双塔设备在内外流动载荷下的振动研究
发布时间：2022-01-09 16:42
随着化工行业的蓬勃发展,塔设备的数量在不断增多,它们在化工生产过程中所起到的主要作用是为气液或液液两相之间提供直接接触的机会,以达到相际传质及传热的目的,常被用于进行精馏、吸收、解吸、气体的增湿及冷却等单元操作过程。塔设备的主要特点是体型高、长宽比大且多以群体形式存在,彼此之间相距较近,容易在外部风场作用下发生相互干涉,并且内部流体的冲击也会引起设备的振动。本硕士论文按照具体的化工生产要求,选取华南地区某石化企业的双塔设备作为研究对象,结合理论分析、数值计算和现场实测的方法研究了在内部流动介质和外部风载荷共同作用下系统的振动情况并进行了可靠性校核。具体工作如下:（1）振动的理论分析通过理论模型分别对这两座板式塔的固有频率、临界风速以及发生一阶共振时的最大应力应变、塔顶位移、底部弯矩等进行了计算,研究了影响双塔设备振动的主要因素。（2）内、外流场模拟计算运用CFD方法分别对外风场和内流场进行了二维瞬态绕流计算和三维稳态两相流计算,主要包括了流体域建模、网格划分、流场数值计算和后处理等。得到了该双塔系统在不同风速下的涡脱频率、群体干涉效应、所受横向力和阻力随时间的变化规律,以及不同塔板数、...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
塔设塔设备的工作原理及特点
第一章绪论3(a)错流(b)逆流图1-2塔设备结构简图为在板式塔内形成有利于传质过程的理想流动条件，气液两相在总体上应呈逆流流动，而具体到每一块塔板上，气液两相却应呈均匀的错流流动。板式塔的最大特点是适应性强、结构简单、造价低，但压降高、持液量大且工作效率较低[22]。填料塔作为连续接触式气液传质设备，其塔身是一个直立的圆筒，底部装有支承板，目的是用来以乱堆或整砌的方式来堆放填料，填料是协助气液进行接触和传质的基本元件。在正常操作工况下，气液两相组成均沿高度方向发生连续性的变化[23]。填料塔的顶部设有液体分布器，分散相的液体一般经由此装置被喷淋到填料上，在重力作用下沿填料表面自上而下呈膜状流动。连续相的气体从塔底的进气口送入，经由气体分布装置(直径小于3m的塔一般不设该装置)均布后连续的通过填料层空隙，自下而上与液体做逆流流动，并由此进行两相间的传质与传热。为防止被高速上升的气流吹动，填料的上方均装有压板，气液两相的浓度或温度也沿塔高呈连续性变化[24]。与传统的板式塔相比，填料塔的工作效率高、压降小，填料层的持液量小，但在高压工况下的传质性能较差，部分填料的造价高，且填料层对初始分布较为敏感，所以塔内每隔一定高度就要安装收集分布器[25-26]。1.2.3塔设备的发展现状塔设备最早是以板式塔的型式出现的，距今已有近200年的历史，并于上世纪初被正式引入炼油工业。七十年代以前，化工企业中的大型塔器多数为板式塔，并且还出现过数十种新型的塔板，其中就包括了舌型板、斜孔板和浮阀板等。目前石油化工企业中板式塔的数量约占全部塔设备数量的90%以上。随着能源危机问题的浮现，节能环保的理念开始深入人心，于是填料塔开始日益受到人们的重视。近二十年间，填料塔技术有
