基于ANSYS Workbench的雙層過濾器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

謝求泉，吳連連，胡永珊

(江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 萍鄉(xiāng) 337000)

0 引言

當(dāng)前，鋼鐵焦化行業(yè)主要采用HPF法(干法和濕法)脫硫工藝對(duì)焦?fàn)t煤氣進(jìn)行脫硫處理。在HPF濕法脫硫的過程中，脫硫液含鹽量逐漸增高，硫氰酸鹽、硫代硫酸鹽等組分的積累會(huì)影響到脫硫液的脫硫效果，所以會(huì)定期地排放脫硫廢液。一部分脫硫廢液去燒結(jié)工段焚燒處理，但是該廢液含有大量的硫膏、脫硫催化劑等物質(zhì)，一方面會(huì)導(dǎo)致尾氣排放的二氧化硫、硫化氫等超標(biāo)，另一方面也會(huì)對(duì)燒結(jié)礦的品質(zhì)產(chǎn)生影響；另一部分脫硫廢液進(jìn)行提鹽處理。這兩種處理都需要先對(duì)脫硫廢液進(jìn)行脫色與過濾處理。工業(yè)廢水中脫硫廢液成分復(fù)雜，并帶有一定色度，單一過濾介質(zhì)過濾器過濾廢水效果欠佳，為此，本文設(shè)計(jì)了一種新型的椰殼狀活性炭與活性陶瓷膜管雙層過濾器。

1 雙層過濾器過濾原理

圖1為椰殼狀活性炭與活性陶瓷膜管雙層過濾器結(jié)構(gòu)示意圖。針對(duì)脫硫廢液中含有硫膏、脫硫催化劑、色度、懸浮物、大量的硫磺粉末等問題，雙層過濾器先采用改性椰殼狀活性炭進(jìn)行吸附大量的顯色基團(tuán)、改善脫硫廢液色度的粗過濾，然后使用陶瓷膜過濾技術(shù)完成分離脫硫廢液中的懸浮物、硫磺粉末以及附帶的細(xì)微活性炭粉末的精過濾，以確保進(jìn)入燒結(jié)的脫硫液不會(huì)對(duì)燒結(jié)工段造成影響，并保證脫硫廢液提鹽工藝的效率，降低對(duì)后期設(shè)備的影響。

雙層過濾器在外壓的作用下，脫硫廢液先經(jīng)過橢圓形封頭頂部8爪式不銹鋼布水器均勻地噴灑在上層活性炭濾層上，經(jīng)過上層安裝的改性椰殼狀活性炭初級(jí)過濾，吸附硫膏、脫硫催化劑、懸浮物等雜質(zhì)；吸附后脫硫液經(jīng)過上花板安裝的不銹鋼水帽流至陶瓷膜管過濾區(qū)域，陶瓷膜管采用立式安裝，不易被廢液中的雜質(zhì)沉淀淤塞濾孔，液體從陶瓷膜過濾管的外部進(jìn)入，通過陶瓷膜過濾管對(duì)雜質(zhì)的吸附、截留進(jìn)而達(dá)到精過濾的效果，大的懸浮物、硫磺粉末、附帶的細(xì)微活性炭粉末被陶瓷膜管擋在外面，這樣更容易達(dá)到固液分離的效果。

N1-b,N1-a,N1-c-人孔；N2-進(jìn)液口；N3-出液口；N4-反沖洗排污口；N5-排污口；N6-濃縮液排出氣口；N7-安全閥口

2 陶瓷膜管安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

雙層過濾器過濾一段時(shí)間后，由于大量懸浮物、粉末等雜質(zhì)附著在陶瓷膜管外壁，導(dǎo)致陶瓷膜管大部分通道被堵塞，過濾器通量大幅度下降，影響了后續(xù)相關(guān)工序，需要對(duì)陶瓷膜管進(jìn)行定期更換，因此陶瓷膜管安裝結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖2為原陶瓷膜管安裝結(jié)構(gòu)。使用該結(jié)構(gòu)安裝陶瓷膜管需要大量時(shí)間注漿環(huán)氧樹脂膠，并且更換陶瓷膜管前，先要將上層活性炭層清理干凈，拆卸壓蓋才能進(jìn)行陶瓷膜管更換，工序比較復(fù)雜。針對(duì)原安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的陶瓷膜管安裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)件下定位圈與下花板為螺紋連接，只需擰緊下定位圈即可使陶瓷膜管達(dá)到密封效果，再將外六角螺母擰緊防止松動(dòng)即安裝了陶瓷膜管，松開外六角螺母與下定位圈可輕松拆卸陶瓷膜管。優(yōu)化后的陶瓷膜管結(jié)構(gòu)可減少陶瓷膜管拆裝工時(shí)，為企業(yè)降低成本提供了新的思路。

1-下花板；2-下定位圈；3，7-環(huán)氧樹脂膠；4-陶瓷膜管；5-圓墊片；6-外六角螺栓；8-上花板；9-壓蓋

1-下花板；2-外六角螺母；3-下定位圈；4，6-圓墊片；5-陶瓷膜管；7-上定位圈；8-上花板

3 過濾器支撐結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1 建立有限元模型及邊界條件設(shè)定

