板式塔动态特性分析与振动预测.pdf

第42卷第2期
石油化工设备
Vol 42 No
2013年3月
PETRO-CHEMICAL EQUIPMENT
Mar.2013
文章编号:1000-74662013)02-0010-04
板式塔动态特性分析与振动预测
郭伟平2,张雪萍
(1.上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240
2.上海苏尔寿工程机械制造有限公司,上海201306)
摘要:基于预应力模态分析和谐响应分析方法,将板式塔工作过程中液体载荷转换为对等预应力
将气体载荷作为激励载荷,对因板式塔工作过程中气、液多相流动及其相互作用引起的塔板振动进
行了动态有限元分析。结果表明,塔内气体脉冲压力载荷的频率可能会达到80Hz,而不是通常经
验假设的40Hz,这一结果可为防止塔板振动破坏的理论研究提供参考。
关键词:板式塔;模态分析;谐响应分析;固有頻率;振动破坏
中图分类号:TQ053.5;TE962文献标志码:Adoi:10.3969/j.issn.10007466.2013.02.003
Predicting the Dynamic Characteristics of the Tray Column
GUO Wei-ping,2, ZHANG Xue-ping'
(1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240,China:
2. Sulzer Shanghai Engineering & Machinery Works Ltd, Shanghai 201306, China)
Abstract: During tray column service process, the gas-liquid flow inevitably causes trays
vibration damage. Analysis based on the pre-stressed modal and harmonic analysis method. Liq
uid load is regarded as pre-stressed load and gas load is treated as harmonic load. Dynamic finite
element analysis is used in this analysis. The predicted results show that the frequency of gas
pressure pulsation may reach 80 Hz, which provides a guideline to prevent the trays vibration
failure
Key words: tray column; modal analysis; harmonic analysis; natural frequency; vibration
板式塔通常是由一个呈圆柱形的売体及按一定裂,既没有材料脆性的发生,也没有材料塑性变形
间距水平设置若干块塔板组成,也是一种应用极为发生。
广泛的逐级接触式气液传质设备。板式塔工作时
有学者认为,塔板的机械振动破坏是由于塔内
液体从塔顶通过塔板上降液管流入下一层塔板
高速流动的气体产生的循环载荷引起的,但一
体从塔底通过塔板上的筛孔(阀)与液体在塔板处接些板式塔制造公司则认为,塔内高速流动的气体通
触传质,相互作用3·。由于气体通过塔板上液体的过阀时所产生的脉冲压力载荷是导致塔板机械振动
时候会产生脉冲压力载荷,所以容易引起塔板的破坏的主要原因。
振动。
目前,如何计算板式塔内气体脉冲压力的频率
在工程应用中,板式塔的塔板常会出现局部位还没有定论,常采用经验或实验结论,认为这种循环
置的开裂现象。这种开裂并不伴随腐蚀、大面积的脉冲载荷通常为低频,在40Hz以下。笔者以某因
裂纹及微小裂纹的产生,而是单独的局部位置的开严重机械振动而破坏的板式塔为实例,基于有限元
收稿日期
作者筒介:郭伟平(1981-),男,山西太原人,工程师,在读工程硕士,从事机械产品设计工作。
第2期
郭伟半,等:板式塔动态特性分析与振动预测
分析方法,通过计算该塔的模忞与谐响应动态特性,
并将结论进一步推广,使其具有普遍意义,从而提出
载荷计算
防止机械振动破坏的有效措施。
塔板上的载荷主要有垂直向下的液体载荷和垂
1有限元模型
直向上的气体载荷。由于塔板上的液体载荷以重力
的形式作用于塔板,所以做塔板的模态分析时把塔
文中计算用板式塔模型的参数为:塔径板上的液体载荷当作预应力,考虑有预应力的塔板
2100mm,堰高50mm,堰长525mm(有效长度),模态特性?。
开孔率11.35%,降液管底隙18mm,材料316L,板
塔盘上液体在气液反应区和在降液管区的高度
材厚度3.0mm,塔板间距550mm,液体质量流量相差很多,故需要分开讨论[。
1632kg/h,液体密度933.9kg/m3,气体质量流量
塔板上气、液反应区的液层高主要由出口堰的
27067kg/h,气体密度1.52kg/m3
高度h和堰上液高h。组成,其中出口堰的高度由
塔板编号示意图见图1。
气、液传质工艺决定,堰上液高即为液体翻越堰板时
的溢流高度,可从理论上推出堰上液高h。w的计算
公式如"下:
2.84×103E{9yY23
式中,qwn为液体体积流量,m/h;l。为堰长,m;E
为校正系数,也称为液流收缩系数,其值可由相关手
册查出
塔板上的等效持液高度h1可近似表示如下:
h1=h。+ho=h。+2.84×10-E(?)(2)
降液管区的等效液层H主要由出口堰的高度
hw、堰上液高h。w、液面落差△、降液管阻力∑hr及板
压降h组成,即:
图1塔板编号示意图
Ha=hw+h。w+ム+∑hr+h
(3)
采用 Solidworks2009建模,将模型转化为x
格式后导入 ANSYS12.0。
液面落差Δ通常可以忽略不计。
塔板为薄板件,形状不规则,故选用对不规则形
降液管阻力:
状适应性较强的 Solid92号10节点单元划分网格。
h;=0.153
(4)
以塔板支撑圈和塔壳连接处为全约東。塔板之间的式中,h。为降液管底部间隙高度,m;w为液体体积
连接为紧固件连接,故选用 ANSYS的布尔操作中
流量,m3/h。
的粘接方法,将各接触面粘接在一起。塔板有限元
板压降h由下式计算
模型见图2。
hr =h +h
2BPL IC)+Ah. the
(5)
式中,L为液体密度,为气体密度,kg/m2;ha为干
板压降,h2为液层阻力损失,m;g为加速度,m/s2;B
为液层充气系数,可査相关的手册;C。为孔流系
数,可查相关的手册?;。为气体通过阀孔时的速度
(为塔板空间气体流量/开孔面积),m/s
3模态分析
把上述参数带入式(1)~式(5)计算可得1
58.23mm,hr=60.16mm,H。=1187.96mm。所
图2塔板有限元模型
以反应区、板压降及降液管区的液体静压载荷分别