纫幌盗猩⒍烟盍希?俚胶笃?的格栅、脉冲和波纹等新型规整填料，都标志着填料塔的发展迈入了一个又一个的新阶段。未来人们对新型塔设备的研发，首先还是要保证处理能力的提高和结构的简化，在此基础之上提升操作弹性和扩大压力降，从而使运行成本降低[27-29]。1.3塔设备振动1.3.1产生机理和失效案例塔设备大都安装于室外，容易在外部风载荷的作用下产生顺风方向的纵向振动和垂直于风向的横向振动，其中横向振动产生的原因是塔体两侧受力的不对称。在风载荷的作用下，塔的背风面两侧会产生旋涡并脱落，形成两行旋涡尾流如图1-3所示，这种现象被称为卡门涡街。旋涡是沿逆时针或顺时针方向轮流产生的，并且具有特定的释放频率，所以作用在塔设备两旁的气体压力也会以同样的频率进行变化，产生同风向成90°的周期性变化应力。由于塔设备的柔度普遍较大，固有频率较小，所以当旋涡释放的频率与固有频率相接近时，塔设备便会发生同风向呈90°方向的振动[30-31]。图1-3卡门涡街在塔设备运行过程中，内部高速流动的气体会冲击塔板或填料层，进而带动塔设备的振动。塔内的液体与填料、塔板和上升的气体间均存在摩擦，所以会部分留存在填料和塔板的表面和缝隙中，这会产生附加的惯性力从而改变塔设备振动的固有频率。这些振动轻则导致设备发生歪斜，降低生产效率；重则导致设备发生疲劳破坏，引发安全事故[32-33]。1985年7月，兰州某化工厂高59m、内径1.8m的丙烯-丙烷塔在风诱导作用下沿垂直方向发生共振，塔顶挠度约1m，振动频率约0.5Hz，持续2小时后停止。1996年6月，天津某乙烯厂高74m、内径2.45m的精馏塔在3~4级阵风作用下发生一阶共振，方向与风向垂直，最大挠度为325mm，时长3小时，该塔当时尚处于
【参考文献】：
期刊论文
[1]塔设备在内部流动载荷作用下的振动分析[J]. 汪文锋,黄思,郭晨光,郭嘉炜,叶伟文,李茂东. 压力容器. 2019(11)
[2]风载荷作用下的塔群瞬态绕流及受力分析[J]. 汪文锋,黄思,郭晨光,叶伟文,李茂东. 江西师范大学学报(自然科学版). 2019(03)
[3]塔设备风致共振的有限元分析[J]. 罗惠敏,张鹏,景鹏飞,杨东东,张舒. 当代化工. 2018(11)
[4]风诱导塔振动对塔气动特性影响研究[J]. 邱雅柔,唐迪,包士毅,高增梁. 机械工程学报. 2018(20)
[5]化工塔设备的分类与结构[J]. 张婧,尹志敏. 化工设计通讯. 2017(05)
[6]错列不等直径双圆柱绕流特性数值研究[J]. 于定勇,李宇佳,马朝晖,李龙. 海洋工程. 2017(02)
[7]大型塔设备设计[J]. 冯少华,蒋小文. 化工设备与管道. 2016(06)
[8]独立高塔轴向扰流器抗诱导振动研究[J]. 刘友宏,周开福,丁玉林,张迎恺. 石油化工设备技术. 2015(03)
[9]风诱导塔设备共振分析及处理[J]. 秦维彦. 石油和化工设备. 2014(10)
[10]碳四装置塔器风诱导共振原因分析与对策[J]. 宋全祝. 中国煤炭. 2014(S1)
博士论文
[1]喷雾造粒塔内多相流动规律及流动不稳定性研究[D]. 冯留海.中国石油大学(北京) 2016
[2]板式塔挠度及塔板倾斜后板上液体流动状况的研究[D]. 张平.天津大学 2014
[3]精馏塔板上流体三维流场及传质的模拟[D]. 王晓玲.天津大学 2003
[4]加压下规整填料塔内流体流动和传质特性的研究及其计算流体力学模拟[D]. 张鹏.天津大学 2002
硕士论文
[1]鼓泡塔内气液固三相流数值模拟[D]. 徐勋达.江汉大学 2017
[2]基于Fluent的鼓泡塔反应器气液两相流数值模拟[D]. 徐小姿.新疆大学 2016
[3]高耸板式塔的风振响应分析[D]. 牛伟建.燕山大学 2015
[4]风诱导高耸设备的振动分析与减振结构设计[D]. 朱晓升.浙江工业大学 2013
