CO2再生塔導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 穎

（中國(guó)石油大慶石化公司機(jī)械廠(chǎng)，黑龍江大慶163714）

機(jī)械與設(shè)備

CO2再生塔導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉 穎

（中國(guó)石油大慶石化公司機(jī)械廠(chǎng)，黑龍江大慶163714）

通過(guò)對(duì)合成氨裝置CO2再生塔導(dǎo)流筒的損壞形態(tài)進(jìn)行分析，確立導(dǎo)流筒的固體計(jì)算區(qū)域和流體計(jì)算區(qū)域，建立了幾何模型和數(shù)值模型；采用ALE方法，建立了導(dǎo)流筒雙向耦合計(jì)算模型。按照生產(chǎn)中的物性參數(shù)定義流動(dòng)介質(zhì)屬性，確定合適的邊界條件，得出導(dǎo)流筒內(nèi)流體速度場(chǎng)的分布，并確定了導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)破壞因素，完成了導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

CO2再生塔；導(dǎo)流筒；仿真分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

某合成氨裝置CO2再生塔高度50 m，內(nèi)徑4267 mm，頂部進(jìn)液管線(xiàn)規(guī)格Φ508×5.54 mm，碳酸鉀富液介質(zhì)沿設(shè)備切線(xiàn)方向進(jìn)入塔內(nèi)，流量范圍為1 554～1 500 m3/h，塔內(nèi)部設(shè)有環(huán)形導(dǎo)流筒，與塔體固定，材質(zhì)為304L。

該塔頂部導(dǎo)流筒進(jìn)液口附近部位頻繁損壞，每次檢修后，運(yùn)行壽命均不足12個(gè)月。導(dǎo)流筒損壞部位在進(jìn)液管口正對(duì)的方位，該處介質(zhì)沖擊力最大，導(dǎo)致立板和上部蓋板撕裂損壞，造成導(dǎo)流筒內(nèi)部的降液管斷裂，以及頂部除沫網(wǎng)損壞［1～3］。

1 數(shù)值模擬及仿真分析

1.1 建立模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)建立模型，導(dǎo)流筒采用米字型支撐，局部增厚為10 mm，剩余厚度為6 mm；導(dǎo)流筒內(nèi)徑為3 231 mm，厚度10 mm，高1 270 mm；，塔壁內(nèi)直徑為4 087 mm，壁厚為60 mm；垂直高度為2 400 mm；富液進(jìn)口內(nèi)直徑497 mm。進(jìn)口條件設(shè)置為速度進(jìn)口，進(jìn)口水力直徑為497 mm；出口采用壓力出口，出口壓力為0.02 MPa（塔內(nèi)壓力）。

開(kāi)孔板孔徑大小為100 mm，孔間的距離為100 mm，分割方式為孔板中間分割，采用加強(qiáng)筋進(jìn)行固定，支撐板厚度8 mm。導(dǎo)流筒與塔壁的連接圓管連接，在模中顯示為表面印記對(duì)其進(jìn)行固定。

1.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

1.2.1 壓力分析 通過(guò)觀(guān)察塔壁、導(dǎo)流筒以及開(kāi)孔板上的壓力云圖，能夠了解到流體壓力在結(jié)構(gòu)上的發(fā)展變化，同時(shí)能夠觀(guān)察出壓力最大位置及最大變化梯度位置。對(duì)于結(jié)構(gòu)的合理性能夠做出初步的判斷。塔壁的整體壓力云圖見(jiàn)圖1。

從圖1可以看出，帶孔板結(jié)構(gòu)的流體流動(dòng)狀態(tài)比較穩(wěn)定，在塔壁上面的壓力分布比較均勻，并且改善了壓力變化趨勢(shì)，使之緩和。

導(dǎo)流筒的壓力分布得到很好地改善，從云圖的分布色調(diào)可以看出，對(duì)于導(dǎo)流筒最大作用力有所減小，壓力變化梯度較弱，變化區(qū)域有所減小。

圖1 塔壁的整體壓力云圖

1.2.2 速度分析 流體的速度云圖顯示增加孔板結(jié)構(gòu)有效的降低了最大速度區(qū)域范圍，靠近進(jìn)口處孔板位置處存在較明顯的速度梯度變化，即損壞位置所在。

流體速度流線(xiàn)圖顯示開(kāi)孔板很好的將流體分散開(kāi)，使其更均勻的沖擊到開(kāi)孔板上。具體速度數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 各部位速度

表1顯示了3種結(jié)構(gòu)下的最大速度數(shù)值，根據(jù)數(shù)值的特點(diǎn)，得出增加孔板結(jié)構(gòu)時(shí)最大流動(dòng)速度增加但不大，最大速度位置有所減小，減小了對(duì)導(dǎo)流筒及塔壁的沖刷作用，對(duì)于開(kāi)孔板的沖擊作用是非常大的，因此采用了3根支撐板進(jìn)行支撐。

