包春凤 李瑜哲 周帼彦

（1.上海化工研究院有限公司；2.华东理工大学机械与动力工程学院）

填料塔是石油、化工、医药及环保等行业重要的传质与分离设备。 规整填料塔的主要塔内件包括高效规整填料、填料支撑装置、气体或液体收集/再分布装置。 其中，填料支撑装置的主要作用是支撑填料层及其所持液体重量，设计时不仅要保证结构的强度和刚度满足要求，还要求其阻力小，气液能顺利通过且分布均匀，同时还要结构简单，便于制造和安装［1］。 目前，广泛应用的规整填料支撑装置类型主要包括栅板型、 栅梁型等。 支撑装置一般放置于塔壁的塔圈上，或者放置并焊接在塔壁的支座上［2，3］。 但对部分条件复杂、物料具有强腐蚀性的工况，例如含氯或氟的腐蚀工况，填料塔塔体常采用板衬、模压、喷涂四氟类材料或采用内衬搪瓷的方式防止腐蚀发生。这种情况下，由于加工工艺的特殊性，在塔内壁设置塔圈或支座难度大，连接处强度薄弱，易拉脱或爆瓷。 而且在这种高温含氯或氟的腐蚀工况下， 塔内件通常选择石墨类非金属或镍基合金、钛合金等特材，导致其结构设计困难，加工性能差，造价昂贵。 因此，选择合适的支撑装置材料，避免物料腐蚀，并设计合理的结构，解决填料支撑装置在塔内的支承固定，已成为当前实际工程中的重点和难点问题。

在此，笔者讨论了120 ℃下含氯介质的塔内件结构设计及其选材问题，通过查阅和参考相关文献，选择合适的材料，设计并制造了适用于规整填料塔的耐腐蚀填料支撑装置，并对其强度和刚度进行有限元模拟研究，以验证该装置是否满足要求。

1 耐腐蚀支撑装置结构设计

1.1 材料选择

化工行业往往工况复杂，介质的温度、压力及腐蚀性等对设备的选材有严苛的要求。 随着材料的发展和加工技术的进步，设备主体材料往往选型难度不大。 根据腐蚀数据与选材手册，不锈钢可耐普通酸碱介质腐蚀，钛、镍、钽及锆等金属及其合金对强腐蚀工况效果较好，但造价高且加工难度大，因此往往会采用耐腐蚀的非金属材料代替［4］。

本研究体系中存在氯离子腐蚀， 温度约为120 ℃，主体设备采用碳钢模压衬PTFE 的方式，填料采用陶瓷CY700 型规整填料，重量约为相同型号普通金属丝网填料的2.3 倍。因此，填料支撑装置选材时既要考虑耐腐蚀性，也要满足强度和刚度要求，同时还要加工性能好，造价适宜。 综上要求，填料支撑装置的合适选材方案为：纯四氟或不锈钢作为支撑骨架，外层喷涂四氟防腐层。

1.2 设计和制造

由于塔内壁模压衬PTFE， 无法加工塔圈或支座，所以填料支撑装置采用夹持法兰的方式固定。 底板为圆环状，中间为气相通道，为尽可能降低气相阻力，环形底板宽度与法兰密封面尺寸相关，以略宽于法兰垫片50 mm 左右为佳。 对于设置槽盘式分布器的塔节，填料支撑装置可与分布器共用底板， 直接将支撑条焊接于分布器底板上，形成一体化结构，如图1 所示。 通道四周均匀分布数个支撑条，具体数量以满足支撑强度要求和便于中间分布器喷涂加工为宜，支撑条高度满足分布器布置即可； 支撑条上端焊接栅板型支撑， 规整填料直接安装于栅板上方。 设计直径400 mm 的填料支撑装置，支撑骨架采用厚度为3 mm 的不锈钢板条焊接加工， 然后进行四氟喷涂，涂层厚度0.1 mm 左右。

