包春鳳 李瑜哲 周幗彥

（1.上?；ぱ芯吭河邢薰荆?.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院）

填料塔是石油、化工、醫(yī)藥及環(huán)保等行業(yè)重要的傳質(zhì)與分離設(shè)備。 規(guī)整填料塔的主要塔內(nèi)件包括高效規(guī)整填料、填料支撐裝置、氣體或液體收集/再分布裝置。 其中，填料支撐裝置的主要作用是支撐填料層及其所持液體重量，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度滿足要求，還要求其阻力小，氣液能順利通過且分布均勻，同時(shí)還要結(jié)構(gòu)簡單，便于制造和安裝［1］。 目前，廣泛應(yīng)用的規(guī)整填料支撐裝置類型主要包括柵板型、 柵梁型等。 支撐裝置一般放置于塔壁的塔圈上，或者放置并焊接在塔壁的支座上［2，3］。 但對(duì)部分條件復(fù)雜、物料具有強(qiáng)腐蝕性的工況，例如含氯或氟的腐蝕工況，填料塔塔體常采用板襯、模壓、噴涂四氟類材料或采用內(nèi)襯搪瓷的方式防止腐蝕發(fā)生。這種情況下，由于加工工藝的特殊性，在塔內(nèi)壁設(shè)置塔圈或支座難度大，連接處強(qiáng)度薄弱，易拉脫或爆瓷。 而且在這種高溫含氯或氟的腐蝕工況下， 塔內(nèi)件通常選擇石墨類非金屬或鎳基合金、鈦合金等特材，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難，加工性能差，造價(jià)昂貴。 因此，選擇合適的支撐裝置材料，避免物料腐蝕，并設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)，解決填料支撐裝置在塔內(nèi)的支承固定，已成為當(dāng)前實(shí)際工程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題。

在此，筆者討論了120 ℃下含氯介質(zhì)的塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其選材問題，通過查閱和參考相關(guān)文獻(xiàn)，選擇合適的材料，設(shè)計(jì)并制造了適用于規(guī)整填料塔的耐腐蝕填料支撐裝置，并對(duì)其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行有限元模擬研究，以驗(yàn)證該裝置是否滿足要求。

1 耐腐蝕支撐裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 材料選擇

化工行業(yè)往往工況復(fù)雜，介質(zhì)的溫度、壓力及腐蝕性等對(duì)設(shè)備的選材有嚴(yán)苛的要求。 隨著材料的發(fā)展和加工技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)備主體材料往往選型難度不大。 根據(jù)腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊(cè)，不銹鋼可耐普通酸堿介質(zhì)腐蝕，鈦、鎳、鉭及鋯等金屬及其合金對(duì)強(qiáng)腐蝕工況效果較好，但造價(jià)高且加工難度大，因此往往會(huì)采用耐腐蝕的非金屬材料代替［4］。

本研究體系中存在氯離子腐蝕， 溫度約為120 ℃，主體設(shè)備采用碳鋼模壓襯PTFE 的方式，填料采用陶瓷CY700 型規(guī)整填料，重量約為相同型號(hào)普通金屬絲網(wǎng)填料的2.3 倍。因此，填料支撐裝置選材時(shí)既要考慮耐腐蝕性，也要滿足強(qiáng)度和剛度要求，同時(shí)還要加工性能好，造價(jià)適宜。 綜上要求，填料支撐裝置的合適選材方案為：純四氟或不銹鋼作為支撐骨架，外層噴涂四氟防腐層。

1.2 設(shè)計(jì)和制造

由于塔內(nèi)壁模壓襯PTFE， 無法加工塔圈或支座，所以填料支撐裝置采用夾持法蘭的方式固定。 底板為圓環(huán)狀，中間為氣相通道，為盡可能降低氣相阻力，環(huán)形底板寬度與法蘭密封面尺寸相關(guān)，以略寬于法蘭墊片50 mm 左右為佳。 對(duì)于設(shè)置槽盤式分布器的塔節(jié)，填料支撐裝置可與分布器共用底板， 直接將支撐條焊接于分布器底板上，形成一體化結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。 通道四周均勻分布數(shù)個(gè)支撐條，具體數(shù)量以滿足支撐強(qiáng)度要求和便于中間分布器噴涂加工為宜，支撐條高度滿足分布器布置即可； 支撐條上端焊接?xùn)虐逍椭危?規(guī)整填料直接安裝于柵板上方。 設(shè)計(jì)直徑400 mm 的填料支撐裝置，支撐骨架采用厚度為3 mm 的不銹鋼板條焊接加工， 然后進(jìn)行四氟噴涂，涂層厚度0.1 mm 左右。

圖1 填料支撐裝置和槽盤分布器一體化結(jié)構(gòu)

2 有限元模擬

采用ANSYS Workbench 軟件對(duì)設(shè)計(jì)的填料支撐裝置進(jìn)行有限元模擬，分析其強(qiáng)度和剛度是否滿足使用要求， 并與純PTFE 材料填料支撐裝置進(jìn)行對(duì)比。

