基于ANSYS Workbench大型填料塔填料支撑分析设计

摘 要：【目的】明确某蒸氨塔内填料支撑的应力和变形情况。【方法】运用ANSYS Workbench对此填料支撑进行了建模和有限元分析。【结果】通过求解发现，支撑栅板中心区域及支撑梁中心段出现稍微变形，由此可知大型填料塔设置支撑梁的重要性；此外，由扁钢焊接而成的栅板刚度有限。【结论】辅助支撑的宽度不宜过窄，应不低于100 mm；与支撑梁之间的空白区域不宜过长，单侧空白区域弧长应不超过310 mm。

关键词：填料支撑；有限元分析；强度评定；ANSYS Workbench

中图分类号：TQ053.5 " "文献标志码：A " "文章编号：1003-5168（2024）12-0092-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.12.019

Analysis and Design of Packing Support in Large Packing Column Based on ANSYS Workbench

ZHENG Guangqiang1 ZHOU Yan2 WANG Dongmei2

（1. Tianjin Zhongwang Chemical Technology Co.， Ltd， Tianjin 300193，China; 2. Peiyang Chemical Equipment Co.， Ltd， Tianjin 300192，China）

Abstract：[Purposes] "This paper aims to determine the stress and deformation of packing support in an ammonia distillation column. [Methods] The modeling and finite element analysis of the packing support was carried out by using ANSYS Workbench. [Findings] Through analyzing， it is found that the center area of the support grid plate and the center section of the support beam are slightly deformed， which shows the importance of setting the support beam in the large packed tower. In addition， the grid plate welded from flat steel has limited stiffness. [Conclusions] The width of the auxiliary support should not be too narrow， and should not be less than 100 mm ; the blank area among the support beams should not be too long， and the arc length of the unilateral blank area should not exceed 310 mm.

Keywords： packing support; finite element analysis; strength evaluation; ANSYS Workbench

0 引言

填料塔是最常用的气液传质设备之一，常用于精馏、吸收、萃取、洗涤和冷却等单元操作过程中，在石油化工、食品、医药、环保等行业中应用广泛。填料塔具有通量大、效率高、压降低、持液量小等诸多优点。近年来，由于新型高效、高负荷填料的开发，填料塔的应用范围越来越广，装置规模也越来越大［1-2］。目前关于填料塔的研究，多集中于工艺优化、流程模拟，但大型塔器硬件系列设计优化同样不可忽视。

填料支撑是支撑规整填料的结构，其强度、刚度及结构的合理性不仅影响填料安装的水平度，还影响填料层中气液分布的效果［1-3］。大型填料塔的支撑装置常采用栅板和支撑梁组合结构，结构简单可靠，自由截面积大，安装拆卸方便。栅板是由扁钢条和扁钢圈焊接而成。填料支撑装置的设计应满足以下基本要求：有足够的机械强度和耐腐蚀性能，能够支撑上面的填料和操作过程所携带的气液流体的重量；支撑栅的自由截面积不应小于填料的自由截面积，确保气液流畅无阻，抗阻塞能力强；减少或消除气体涡流等［4-5］。

目前，支撑栅的设计还没有明确的强度计算标准能提供参考。郭召明［6］、苏阳［7］等利用材料力学的理论对栅板支撑件的设计及强度计算作了介绍及探讨。孔芬霞等［8］基于ANSYS对空分设备精馏塔的不同形式的填料支撑格栅的承载能力进行了分析，但没有直接对支座、支撑梁、支撑栅和支撑圈整体结构进行建模分析。张玮［9］运用材料力学的理论对钛-钢复合板反应器内部特殊填料支撑设计过程进行了介绍。本研究将结合某公司氨蒸塔的填料支撑，基于ANSYS Workbench对其设计计算过程及有限元分析进行介绍。

1 填料支撑结构

本研究进行分析设计的填料支撑装置如图1所示。

该支撑装置包括四部分：支座、支撑梁、支撑栅板和支撑圈。支撑栅板采用扁钢焊接而成，保证其自由截面小于填料的自由截面。支撑梁采用槽钢，以保证其整体稳定性。一般情况下，塔径不大于800 mm，栅板为整块板；塔径大于800 mm时，栅板为分块式，分块式栅板宽度应不大于400 mm时，以方便通过人孔安装；塔径大于1 600 mm时，栅板下方还应设置支撑梁。常规的设备强度计算软件不能对填料支撑进行强度校核，须根据材料力学相关理论对其进行分析计算。该支撑装置设计参数见表1，填料支撑结构材料为S30408，性能数据见表2。

