KR20010112077A - 임펠러 축을 위한 풋스텝 베어링 - Google Patents

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볼프강 디츠
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빌프리더 하이더
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Abstract

본 발명은 컨테이너 교반 메카니즘의 임펠러 축을 위한 풋스텝(footstep) 베어링에 관한 것이다. 풋스텝 베어링은 특히 컨테이너(16)의 벽(2) 상에 설치된 1개 이상의 축 버트엔드(shaft butt end)(1), 및 축 버트엔드(1)와 임펠러 축(9) 사이의 맞물림 부분에 틈(gap)(13)이 있는 임펠러 축(9)을 갖는다. 틈(13) 부분에서, 축 버트엔드(1) 및(또는) 임펠러 축(9)에는 그의 표면 상에 임펠러 축(9) 및(또는) 축 버트엔드(1)의 마주보는 면이 미끄러져 움직이는 슬라이딩 부재(sliding element)가 제공되고, 축 버트엔드(1)는 임펠러 축(9)과 축 버트엔드(1) 사이의 틈(13)을 통해 플러싱(flushing)액(3)의 통과를 위한 수단(11)을 갖는다.

Description

임펠러 축을 위한 풋스텝 베어링 {Footstep Bearing for Impeller Shafts}
본 발명은 특히 컨테이너의 벽 상에 설치된 1개 이상의 축 버트엔드, 및 임펠러 축을 축 버트엔드와 임펠러 축 사이의 맞물림 부분에 틈(gap)이 있도록 포함하는, 임펠러 축, 특히 반응기 임펠러 축을 위한 신규한 풋스텝-베어링 디자인에 관한 것이다.
본 발명은 특히 구동면 상에 더 이상 일면에만 지지되지 않는 방식으로 설치될 수 없지만 축 말단에 카운터베어링(counterbearing)을 필요로 하는 임펠러 축을 위한 풋스텝-베어링 다자인에 관한 것이다. 예를 들어, 반응기에 포함된 상기한 베어링은 몇몇 경우에 부식제 및(또는) 연마재가 슬라이딩 베어링을 너무 빨리 파괴하기 때문에 베어링의 내구성에 부정적인 영향을 줄 수 있는 극도의 환경에 노출될 수 있다. 풋스텝 베어링은 특히 큰 래디얼력(radial force) 때문에 임펠러 축의 편향이 큰 다단식 교반 부재를 갖는 긴 임펠러 축의 경우에 적합하다 (예를 들어 반응기 또는 발효조와 같은 얇고 긴 교반 컨테이너).
각 반응기의 바닥에 풋스텝 베어링을 갖는 교반기를 사용하여 반응기에서 고체를 함유하는 유체를 처리하는 동안, 반응 유체 내의 고체가 풋스텝 베어링에 가라앉을 수 있는 문제가 일어난다. 이는 항상 반응기 운전 시간을 감소시킨다.
교반기 공학에서, 생성물 공간 내에 임펠러 축을 설치하는 표준 방법으로서 대다수의 해결 방법이 채택된다:
교반기 컨테이너 내의 베어링이 없으면, 불가피하게 구동면의 나머지 베어링 상에서 임펠러 축이 더욱 두꺼워지고 반응력이 매우 커진다.
한면만의 설치가 편리하거나 경제적이지 않으면, 풋스텝 베어링은 PFTE/유리 화합물과 스테인레스강을 포함하는 슬라이딩 표면의 조합물을 갖고 생성물이 윤활제로 사용되는 임펠러 축의 말단에서 종종 사용된다 (마찰면에서의 온도한계는 200 ℃ 미만이고 고체 연마재가 결여됨).
온도가 보다 높고 화학적 내성이 있는 경우에는 안티몬으로 함침시킨 석탄/코크스 또는 특수 브론즈 베어링을 자주 사용한다.
연마재가 존재하면, 적합한 보다 경질의 재료쌍 (예를 들면, SiC 또는 초경금속의 세라믹 베어링)을 또한 선택하여 마모를 지연시킨다. 단점으로는 재료가 열 충격에 대해 취성 및 민감성이 있다는 것이고, 고가의 재료와 복잡한 처리 방법도 또한 불리하다.
