilíndrica externa. Se mantienen pares de cojinetes adyacentes de forma rotacionalmente segura entre sí mediante el engranaje de sus superficies 22 planas respectivas, una frente a la otra. Para cada uno de tales pares de cojinetes, se ajusta una llave 23 en las muescas 24 axiales alineadas en las dos superficies 22 planas, para garantizar que los cojinetes 21 no rotan el uno en relación con el otro.

Las ruedas 15, 16 dentadas engranadas de contrarrotación se proporcionan con aditivo de celulosa suministrado bajo una presión de entre 5-10 bares al lado de alimentación de la bomba. La rotación de las ruedas 15 y 16 dentadas transporta el aditivo al lado de presión elevada de la bomba y el aditivo sale de la bomba a presiones de hasta 200 bares.

Los cojinetes 21 están hechos adecuadamente de acero endurecido para herramientas o de un material cerámico. Cada cojinete 21 tiene canales 26 de lubricación especiales formados radialmente en la cara 27 axialmente interna del cojinete. Los canales 26 se conectan con segundas ranuras de lubricación o canales 28 formados en la superficie 30 de cojinete interna y cilíndrica del cojinete y que se extiende a través del cojinete a una desviación con respecto del eje rotacional del cojinete, normalmente desde 40º hasta 70º. Para los propósitos del ejemplo, sólo se muestra un único canal 28 de lubricación en la figura 4. Cada segundo canal 28 de lubricación atraviesa completamente la longitud axial del cojinete, que tiene una entrada 31 en el extremo axialmente interior del cojinete sobre el lado de presión elevada de la bomba, y una salida 32 transversal más pequeña en el extremo axialmente exterior del cojinete. La salida 32 descarga al interior de un canal de retorno (no mostrado) en el alojamiento para volver a alimentar hacia el interior del lado de presión baja de la bomba de una manera conocida.

El aditivo de celulosa bombeado, cuando pasa a través de la cámara 14 de la bomba, se le hace fluir hacia el interior de los canales 26 y 28 de lubricación mediante la presión elevada sobre el lado de presión elevada de la bomba. El aditivo de celulosa pasará desde los canales 28 de lubricación hacia el interior del espacio libre entre cada árbol y su superficie 30 de cojinete asociada. Cierta cantidad de aditivo también se hará fluir directamente desde la cámara 14 de la bomba hacia el interior de cualquier espacio libre de circulación alrededor de los árboles 17 y 18. El medio bombeado pasará a lo largo de los espacios libres alrededor del árbol hasta el extremo axialmente exterior de cada cojinete 21, y cualquier material que pase a través de los cojinetes se devolverá al lado de alimentación de la bomba, tal como se ha descrito anteriormente.

Tal como se trata en el preámbulo, los canales 28 de lubricación pueden llegar a bloquearse por partículas de sílice u otros cuerpos extraños que, a su vez, pueden conducir a que el aditivo de celulosa experimente una reacción exotérmica en la bomba.

Cada segundo canal 28 de lubricación comprende una primera pieza 33 que se extiende hacia fuera desde la cara 27 interior del cojinete, y una segunda pieza 34 de un área transversal mucho más pequeña que conecta la primera pieza 33 a la salida 32 para la descarga del aditivo y de las partículas de sílice. La razón de las áreas transversales de las dos piezas 33, 34 se determina mediante un equilibrio entre la eficacia de la bomba, la lubricación y la prevención de un aumento de las partículas de sílice.

Para un buen equilibrio entre los diferentes requisitos opuestos, se ha encontrado que una razón de la sección transversal de la entrada con respecto a la salida debe estar entre 30:1 y 60:1 y, preferiblemente, entre 40:1 y 50:1.

La primera pieza 33 del segundo canal 28 de lubricación es de una sección transversal sustancialmente semicircular, y la segunda pieza 34 del canal 28 de lubricación también será de sección transversal semicircular. Una ranura de descarga normal puede tener entre 1 y 2 mm de diámetro.

Bajo las condiciones normales de funcionamiento, la eficacia de la bomba volumétrica será del orden de aproximadamente el 80% con una presión de funcionamiento de 150-200 bares (1,5 x 10^{7} - 2 x 10^{7} Pa) sobre el lado de descarga de la bomba, preferiblemente de 150-170 bares (1,5 x 10^{7} - 1,7 x 10^{7} Pa).

