摘 要：【目的】明確某蒸氨塔內填料支撐的應力和變形情況?！痉椒ā窟\用ANSYS Workbench對此填料支撐進行了建模和有限元分析?！窘Y果】通過求解發(fā)現(xiàn)，支撐柵板中心區(qū)域及支撐梁中心段出現(xiàn)稍微變形，由此可知大型填料塔設置支撐梁的重要性；此外，由扁鋼焊接而成的柵板剛度有限。【結論】輔助支撐的寬度不宜過窄，應不低于100 mm；與支撐梁之間的空白區(qū)域不宜過長，單側空白區(qū)域弧長應不超過310 mm。

關鍵詞：填料支撐；有限元分析；強度評定；ANSYS Workbench

中圖分類號：TQ053.5 " "文獻標志碼：A " "文章編號：1003-5168（2024）12-0092-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.12.019

Analysis and Design of Packing Support in Large Packing Column Based on ANSYS Workbench

ZHENG Guangqiang1 ZHOU Yan2 WANG Dongmei2

（1. Tianjin Zhongwang Chemical Technology Co.， Ltd， Tianjin 300193，China; 2. Peiyang Chemical Equipment Co.， Ltd， Tianjin 300192，China）

Abstract：[Purposes] "This paper aims to determine the stress and deformation of packing support in an ammonia distillation column. [Methods] The modeling and finite element analysis of the packing support was carried out by using ANSYS Workbench. [Findings] Through analyzing， it is found that the center area of the support grid plate and the center section of the support beam are slightly deformed， which shows the importance of setting the support beam in the large packed tower. In addition， the grid plate welded from flat steel has limited stiffness. [Conclusions] The width of the auxiliary support should not be too narrow， and should not be less than 100 mm ; the blank area among the support beams should not be too long， and the arc length of the unilateral blank area should not exceed 310 mm.

Keywords： packing support; finite element analysis; strength evaluation; ANSYS Workbench

0 引言

填料塔是最常用的氣液傳質設備之一，常用于精餾、吸收、萃取、洗滌和冷卻等單元操作過程中，在石油化工、食品、醫(yī)藥、環(huán)保等行業(yè)中應用廣泛。填料塔具有通量大、效率高、壓降低、持液量小等諸多優(yōu)點。近年來，由于新型高效、高負荷填料的開發(fā)，填料塔的應用范圍越來越廣，裝置規(guī)模也越來越大［1-2］。目前關于填料塔的研究，多集中于工藝優(yōu)化、流程模擬，但大型塔器硬件系列設計優(yōu)化同樣不可忽視。

填料支撐是支撐規(guī)整填料的結構，其強度、剛度及結構的合理性不僅影響填料安裝的水平度，還影響填料層中氣液分布的效果［1-3］。大型填料塔的支撐裝置常采用柵板和支撐梁組合結構，結構簡單可靠，自由截面積大，安裝拆卸方便。柵板是由扁鋼條和扁鋼圈焊接而成。填料支撐裝置的設計應滿足以下基本要求：有足夠的機械強度和耐腐蝕性能，能夠支撐上面的填料和操作過程所攜帶的氣液流體的重量；支撐柵的自由截面積不應小于填料的自由截面積，確保氣液流暢無阻，抗阻塞能力強；減少或消除氣體渦流等［4-5］。

目前，支撐柵的設計還沒有明確的強度計算標準能提供參考。郭召明［6］、蘇陽［7］等利用材料力學的理論對柵板支撐件的設計及強度計算作了介紹及探討。孔芬霞等［8］基于ANSYS對空分設備精餾塔的不同形式的填料支撐格柵的承載能力進行了分析，但沒有直接對支座、支撐梁、支撐柵和支撐圈整體結構進行建模分析。張瑋［9］運用材料力學的理論對鈦-鋼復合板反應器內部特殊填料支撐設計過程進行了介紹。本研究將結合某公司氨蒸塔的填料支撐，基于ANSYS Workbench對其設計計算過程及有限元分析進行介紹。

1 填料支撐結構

本研究進行分析設計的填料支撐裝置如圖1所示。

該支撐裝置包括四部分：支座、支撐梁、支撐柵板和支撐圈。支撐柵板采用扁鋼焊接而成，保證其自由截面小于填料的自由截面。支撐梁采用槽鋼，以保證其整體穩(wěn)定性。一般情況下，塔徑不大于800 mm，柵板為整塊板；塔徑大于800 mm時，柵板為分塊式，分塊式柵板寬度應不大于400 mm時，以方便通過人孔安裝；塔徑大于1 600 mm時，柵板下方還應設置支撐梁。常規(guī)的設備強度計算軟件不能對填料支撐進行強度校核，須根據材料力學相關理論對其進行分析計算。該支撐裝置設計參數(shù)見表1，填料支撐結構材料為S30408，性能數(shù)據見表2。

