大型攪拌反應器旁路擋板的設計

段晉海 吳 亮 卜 凡

（華陸工程科技有限責任公司）

攪拌設備由攪拌裝置和攪拌容器兩部分組成［1］。攪拌設備在工業生產中應用廣泛，尤其是在化學工業中，攪拌操作作為化工工藝過程中最常見的操作單元被廣泛應用在化工反應設備中。據不完全統計，攪拌設備作為反應器約占反應器總數的80%以上，隨著化工裝置規模的不斷擴大，攪拌設備也朝著大型化方向發展。相應帶來的是攪拌裝置的能力越來越大，攪拌形式的選擇越來越復雜。從而造成對攪拌容器中配置的攪拌附件影響也越來越大，旁路擋板作為最常用的附件之一，主要是為了消除在湍流狀態時槽中央的“圓柱狀回轉區”而增設的［2］。它特別適用于徑流型槳葉在湍流區的操作，可以提高槳葉的剪切性能。所以擋板的合理設計是攪拌設備設計的一個重要方面。

筆者結合某丁辛醇項目中大型羰基合成反應器攪拌器擋板的設計實例，進行受力分析，提出計算方法，使之從強度、穩定性及疲勞等方面滿足設計要求。

1 設備簡介

羰基合成反應器是丁辛醇裝置中最重要的核心設備，它主要是利用羰基合成方法使原料氣在催化劑的作用下生成醛的反應過程，該反應過程需要通過攪拌操作來實現。所以該類型設備在其內部設置有攪拌器。某丁辛醇項目中大型羰基合成反應器及其內部攪拌器附件的幾何尺寸如圖1所示。

圖1 反應器及內部攪拌器附件幾何尺寸

設計參數如下：

反應器直徑D 4 900mm

攪拌器功率P 220kW

攪拌槳轉速N 107r/min擋板數量n 4

擋板寬度B 400mm

擋板離殼壁的距離C 650mm

擋板支撐點之間的距離L 2 600mm

擋板固定點數s 5

設計溫度下擋板材料許用應力［σ］ 107MPa

2 擋板強度計算

由于擋板在攪拌過程中受到攪拌力矩的作用，產生對擋板的推力，因此必須進行強度計算，即擋板的厚度計算，根據對攪拌器擋板的受力分析，可以把擋板等效成受均布載荷的幾段簡支梁［3］，其橫截面如圖2所示。

圖2 擋板橫截面

3 擋板撓度校核

4 擋板疲勞校核

攪拌器的旋轉帶動容器內介質產生周向運動，這種周向運動轉化成靜壓力作用在擋板上，從而在擋板上產生彎曲應力。隨著攪拌器槳葉的旋轉，槳葉與擋板間的距離發生周期性變化，槳葉對擋板的外力也就發生周期性變化。使得擋板上產生的彎曲應力也發生周期性變化。因此，擋板在設計壽命下的疲勞計算就十分有必要了。根據攪拌器供貨商所提供的數據可以得出，介質對擋板的推力當量到整個擋板上的均布載荷為±0.8kPa，筆者以此兩種典型工況（工況1，旁路擋板載荷0.8kPa，設計溫度220℃；工況2，旁路擋板載荷-0.8kPa，設計溫度220℃）來探討攪拌器擋板及其支撐件在循環載荷下的應力狀況。

4.1 有限元模型及邊界條件

考慮到擋板結構的對稱性，取1/4模型進行實體建模，整體和局部模型如圖3所示。

圖3 擋板幾何模型

擋板及其連接件的材料均為S30403，材料的彈性模量E=206GPa，泊松比為0.3；模型選用Solid186單元進行網格劃分，劃分情況如圖4所示。

圖4 模型網格劃分

4.2 載荷和約束

4.2.1 載荷

依據攪拌器供貨商提供的旁路擋板載荷，針對疲勞性能，對擋板表面兩種工況分別施加均布載荷±0.8kPa。該反應器內旁路擋板外側設有加熱盤管，所有結構件考慮自身重力。將盤管及其內部介質產生的重量等效并均勻分布于盤管架槽鋼上，等效后的槽鋼密度為500 000kg/m3。

4.2.2 約束條件

在筒體對稱面上施加對稱約束，筒體下端施加全約束，上端施加軸向約束，盤管架槽鋼下端面施加環向約束。載荷和約束如圖5所示。

圖5 載荷和約束示意圖

經計算后，不同工況下的應力強度分布如圖6所示。

圖6 不同工況下的應力強度分布

將±0.8kPa做工況相減后，應力強度云圖如圖7所示。

圖7 工況相減后應力強度分布

4.3 疲勞強度分析

由JB 4732—1995（2005年確認）《鋼制壓力容器——分析設計標準》附錄C的圖C-3曲線C查得，該交變應力幅值對應的許用循環次數N=4268949次，根據攪拌器供貨商提供的參數（每分鐘循環次數為321）可知總循環次數N=（321×60×24×365×20）=3.4×109次，所以該疲勞次數不能滿足設計要求。

4.4 斜支撐對擋板疲勞性能影響

工程中為保證擋板的疲勞壽命，設計時在關鍵承載連接槽鋼處增加斜支撐，下面進一步研究斜支撐對擋板結構疲勞壽命的影響，增加斜支撐后擋板的整體和局部模型如圖8所示。

圖8 增加斜支撐后的模型

載荷和約束與原分析相同，經過計算，其工況相減后應力強度結果如圖9所示。

圖9 增加斜支撐后工況相減后應力強度分布

由JB 4732—1995（2005年確認）附錄C的圖C-3曲線C查得［6］，該交變應力幅值對應的許用循環次數大于1010次，滿足設計要求。與無斜支撐計算結果對比可知，增加斜支撐后應力水平降低31.98%，疲勞壽命顯著提高。因此，斜支撐對擋板結構疲勞壽命有增加作用。

5 結束語

隨著化工裝置的大型化，帶有攪拌裝置的大型反應器中攪拌器旁路擋板的受力越來越復雜，簡單的擋板設計不能滿足需要。在設計上必須充分考慮流體作用力對擋板的影響，為了避免擋板失效，不僅要保證其強度和剛度，必要時還要根據攪拌器的各種參數對旁路擋板進行壽命周期內的疲勞分析。筆者為旁路擋板的設計提供了參考，便于大家在設計中借鑒，不妥之處還懇請指正。