특히 붕산을 사용하는 헥산의 산화에서, 반응기에서 사용되는 임펠러 축의 풋스텝 베어링은 몇몇 경우에 단지 수개월의 운전 시간 후에 교체해야 하는 정도로 불리한 영향을 받는다.
본 출원의 경우에는, 풋스텝 베어링의 부적절한 운전 수명은 하기 상세히 기재할 수 있는 불리한 요소들의 조합때문이다.
시클로헥산은 다단식 교반-컨테이너 케스케이드 내에서 고압 및 고온에서 대기중 산소를 사용하며 연속적으로 산화시켜 시클로헥사논 및(또는) 시클로헥산올을 형성한다. 시클로헥산 외에, 무정형 (및 연마성) 고체형으로 촉매로서 붕산을 반응에 첨가한다. 또한, 반응 동안 붕산 외에 부식성 또는 연마성 부산물 (예를 들어, 카르복실산 및 수지상 고체)이 형성되어 풋스텝 베어링을 너무 빨리 마모시킨다.
본 발명의 목적은 특히 연마성 고체를 함유하는 반응계의 처리를 베어링의 수명이 가능한한 길어지도록 이상적으로 제어할 수 있고 상기 언급한 또다른 단점들을 피할 수 있는 임펠러 축을 위한 베어링을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 임펠러 축과 풋스텝 베어링(footstep bearing)을 갖는 교반 컨테이너를 나타내는 도면.
도 2는 풋스텝 베어링의 바람직한 실시태양을 통하는 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 축 버트엔드(shaft butt end) 3: 플러싱액(flushing fluid)
9: 임펠러 축 13: 틈(gap)
16: 교반 컨테이너 17: 다단식 교반 부재
18: 풋스텝 베어링
본 발명의 목적은 본 발명에 따라 처음에 언급한 유형의 임펠러 축의 풋스텝 베어링에서, 컨테이너 벽 상에 설치된 축 버트엔드에는 그의 표면 상에 임펠러 축의 내면이 미끄러져 움직이는 슬라이딩 부재가 제공되고 축 버트엔드와 임펠러 축 말단 사이의 틈을 플러싱(flushing)액으로 플러싱할 수 있는 점에서 달성된다.
본 발명에서는 특히 컨테이너 벽에 설치된 1개 이상의 축 버트엔드, 및 축 버트엔드와 임펠러 축의 맞물림 구역에 틈을 갖도록 서로 맞물린 임펠러 축을 갖는 컨테이너 교반 메카니즘의 임펠러 축 풋스텝 베어링을 제공하며, 여기서, 축 버트엔드 및(또는) 임펠러 축에는 그의 표면 상에 틈 구역에서 임펠러 축 및(또는) 축 버트엔드의 각각의 마주보는 면이 미끄러져 움직이는 슬라이딩 부재, 바람직하게는 핌플(pimples), 고리 부분 또는 축에 배치된 스트립이 제공되고, 축 버트엔드는 임펠러 축과 축 버트엔드 사이의 틈을 통한 플러싱액의 통과를 위한 수단, 바람직하게는 구멍(bore)을 갖는 것을 특징으로 한다.
임펠러 축이 축 버트엔드가 맞물리는 틈을 갖는 풋스텝 베어링의 실시태양이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시태양에서, 플러싱액의 통과를 가능하게 하는 추가의 고리 밀봉체(ring seal)가 임펠러 축과 축 버트엔드 사이에 제공되어 임펠러 축을 안내하며 틈과 컨테이너 사이의 압력차를 일정하게 유지시킨다.
슬라이딩 부재는 바람직하게 마찰계수가 낮은 플라스틱으로 이루어진다.
특히 바람직하게는 슬라이딩 부재용 플라스틱은 임의로 탄소섬유강화 또는 유리섬유강화된 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및(또는) 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 기재의 플라스틱이고, 특히 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및(또는) 폴리에테르에테르 케톤(PEEK) 기재의 고온 복합 재료이다.