2.1 模型建立及網格劃分

根據氨蒸塔的氣液負荷及設計參數(shù)建立的有限元力學模型如圖2所示。本研究忽略了支撐裝置中柵板為分塊的這一情況，直接將其作為一個整體進行建模，以簡化計算。為更好地反映支撐裝置的受力狀態(tài)，不僅對支撐裝置進行了建模，還考慮了筒體對其的影響。筒體建模長度需超過局部的衰減長度，即[2.5RT]，其中R為設備內半徑，T為設備筒體厚度，實體模型中筒體長度為1 000 mm。為更好地對模型進行網格劃分，先將模型分割成規(guī)則實體，采用SOLID186單元以盡可能將其劃分成六面體網格。

2.2 載荷施加

正確施加載荷及邊界條件是保證有限元分析結果正確的關鍵因素之一。填料支撐結構設置在填料塔內部，因此無須考慮風載荷、地震載荷及雪載荷等影響因素。填料支撐結構所受載荷主要包括支撐結構本身重量、填料重量及填料塔正常運行過程中填料中持液重量。筒體的主要載荷為內壓Pi=0.02 MPaG，柵板上表面施加的填料及持液重量，填料高度5 000 mm，筒體上端面施加等效拉應力，筒體內壁施加內壓載荷，約束筒體下端面軸向自由度。

3 應力分析

通過有限元求解得到的應力強度云圖如圖3所示，灰度越深代表應力越小，灰度越淺代表應力越大，可以看出，整體上應力變化不大，最大應力發(fā)生在輔助支撐末端的筋板與柵板下表面的接觸區(qū)域，最大應力值為313.52 MPa，由于輔助支撐與支撐梁之間有一段無支撐結構，且柵板與輔助支撐連接區(qū)域不連續(xù)，此區(qū)域產生了較大的集中應力。

整個結構的變形云圖如圖4所示，灰度越淺的區(qū)域表示變形量越大，區(qū)域中心最大變形量為1.72 mm，由于柵板承受整個填料和持液的重量，柵板的中心區(qū)域和支撐梁發(fā)生了稍微地變形。

4 強度評定

選擇應力較高或變形較大的幾個區(qū)域進行進一步的線性化處理和應力評定。在結構不連續(xù)區(qū)域和應力集中區(qū)域設置“1-1”“2-2”“3-3”“4-4”4條路徑?！?-1”路徑處于支撐梁的中心位置處，“2-2”和“3-3”路徑分別處于支撐梁與筒體連接不連續(xù)處兩個位置，“4-4”路徑處于輔助支撐末端的筋板與柵板下表面不連續(xù)處位置。

各個路徑線性化分析結果如圖5所示。星號表示1次局部薄膜應力PL，圓點表示1次彎曲應力Pb加2次彎曲應力Q，三角形表示1次應力與2次應力之和。各個路徑線性化處理得到的應力分類及評定結果見表3。由表3可知，填料支撐結構滿足強度要求。

5 結論

填料支撐設計是大型填料塔設計中的重要組成部分，常規(guī)的工程簡化計算方法往往偏于保守，運用ANSYS Workbench對大型填料塔支撐結構進行有限元分析，能更加詳細地了解支撐各個部分的受力情況，從而保證設計的安全性、可靠性，并能有效地避免材料的浪費。從本研究計算結果可以看出，支撐柵板中心區(qū)域及支撐梁中心段出現(xiàn)稍微變形，由此可知，大型填料塔設置支撐梁的重要性；柵板一般是由扁鋼焊接而成，其剛度有限，因此，該氨蒸塔輔助支撐的寬度不宜過窄，應不低于100 mm；與支撐梁之間的空白區(qū)域不宜過長，單側空白區(qū)域弧長應不超過310 mm。對應力偏高或結構不連續(xù)等局部結構進行路徑分析，根據JB 4732—1995《鋼制壓力容器—分析設計標準》進行應力評定，該支撐滿足強度要求。目前此氨蒸塔已安全穩(wěn)定運行，也說明填料支撐設計合理。

參考文獻：

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