CO2再生塔導流筒結構的數值模擬優化設計

劉 穎

（中國石油大慶石化公司機械廠，黑龍江大慶163714）

機械與設備

CO2再生塔導流筒結構的數值模擬優化設計

劉 穎

（中國石油大慶石化公司機械廠，黑龍江大慶163714）

通過對合成氨裝置CO2再生塔導流筒的損壞形態進行分析，確立導流筒的固體計算區域和流體計算區域，建立了幾何模型和數值模型；采用ALE方法，建立了導流筒雙向耦合計算模型。按照生產中的物性參數定義流動介質屬性，確定合適的邊界條件，得出導流筒內流體速度場的分布，并確定了導流筒結構破壞因素，完成了導流筒結構的優化設計。

CO2再生塔；導流筒；仿真分析；結構優化

某合成氨裝置CO2再生塔高度50 m，內徑4267 mm，頂部進液管線規格Φ508×5.54 mm，碳酸鉀富液介質沿設備切線方向進入塔內，流量范圍為1 554～1 500 m3/h，塔內部設有環形導流筒，與塔體固定，材質為304L。

該塔頂部導流筒進液口附近部位頻繁損壞，每次檢修后，運行壽命均不足12個月。導流筒損壞部位在進液管口正對的方位，該處介質沖擊力最大，導致立板和上部蓋板撕裂損壞，造成導流筒內部的降液管斷裂，以及頂部除沫網損壞［1～3］。

1 數值模擬及仿真分析

1.1 建立模型結構

根據實際結構建立模型，導流筒采用米字型支撐，局部增厚為10 mm，剩余厚度為6 mm；導流筒內徑為3 231 mm，厚度10 mm，高1 270 mm；，塔壁內直徑為4 087 mm，壁厚為60 mm；垂直高度為2 400 mm；富液進口內直徑497 mm。進口條件設置為速度進口，進口水力直徑為497 mm；出口采用壓力出口，出口壓力為0.02 MPa（塔內壓力）。

開孔板孔徑大小為100 mm，孔間的距離為100 mm，分割方式為孔板中間分割，采用加強筋進行固定，支撐板厚度8 mm。導流筒與塔壁的連接圓管連接，在模中顯示為表面印記對其進行固定。

1.2 數值模擬結果分析

1.2.1 壓力分析 通過觀察塔壁、導流筒以及開孔板上的壓力云圖，能夠了解到流體壓力在結構上的發展變化，同時能夠觀察出壓力最大位置及最大變化梯度位置。對于結構的合理性能夠做出初步的判斷。塔壁的整體壓力云圖見圖1。

從圖1可以看出，帶孔板結構的流體流動狀態比較穩定，在塔壁上面的壓力分布比較均勻，并且改善了壓力變化趨勢，使之緩和。

導流筒的壓力分布得到很好地改善，從云圖的分布色調可以看出，對于導流筒最大作用力有所減小，壓力變化梯度較弱，變化區域有所減小。

圖1 塔壁的整體壓力云圖

1.2.2 速度分析 流體的速度云圖顯示增加孔板結構有效的降低了最大速度區域范圍，靠近進口處孔板位置處存在較明顯的速度梯度變化，即損壞位置所在。

流體速度流線圖顯示開孔板很好的將流體分散開，使其更均勻的沖擊到開孔板上。具體速度數值見表1。

表1 各部位速度

表1顯示了3種結構下的最大速度數值，根據數值的特點，得出增加孔板結構時最大流動速度增加但不大，最大速度位置有所減小，減小了對導流筒及塔壁的沖刷作用，對于開孔板的沖擊作用是非常大的，因此采用了3根支撐板進行支撐。

增加孔板使得進口部位速度擾動增大，各個方向均有流體流動則對于結構的沖擊作用就會減弱，一部分流體速度之間會發生抵消［4］。

1.2.3 湍流動能及耗散率 導流筒湍流動能分布見圖2。

從圖2可以看出，新結構導流筒上的流體流動狀態明顯比原模型色配比分布均勻，說明新結構起到均布流體流動狀態，減小湍流分布梯度。進管口截面湍流動能分布，進口截面湍流動能圖顯示，流體在整體流動過程中形式趨于緩和，動能變化梯度減小，流體流動較穩定。

新結構的湍流動能耗散濾分布比較均勻，變化梯度比較小。達到了優化的效果。通過孔板湍流動能及耗散率云圖，可以看出在進管口處孔板上湍流動能及耗散率比較大，成功的分擔了導流筒所受到的流體擾動，使活躍層轉移到孔板表面，從而達到保護導流筒的目的。

1.3 固體應力分析

1.3.1 固體變形分析 固體變形云圖見圖3。

從圖3可知在在導流筒底部與塔壁連接位置處的變形最大，在模擬中通過變形檢測探針得知，最大變形位置位于導流筒與進口相對位置處。進口流體對孔板及導流筒的沖擊造成的變形比較小，說明板的強度及剛度均達到設計要求。

1.3.2 導流筒應力分布圖見圖4。

由圖4可知，受力較大的部位在導流筒底部與塔壁連接位置和米字型支撐位置處。孔板及被沖擊導流筒則受力較小，說明此結構傳遞力的效果比較理想。同時證明孔板結構設計比較合理有效。固體在正常工作過程中所受到的最大、最小應力比較穩定沒有出現比較明顯的波動。最大應力值為78 MPa。在鋼304 L許用應力之內，達到設計要求［5］。

圖2 導流筒湍流動能分布

圖3 固體變形情況

圖4 導流筒應力分布

2 結論

通過對合成氨裝置CO2再生塔導流筒的損壞形態進行考察分析，建立三維幾何模型，并根據模型，按照生產中的物性參數定義流動介質屬性，確定合適的邊界條件，開展仿真分析，最終確定合理的導流筒結構優化設計方案。2015年7月設備檢修期間，按此方案施工后，裝置已安全平穩運行23月，再生塔設備各項指標運行正常。

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［2］仇亞萍，黃俐軍，馮立飛.基于ANSYS的有限元網格劃分方法［J］.機械管理開發，2007（6）：76-77.

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Numerical simulation and optimization design of draft tube structure in CO2regeneration tower

LiuYing
（Machinery Factery of Daqing Petrochemical Company，Daqing 163714，China）

Through the analysis to the damage form of the draft tube of CO2regeneration tower in synthetic ammonia plant,the solid computational domain and the fluid computational domain were established,and the geometric model and the numerical model were built;the ALE method was used,and the bidirectional coupling calculation model of the draft tube was built.The flow media property was defined according to physical property parameters,proper boundary conditions were confirmed,the distribution of fluid velocity field in the draft tube was obtained,and the damage factors of the draft tube structure was determined,and the optimization design of the draft tube structure was completed.

CO2regeneration tower;draft tube;simulation analysis;structure optimization

TQ440.5

B

1671-4962（2017）05-0041-03

2017-02-02

劉穎，女，工程師，碩士研究生，2007年畢業于大慶石油學院機械設計專業，現從事化工設備設計研究工作。