2.1 幾何模型

由于填料支撐裝置的強(qiáng)度和剛度主要由內(nèi)部骨架來提供，與外涂層無關(guān)，因此幾何模型主要對(duì)不銹鋼骨架部分建模（圖2）。 采用純PTFE材料設(shè)計(jì)的填料支撐，無需考慮噴涂，為加強(qiáng)支撐強(qiáng)度，支撐條改為圓桶狀，厚度6 mm。

圖2 兩種材料的填料支撐裝置幾何模型

模型基本參數(shù)如下：

2.2 材料性能參數(shù)

柵板材料在設(shè)計(jì)溫度120 ℃下的性能參數(shù)見表1。 考慮到溫度對(duì)PTFE 強(qiáng)度和剛度的影響較大，其值按照常溫下數(shù)值的80%取值。

表1 兩種材料的性能參數(shù)

2.3 載荷與邊界條件

塔體的載荷主要包括溫度、 自重和填料濕重，支撐裝置位于塔內(nèi)部，工作壓力為常壓。 精餾塔設(shè)計(jì)溫度為120 ℃， 模擬時(shí)整體施加溫度場(chǎng)，溫度按照設(shè)計(jì)溫度取值；自重通過施加重力場(chǎng)實(shí)現(xiàn)，重力加速度取值為9.8 N/kg，填料濕重轉(zhuǎn)化為均布載荷并施加在填料支撐裝置的上表面［5］；填料選用板波紋陶瓷規(guī)整填料，型號(hào)為700Y，填料持液量按照填料體積的7%計(jì)算［6］，填料濕重約850 kg/m3?？紤]到液體收集再分布的需要，填料高度每隔3 m 設(shè)置一個(gè)收集再分布器和填料支撐裝置， 因此直徑400 mm 的規(guī)整填料塔的支撐載荷為3 000 N。

位移邊界條件主要考慮填料支撐裝置底板夾持在塔節(jié)法蘭之間，因此接觸面垂直法蘭密封面方向位移設(shè)置為0。

3 結(jié)果分析

3.1 強(qiáng)度和剛度分析

圖3 為DN400 mm 填料塔內(nèi)兩種材料的填料支撐裝置在壓力和溫度載荷共同作用下的等效應(yīng)力云圖。 由圖3 可以看出，不銹鋼材料的填料支撐最大等效應(yīng)力值為26.452 MPa，出現(xiàn)在支撐條與底板連接處， 該值小于材料的許用應(yīng)力值，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。 PTFE 材料的填料支撐最大等效應(yīng)力值為20.094 MPa，出現(xiàn)在柵條和柵板圈連接的位置， 該值超過了材料的許用應(yīng)力值，強(qiáng)度無法滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 兩種材料的填料支撐裝置等效應(yīng)力云圖

圖4 為兩種材料的填料支撐裝置在載荷作用下的總位移云圖。 由圖4 可以看出，位移主要發(fā)生在受力方向，不銹鋼材料的填料支撐的最大位移為0.407 mm，PTFE 材料的填料支撐的最大位移為20.887 mm。因此，不銹鋼材料填料支撐滿足強(qiáng)度和剛度要求，PTFE 材料填料支撐強(qiáng)度和剛度均無法滿足設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)一步增加支撐材料的厚度。

圖4 兩種材料的填料支撐裝置總位移云圖

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

為了使純PTFE 材料的填料支撐的強(qiáng)度和剛度滿足要求， 將PTFE 材料的厚度從6 mm 增加至12、16 mm，再次進(jìn)行有限元模擬，模擬結(jié)果如圖5、6 所示。 從圖5、6 可以看出，當(dāng)PTFE 材料的厚度增加到16 mm 時(shí)， 最大等效應(yīng)力為6.015 MPa，出現(xiàn)在柵條和柵板圈連接的位置，該值小于材料許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，同時(shí)最大位移約為3.655 mm， 滿足強(qiáng)度和剛度要求。 然而，當(dāng)PTFE 材料的填料支撐裝置厚度增加到16 mm時(shí)，重量接近不銹鋼，材料成本將高出兩倍，且加工難度大，制造成本高，經(jīng)濟(jì)性變差。

圖5 12 mm 厚PTFE 材料的填料支撐裝置有限元模擬結(jié)果

圖6 16 mm 厚PTFE 材料的填料支撐裝置有限元模擬結(jié)果

4 結(jié)束語

綜上所述，采用不銹鋼材料做骨架，厚度為6 mm 時(shí)， 完全滿足填料支撐所需的強(qiáng)度和剛度要求，經(jīng)濟(jì)性比純四氟材料好。

將設(shè)計(jì)的填料支撐裝置應(yīng)用于某氟化工產(chǎn)品精制項(xiàng)目中， 物料中含有少量氯氣和鹽酸，精餾塔操作溫度120 ℃，填料支撐裝置與槽盤式分布器做成一體化結(jié)構(gòu)， 外層噴涂進(jìn)口四氟粉料，安裝時(shí)底板夾持于塔節(jié)法蘭之間。 穩(wěn)定運(yùn)行半年后，拆開塔節(jié)查看塔內(nèi)件腐蝕和變形情況，發(fā)現(xiàn)填料支撐裝置基本沒有變形和腐蝕發(fā)生，滿足腐蝕工況下規(guī)整填料的填料支撐需求。