氨合成塔底部開孔結(jié)構(gòu)的有限元分析

摘要：針對(duì)氨合成塔底部開孔處存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，利用SolidWorks軟件建立氨合成塔底部結(jié)構(gòu)的三維模型，并采用Simulation模塊對(duì)其進(jìn)行有限元分析，得到氨合成塔底部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變及位移云圖。結(jié)果表明，氨合成塔底部開孔結(jié)構(gòu)處有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，最大應(yīng)力約為99.2MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.95×10-3，最大位移量約為0.3mm。有限元法分析設(shè)計(jì)較為快捷方便，可為氨合成塔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：氨合成塔 開孔結(jié)構(gòu) 有限元分析

1 概述

氨合成塔是石油化工生產(chǎn)中廣泛使用的高壓設(shè)備，主要用于高壓、高溫條件下氮?dú)夂蜌錃獾拇呋磻?yīng)以進(jìn)行氨的合成[1，2]。氨合成塔是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高壓反應(yīng)器，由于開孔處的結(jié)構(gòu)造成了氨合成塔筒體的幾何不連續(xù)性增加，這就容易造成開孔處出現(xiàn)破壞導(dǎo)致氨合成塔反應(yīng)器失效[3-5]。本文利用SolidWorks建立氨合成塔底部開孔處的模型，利用Simulation模塊對(duì)該模型進(jìn)行有限元分析，獲取氨合成塔在正常工況下的應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D。通過有限元分析，可為氨合成塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。

2 分析模型的建立

本文研究的氨合成塔的型號(hào)為托普索型。托普索氨合成塔是一種徑向流動(dòng)冷激型的氨合成塔，氣流在塔內(nèi)呈徑向流動(dòng)，塔內(nèi)床層溫度控制是采用冷激氣與催化劑內(nèi)反應(yīng)氣直接混合來達(dá)到的[7，8]。

該設(shè)備是一臺(tái)長(zhǎng)15900mm的立式高壓反應(yīng)器，內(nèi)徑為Φ3400mm；外殼結(jié)構(gòu)形式為鍛焊結(jié)構(gòu)，直段筒體厚度為198mm的鋼錠鍛制而成；上下封頭為球形封頭，上封頭厚度為120mm，下封頭厚度為130mm。工藝操作溫度377℃，操作壓力13.6MPa，介質(zhì)為氫氣、氮?dú)饧鞍钡取ＴO(shè)計(jì)壓力15.9MPa，設(shè)計(jì)溫度450℃，材料采用16MnR。設(shè)計(jì)溫度下需用應(yīng)力為140MPa，彈性模量2×105MPa，泊松比0.3。

利用SolidWorks建立氨合成塔底部開孔處的模型如圖1所示，該模型左側(cè)開口為氣體出口；中間為氣體入口；右側(cè)為人孔，用于設(shè)備的維護(hù)。

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Simulation是SolidWorks公司推出的一套有限元分析軟件，它作為嵌入式分析軟件與SolidWorks無縫集成。運(yùn)用Simulation，可以迅速得到分析結(jié)果，從而最大限度的縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，降低測(cè)試成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量[6]。

將在SolidWorks中建立好三維模型導(dǎo)入Simulation模塊進(jìn)行有限元分析。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇材料類型，施加載荷（包括溫度載荷）及約束，劃分網(wǎng)格。有限元分析模型如圖2所示。網(wǎng)格劃分品質(zhì)較高，單元數(shù)為21918，節(jié)點(diǎn)數(shù)為39155。

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3 結(jié)果與分析

加載求解后得到氨合成塔底部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D及位移云圖。圖3為應(yīng)力云圖的剖視圖，由圖可看出，在氨合成塔底部開孔結(jié)構(gòu)處應(yīng)力較為集中，有較大應(yīng)力值，最大應(yīng)力約為99.2MPa，小于許用應(yīng)力值140MPa。這是由于氨合成塔底部開孔處存在結(jié)構(gòu)上的突變，導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，故在開孔結(jié)構(gòu)處常常采用加厚來保障其安全性；同時(shí)，在結(jié)構(gòu)突變處采取過渡結(jié)構(gòu)，以減小應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

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圖4為氨合成塔底部開孔結(jié)構(gòu)處的應(yīng)變?cè)茍D。由圖可知，氨合成塔底部開孔結(jié)構(gòu)處的最大應(yīng)變值出現(xiàn)在底部接近于開孔部分的球面處，最大應(yīng)變值為1.95×10-3。這是由于開孔處應(yīng)力比較集中，導(dǎo)致附近結(jié)構(gòu)易發(fā)生較大的變形。圖5為氨合成塔底部開孔結(jié)構(gòu)處的位移云圖。由圖可知，氨合成塔底部開孔結(jié)構(gòu)處位移量較大，最大位移量約為0.3mm。

4 結(jié)論

通過SolidWorks軟件建立氨合成塔底部開孔結(jié)構(gòu)的三維模型，并利用Simulation模塊對(duì)其進(jìn)行了有限元分析，得到氨合成塔底部開孔結(jié)構(gòu)處的應(yīng)力、應(yīng)變及位移云圖。結(jié)果表明，氨合成塔底部開孔結(jié)構(gòu)處有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，導(dǎo)致附近應(yīng)變及位移值較大；最大應(yīng)力為99.2MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.95×10-3，最大位移量約為0.3mm。分析結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，可為氨合成塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳曙光，李丁，劉薈瓊等.氨合成塔底部五通有限元分析[J].化工設(shè)備與管道，2010，47（6）：19-21，26.

[2]劉伯玉，丁傳安.基于ANSYS的氨合成塔球形封頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].化工機(jī)械，2010，37（6）：723-725.

[3]白海永，傅吉坤，周大坤等.氨合成塔外殼雙錐環(huán)密封結(jié)構(gòu)的分析[J].壓力容器，2008，25（4）：24-27，48.

[4]鄒軍，江楠，毛苗等.氨合成塔非徑向接管有限元分析與強(qiáng)度評(píng)定[J].化肥工業(yè)，2012，39（1）：34-37.

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[6]SolidWorks+Motion+Simulation建模/機(jī)構(gòu)/結(jié)構(gòu)綜合實(shí)訓(xùn)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[7]吳萍.180kt/a氨合成塔的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].化肥設(shè)計(jì)，2006，44（4）：23-26.

[8]甘夢(mèng)書.徑向氨合成塔數(shù)學(xué)模型及仿真研究[D].華東理工大學(xué)，1998.

作者簡(jiǎn)介：陳麗莉（1978-），女，講師。