基于有限元法的二甲苯吸附塔底封头补强设计及应力分析.pdf

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1、第43卷第1期化工机械67基于有限元法的二甲苯吸附塔底封头补强设计及应力分析郜杰+耿鲁阳巩建鸣(南京工业大学机械与动力工程学院)摘要利用ABAQUS分析软件建立了二甲苯吸附塔整体的三维有限元模型，分析了扩能改造后吸附塔在操作工况下的整体应力分布，发现底部封头局部应力过高，易发生强度失效。因此。提出在底部封头与中心管连接的支撑区域外壁加设环形补强板进行补强，并通过有限元分析对比了不同厚度补强板的补强效果。结果表明：采用的补强板结构能有效减小底部封头应力水平，应力分布得到改善，备部分应力强度评定均合格，为二甲笨吸附塔的工程改造提供了依据。关键词二甲苯吸附塔扩能改造有限元法补强设计应力分析中图分类

2、号TQ053．5文献标识码A文章编号0254．6094(2016)01_0067旬6对二甲苯(PX)是用途广泛的重要有机化工原料，主要用于生产精对苯二甲酸(PTA)、医药及香料等¨’21。吸附塔是二甲苯吸附分离单元装置中的核心设备，具有体积庞大、单塔切线高及结构复杂等特点∞’4。。某石化企业为满足Px市场需求，在降低投入成本的前提下，充分利用原有的吸附塔，采用美国环球油品公司(uop)开发的parex专利技术对现有PX装置进行扩能改造¨]。由于改造后塔内吸附剂质量增加，塔内介质流量增大，稳态运行过程中，吸附塔内负载增大，导致吸附塔承载能力削弱，尤其是底部封头轴向静载荷增加，应力水平提高，成为

3、可能导致设备失效破坏的关键部位。笔者采用ABAQUS有限元软件，建立吸附塔实体模型，分析改造后操作工况下吸附塔整体结构的应力分布情况，对可能失效的区域提出相应的改造方案，根据文献[6]的要求对危险部位进行应力强度评定。1有限元模型1．1几何模型图l为吸附塔整体结构筒图，单个吸附塔主要由顶封头、底封头、简体、裙座、中心管、中心管裙座、分配器及支撑圈等组成。全塔高约24m，筒体内径6m，中间由中心管贯穿全塔并通过中心管裙座与底封头内表面连接，筒体内壁和中心管外壁分别设有内外环形支撑圈用以支撑格栅，吸附塔被13层格栅分成12个床层吸附室。操作工况下，塔内介质载荷通过内支撑圈、筒体和外支撑圈、中心管

4、分别传递到到底封头的直边和支撑区。图2为吸附塔管口方位图，塔体主要结构尺寸参数为：简体内径6000mm、筒体及封头壁厚34mm、厂—＼目、I-＼自_●]．、一。●]一1_r～巳]一——————～∑乏一——、一一淀；[暖}＼J出口斗+郜杰，男，1989年10月生，硕士研究生。江苏省南京市，211800。图1吸附塔结构简图圈68化工机械2016年裙座壁厚16mm、中心管内径850mm、中心管壁厚30mm。该吸附塔工作温度为200℃左右，模型计算时所用材料在200。C的力学性能参数见表1l卜。限人扎氐封失人孔图2吸附塔管口方位图表1吸附塔材料200。C力学性能参数1．2有限元模型与网格划分考虑到底

5、封头人孑L和裙座人孑L使吸附塔结构几何形状为非轴对称结构，因此采用整体结构作为研究对象建立三维实体模型。笔者重点考察底封头和中心管裙座结构不连续部位的应力场分布，为方便建模，对模型作以下简化：忽略塔内外各支管及角钢等对简体结构的影响；将每层栅板等效为一块整体环型钢板；基于等质量原则，简化中心管分配箱结构。考虑到模型较大，为提高计算精度，对底封头、中心管裙座及其连接处作了细化网格处理，减小单元尺寸，使网格尽量密集。在远离结构不连续区域，适当加大网格尺寸以减少计算量。分析采用C3D8R单元(三维八节点六面体线性减缩积分单元)，其余结构复杂部分采用c3D6单元(三维六节点四面体线性单元)，整个模型

6、共划分1072680个单元、1473347个节点。图3为沿着吸附塔轴线的有限元模型剖视图。图3有F&-TL模型网格划分1．3边界条件在与地基接触的吸附塔裙座底部施加完全固支约束，限制塔体部分各个方向的移动和转动。有限元模型的边界条件和加载情况如图4所示。笔者将介质的质量视为静载荷，不考虑液体流动对吸附塔的影响。吸附塔扩能后，在操作工况下，塔内分配箱、栅板和支撑圈的负载合计523．000t，液体介质质量247．515t，其中底层格栅与底封头之间液体介质质量24．270t；每层床层之间存在32kPa的压差。为了使载荷边界条件与实际工况相接近，将底层格栅与底封头之间的液体质量载荷按照静水压力加载方

7、式施加在底封头内表面上；将其余负载均匀分布给各层格栅的等效环板上表面，等效环板面积为27．4mm2。因此包图4边界条件和加载情况第43卷第1期化工机械69括床层压差在内，每层等效环板上表面施加竖直向下的均布压力0．053MPa；塔体自重通过给定单元材料密度和重力加速度来施加，重力加速度g=10m／s2。2总体分析笔者采用最大剪应力理论作为失效判据，图5给出了吸附塔在扩能后操作工况下的主要结构Tresca应力分