新型多晶硅活性炭吸附器應(yīng)力分析與疲勞分析

徐雪倩， 石 濤， 汪紹芬

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 引言

在改良西門子法生產(chǎn)多晶硅的過程中，多采用干法回收工藝處理還原尾氣[1]。該工藝主要是利用還原尾氣中氯硅烷、氯化氫、氫氣等組分物理、化學(xué)性質(zhì)的差異，通過淋洗、加壓冷凝、吸收、脫吸、活性炭吸附等方法，將上述組分分離并去除雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)還原尾氣各組分的回收利用。

而活性炭吸附器是還原尾氣干法回收工藝的核心設(shè)備，它主要是利用活性炭在低溫高壓的條件下能吸附回收氫氣中的雜質(zhì)，待吸附飽和后，還可在高溫低壓的條件下，通過氫氣吹掃的方式實(shí)現(xiàn)再生的性能，使回收氫氣的純度得到提高[2]。

活性炭再生的徹底性直接關(guān)系到回收氫氣的純度，而活性炭吸附器的結(jié)構(gòu)型式又直接影響其內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布，進(jìn)而影響活性炭吸附與再生的效果。目前，國內(nèi)多晶硅廠多采用盤管結(jié)構(gòu)的吸附器，該結(jié)構(gòu)在中小直徑時(shí)傳熱效果較好。而本文介紹了一種在大直徑時(shí)也能保持良好傳熱效果的新型活性炭吸附器，并通過有限元數(shù)值模擬的方式對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)力分析與疲勞分析，驗(yàn)證了設(shè)備結(jié)構(gòu)的可靠性。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

某工程采用的新型活性炭吸附器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)計(jì)條件見表1。吸附器內(nèi)盛裝有椰殼活性炭，氫氣通過下進(jìn)上出的方式實(shí)現(xiàn)與活性炭的充分接觸。此外，吸附器還設(shè)置了內(nèi)部套管與外部盤管的結(jié)構(gòu)，交替通入高溫水或冷卻水，從而實(shí)現(xiàn)升溫與降溫的工藝過程。其中，內(nèi)部套管采用正方形布置方式，目的是讓活性炭受熱或降溫更為均勻，從而保證吸附和再生的效果。

圖1 吸附器結(jié)構(gòu)

表1 吸附器設(shè)計(jì)條件

吸附器的工作過程分為吸附、脫附和再生三個(gè)階段，各階段均耗時(shí)8小時(shí)，24小時(shí)為一完整循環(huán)，循環(huán)過程中溫度與壓力的變化情況見圖2。

圖2 吸附器工作過程

由上可知，該吸附器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，尤其是下封頭部分，由于布管較多，常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算較為困難，而吸附器內(nèi)的溫度和壓力又隨時(shí)間呈周期性變化，是典型的疲勞設(shè)備，故本文采用了有限元數(shù)值模擬的方法校核其應(yīng)力強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度[3]。

2 有限元模型

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

利用對(duì)稱性建立吸附器的1/4幾何模型并對(duì)其作了如下簡(jiǎn)化：

(1)忽略夾套冷卻水進(jìn)出口等小直徑接管；(2)取消內(nèi)套管，外套管僅建出1/3長度；(3)半管由螺旋上升簡(jiǎn)化為等距排列；(4)裙座簡(jiǎn)化為開有引出孔的圓筒；(5)取消套管底部匯總管路。

選用六面體實(shí)體單元SOLID185對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，簡(jiǎn)化后的幾何模型與網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖3。

圖3 吸附器幾何模型與網(wǎng)格

2.2 載荷與邊界條件

由于吸附器內(nèi)的溫度和壓力隨時(shí)間交叉變化，為得到循環(huán)過程中可能出現(xiàn)的最危險(xiǎn)工況及最大交變應(yīng)力強(qiáng)度幅，本文除設(shè)計(jì)工況外，還選取了圖2中所示的A/B/C/D1/D2/E六種操作工況進(jìn)行分析。

由于操作工況需考慮熱應(yīng)力的影響，因此要先根據(jù)介質(zhì)的溫度條件對(duì)吸附器進(jìn)行熱分析，然后將所得溫度場(chǎng)作為熱載荷，連同機(jī)械載荷一起施加到吸附器上進(jìn)行計(jì)算。

所有工況除按表1和圖2施加溫度與壓力載荷外，應(yīng)力分析時(shí)還需在各管口法蘭端面施加壓力等效載荷，在外套管下端面施加未建模的內(nèi)套管、部分外套管、底部匯總管路及水的重力等效載荷，在下封頭內(nèi)表面施加吸附劑的重力等效載荷。除單獨(dú)的熱分析外，其余分析均需在裙座底面施加軸向與環(huán)向位移約束，在對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束。

3 應(yīng)力分析

設(shè)計(jì)工況的應(yīng)力強(qiáng)度云圖見圖4。經(jīng)分析與評(píng)定，操作工況B為六種操作工況中的最危險(xiǎn)工況，考慮到篇幅有限，本文僅展示操作工況B的應(yīng)力強(qiáng)度云圖(見圖5)。

圖4 設(shè)計(jì)工況應(yīng)力強(qiáng)度云圖與應(yīng)力評(píng)定路徑位置

圖5 操作工況B應(yīng)力強(qiáng)度云圖與應(yīng)力評(píng)定路徑位置

對(duì)同時(shí)存在熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定時(shí)，在同一評(píng)定位置，需從設(shè)計(jì)工況中提取僅與一次應(yīng)力相關(guān)的應(yīng)力強(qiáng)度SⅠ、SⅡ、SⅢ，同時(shí)從操作工況中僅提取與二次應(yīng)力相關(guān)的應(yīng)力強(qiáng)度SⅣ。因此，選取應(yīng)力評(píng)定路徑時(shí)需要同時(shí)考察設(shè)計(jì)工況和操作工況下可能產(chǎn)生應(yīng)力最大值的位置，從而保證應(yīng)力評(píng)定的全面性與準(zhǔn)確性。