2.1 模型建立及网格划分

根据氨蒸塔的气液负荷及设计参数建立的有限元力学模型如图2所示。本研究忽略了支撑装置中栅板为分块的这一情况，直接将其作为一个整体进行建模，以简化计算。为更好地反映支撑装置的受力状态，不仅对支撑装置进行了建模，还考虑了筒体对其的影响。筒体建模长度需超过局部的衰减长度，即[2.5RT]，其中R为设备内半径，T为设备筒体厚度，实体模型中筒体长度为1 000 mm。为更好地对模型进行网格划分，先将模型分割成规则实体，采用SOLID186单元以尽可能将其划分成六面体网格。

2.2 载荷施加

正确施加载荷及边界条件是保证有限元分析结果正确的关键因素之一。填料支撑结构设置在填料塔内部，因此无须考虑风载荷、地震载荷及雪载荷等影响因素。填料支撑结构所受载荷主要包括支撑结构本身重量、填料重量及填料塔正常运行过程中填料中持液重量。筒体的主要载荷为内压Pi=0.02 MPaG，栅板上表面施加的填料及持液重量，填料高度5 000 mm，筒体上端面施加等效拉应力，筒体内壁施加内压载荷，约束筒体下端面轴向自由度。

3 应力分析

通过有限元求解得到的应力强度云图如图3所示，灰度越深代表应力越小，灰度越浅代表应力越大，可以看出，整体上应力变化不大，最大应力发生在辅助支撑末端的筋板与栅板下表面的接触区域，最大应力值为313.52 MPa，由于辅助支撑与支撑梁之间有一段无支撑结构，且栅板与辅助支撑连接区域不连续，此区域产生了较大的集中应力。

整个结构的变形云图如图4所示，灰度越浅的区域表示变形量越大，区域中心最大变形量为1.72 mm，由于栅板承受整个填料和持液的重量，栅板的中心区域和支撑梁发生了稍微地变形。

4 强度评定

选择应力较高或变形较大的几个区域进行进一步的线性化处理和应力评定。在结构不连续区域和应力集中区域设置“1-1”“2-2”“3-3”“4-4”4条路径。“1-1”路径处于支撑梁的中心位置处，“2-2”和“3-3”路径分别处于支撑梁与筒体连接不连续处两个位置，“4-4”路径处于辅助支撑末端的筋板与栅板下表面不连续处位置。

各个路径线性化分析结果如图5所示。星号表示1次局部薄膜应力PL，圆点表示1次弯曲应力Pb加2次弯曲应力Q，三角形表示1次应力与2次应力之和。各个路径线性化处理得到的应力分类及评定结果见表3。由表3可知，填料支撑结构满足强度要求。

5 结论

填料支撑设计是大型填料塔设计中的重要组成部分，常规的工程简化计算方法往往偏于保守，运用ANSYS Workbench对大型填料塔支撑结构进行有限元分析，能更加详细地了解支撑各个部分的受力情况，从而保证设计的安全性、可靠性，并能有效地避免材料的浪费。从本研究计算结果可以看出，支撑栅板中心区域及支撑梁中心段出现稍微变形，由此可知，大型填料塔设置支撑梁的重要性；栅板一般是由扁钢焊接而成，其刚度有限，因此，该氨蒸塔辅助支撑的宽度不宜过窄，应不低于100 mm；与支撑梁之间的空白区域不宜过长，单侧空白区域弧长应不超过310 mm。对应力偏高或结构不连续等局部结构进行路径分析，根据JB 4732—1995《钢制压力容器—分析设计标准》进行应力评定，该支撑满足强度要求。目前此氨蒸塔已安全稳定运行，也说明填料支撑设计合理。

参考文献：

［1］ 王闯，张客厅，刘孟杰，等. 填料塔发展与现状［J］. 河南科技， 2013（10）：92，142

［2］ 赵汝文， 于健， 高占. 我国大型塔器技术进展与技术创新［J］. 现代化工， 2008（9）：5-11.

［3］ 任海伦，安登超，朱桃月，等. 精馏技术研究进展与工业应用［J］. 化工进展， 2016， 35（6）： 1606-1626.

［4］ 赵汝文. 大型塔器支撑装置的优化设计（上）［J］. 化学工程， 2009， 37（1）： 75-78.

［5］ 赵汝文. 大型塔器支撑装置的优化设计（下）［J］. 化学工程， 2009， 37（2）： 75-78.

［6］ 郭召明. 填料塔栅板支撑的设计［J］. 化学工程与装备， 2015 （8）： 161-164.

［7］ 苏阳. 一种填料支撑结构的设计与计算［J］. 石油化工设备技术， 2013， 34（5）： 1-4，6.

［8］ 孔芬霞， 左春梅， 王军辉，等. 精馏塔用填料支撑格栅结构优化设计［J］. 深冷技术， 2015 （5）：4.

［9］ 张玮. 钛-钢复合板塔式反应器及其填料支撑的设计［J］. 当代化工研究，2017（6）：152-153.