雙層過濾器中有上下兩層花板，每層花板下面有4根10#工字鋼橫向支撐，且花板、工字鋼與筒體內(nèi)壁進(jìn)行焊接固定。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場反饋情況，發(fā)現(xiàn)上花板與筒體內(nèi)壁焊縫發(fā)生過開裂現(xiàn)象，主要是由于上花板承受了活性炭重力與上下水壓壓差，其變形量較下花板更大，支撐周邊焊縫承受應(yīng)力更大，故需要對(duì)上花板進(jìn)行數(shù)值分析，找出問題關(guān)鍵點(diǎn)。

采用SolidWorks與ANSYS Workbench無縫接口技術(shù)，建立陶瓷膜管和瓷砂雙層過濾器上花板的有限元模型，對(duì)上花板結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析。上花板運(yùn)用自由網(wǎng)格劃分方法，設(shè)置網(wǎng)格尺寸為默認(rèn)即可，網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)數(shù)為34 455、單元數(shù)為5 516。設(shè)定材料為Q235B，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.28，材料密度ρ=7 850 kg/m3。

由于上花板結(jié)構(gòu)與過濾器筒體內(nèi)壁焊接固定，故設(shè)定上花板與筒體接觸面為固定約束；雙層過濾器進(jìn)出口管道上安裝了壓差變送器，一般設(shè)定壓差為0.06 MPa，而活性炭對(duì)花板的力可忽略不計(jì)，故對(duì)上花板表面施加0.06 MPa的壓強(qiáng)。劃分網(wǎng)格和加載后的上花板如圖4所示。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

通過有限元分析得出上花板的變形云圖和應(yīng)力云圖，如圖5所示。上花板最大變形量為1.407 6 mm，位于花板中心圓區(qū)域內(nèi)，且整個(gè)上花板受力后呈現(xiàn)向下的球冠形狀；花板最大等效應(yīng)力為107.94 MPa，位于上花板與筒體之間焊縫位置上，且整個(gè)上花板與筒體一圈焊縫所受壓力均比較大。由于長期水壓對(duì)花板不規(guī)則沖壓，加上脫硫廢液對(duì)焊縫的腐蝕作用，最后導(dǎo)致花板焊縫開裂，影響了雙層過濾器的過濾效果，因此需要對(duì)過濾器支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖4 劃分網(wǎng)格和加載后的上花板

圖5 上花板變形云圖和應(yīng)力云圖

4 過濾器支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于花板與筒體之間焊縫所受應(yīng)力值較大，對(duì)過濾器分體式兩層花板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要優(yōu)化為：上下花板之間厚度由原來的24 mm改為20 mm，上下花板之間加4根Φ76×6有縫鋼管支撐，下花板與下封頭之間加4根Φ76×6有縫鋼管支撐，并且將有縫鋼管支撐在工字梁上?；ò鍍?yōu)化前、后對(duì)比如圖6所示，將分體式上下兩層花板優(yōu)化為整體框架式支撐結(jié)構(gòu)，提高了抗壓能力。

圖6 花板優(yōu)化前、后對(duì)比

優(yōu)化過濾器支撐結(jié)構(gòu)后，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析，得到的變形云圖和應(yīng)力云圖如圖7所示?？梢钥吹?，優(yōu)化后整體框架式支撐結(jié)構(gòu)最大變形量為0.515 mm，位于工字梁與筒體內(nèi)壁中間部分；整體框架式支撐結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力為85.56 MPa，位于支撐鋼管上。優(yōu)化后花板與筒體之間焊縫所要承受應(yīng)力大大降低，優(yōu)化效果非常明顯，優(yōu)化前、后數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。

圖7 優(yōu)化后整體框架式支撐結(jié)構(gòu)變形云圖和應(yīng)力云圖

從表1可以看出：優(yōu)化后花板最大總變形減少0.892 6 mm，降低了63%左右；最大應(yīng)力由107.94 MPa變?yōu)?5.56 MPa，降低了21%左右。優(yōu)化后緩解了花板與筒體之間焊縫抗壓能力，并且整體質(zhì)量也有一定降低，減少了過濾器制造企業(yè)原材料成本。

表1 花板優(yōu)化前、后數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)語

針對(duì)脫硫廢液需要進(jìn)行進(jìn)一步過濾處理，設(shè)計(jì)了改性椰殼狀活性炭與陶瓷膜管雙層過濾器，使得脫硫廢液先經(jīng)過活性炭過濾層對(duì)脫硫廢液進(jìn)行脫色、吸附粗過濾，再從陶瓷膜管外部滲入內(nèi)部對(duì)脫硫廢液進(jìn)行精過濾，使得雙層過濾器設(shè)備集成化，提高了過濾效果，減少了設(shè)備占地面積。

為了方便定期更換陶瓷膜管，對(duì)陶瓷膜管安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將環(huán)氧樹脂膠密封方式變更為螺栓加軟密封結(jié)構(gòu)，從而可減少陶瓷膜管拆裝工時(shí)，為企業(yè)降低成本提供了新的思路。