[5]大型直立设备组合结构的强度和诱导振动分析[D]. 赵菲.北京化工大学 2013
[6]内循环冷却吸收塔的CFD模拟[D]. 徐利宁.郑州大学 2012
[7]筛板萃取塔内流型优化的CFD模拟和PIV实验研究[D]. 段长春.天津大学 2012
[8]新型固阀塔板流体力学性能研究及流场模拟[D]. 张立宁.天津大学 2009
[9]弓形降液管内流场研究和数值模拟[D]. 潘忠滨.浙江工业大学 2006
[10]降液管出口流体力学性能研究[D]. 周海龙.天津大学 2004
本文编号：3579076
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
塔设塔设备的工作原理及特点
第一章绪论3(a)错流(b)逆流图1-2塔设备结构简图为在板式塔内形成有利于传质过程的理想流动条件，气液两相在总体上应呈逆流流动，而具体到每一块塔板上，气液两相却应呈均匀的错流流动。板式塔的最大特点是适应性强、结构简单、造价低，但压降高、持液量大且工作效率较低[22]。填料塔作为连续接触式气液传质设备，其塔身是一个直立的圆筒，底部装有支承板，目的是用来以乱堆或整砌的方式来堆放填料，填料是协助气液进行接触和传质的基本元件。在正常操作工况下，气液两相组成均沿高度方向发生连续性的变化[23]。填料塔的顶部设有液体分布器，分散相的液体一般经由此装置被喷淋到填料上，在重力作用下沿填料表面自上而下呈膜状流动。连续相的气体从塔底的进气口送入，经由气体分布装置(直径小于3m的塔一般不设该装置)均布后连续的通过填料层空隙，自下而上与液体做逆流流动，并由此进行两相间的传质与传热。为防止被高速上升的气流吹动，填料的上方均装有压板，气液两相的浓度或温度也沿塔高呈连续性变化[24]。与传统的板式塔相比，填料塔的工作效率高、压降小，填料层的持液量小，但在高压工况下的传质性能较差，部分填料的造价高，且填料层对初始分布较为敏感，所以塔内每隔一定高度就要安装收集分布器[25-26]。1.2.3塔设备的发展现状塔设备最早是以板式塔的型式出现的，距今已有近200年的历史，并于上世纪初被正式引入炼油工业。七十年代以前，化工企业中的大型塔器多数为板式塔，并且还出现过数十种新型的塔板，其中就包括了舌型板、斜孔板和浮阀板等。目前石油化工企业中板式塔的数量约占全部塔设备数量的90%以上。随着能源危机问题的浮现，节能环保的理念开始深入人心，于是填料塔开始日益受到人们的重视。近二十年间，填料塔技术有
纫幌盗猩⒍烟盍希?俚胶笃?的格栅、脉冲和波纹等新型规整填料，都标志着填料塔的发展迈入了一个又一个的新阶段。未来人们对新型塔设备的研发，首先还是要保证处理能力的提高和结构的简化，在此基础之上提升操作弹性和扩大压力降，从而使运行成本降低[27-29]。1.3塔设备振动1.3.1产生机理和失效案例塔设备大都安装于室外，容易在外部风载荷的作用下产生顺风方向的纵向振动和垂直于风向的横向振动，其中横向振动产生的原因是塔体两侧受力的不对称。在风载荷的作用下，塔的背风面两侧会产生旋涡并脱落，形成两行旋涡尾流如图1-3所示，这种现象被称为卡门涡街。旋涡是沿逆时针或顺时针方向轮流产生的，并且具有特定的释放频率，所以作用在塔设备两旁的气体压力也会以同样的频率进行变化，产生同风向成90°的周期性变化应力。由于塔设备的柔度普遍较大，固有频率较小，所以当旋涡释放的频率与固有频率相接近时，塔设备便会发生同风向呈90°方向的振动[30-31]。图1-3卡门涡街在塔设备运行过程中，内部高速流动的气体会冲击塔板或填料层，进而带动塔设备的振动。