氨合成塔底部开孔结构的有限元分析

摘要：针对氨合成塔底部开孔处存在应力集中的现象，利用SolidWorks软件建立氨合成塔底部结构的三维模型，并采用Simulation模块对其进行有限元分析，得到氨合成塔底部结构的应力、应变及位移云图。结果表明，氨合成塔底部开孔结构处有应力集中的现象，最大应力约为99.2MPa，最大应变为1.95×10-3，最大位移量约为0.3mm。有限元法分析设计较为快捷方便，可为氨合成塔结构的优化设计提供依据。

关键词：氨合成塔 开孔结构 有限元分析

1 概述

氨合成塔是石油化工生产中广泛使用的高压设备，主要用于高压、高温条件下氮气和氢气的催化反应以进行氨的合成[1，2]。氨合成塔是一种结构复杂的高压反应器，由于开孔处的结构造成了氨合成塔筒体的几何不连续性增加，这就容易造成开孔处出现破坏导致氨合成塔反应器失效[3-5]。本文利用SolidWorks建立氨合成塔底部开孔处的模型，利用Simulation模块对该模型进行有限元分析，获取氨合成塔在正常工况下的应力、应变云图。通过有限元分析，可为氨合成塔的优化设计提供一定的参考。

2 分析模型的建立

本文研究的氨合成塔的型号为托普索型。托普索氨合成塔是一种径向流动冷激型的氨合成塔，气流在塔内呈径向流动，塔内床层温度控制是采用冷激气与催化剂内反应气直接混合来达到的[7，8]。

该设备是一台长15900mm的立式高压反应器，内径为Φ3400mm；外壳结构形式为锻焊结构，直段筒体厚度为198mm的钢锭锻制而成；上下封头为球形封头，上封头厚度为120mm，下封头厚度为130mm。工艺操作温度377℃，操作压力13.6MPa，介质为氢气、氮气及氨等。设计压力15.9MPa，设计温度450℃，材料采用16MnR。设计温度下需用应力为140MPa，弹性模量2×105MPa，泊松比0.3。

利用SolidWorks建立氨合成塔底部开孔处的模型如图1所示，该模型左侧开口为气体出口；中间为气体入口；右侧为人孔，用于设备的维护。

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Simulation是SolidWorks公司推出的一套有限元分析软件，它作为嵌入式分析软件与SolidWorks无缝集成。运用Simulation，可以迅速得到分析结果，从而最大限度的缩短产品设计周期，降低测试成本，提高产品质量[6]。

将在SolidWorks中建立好三维模型导入Simulation模块进行有限元分析。根据设计要求，选择材料类型，施加载荷（包括温度载荷）及约束，划分网格。有限元分析模型如图2所示。网格划分品质较高，单元数为21918，节点数为39155。

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3 结果与分析

加载求解后得到氨合成塔底部结构的应力云图、应变云图及位移云图。图3为应力云图的剖视图，由图可看出，在氨合成塔底部开孔结构处应力较为集中，有较大应力值，最大应力约为99.2MPa，小于许用应力值140MPa。这是由于氨合成塔底部开孔处存在结构上的突变，导致出现应力集中的现象，故在开孔结构处常常采用加厚来保障其安全性；同时，在结构突变处采取过渡结构，以减小应力集中的现象。

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图4为氨合成塔底部开孔结构处的应变云图。由图可知，氨合成塔底部开孔结构处的最大应变值出现在底部接近于开孔部分的球面处，最大应变值为1.95×10-3。这是由于开孔处应力比较集中，导致附近结构易发生较大的变形。图5为氨合成塔底部开孔结构处的位移云图。由图可知，氨合成塔底部开孔结构处位移量较大，最大位移量约为0.3mm。

4 结论

通过SolidWorks软件建立氨合成塔底部开孔结构的三维模型，并利用Simulation模块对其进行了有限元分析，得到氨合成塔底部开孔结构处的应力、应变及位移云图。结果表明，氨合成塔底部开孔结构处有应力集中的现象，导致附近应变及位移值较大；最大应力为99.2MPa，最大应变为1.95×10-3，最大位移量约为0.3mm。分析结果满足设计要求，可为氨合成塔的优化设计提供一定的依据。

参考文献：

[1]陈曙光，李丁，刘荟琼等.氨合成塔底部五通有限元分析[J].化工设备与管道，2010，47（6）：19-21，26.

[2]刘伯玉，丁传安.基于ANSYS的氨合成塔球形封头的优化设计[J].化工机械，2010，37（6）：723-725.

[3]白海永，傅吉坤，周大坤等.氨合成塔外壳双锥环密封结构的分析[J].压力容器，2008，25（4）：24-27，48.

[4]邹军，江楠，毛苗等.氨合成塔非径向接管有限元分析与强度评定[J].化肥工业，2012，39（1）：34-37.

[5]丁传安.氨合成塔结构分析与优化设计[D].东南大学，2005.

[6]SolidWorks+Motion+Simulation建模/机构/结构综合实训教程[M].北京：清华大学出版社，2009.

[7]吴萍.180kt/a氨合成塔的设计与应用[J].化肥设计，2006，44（4）：23-26.

[8]甘梦书.径向氨合成塔数学模型及仿真研究[D].华东理工大学，1998.

作者简介：陈丽莉（1978-），女，讲师。