본 발명의 바람직한 실시태양에서, 다른 재료의 슬라이딩 부재를 축 버트엔드 상에 배치한다. 특히 바람직하게는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 폴리에테르에테르 케톤(PEEK)의 슬라이딩 부재를 축 버트엔드 상에 교대로 배치한다.
고리 밀봉체용 플라스틱은 특히 마찰계수가 낮고 내마모성이 큰 플라스틱, 특히 임의로 탄소섬유강화 또는 유리섬유강화된 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE) 및(또는) 폴리에테르에테르 케톤(PEEK) 기재의 플라스틱, 특히 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및(또는) 폴리에테르에테르 케톤(PEEK) 기재, 특히 바람직하게는 폴리에테르에테르 케톤(PEEK) 기재의 고온 복합 재료이다.
풋스텝 베어링의 바람직한 변형에서는, 슬라이딩 부재를 축 버트엔드에 연결되고 특히 탈취가능한 쉬드(sheath) 상에 배치한다.
낡은 부품을 교체하기 위해서, 풋스텝 베어링의 바람직한 실시태양에서 임펠러 축은 2개 이상의 부품으로부터 형성되고, 특히 슬라이딩 부재와 접촉하게 하는 탈착식 금속 슬리브(sleeve)를 갖는다. 이러한 연결에서 금속 슬리브는 축 버트엔드 내로 내려앉는다.
적합한 플러싱액를 풋스텝 베어링에 공급할 수 없고 고리 밀봉체의 리스트릭터(restrictor) 틈을 통해 컨테이너에 도입할 수 없는 경우에는, 펌프 및 열 교환기를 갖는 적합한 외부 냉각 및 윤활 회로를 사용하고, 이어서 환상 틈을 밀봉할 수 있다.
또한, 예를 들어 질소를 갖는 가압 블랭킷을 갖는 평형 저장기가 축 밀봉체(axial seal)의 밀봉 유체의 경우에 통상적인 것과 유사한 방법으로 편리하게 첨가될 것이다.
본 발명의 이점과 효과를 하기와 같이 기재할 수 있다:
풋스텝 베어링을 통하여 상부에서 저변부로 흐르고 이동안 슬라이딩 부재를 돌아서 흐르는 플러싱액 (예를 들어, 헥산)은 축 구멍을 통해 반응기 상에 설치된 축 버트엔드를 통과해 도입시킨다. 플러싱액은 부유(floating) 방식에서 설치된 바람직한 밀봉 고리의 리스트릭터 틈을 통해 풋스텝 베어링을 빠져나간다.
플러싱액는 좁은 리스트릭터 틈을 통해 빠른 속도로 반응기 공간 내로 빠져나간다. 이로 인한 압력 손실 때문에 고체 (예를 들어, 붕산) 침투가 안전하게 방지되면서 풋스텝 베어링에서의 압력 수준이 현저하게 보다 높아진다.
밀봉 고리의 바람직한 "부유" 안내 때문에, 밀봉 고리는 매우 좁은 틈의 구조가 유지되면서도 낡지 않고 임펠러 축의 편향에 적응한다. 또한, 밀봉 고리는 스프링력 및 하우징에 대한 높은 내압에 의해 압축되고, 이는 플러싱액이 리스트릭터 틈을 통해 흐르도록 한다.
풋스텝 베어링을 붕산으로부터 보호하는 기능 외에, 플러싱액은 슬라이딩 부재를 냉각시키고 (이는 풋스텝 베어링의 수명을 개선시킨다) 또한 마찰을 감소시키는 (슬라이딩 필름 효과) 또다른 목적을 갖는다.
슬라이딩 부재와 또한 밀봉 고리의 부품은 바람직하게 마찰학적 특성을 갖고 (예를 들어, 매트릭스 PEEK) 내마모성이 매우 큰 플라스틱 화합물로부터 제조한다.
이러한 특성 때문에, 금속 주행면은 경도 및 표면 마감(finish)에 있어서 임의로 적합해야 한다.