增加孔板使得進(jìn)口部位速度擾動(dòng)增大，各個(gè)方向均有流體流動(dòng)則對(duì)于結(jié)構(gòu)的沖擊作用就會(huì)減弱，一部分流體速度之間會(huì)發(fā)生抵消［4］。

1.2.3 湍流動(dòng)能及耗散率 導(dǎo)流筒湍流動(dòng)能分布見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，新結(jié)構(gòu)導(dǎo)流筒上的流體流動(dòng)狀態(tài)明顯比原模型色配比分布均勻，說(shuō)明新結(jié)構(gòu)起到均布流體流動(dòng)狀態(tài)，減小湍流分布梯度。進(jìn)管口截面湍流動(dòng)能分布，進(jìn)口截面湍流動(dòng)能圖顯示，流體在整體流動(dòng)過(guò)程中形式趨于緩和，動(dòng)能變化梯度減小，流體流動(dòng)較穩(wěn)定。

新結(jié)構(gòu)的湍流動(dòng)能耗散濾分布比較均勻，變化梯度比較小。達(dá)到了優(yōu)化的效果。通過(guò)孔板湍流動(dòng)能及耗散率云圖，可以看出在進(jìn)管口處孔板上湍流動(dòng)能及耗散率比較大，成功的分擔(dān)了導(dǎo)流筒所受到的流體擾動(dòng)，使活躍層轉(zhuǎn)移到孔板表面，從而達(dá)到保護(hù)導(dǎo)流筒的目的。

1.3 固體應(yīng)力分析

1.3.1 固體變形分析 固體變形云圖見(jiàn)圖3。

從圖3可知在在導(dǎo)流筒底部與塔壁連接位置處的變形最大，在模擬中通過(guò)變形檢測(cè)探針得知，最大變形位置位于導(dǎo)流筒與進(jìn)口相對(duì)位置處。進(jìn)口流體對(duì)孔板及導(dǎo)流筒的沖擊造成的變形比較小，說(shuō)明板的強(qiáng)度及剛度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1.3.2 導(dǎo)流筒應(yīng)力分布圖見(jiàn)圖4。

由圖4可知，受力較大的部位在導(dǎo)流筒底部與塔壁連接位置和米字型支撐位置處?？装寮氨粵_擊導(dǎo)流筒則受力較小，說(shuō)明此結(jié)構(gòu)傳遞力的效果比較理想。同時(shí)證明孔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較合理有效。固體在正常工作過(guò)程中所受到的最大、最小應(yīng)力比較穩(wěn)定沒(méi)有出現(xiàn)比較明顯的波動(dòng)。最大應(yīng)力值為78 MPa。在鋼304 L許用應(yīng)力之內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求［5］。

圖2 導(dǎo)流筒湍流動(dòng)能分布

圖3 固體變形情況

圖4 導(dǎo)流筒應(yīng)力分布

2 結(jié)論

通過(guò)對(duì)合成氨裝置CO2再生塔導(dǎo)流筒的損壞形態(tài)進(jìn)行考察分析，建立三維幾何模型，并根據(jù)模型，按照生產(chǎn)中的物性參數(shù)定義流動(dòng)介質(zhì)屬性，確定合適的邊界條件，開(kāi)展仿真分析，最終確定合理的導(dǎo)流筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。2015年7月設(shè)備檢修期間，按此方案施工后，裝置已安全平穩(wěn)運(yùn)行23月，再生塔設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)運(yùn)行正常。

［1］王志文，徐宏，關(guān)凱書(shū)，等.化工設(shè)備失效原理及案例分析［M］.上海：華東理工大學(xué)出版社，2010：19-21.

［2］仇亞萍，黃俐軍，馮立飛.基于ANSYS的有限元網(wǎng)格劃分方法［J］.機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2007（6）：76-77.

［3］毛君峰.基于適應(yīng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的ALE方法研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

［4］許召文.再生塔出口二氧化碳含量低的原因分析及對(duì)策［J］.四川化工，2013，16（6）：26-28.

［5］耿博，王尊策，李森.CO2再生塔入口處導(dǎo)流筒失效因素的研究［J］.石油化工，2016，45（12）：1533-1538.

Numerical simulation and optimization design of draft tube structure in CO2regeneration tower

LiuYing
（Machinery Factery of Daqing Petrochemical Company，Daqing 163714，China）

Through the analysis to the damage form of the draft tube of CO2regeneration tower in synthetic ammonia plant,the solid computational domain and the fluid computational domain were established,and the geometric model and the numerical model were built;the ALE method was used,and the bidirectional coupling calculation model of the draft tube was built.The flow media property was defined according to physical property parameters,proper boundary conditions were confirmed,the distribution of fluid velocity field in the draft tube was obtained,and the damage factors of the draft tube structure was determined,and the optimization design of the draft tube structure was completed.

CO2regeneration tower;draft tube;simulation analysis;structure optimization

TQ440.5

B

1671-4962（2017）05-0041-03

2017-02-02

劉穎，女，工程師，碩士研究生，2007年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事化工設(shè)備設(shè)計(jì)研究工作。