高速氣流沖擊對篩板穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬

韓 瑜，譚 蔚，王初琛，劉麗艷

（1天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300072；2杭州交通投資集團有限公司，浙江 杭州 310004）

在石油煉制和化工生產(chǎn)中，篩板塔因具有較低的加工和維修費用的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于蒸餾、吸附、萃取等工藝。然而隨著化工設(shè)備的不斷大型化，作為傳熱、傳質(zhì)的主要部件[1]，時常發(fā)現(xiàn)塔板被高速氣體吹翻的現(xiàn)象。究其原因主要是在非正常操作工況下，通過篩板的氣速過大以至于施加給塔板較大的沖擊載荷。塔板吹翻可以發(fā)生在化工生產(chǎn)的多個工藝流程中，設(shè)備的開停車、塔板的吹掃階段、不同操作壓力設(shè)備的聯(lián)通、設(shè)備的泄壓過程等都可能會引發(fā)塔板被吹翻[2-3]。上述過程中，閥門開啟程度過大和過快，都會導(dǎo)致氣流對塔板的沖擊力過大，甚至超過設(shè)計載荷而將其吹翻。

氣體以較高的速度通過開孔的篩板時，其作用在塔板上的載荷分布情況是十分復(fù)雜的，在現(xiàn)有的情況下很難得到其理論解。同樣，對于分布有大量開孔的篩板塔，也很難通過平板理論從理論上精確地得到其應(yīng)力應(yīng)變特性。近幾年興起的數(shù)值模擬方法則為研究塔板受較高氣速沖擊的穩(wěn)定性提供了新的思路[4-5]。為此，本研究采用數(shù)值模擬和實驗[6-9]相結(jié)合的方法，研究了篩孔氣速、開孔率、開孔直徑對塔板穩(wěn)定性的影響，以期為工業(yè)應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 數(shù)值模型建立

1.1 理論基礎(chǔ)

工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計中，板式塔塔盤通常被視為平板結(jié)構(gòu)，利用圓平板理論對其進行應(yīng)力分析。對于周邊固支的圓平板，受大小為P的均布載荷時，板內(nèi)正應(yīng)力遠大于切應(yīng)力[10]，其中正應(yīng)力的表達式如式（1）、式（2）所示。

對于某一給定的化工工藝，其具有特定的塔板結(jié)構(gòu)，半徑R、厚度t和泊松比μ均為定值，塔板的應(yīng)力大小與軸對稱橫向載荷P成正比。

1.2 幾何模型及流場離散

本研究采用ANSYS軟件中的流固耦合模塊對高氣速的空氣吹過塔板這一過程進行模擬，其中空氣流動的過程由ANSYS Workbench中的Fluid Flow（Fluent）模塊進行模擬，塔板的強度計算由Static Structural模塊進行模擬。模擬過程為單向流固耦合，空氣流動按照穩(wěn)定流動處理，待流體部分計算結(jié)果穩(wěn)定后，將耦合面的壓力作為載荷施加給塔板，最后對塔板進行強度計算。

計算的塔體結(jié)構(gòu)參數(shù)為：塔徑 600 mm，塔板間距450 mm，塔的總高度為2000 mm。塔板材料選擇304 L不銹鋼，以空氣為流體介質(zhì)，分析計算不同氣速、開孔率、開孔直徑對塔板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。各模擬變量的具體數(shù)值見表1。圖1是開孔率為8%的塔板及其流場域的幾何模型。從圖1可以看出塔板和流場均關(guān)于XY平面對稱，因此數(shù)值計算可以采用1/2對稱模型。

圖1 塔板及流場域幾何建模

圖2 塔板及流場域1/2對稱網(wǎng)格劃分

流場中靠近塔板的區(qū)域采用四面體網(wǎng)格進行了細化處理，其余形狀規(guī)整部位采用六面體網(wǎng)格劃分，具體的網(wǎng)格劃分情況如圖2所示。其中流體區(qū)域劃分成了2 196 329個網(wǎng)格，包括497 507個節(jié)點，塔板結(jié)構(gòu)劃分成76 239個網(wǎng)格，包括395 116個節(jié)點。繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)目，流固耦合界面處受到的載荷和塔板的等效應(yīng)力都基本保持不變，認為此時已達到網(wǎng)格無關(guān)性。

1.3 湍流模型選擇與邊界條件

在流場模擬中，湍流方程選用k-ε模型。定義流體域下表面為速度入口，上表面為壓力出口，XY平面為對稱平面，設(shè)置重力加速度方向為Y軸負方向，大小為?9.8 m/s2。

在結(jié)構(gòu)分析中，塔板邊緣處為固支的邊界條件，XY平面為對稱平面。塔板上下面的載荷從流場計算的結(jié)果中導(dǎo)入，最終得到塔板的等效應(yīng)力分布及變形量分布。

2 實驗設(shè)計

實驗流程如圖3所示，篩板塔由有機玻璃制成，塔徑600 mm，塔板間距450 mm，塔的總高度為2000 mm。塔盤結(jié)構(gòu)如圖4所示，開孔按照正三角形排布，開孔直徑取10mm，孔間距為2.5倍直徑，開孔率為8.0%。