PEEK 및 PTEE 핌플의 바람직한 혼합물로 인해서, 슬라이딩 마찰은, 풋스텝 베어링에서 주어진 조건 하에 혼합 마찰이 일어나기 때문에 형성되는 PTFE 주행 필름에 의해 바람직하게 영향을 받는다 (영구적인 윤활 필름은 아님).
본 발명을 예로서, 도면을 참조하여 아래에 더욱 상세히 설명한다.
실시예:
도 1은 다단식 교반 부재(17)를 포함하는 회전 임펠러 축(9), 및 교반 컨테이너(16)에 위치한 풋스텝 베어링(18)을 갖는 교반 컨테이너(16)를 나타낸다. 일반적으로, 축 및 래디얼 축력을 흡수하기 위한 고정 베어링을 갖고 축 밀봉체를 갖는 구동 장치 (본 도면에 나타내지 않음)는 교반 컨테이너(16)의 상부 부분(19)에 위치하지만, 축(9)에 대한 래디얼 축력만은 축(9)의 하단부에 있는 풋스텝 베어링(18)에 의해 흡수된다. 외부 물질로부터 풋스텝 베어링(18)의 슬라이딩면을 보호하기 위해서, 깨끗한 밀봉 유체를 도입구 라인(3)을 통해 풋스텝 베어링으로 계속해서 공급한다.
도 2는 풋스텝 베어링 구조의 횡단면을 나타낸다. 도 1에서는 단지 사소하게 나타낸, 헥산 반응기의 컨테이너 벽(2)에 용접된 것이 축 버트엔드(1)이다. 축 버트엔드(1)와 컨테이너 벽(2)은 외부 공급 라인(3)에 연결된, 플러싱액을 위한 통로(11)를 갖는다. 통로(11)는 임펠러 축(9)의 단부에서 원통형 틈(13) 내로 열려있다. 본 실시태양에서 틈(13)은 임펠러 축(9)의 단부 내로 나사로 고정된 특수하게 형성시킨 스테인레스강 슬리브(12)로 둘러싸여 있다.
컨테이너 벽(2)을 향하고 있는 금속 슬리브(12) 면에서 금속 슬리브(12)의 내부에 배치된 것이 환상 그루브(groove, 14)이다. 그루브(14)는 고리 밀봉체(4)를 수용하는데, 그의 밀봉 립(sealing lip, 5)은 상부 측에서 압축 스프링(6)에 의해 밀봉 그루브(14)의 저변면을 향해 눌려진다. 그루브(14) 영역에서, 표면-정제된 스테인레스강의 축 보호 슬리브(7)는 축 버트엔드(1)의 둘레에 설치되어 나사로 고정되어 있다. 축 버트엔드(1) 둘레의 축 보호 슬리브(7) 상에 설치되어 축 버트엔드(1)에 나사로 고정된 것이, 다시 그의 표면 상에 다수의 슬라이딩 핌플(8)이 제공되어 있는 쉬드(15)이다. 이와 관련하여, 대다수의 슬라이딩 핌플(8)은 경질 코크스(핌플 8b)를 함유하는 폴리테트라플루오로에틸렌으로 이루어져 있고, 다른 핌플 8a는 탄소섬유강화된 PEEK로 이루어져 있다.
반응기에 사용된 반응액과 동일한 플러싱액(3)은 상기한 바와 같이 통로(11)를 통해 틈(13)으로 유입된다. 플러싱액(3)은 슬라이딩 핌플(8)을 지나 흐르고, 축 보호 슬리브(7)와 밀봉 고리(4) 사이의 틈을 통해 통과하여, 금속 슬리브(12)와 컨테이너 벽(2) 사이의 막히지 않은 틈(10)을 통해 반응기로 유입된다.
풋스텝 베어링은 헥산 산화 반응기에서 사용된다. 헥산 산화 반응기에서는 부식성 및 연마성 고체 붕산과 또한 고체 부산물 (수지)이 베어링 실시태양에서 주요 문제였다.
