新型多晶硅活性炭吸附器应力分析与疲劳分析

徐雪倩， 石 涛， 汪绍芬

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 引言

在改良西门子法生产多晶硅的过程中，多采用干法回收工艺处理还原尾气[1]。该工艺主要是利用还原尾气中氯硅烷、氯化氢、氢气等组分物理、化学性质的差异，通过淋洗、加压冷凝、吸收、脱吸、活性炭吸附等方法，将上述组分分离并去除杂质，实现还原尾气各组分的回收利用。

而活性炭吸附器是还原尾气干法回收工艺的核心设备，它主要是利用活性炭在低温高压的条件下能吸附回收氢气中的杂质，待吸附饱和后，还可在高温低压的条件下，通过氢气吹扫的方式实现再生的性能，使回收氢气的纯度得到提高[2]。

活性炭再生的彻底性直接关系到回收氢气的纯度，而活性炭吸附器的结构型式又直接影响其内部温度场的分布，进而影响活性炭吸附与再生的效果。目前，国内多晶硅厂多采用盘管结构的吸附器，该结构在中小直径时传热效果较好。而本文介绍了一种在大直径时也能保持良好传热效果的新型活性炭吸附器，并通过有限元数值模拟的方式对其进行了应力分析与疲劳分析，验证了设备结构的可靠性。

1 结构与工作原理

某工程采用的新型活性炭吸附器的结构如图1所示，设计条件见表1。吸附器内盛装有椰壳活性炭，氢气通过下进上出的方式实现与活性炭的充分接触。此外，吸附器还设置了内部套管与外部盘管的结构，交替通入高温水或冷却水，从而实现升温与降温的工艺过程。其中，内部套管采用正方形布置方式，目的是让活性炭受热或降温更为均匀，从而保证吸附和再生的效果。

图1 吸附器结构

表1 吸附器设计条件

吸附器的工作过程分为吸附、脱附和再生三个阶段，各阶段均耗时8小时，24小时为一完整循环，循环过程中温度与压力的变化情况见图2。

图2 吸附器工作过程

由上可知，该吸附器结构较为复杂，尤其是下封头部分，由于布管较多，常规设计计算较为困难，而吸附器内的温度和压力又随时间呈周期性变化，是典型的疲劳设备，故本文采用了有限元数值模拟的方法校核其应力强度与疲劳强度[3]。

2 有限元模型

2.1 几何模型与网格划分

利用对称性建立吸附器的1/4几何模型并对其作了如下简化：

(1)忽略夹套冷却水进出口等小直径接管；(2)取消内套管，外套管仅建出1/3长度；(3)半管由螺旋上升简化为等距排列；(4)裙座简化为开有引出孔的圆筒；(5)取消套管底部汇总管路。

选用六面体实体单元SOLID185对模型进行网格划分，简化后的几何模型与网格划分结果见图3。

图3 吸附器几何模型与网格

2.2 载荷与边界条件

由于吸附器内的温度和压力随时间交叉变化，为得到循环过程中可能出现的最危险工况及最大交变应力强度幅，本文除设计工况外，还选取了图2中所示的A/B/C/D1/D2/E六种操作工况进行分析。

由于操作工况需考虑热应力的影响，因此要先根据介质的温度条件对吸附器进行热分析，然后将所得温度场作为热载荷，连同机械载荷一起施加到吸附器上进行计算。

所有工况除按表1和图2施加温度与压力载荷外，应力分析时还需在各管口法兰端面施加压力等效载荷，在外套管下端面施加未建模的内套管、部分外套管、底部汇总管路及水的重力等效载荷，在下封头内表面施加吸附剂的重力等效载荷。除单独的热分析外，其余分析均需在裙座底面施加轴向与环向位移约束，在对称面上施加对称约束。