图1 填料支撑装置和槽盘分布器一体化结构

2 有限元模拟

采用ANSYS Workbench 软件对设计的填料支撑装置进行有限元模拟，分析其强度和刚度是否满足使用要求， 并与纯PTFE 材料填料支撑装置进行对比。

2.1 几何模型

由于填料支撑装置的强度和刚度主要由内部骨架来提供，与外涂层无关，因此几何模型主要对不锈钢骨架部分建模（图2）。 采用纯PTFE材料设计的填料支撑，无需考虑喷涂，为加强支撑强度，支撑条改为圆桶状，厚度6 mm。

图2 两种材料的填料支撑装置几何模型

模型基本参数如下：

2.2 材料性能参数

栅板材料在设计温度120 ℃下的性能参数见表1。 考虑到温度对PTFE 强度和刚度的影响较大，其值按照常温下数值的80%取值。

表1 两种材料的性能参数

2.3 载荷与边界条件

塔体的载荷主要包括温度、 自重和填料湿重，支撑装置位于塔内部，工作压力为常压。 精馏塔设计温度为120 ℃， 模拟时整体施加温度场，温度按照设计温度取值；自重通过施加重力场实现，重力加速度取值为9.8 N/kg，填料湿重转化为均布载荷并施加在填料支撑装置的上表面［5］；填料选用板波纹陶瓷规整填料，型号为700Y，填料持液量按照填料体积的7%计算［6］，填料湿重约850 kg/m3。考虑到液体收集再分布的需要，填料高度每隔3 m 设置一个收集再分布器和填料支撑装置， 因此直径400 mm 的规整填料塔的支撑载荷为3 000 N。

位移边界条件主要考虑填料支撑装置底板夹持在塔节法兰之间，因此接触面垂直法兰密封面方向位移设置为0。

3 结果分析

3.1 强度和刚度分析

图3 为DN400 mm 填料塔内两种材料的填料支撑装置在压力和温度载荷共同作用下的等效应力云图。 由图3 可以看出，不锈钢材料的填料支撑最大等效应力值为26.452 MPa，出现在支撑条与底板连接处， 该值小于材料的许用应力值，强度满足设计要求。 PTFE 材料的填料支撑最大等效应力值为20.094 MPa，出现在栅条和栅板圈连接的位置， 该值超过了材料的许用应力值，强度无法满足设计要求。

图3 两种材料的填料支撑装置等效应力云图

图4 为两种材料的填料支撑装置在载荷作用下的总位移云图。 由图4 可以看出，位移主要发生在受力方向，不锈钢材料的填料支撑的最大位移为0.407 mm，PTFE 材料的填料支撑的最大位移为20.887 mm。因此，不锈钢材料填料支撑满足强度和刚度要求，PTFE 材料填料支撑强度和刚度均无法满足设计要求，需要进一步增加支撑材料的厚度。

图4 两种材料的填料支撑装置总位移云图

3.2 经济性分析

为了使纯PTFE 材料的填料支撑的强度和刚度满足要求， 将PTFE 材料的厚度从6 mm 增加至12、16 mm，再次进行有限元模拟，模拟结果如图5、6 所示。 从图5、6 可以看出，当PTFE 材料的厚度增加到16 mm 时， 最大等效应力为6.015 MPa，出现在栅条和栅板圈连接的位置，该值小于材料许用应力，满足强度设计要求，同时最大位移约为3.655 mm， 满足强度和刚度要求。 然而，当PTFE 材料的填料支撑装置厚度增加到16 mm时，重量接近不锈钢，材料成本将高出两倍，且加工难度大，制造成本高，经济性变差。

图5 12 mm 厚PTFE 材料的填料支撑装置有限元模拟结果

图6 16 mm 厚PTFE 材料的填料支撑装置有限元模拟结果

4 结束语

综上所述，采用不锈钢材料做骨架，厚度为6 mm 时， 完全满足填料支撑所需的强度和刚度要求，经济性比纯四氟材料好。

将设计的填料支撑装置应用于某氟化工产品精制项目中， 物料中含有少量氯气和盐酸，精馏塔操作温度120 ℃，填料支撑装置与槽盘式分布器做成一体化结构， 外层喷涂进口四氟粉料，安装时底板夹持于塔节法兰之间。 稳定运行半年后，拆开塔节查看塔内件腐蚀和变形情况，发现填料支撑装置基本没有变形和腐蚀发生，满足腐蚀工况下规整填料的填料支撑需求。