大型搅拌反应器旁路挡板的设计

段晋海 吴 亮 卜 凡

（华陆工程科技有限责任公司）

搅拌设备由搅拌装置和搅拌容器两部分组成［1］。搅拌设备在工业生产中应用广泛，尤其是在化学工业中，搅拌操作作为化工工艺过程中最常见的操作单元被广泛应用在化工反应设备中。据不完全统计，搅拌设备作为反应器约占反应器总数的80%以上，随着化工装置规模的不断扩大，搅拌设备也朝着大型化方向发展。相应带来的是搅拌装置的能力越来越大，搅拌形式的选择越来越复杂。从而造成对搅拌容器中配置的搅拌附件影响也越来越大，旁路挡板作为最常用的附件之一，主要是为了消除在湍流状态时槽中央的“圆柱状回转区”而增设的［2］。它特别适用于径流型桨叶在湍流区的操作，可以提高桨叶的剪切性能。所以挡板的合理设计是搅拌设备设计的一个重要方面。

笔者结合某丁辛醇项目中大型羰基合成反应器搅拌器挡板的设计实例，进行受力分析，提出计算方法，使之从强度、稳定性及疲劳等方面满足设计要求。

1 设备简介

羰基合成反应器是丁辛醇装置中最重要的核心设备，它主要是利用羰基合成方法使原料气在催化剂的作用下生成醛的反应过程，该反应过程需要通过搅拌操作来实现。所以该类型设备在其内部设置有搅拌器。某丁辛醇项目中大型羰基合成反应器及其内部搅拌器附件的几何尺寸如图1所示。

图1 反应器及内部搅拌器附件几何尺寸

设计参数如下：

反应器直径D 4 900mm

搅拌器功率P 220kW

搅拌桨转速N 107r/min挡板数量n 4

挡板宽度B 400mm

挡板离壳壁的距离C 650mm

挡板支撑点之间的距离L 2 600mm

挡板固定点数s 5

设计温度下挡板材料许用应力［σ］ 107MPa

2 挡板强度计算

由于挡板在搅拌过程中受到搅拌力矩的作用，产生对挡板的推力，因此必须进行强度计算，即挡板的厚度计算，根据对搅拌器挡板的受力分析，可以把挡板等效成受均布载荷的几段简支梁［3］，其横截面如图2所示。

图2 挡板横截面

3 挡板挠度校核

4 挡板疲劳校核

搅拌器的旋转带动容器内介质产生周向运动，这种周向运动转化成静压力作用在挡板上，从而在挡板上产生弯曲应力。随着搅拌器桨叶的旋转，桨叶与挡板间的距离发生周期性变化，桨叶对挡板的外力也就发生周期性变化。使得挡板上产生的弯曲应力也发生周期性变化。因此，挡板在设计寿命下的疲劳计算就十分有必要了。根据搅拌器供货商所提供的数据可以得出，介质对挡板的推力当量到整个挡板上的均布载荷为±0.8kPa，笔者以此两种典型工况（工况1，旁路挡板载荷0.8kPa，设计温度220℃；工况2，旁路挡板载荷-0.8kPa，设计温度220℃）来探讨搅拌器挡板及其支撑件在循环载荷下的应力状况。

4.1 有限元模型及边界条件

考虑到挡板结构的对称性，取1/4模型进行实体建模，整体和局部模型如图3所示。

图3 挡板几何模型

挡板及其连接件的材料均为S30403，材料的弹性模量E=206GPa，泊松比为0.3；模型选用Solid186单元进行网格划分，划分情况如图4所示。

图4 模型网格划分

4.2 载荷和约束

4.2.1 载荷

依据搅拌器供货商提供的旁路挡板载荷，针对疲劳性能，对挡板表面两种工况分别施加均布载荷±0.8kPa。该反应器内旁路挡板外侧设有加热盘管，所有结构件考虑自身重力。将盘管及其内部介质产生的重量等效并均匀分布于盘管架槽钢上，等效后的槽钢密度为500 000kg/m3。

4.2.2 约束条件

在筒体对称面上施加对称约束，筒体下端施加全约束，上端施加轴向约束，盘管架槽钢下端面施加环向约束。载荷和约束如图5所示。

图5 载荷和约束示意图

经计算后，不同工况下的应力强度分布如图6所示。

图6 不同工况下的应力强度分布

将±0.8kPa做工况相减后，应力强度云图如图7所示。

图7 工况相减后应力强度分布

4.3 疲劳强度分析

由JB 4732—1995（2005年确认）《钢制压力容器——分析设计标准》附录C的图C-3曲线C查得，该交变应力幅值对应的许用循环次数N=4268949次，根据搅拌器供货商提供的参数（每分钟循环次数为321）可知总循环次数N=（321×60×24×365×20）=3.4×109次，所以该疲劳次数不能满足设计要求。

4.4 斜支撑对挡板疲劳性能影响

工程中为保证挡板的疲劳寿命，设计时在关键承载连接槽钢处增加斜支撑，下面进一步研究斜支撑对挡板结构疲劳寿命的影响，增加斜支撑后挡板的整体和局部模型如图8所示。

图8 增加斜支撑后的模型

载荷和约束与原分析相同，经过计算，其工况相减后应力强度结果如图9所示。

图9 增加斜支撑后工况相减后应力强度分布

由JB 4732—1995（2005年确认）附录C的图C-3曲线C查得［6］，该交变应力幅值对应的许用循环次数大于1010次，满足设计要求。与无斜支撑计算结果对比可知，增加斜支撑后应力水平降低31.98%，疲劳寿命显著提高。因此，斜支撑对挡板结构疲劳寿命有增加作用。

5 结束语

随着化工装置的大型化，带有搅拌装置的大型反应器中搅拌器旁路挡板的受力越来越复杂，简单的挡板设计不能满足需要。在设计上必须充分考虑流体作用力对挡板的影响，为了避免挡板失效，不仅要保证其强度和刚度，必要时还要根据搅拌器的各种参数对旁路挡板进行寿命周期内的疲劳分析。笔者为旁路挡板的设计提供了参考，便于大家在设计中借鉴，不妥之处还恳请指正。