其中SⅠ—一次總體薄膜應(yīng)力強(qiáng)度，MPa；

SⅡ—一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度，MPa；

SⅢ—一次薄膜加一次彎曲應(yīng)力強(qiáng)度，MPa；

SⅣ—一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度，MPa。

將選取的設(shè)計(jì)工況與操作工況B下的應(yīng)力評(píng)定路徑進(jìn)行線性化處理，并按JB4732-1995[4]規(guī)定的評(píng)定準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定，評(píng)定結(jié)果詳見表2(考慮到篇幅有限，此處僅列出下封頭與接管連接處應(yīng)力水平較高的幾處路徑，路徑截面位置見圖4與圖5，每個(gè)截面均含ABC三條路徑，A沿角焊縫方向，B沿封頭厚度方向，C沿接管厚度方向，設(shè)備其他部位亦進(jìn)行了應(yīng)力評(píng)定，結(jié)果均為合格)，從表中可知本吸附器應(yīng)力強(qiáng)度校核合格。

表2 吸附器應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果

表中K—載荷組合系數(shù)，取K=1.0

4 疲勞分析

本節(jié)通過計(jì)算吸附器在正常操作循環(huán)和開停工循環(huán)中產(chǎn)生的累積損傷系數(shù)U來評(píng)定其疲勞強(qiáng)度。

4.1 正常操作循環(huán)

將六種操作工況的應(yīng)力強(qiáng)度結(jié)果兩兩相減，可知循環(huán)過程中的最大交變應(yīng)力強(qiáng)度幅出現(xiàn)在操作工況B- 操作工況D2中，且為：

Salt1=0.5×602.35=301.175 MPa

考慮材料彈性模量后：

式中E—設(shè)計(jì)疲勞曲線中給定的材料彈性模量，MPa；

Et—所用材料彈性模量，MPa；

n1—預(yù)計(jì)循環(huán)次數(shù)；

N1—允許循環(huán)次數(shù)；

公路工程實(shí)施過程中主要解決項(xiàng)目成本節(jié)制問題，由于存在諸如社會(huì)狀況、設(shè)計(jì)變更、工程受損等情況，需要加強(qiáng)工程成本的管控。另外，由于規(guī)劃的調(diào)整、財(cái)政補(bǔ)貼不到位、市場(chǎng)投融資環(huán)境變化等也都會(huì)影響工程項(xiàng)目造價(jià)和成本，甚至關(guān)系到項(xiàng)目能否繼續(xù)及經(jīng)濟(jì)效益的順利發(fā)揮。PPP模式下公路工程全過程造價(jià)管理要求對(duì)項(xiàng)目施工方案、施工單位、造價(jià)等信息和材料統(tǒng)一上報(bào)管理部門，進(jìn)行PPP綜合信息的完善，如果在工程實(shí)際實(shí)施過程中并未收集和完善上述信息，會(huì)導(dǎo)致后續(xù)施工糾紛的產(chǎn)生。

Salt1—交變應(yīng)力強(qiáng)度幅，MPa；

由JB 4732-1995中表C- 1中公式計(jì)算可得允許循環(huán)次數(shù)N1=5 064，而預(yù)計(jì)循環(huán)次數(shù)n1=365×10=3 650。

操作工況B- 操作工況D2得到的應(yīng)力強(qiáng)度云圖如圖6所示，最大值出現(xiàn)在最外側(cè)外套管與下封頭的連接處。

圖6 操作工況B- 操作工況D2應(yīng)力強(qiáng)度云圖

4.2 開停工循環(huán)

以最危險(xiǎn)的操作工況B作為開工工況，由圖5可知此時(shí)的交變應(yīng)力強(qiáng)度幅。

Salt2=0.5×449.02=224.51 MPa

考慮材料彈性模量后：

式中n2—預(yù)計(jì)循環(huán)次數(shù)；

N2—允許循環(huán)次數(shù)；

Salt2—交變應(yīng)力強(qiáng)度幅，MPa；

由JB 4732-1995中表C- 1中公式計(jì)算可得允許循環(huán)次數(shù)N2=12 463，而預(yù)計(jì)循環(huán)次數(shù)n2=10(按一年一次大修考慮)。

4.3 累計(jì)損傷系數(shù)U

式中U—累積損傷系數(shù)；

U1、U2—各循環(huán)損傷系數(shù)。

故本吸附器疲勞強(qiáng)度校核合格。

5 結(jié)論

本文介紹了一種用于多晶硅還原尾氣干法回收工藝的新型活性炭吸附器，考慮到其結(jié)構(gòu)的特殊性和工作過程的復(fù)雜性，利用ANSYS Workbench建立了1/4模型進(jìn)行應(yīng)力分析與疲勞分析。

從前述應(yīng)力分析和疲勞分析結(jié)果可知：各類應(yīng)力強(qiáng)度均小于其許用極限，且累積損傷系數(shù)U≤1.0，故本吸附器的應(yīng)力強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度均滿足JB4732-1995的要求。本文可為多晶硅活性炭吸附器或其他疲勞設(shè)備的設(shè)計(jì)與分析提供參考。