規整填料塔專用耐腐蝕支撐裝置結構設計及有限元模擬

包春鳳 李瑜哲 周幗彥

（1.上海化工研究院有限公司；2.華東理工大學機械與動力工程學院）

填料塔是石油、化工、醫藥及環保等行業重要的傳質與分離設備。 規整填料塔的主要塔內件包括高效規整填料、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，設計時不僅要保證結構的強度和剛度滿足要求，還要求其阻力小，氣液能順利通過且分布均勻，同時還要結構簡單，便于制造和安裝［1］。 目前，廣泛應用的規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］。 但對部分條件復雜、物料具有強腐蝕性的工況，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襯搪瓷的方式防止腐蝕發生。這種情況下，由于加工工藝的特殊性，在塔內壁設置塔圈或支座難度大，連接處強度薄弱，易拉脫或爆瓷。 而且在這種高溫含氯或氟的腐蝕工況下， 塔內件通常選擇石墨類非金屬或鎳基合金、鈦合金等特材，導致其結構設計困難，加工性能差，造價昂貴。 因此，選擇合適的支撐裝置材料，避免物料腐蝕，并設計合理的結構，解決填料支撐裝置在塔內的支承固定，已成為當前實際工程中的重點和難點問題。

在此，筆者討論了120 ℃下含氯介質的塔內件結構設計及其選材問題，通過查閱和參考相關文獻，選擇合適的材料，設計并制造了適用于規整填料塔的耐腐蝕填料支撐裝置，并對其強度和剛度進行有限元模擬研究，以驗證該裝置是否滿足要求。

1 耐腐蝕支撐裝置結構設計

1.1 材料選擇

化工行業往往工況復雜，介質的溫度、壓力及腐蝕性等對設備的選材有嚴苛的要求。 隨著材料的發展和加工技術的進步，設備主體材料往往選型難度不大。 根據腐蝕數據與選材手冊，不銹鋼可耐普通酸堿介質腐蝕，鈦、鎳、鉭及鋯等金屬及其合金對強腐蝕工況效果較好，但造價高且加工難度大，因此往往會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 ℃，主體設備采用碳鋼模壓襯PTFE 的方式，填料采用陶瓷CY700 型規整填料，重量約為相同型號普通金屬絲網填料的2.3 倍。因此，填料支撐裝置選材時既要考慮耐腐蝕性，也要滿足強度和剛度要求，同時還要加工性能好，造價適宜。 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 設計和制造

由于塔內壁模壓襯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。 底板為圓環狀，中間為氣相通道，為盡可能降低氣相阻力，環形底板寬度與法蘭密封面尺寸相關，以略寬于法蘭墊片50 mm 左右為佳。 對于設置槽盤式分布器的塔節，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，形成一體化結構，如圖1 所示。 通道四周均勻分布數個支撐條，具體數量以滿足支撐強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； 支撐條上端焊接柵板型支撐， 規整填料直接安裝于柵板上方。 設計直徑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構

2 有限元模擬

采用ANSYS Workbench 軟件對設計的填料支撐裝置進行有限元模擬，分析其強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行對比。

2.1 幾何模型

由于填料支撐裝置的強度和剛度主要由內部骨架來提供，與外涂層無關，因此幾何模型主要對不銹鋼骨架部分建模（圖2）。 采用純PTFE材料設計的填料支撐，無需考慮噴涂，為加強支撐強度，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

模型基本參數如下：

2.2 材料性能參數

柵板材料在設計溫度120 ℃下的性能參數見表1。 考慮到溫度對PTFE 強度和剛度的影響較大，其值按照常溫下數值的80%取值。

表1 兩種材料的性能參數

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，支撐裝置位于塔內部，工作壓力為常壓。 精餾塔設計溫度為120 ℃， 模擬時整體施加溫度場，溫度按照設計溫度取值；自重通過施加重力場實現，重力加速度取值為9.8 N/kg，填料濕重轉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整填料，型號為700Y，填料持液量按照填料體積的7%計算［6］，填料濕重約850 kg/m3。考慮到液體收集再分布的需要，填料高度每隔3 m 設置一個收集再分布器和填料支撐裝置， 因此直徑400 mm 的規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法蘭之間，因此接觸面垂直法蘭密封面方向位移設置為0。

3 結果分析

3.1 強度和剛度分析

圖3 為DN400 mm 填料塔內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力值為26.452 MPa，出現在支撐條與底板連接處， 該值小于材料的許用應力值，強度滿足設計要求。 PTFE 材料的填料支撐最大等效應力值為20.094 MPa，出現在柵條和柵板圈連接的位置， 該值超過了材料的許用應力值，強度無法滿足設計要求。

圖3 兩種材料的填料支撐裝置等效應力云圖

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度和剛度要求，PTFE 材料填料支撐強度和剛度均無法滿足設計要求，需要進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 經濟性分析

為了使純PTFE 材料的填料支撐的強度和剛度滿足要求， 將PTFE 材料的厚度從6 mm 增加至12、16 mm，再次進行有限元模擬，模擬結果如圖5、6 所示。 從圖5、6 可以看出，當PTFE 材料的厚度增加到16 mm 時， 最大等效應力為6.015 MPa，出現在柵條和柵板圈連接的位置，該值小于材料許用應力，滿足強度設計要求，同時最大位移約為3.655 mm， 滿足強度和剛度要求。 然而，當PTFE 材料的填料支撐裝置厚度增加到16 mm時，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，經濟性變差。

圖5 12 mm 厚PTFE 材料的填料支撐裝置有限元模擬結果

圖6 16 mm 厚PTFE 材料的填料支撐裝置有限元模擬結果

4 結束語

綜上所述，采用不銹鋼材料做骨架，厚度為6 mm 時， 完全滿足填料支撐所需的強度和剛度要求，經濟性比純四氟材料好。

將設計的填料支撐裝置應用于某氟化工產品精制項目中， 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構， 外層噴涂進口四氟粉料，安裝時底板夾持于塔節法蘭之間。 穩定運行半年后，拆開塔節查看塔內件腐蝕和變形情況，發現填料支撐裝置基本沒有變形和腐蝕發生，滿足腐蝕工況下規整填料的填料支撐需求。