Si la segunda pieza 34 del canal 28 de lubricación se aumentara de tamaño, de manera que la razón de la sección transversal de la entrada con respecto a la de la salida superara 10:1, entonces la eficacia de la bomba disminuiría por debajo de límites aceptables.

Para diferentes tamaños de la bomba, tendrá que determinarse la razón exacta del área transversal de la entrada con respecto al área transversal de la salida.

Aunque el canal 28 se extiende completamente a través del cojinete permitiendo que las partículas de sílice pasen a través del cojinete, esto no evita totalmente el aumento de la sílice en el canal 28 de lubricación en el cojinete 21, aunque sí aumenta el periodo de tiempo entre cualquier mantenimiento necesario. Se ha encontrado que el aumento de sílice en la ranura durante un periodo de tiempo prolongado puede monitorizarse mediante la monitorización de la eficacia de la bomba. Cuando la eficacia de la bomba comienza a aumentar, esto indica que hay un aumento de la sílice en los canales de lubricación. La eficacia de la bomba se da mediante la monitorización del caudal de aditivo durante un periodo de tiempo prolongado, digamos un turno (8 horas), y la eficacia se da como

\frac{caudal \ de \ aditivo / rev.}{Caudal \ de \ aditivo \ teórico / rev.} x 100%

\vskip1.000000\baselineskip

El bloqueo del producto químico de lubricación también puede detectarse mediante la monitorización de la temperatura de los cojinetes 21.

La temperatura de uno o más de los cojinetes 21 se monitoriza mediante dispositivos de detección de temperatura adecuados, tales como termómetros de resistencia o, preferiblemente, termopares. Tal como se muestra en las figuras 2 y 3, para el cojinete o cada uno de los cojinetes monitorizados, se extiende un montaje 34 de termopar a través de perforaciones 35 y 36 alineadas en el alojamiento 12 y el cojinete 21, respectivamente. El tipo particular de termopar seleccionado es un reflejo de la exactitud requerida sobre el intervalo de temperatura que ha de monitorizarse. Para la presente solicitud, el montaje 34 de termopar es preferiblemente un termopar de tipo hierro-cobre/níquel alojado en un tubo de acero inoxidable disponible, por ejemplo, de Degussa.

La perforación 36, dispuesta sobre una cuerda del cojinete 21 cilíndrico respectivo, puede abrirse en una de las ranuras 28 de lubricación en la superficie 30 del cojinete o, preferiblemente, puede terminar dentro del cojinete 21 a una distancia de desde 2-4 mm de la superficie 30 del cojinete.

El montaje 34 de termopar será un ajuste apretado en la perforación 36, normalmente con un espacio libre de aproximadamente 0,2-05 mm. Se asegura un buen contacto térmico mediante el uso de lubricantes conductores térmicos dentro de la perforación.

Si sólo se monitoriza la temperatura de un cojinete, entonces en el caso de una bomba con un engranaje 15 impulsado y un engranaje 16 no impulsado, se selecciona preferiblemente para la monitorización de la temperatura el cojinete sobre el engranaje 16 no impulsado en el lado alejado del motor.

El montaje 34 de termopar o cada uno de ellos, dependiendo del número de cojinetes monitorizados, se conecta a un sistema 50 de control (véase la figura 2) manejado mediante software y que está conectado para controlar el motor de la bomba. Si cualquier termopar detecta una temperatura del cojinete superior a un primer límite predeterminado, por ejemplo de aproximadamente 235ºF (112-113ºC) en el caso del aditivo de celulosa descrito anteriormente, el caudal volumétrico de la bomba se reduce mediante la reducción de la velocidad de rotación de las ruedas dentadas. Si se detecta una temperatura del cojinete superior a un segundo límite predeterminado, por ejemplo de aproximadamente 240ºC (115-116ºC), la bomba se para. Una vez que los detectores de temperatura se han disparado, puede ser necesario desmontar la bomba para su mantenimiento.