상기한 본 발명의 풋스텝 베어링에 의해서, 반응기 임펠러 축(9)의 수명을통상의 반응기 임펠러 축에 비해 어떠한 감지되는 마모없이 통상 약 3개월에서 2년으로 연장시킬 수 있었다.

Claims (11)

  1. 특히 컨테이너(16)의 벽(2) 상에 설치된 1개 이상의 축 버트엔드(shaft butt end; 1), 및 축 버트엔드와 임펠러 축(impeller shaft)이 축 버트엔드(1)와 임펠러 축(9)의 맞물림 구역에 틈(13)을 갖도록 서로 맞물리는 임펠러 축(9)을 갖는 컨테이너 교반 메카니즘의 임펠러 축(9)을 위한 풋스텝(footstep) 베어링으로서, 축 버트엔드(1) 및(또는) 임펠러 축(9)에는 그의 표면 상에, 틈(13) 구역에서 그 위에서 임펠러 축(9) 및(또는) 축 버트엔드(1)의 각각의 마주보는 면이 미끄러져 움직이는 슬라이딩 부재(8), 바람직하게는 핌플(pimples), 고리 부분 또는 축에 배치된 스트립이 제공되고, 축 버트엔드(1)는 임펠러 축(9)과 축 버트엔드(1) 사이의 틈(13)을 통한 플러싱액(3)의 통과를 위한 수단(11), 바람직하게는 구멍(bore; 11)을 갖는 것인 풋스텝 베어링.
  2. 제1항에 있어서, 상기 임펠러 축(9)이 축 버트엔드(1)가 맞물리는 틈(13)을 갖는 것인 풋스텝 베어링.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플러싱액(3)의 통과를 가능하게 하는 추가의 고리 밀봉체(4)가 임펠러 축(9)과 축 버트엔드(1) 사이에 제공되어 임펠러 축(9)을 안내하는 것인 풋스텝 베어링.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬라이딩 부재(8)가 탄성계수가 낮고 또한 내마모성이 큰 플라스틱으로 이루어지는 것인 풋스텝 베어링.
  5. 제4항에 있어서, 상기 슬라이딩 부재(8)용 플라스틱이 임의로 탄소섬유강화 또는 유리섬유강화된 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및(또는) 폴리에테르에테르 케톤(PEEK) 기재의 플라스틱, 특히 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및(또는) 폴리에테르에테르 케톤(PEEK) 기재의 고온 복합 재료인 것인 풋스텝 베어링.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상이한 재료의 슬라이딩 부재(8)가 축 버트엔드(1) 상에 배치되는 것인 풋스텝 베어링.
  7. 제6항에 있어서, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 폴리에테르에테르 케톤(PEEK)의 슬라이딩 부재(8)가 축 버트엔드(1) 상에 교대로 배치되는 것인 풋스텝 베어링.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고리 밀봉체(4)용 플라스틱이 탄성계수가 낮고 내마모성이 큰 플라스틱, 특히 임의로 탄소섬유강화 또는 유리섬유강화된 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및(또는) 폴리에테르에테르 케톤(PEEK) 기재의 플라스틱, 특히 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및(또는) 폴리에테르에테르 케톤(PEEK) 기재, 특히 바람직하게는 폴리에테르에테르 케톤(PEEK)기재의 고온 복합 재료인 것인 풋스텝 베어링.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬라이딩 부재(8)가, 축 버트엔드(1)에 연결되고 특히 탈착가능한 쉬드(sheath, 15) 상에 배치되는 것인 풋스텝 베어링.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 임펠러 축(9)의 단부가 2개 이상의 부품으로부터 형성되고, 특히 슬라이딩 부재(8)와 접촉하게 하는 탈착식 금속 슬리브(12)를 갖는 것인 풋스텝 베어링.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 플러싱액(3)을 위한 통로(11)가 피드백 라인에 의해 연장되고, 상기 플러싱액은 반응기 내로가 아니라 축으로의 리스트릭터(restrictor) 틈이 밀봉되어 있는 평형 저장기를 갖는 외부 밀봉 유체 회로 내로 역으로 공급되는 것인 풋스텝 베어링.
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