塔内的液体与填料、塔板和上升的气体间均存在摩擦，所以会部分留存在填料和塔板的表面和缝隙中，这会产生附加的惯性力从而改变塔设备振动的固有频率。这些振动轻则导致设备发生歪斜，降低生产效率；重则导致设备发生疲劳破坏，引发安全事故[32-33]。1985年7月，兰州某化工厂高59m、内径1.8m的丙烯-丙烷塔在风诱导作用下沿垂直方向发生共振，塔顶挠度约1m，振动频率约0.5Hz，持续2小时后停止。1996年6月，天津某乙烯厂高74m、内径2.45m的精馏塔在3~4级阵风作用下发生一阶共振，方向与风向垂直，最大挠度为325mm，时长3小时，该塔当时尚处于
【参考文献】：
期刊论文
[1]塔设备在内部流动载荷作用下的振动分析[J]. 汪文锋,黄思,郭晨光,郭嘉炜,叶伟文,李茂东. 压力容器. 2019(11)
[2]风载荷作用下的塔群瞬态绕流及受力分析[J]. 汪文锋,黄思,郭晨光,叶伟文,李茂东. 江西师范大学学报(自然科学版). 2019(03)
[3]塔设备风致共振的有限元分析[J]. 罗惠敏,张鹏,景鹏飞,杨东东,张舒. 当代化工. 2018(11)
[4]风诱导塔振动对塔气动特性影响研究[J]. 邱雅柔,唐迪,包士毅,高增梁. 机械工程学报. 2018(20)
[5]化工塔设备的分类与结构[J]. 张婧,尹志敏. 化工设计通讯. 2017(05)
[6]错列不等直径双圆柱绕流特性数值研究[J]. 于定勇,李宇佳,马朝晖,李龙. 海洋工程. 2017(02)
[7]大型塔设备设计[J]. 冯少华,蒋小文. 化工设备与管道. 2016(06)
[8]独立高塔轴向扰流器抗诱导振动研究[J]. 刘友宏,周开福,丁玉林,张迎恺. 石油化工设备技术. 2015(03)
[9]风诱导塔设备共振分析及处理[J]. 秦维彦. 石油和化工设备. 2014(10)
[10]碳四装置塔器风诱导共振原因分析与对策[J]. 宋全祝. 中国煤炭. 2014(S1)
博士论文
[1]喷雾造粒塔内多相流动规律及流动不稳定性研究[D]. 冯留海.中国石油大学(北京) 2016
[2]板式塔挠度及塔板倾斜后板上液体流动状况的研究[D]. 张平.天津大学 2014
[3]精馏塔板上流体三维流场及传质的模拟[D]. 王晓玲.天津大学 2003
[4]加压下规整填料塔内流体流动和传质特性的研究及其计算流体力学模拟[D]. 张鹏.天津大学 2002
硕士论文
[1]鼓泡塔内气液固三相流数值模拟[D]. 徐勋达.江汉大学 2017
[2]基于Fluent的鼓泡塔反应器气液两相流数值模拟[D]. 徐小姿.新疆大学 2016
[3]高耸板式塔的风振响应分析[D]. 牛伟建.燕山大学 2015
[4]风诱导高耸设备的振动分析与减振结构设计[D]. 朱晓升.浙江工业大学 2013
[5]大型直立设备组合结构的强度和诱导振动分析[D]. 赵菲.北京化工大学 2013
[6]内循环冷却吸收塔的CFD模拟[D]. 徐利宁.郑州大学 2012
[7]筛板萃取塔内流型优化的CFD模拟和PIV实验研究[D]. 段长春.天津大学 2012
[8]新型固阀塔板流体力学性能研究及流场模拟[D]. 张立宁.天津大学 2009
[9]弓形降液管内流场研究和数值模拟[D]. 潘忠滨.浙江工业大学 2006
[10]降液管出口流体力学性能研究[D]. 周海龙.天津大学 2004
本文编号：3579076
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