Si el sistema de control responde de manera que la temperatura monitorizada vuelve a su nivel normal, la bomba puede continuar funcionando; por otra parte, si la temperatura permanece elevada, entonces la bomba requerirá mantenimiento.

El sistema de control también puede verificar que los dispositivos de detección de la temperatura están funcionando correctamente para evitar la desconexión o ralentización de la planta debido a un detector defectuoso.

El sistema 50 de control se maneja bajo control informático y se describe con referencia a la figura 5. Las señales procedentes de los detectores (34) de temperatura se leen en la etapa 1 y se analiza una señal resultante en la etapa 2 para determinar si es una señal "buena", por ejemplo, si los detectores están funcionado correctamente. Si la señal es "buena", se hace pasar una señal a la etapa 3 para determinar si la temperatura es superior al segundo límite o parámetro predeterminado, fijado por ejemplo a 240ºF (115-116ºC). Si la temperatura es superior al parámetro fijado, se hace pasar una señal hasta un control de desconexión en la etapa 6 para desconectar la bomba. Si la temperatura es inferior al segundo límite predeterminado, se hace pasar una señal hasta una etapa 4 para determinar si la temperatura es superior al primer límite o parámetro predeterminado, fijado por ejemplo a 230ºF (110ºC). Si la temperatura detectada es inferior al primer nivel predeterminado, se devuelve una señal a la etapa 1. Si la señal supera el primer nivel fijado, entonces, en la etapa 4, se hace pasar una señal hasta el control de velocidad de la bomba para iniciar una ralentización, véase la etapa 5. El sistema espera durante un periodo de tiempo fijado y entonces confirma que la velocidad de la bomba se ha ralentizado. Esta es la etapa 7. Si no hay ralentización, la señal se lleva a la etapa 6. Si hay ralentización y la temperatura detectada, monitorizada en la etapa 8, vuelve a disminuir dentro del intervalo aceptado (véanse las etapas 2 y 3), se cancela la ralentización o desconexión (etapa 9) y el sistema de control vuelve al modo de funcionamiento normal.

Si la temperatura monitorizada supera el segundo nivel más elevado fijado, entonces el sistema se desconecta (véase la etapa 6). El sistema debe reiniciarse entonces, en la etapa 10, para volver a comenzar el bombeo; en caso contrario, la señal realiza un bucle alrededor del bucle de servocontrol de la desconexión.

Claims (6)

1. Método para evitar la iniciación de una reacción exotérmica en una solución de celulosa en un disolvente de óxido de amina cuando se transporta a través de una bomba (11) de engranajes que tiene un cuerpo (12) de la bomba con un par de ruedas (15, 16) dentadas engranadas montadas sobre árboles (17, 18) que rotan en cojinetes (21) fijados con relación al cuerpo, en el que el método comprende la monitorización de la temperatura de al menos uno de los cojinetes (21) y reducir el caudal volumétrico de la bomba cuando la temperatura monitorizada supera un primer límite predeterminado.

2. Método de transporte de una solución de celulosa mediante el bombeo de la solución a través de una bomba (11) de engranajes que tiene un cuerpo (12) de la bomba y un par de ruedas (15, 16) dentadas engranadas montadas sobre árboles (17, 18) que pueden rotar en cojinetes (21) fijados con relación al cuerpo de la bomba, en el que el método comprende la monitorización de la temperatura de al menos uno de dichos cojinetes (21) y controlar el caudal volumétrico de la bomba dependiendo de la temperatura monitorizada.

3. Método según la reivindicación 2, en el que el caudal volumétrico de la bomba (11) se reduce cuando dicha temperatura monitorizada supera un primer límite predeterminado.

4. Método según la reivindicación 1 ó 3, en el que la bomba (11) se para cuando dicha temperatura monitorizada supera un segundo límite predeterminado superior a dicho primer límite predeterminado.

5. Método según la reivindicación 4, en el que dicho primer límite de temperatura predeterminado es aproximadamente 112ºC y dicho segundo límite de temperatura predeterminado es aproximadamente 115ºC.

6. Método de evitar una reacción exotérmica en un sistema de transporte para el movimiento de una solución de celulosa en un disolvente de óxido de amina / agua, incluyendo dicho método un método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.