新型多晶硅活性炭吸附器應力分析與疲勞分析

徐雪倩， 石 濤， 汪紹芬

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 引言

在改良西門子法生產多晶硅的過程中，多采用干法回收工藝處理還原尾氣[1]。該工藝主要是利用還原尾氣中氯硅烷、氯化氫、氫氣等組分物理、化學性質的差異，通過淋洗、加壓冷凝、吸收、脫吸、活性炭吸附等方法，將上述組分分離并去除雜質，實現還原尾氣各組分的回收利用。

而活性炭吸附器是還原尾氣干法回收工藝的核心設備，它主要是利用活性炭在低溫高壓的條件下能吸附回收氫氣中的雜質，待吸附飽和后，還可在高溫低壓的條件下，通過氫氣吹掃的方式實現再生的性能，使回收氫氣的純度得到提高[2]。

活性炭再生的徹底性直接關系到回收氫氣的純度，而活性炭吸附器的結構型式又直接影響其內部溫度場的分布，進而影響活性炭吸附與再生的效果。目前，國內多晶硅廠多采用盤管結構的吸附器，該結構在中小直徑時傳熱效果較好。而本文介紹了一種在大直徑時也能保持良好傳熱效果的新型活性炭吸附器，并通過有限元數值模擬的方式對其進行了應力分析與疲勞分析，驗證了設備結構的可靠性。

1 結構與工作原理

某工程采用的新型活性炭吸附器的結構如圖1所示，設計條件見表1。吸附器內盛裝有椰殼活性炭，氫氣通過下進上出的方式實現與活性炭的充分接觸。此外，吸附器還設置了內部套管與外部盤管的結構，交替通入高溫水或冷卻水，從而實現升溫與降溫的工藝過程。其中，內部套管采用正方形布置方式，目的是讓活性炭受熱或降溫更為均勻，從而保證吸附和再生的效果。

圖1 吸附器結構

表1 吸附器設計條件

吸附器的工作過程分為吸附、脫附和再生三個階段，各階段均耗時8小時，24小時為一完整循環，循環過程中溫度與壓力的變化情況見圖2。

圖2 吸附器工作過程

由上可知，該吸附器結構較為復雜，尤其是下封頭部分，由于布管較多，常規設計計算較為困難，而吸附器內的溫度和壓力又隨時間呈周期性變化，是典型的疲勞設備，故本文采用了有限元數值模擬的方法校核其應力強度與疲勞強度[3]。

2 有限元模型

2.1 幾何模型與網格劃分

利用對稱性建立吸附器的1/4幾何模型并對其作了如下簡化：

(1)忽略夾套冷卻水進出口等小直徑接管；(2)取消內套管，外套管僅建出1/3長度；(3)半管由螺旋上升簡化為等距排列；(4)裙座簡化為開有引出孔的圓筒；(5)取消套管底部匯總管路。

選用六面體實體單元SOLID185對模型進行網格劃分，簡化后的幾何模型與網格劃分結果見圖3。

圖3 吸附器幾何模型與網格

2.2 載荷與邊界條件

由于吸附器內的溫度和壓力隨時間交叉變化，為得到循環過程中可能出現的最危險工況及最大交變應力強度幅，本文除設計工況外，還選取了圖2中所示的A/B/C/D1/D2/E六種操作工況進行分析。

由于操作工況需考慮熱應力的影響，因此要先根據介質的溫度條件對吸附器進行熱分析，然后將所得溫度場作為熱載荷，連同機械載荷一起施加到吸附器上進行計算。

所有工況除按表1和圖2施加溫度與壓力載荷外，應力分析時還需在各管口法蘭端面施加壓力等效載荷，在外套管下端面施加未建模的內套管、部分外套管、底部匯總管路及水的重力等效載荷，在下封頭內表面施加吸附劑的重力等效載荷。除單獨的熱分析外，其余分析均需在裙座底面施加軸向與環向位移約束，在對稱面上施加對稱約束。