實驗采用DH5922動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，應(yīng)變適調(diào)器型號為 DH3810。實驗測試時，先將應(yīng)變片沿徑向粘在塔板的4個測點處，見圖4所示；然后用導(dǎo)線將其與動態(tài)應(yīng)變儀連接，待測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定后開啟鼓風(fēng)機；通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機進氣口和旁路出氣口的閥門來調(diào)節(jié)塔內(nèi)氣體的篩孔氣速。

圖3 實驗流程圖

圖4 塔盤結(jié)構(gòu)圖

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 模擬模型的驗證

表2是在篩孔氣速為50 m/s、開孔率為8.0%、開孔呈正三角形排布條件下數(shù)值模擬與實驗的對比結(jié)果。從表2可知，模擬值與實驗值的相對誤差均在10%以內(nèi)，表明本研究建立的模型和模擬方法在工程應(yīng)用中是可行的。

表2 模擬值與實驗值的對比

圖5是模擬得到的塔板徑向應(yīng)力分布云圖。從圖5可以看出，塔板邊緣和中心區(qū)域的應(yīng)力值較大，且在塔板的開孔處都有較高的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這在化工生產(chǎn)中表現(xiàn)為塔板邊緣及支座部位容易發(fā)生斷裂。

3.2 篩孔氣速對塔板穩(wěn)定性的影響

高速氣體吹過篩板時，氣體只能由塔板上的小孔通過，此時塔板將承受較高的沖擊載荷。圖6是在篩孔氣速值分別為 25 m/s、37.5 m/s、50 m/s、62.5m/s和75 m/s條件下塔板的等效應(yīng)力模擬值隨不同篩孔氣速的變化情況。從圖6可以看出，應(yīng)力值隨氣體速度的增大而增大，其增長趨勢大致為二次函數(shù)，這與量綱分析得到的結(jié)果是一致的[11]。

從圖6可以看出，當篩孔氣速達到40 m/s時，塔板上等效應(yīng)力的最大值超過了屈服極限，塔板發(fā)生了塑性變形。氣速進一步增加，當超過65 m/s時等效應(yīng)力的最大值將超過斷裂強度，這將導(dǎo)致塔板邊緣處發(fā)生斷裂。

3.3 開孔率對塔板穩(wěn)定性的影響

圖5 塔板徑向應(yīng)力分布圖

圖6 不同篩孔氣速下塔板的最大等效應(yīng)力

化工生產(chǎn)中，開孔率是影響篩板操作的重要因素，工業(yè)中其數(shù)值通常介于3.0%～12.0%之間。圖7是在篩孔氣速為 50 m/s、開孔率分別取 3.0%、5.5%、8.0%和10.5%條件下塔板受高速氣體沖擊時的應(yīng)力曲線。從圖7可以看出，隨著開孔率的增大，塔板上應(yīng)力在相應(yīng)的減小，其近似為線性函數(shù)。這是由于隨著開孔率的增加，塔板承受氣體沖擊的面積在減小，且受力面積與開孔率呈線性關(guān)系。

3.4 孔徑對塔板穩(wěn)定性的影響

圖7 不同開孔率下塔板的最大等效應(yīng)力

圖8 不同開孔直徑下塔板的最大等效應(yīng)力

孔徑的大小直接影響篩板的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能，孔徑的選取需要考慮的因素較多，取值范圍介于 4～14 mm，具體數(shù)值難以統(tǒng)一。本研究以開孔率為5.5%的塔板為對象，在篩孔氣速為50 m/s時，模擬了開孔直徑分別為6 mm、8 mm、10 mm和12 mm共4種孔徑受高速氣體沖擊時的應(yīng)力分布情況，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，塔板最大應(yīng)力值在開孔直徑為8 mm時達到最小，此時為本研究范圍內(nèi)最優(yōu)的開孔直徑。

4 結(jié) 論

采用大型商用軟件 ANSYS，對篩板塔內(nèi)高速氣體沖擊塔板進行了數(shù)值模擬，并將模擬計算值與實驗值對比，建立了可靠的數(shù)值模型，為工程應(yīng)用提供了一定的參考。在此基礎(chǔ)上，利用該數(shù)值模型研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作參數(shù)對塔板受高速氣體沖擊時穩(wěn)定性的影響，主要得出以下結(jié)論。

高速氣體吹過塔板時，塔板將承受很大的沖擊載荷，其中塔板邊緣和塔板中心為應(yīng)力值較高的部位，且塔板上應(yīng)力值以二次函數(shù)的形式隨著氣速的增加而增加。

在篩孔氣速確定的情況下，開孔率對塔板所受載荷有重要影響，塔板上的等效應(yīng)力大小隨開孔率呈線性反比例變化。

開孔直徑的選取在化工生產(chǎn)中需要考慮多種因素，但存在一個最優(yōu)的開孔直徑，使得在一定的開孔率下塔板的等效應(yīng)力值最小。

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