3 应力分析

设计工况的应力强度云图见图4。经分析与评定，操作工况B为六种操作工况中的最危险工况，考虑到篇幅有限，本文仅展示操作工况B的应力强度云图(见图5)。

图4 设计工况应力强度云图与应力评定路径位置

图5 操作工况B应力强度云图与应力评定路径位置

对同时存在热应力和机械应力的结构进行应力评定时，在同一评定位置，需从设计工况中提取仅与一次应力相关的应力强度SⅠ、SⅡ、SⅢ，同时从操作工况中仅提取与二次应力相关的应力强度SⅣ。因此，选取应力评定路径时需要同时考察设计工况和操作工况下可能产生应力最大值的位置，从而保证应力评定的全面性与准确性。

其中SⅠ—一次总体薄膜应力强度，MPa；

SⅡ—一次局部薄膜应力强度，MPa；

SⅢ—一次薄膜加一次弯曲应力强度，MPa；

SⅣ—一次加二次应力强度，MPa。

将选取的设计工况与操作工况B下的应力评定路径进行线性化处理，并按JB4732-1995[4]规定的评定准则进行应力强度评定，评定结果详见表2(考虑到篇幅有限，此处仅列出下封头与接管连接处应力水平较高的几处路径，路径截面位置见图4与图5，每个截面均含ABC三条路径，A沿角焊缝方向，B沿封头厚度方向，C沿接管厚度方向，设备其他部位亦进行了应力评定，结果均为合格)，从表中可知本吸附器应力强度校核合格。

表2 吸附器应力强度评定结果

表中K—载荷组合系数，取K=1.0

4 疲劳分析

本节通过计算吸附器在正常操作循环和开停工循环中产生的累积损伤系数U来评定其疲劳强度。

4.1 正常操作循环

将六种操作工况的应力强度结果两两相减，可知循环过程中的最大交变应力强度幅出现在操作工况B- 操作工况D2中，且为：

Salt1=0.5×602.35=301.175 MPa

考虑材料弹性模量后：

式中E—设计疲劳曲线中给定的材料弹性模量，MPa；

Et—所用材料弹性模量，MPa；

n1—预计循环次数；

N1—允许循环次数；

公路工程实施过程中主要解决项目成本节制问题，由于存在诸如社会状况、设计变更、工程受损等情况，需要加强工程成本的管控。另外，由于规划的调整、财政补贴不到位、市场投融资环境变化等也都会影响工程项目造价和成本，甚至关系到项目能否继续及经济效益的顺利发挥。PPP模式下公路工程全过程造价管理要求对项目施工方案、施工单位、造价等信息和材料统一上报管理部门，进行PPP综合信息的完善，如果在工程实际实施过程中并未收集和完善上述信息，会导致后续施工纠纷的产生。

Salt1—交变应力强度幅，MPa；

由JB 4732-1995中表C- 1中公式计算可得允许循环次数N1=5 064，而预计循环次数n1=365×10=3 650。

操作工况B- 操作工况D2得到的应力强度云图如图6所示，最大值出现在最外侧外套管与下封头的连接处。

图6 操作工况B- 操作工况D2应力强度云图

4.2 开停工循环

以最危险的操作工况B作为开工工况，由图5可知此时的交变应力强度幅。

Salt2=0.5×449.02=224.51 MPa

考虑材料弹性模量后：

式中n2—预计循环次数；

N2—允许循环次数；

Salt2—交变应力强度幅，MPa；

由JB 4732-1995中表C- 1中公式计算可得允许循环次数N2=12 463，而预计循环次数n2=10(按一年一次大修考虑)。

4.3 累计损伤系数U

式中U—累积损伤系数；

U1、U2—各循环损伤系数。

故本吸附器疲劳强度校核合格。

5 结论

本文介绍了一种用于多晶硅还原尾气干法回收工艺的新型活性炭吸附器，考虑到其结构的特殊性和工作过程的复杂性，利用ANSYS Workbench建立了1/4模型进行应力分析与疲劳分析。

从前述应力分析和疲劳分析结果可知：各类应力强度均小于其许用极限，且累积损伤系数U≤1.0，故本吸附器的应力强度与疲劳强度均满足JB4732-1995的要求。本文可为多晶硅活性炭吸附器或其他疲劳设备的设计与分析提供参考。