3 應力分析

設計工況的應力強度云圖見圖4。經分析與評定，操作工況B為六種操作工況中的最危險工況，考慮到篇幅有限，本文僅展示操作工況B的應力強度云圖(見圖5)。

圖4 設計工況應力強度云圖與應力評定路徑位置

圖5 操作工況B應力強度云圖與應力評定路徑位置

對同時存在熱應力和機械應力的結構進行應力評定時，在同一評定位置，需從設計工況中提取僅與一次應力相關的應力強度SⅠ、SⅡ、SⅢ，同時從操作工況中僅提取與二次應力相關的應力強度SⅣ。因此，選取應力評定路徑時需要同時考察設計工況和操作工況下可能產生應力最大值的位置，從而保證應力評定的全面性與準確性。

其中SⅠ—一次總體薄膜應力強度，MPa；

SⅡ—一次局部薄膜應力強度，MPa；

SⅢ—一次薄膜加一次彎曲應力強度，MPa；

SⅣ—一次加二次應力強度，MPa。

將選取的設計工況與操作工況B下的應力評定路徑進行線性化處理，并按JB4732-1995[4]規定的評定準則進行應力強度評定，評定結果詳見表2(考慮到篇幅有限，此處僅列出下封頭與接管連接處應力水平較高的幾處路徑，路徑截面位置見圖4與圖5，每個截面均含ABC三條路徑，A沿角焊縫方向，B沿封頭厚度方向，C沿接管厚度方向，設備其他部位亦進行了應力評定，結果均為合格)，從表中可知本吸附器應力強度校核合格。

表2 吸附器應力強度評定結果

表中K—載荷組合系數，取K=1.0

4 疲勞分析

本節通過計算吸附器在正常操作循環和開停工循環中產生的累積損傷系數U來評定其疲勞強度。

4.1 正常操作循環

將六種操作工況的應力強度結果兩兩相減，可知循環過程中的最大交變應力強度幅出現在操作工況B- 操作工況D2中，且為：

Salt1=0.5×602.35=301.175 MPa

考慮材料彈性模量后：

式中E—設計疲勞曲線中給定的材料彈性模量，MPa；

Et—所用材料彈性模量，MPa；

n1—預計循環次數；

N1—允許循環次數；

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Salt1—交變應力強度幅，MPa；

由JB 4732-1995中表C- 1中公式計算可得允許循環次數N1=5 064，而預計循環次數n1=365×10=3 650。

操作工況B- 操作工況D2得到的應力強度云圖如圖6所示，最大值出現在最外側外套管與下封頭的連接處。

圖6 操作工況B- 操作工況D2應力強度云圖

4.2 開停工循環

以最危險的操作工況B作為開工工況，由圖5可知此時的交變應力強度幅。

Salt2=0.5×449.02=224.51 MPa

考慮材料彈性模量后：

式中n2—預計循環次數；

N2—允許循環次數；

Salt2—交變應力強度幅，MPa；

由JB 4732-1995中表C- 1中公式計算可得允許循環次數N2=12 463，而預計循環次數n2=10(按一年一次大修考慮)。

4.3 累計損傷系數U

式中U—累積損傷系數；

U1、U2—各循環損傷系數。

故本吸附器疲勞強度校核合格。

5 結論

本文介紹了一種用于多晶硅還原尾氣干法回收工藝的新型活性炭吸附器，考慮到其結構的特殊性和工作過程的復雜性，利用ANSYS Workbench建立了1/4模型進行應力分析與疲勞分析。

從前述應力分析和疲勞分析結果可知：各類應力強度均小于其許用極限，且累積損傷系數U≤1.0，故本吸附器的應力強度與疲勞強度均滿足JB4732-1995的要求。本文可為多晶硅活性炭吸附器或其他疲勞設備的設計與分析提供參考。