聚丙烯氣相反應器R401模態分析

作者簡介：施華彪（1969-），高級工程師，從事石油化工行業大型工程項目建設、煤化工生產和高鹽廢水“零排放”等研究工作，shihb@sinopec.com。

引用本文：施華彪.聚丙烯氣相反應器R401模態分析[J].化工機械，2024，51（2）：219-222.

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202402008

摘 要 為保證聚丙烯氣相反應器R401的安全運行，運用有限元分析法計算了氣相反應器整體動態特性，結果表明，氣相反應器動態特性滿足設計要求，可確保設備的安全可靠有效運行。

關鍵詞 氣相反應器 聚丙烯 有限元分析 模態分析 動態特性

中圖分類號 TQ052.5" "文獻標志碼 A" "文章編號 0254?6094（2024）02?0219?04

本體法-氣相法組合環管法制備聚丙烯工藝具有獨特的工藝流程，使得其成為目前最成功、運用最為廣泛的生產工藝之一，氣相反應器R401是該工藝生產中的關鍵設備之一。其工作原理為：通過循環氣壓縮機使反應氣體高速循環至反應器底部，通過特殊設計的分布板吹出，使聚合物粉料保持流化狀態，特殊的結構設計保證了催化劑與聚合物粉料充分混合，聚合物粉末與熱風之間的熱傳遞與濕分傳遞迅速，反應速度快，處理能力大，設備運轉穩定[1]。氣相反應器R401是立式圓筒形結構，其內徑為

?3 700 mm，設備總高約19 m，主要受壓元件材質為09MnNiDR，支撐結構為剛性環，由于設備長徑比較大，并受風載和地震載荷的影響，其自身的強度剛度和振動問題直接影響產品質量及設備壽命。為確保聚丙烯裝置穩定、安全、滿負荷、長周期、經濟的運行，研究氣相反應器R401整體動態特性至關重要。

國內許多學者對氣相反應器R401的常規設計制造和運行時的工藝參數優化進行了大量研

究[2～8]。但因氣相反應器屬于Ⅲ類壓力容器，具有獨特的結構形狀和工作工況，需要用分析設計來補充常規設計。筆者通過有限元分析計算了氣相反應器R401整體動態特性，確保氣相反應器安全可靠有效運行。

1 應力分析

1.1 計算模型

氣相反應器R401為立式圓筒形結構，支撐結構為剛性環，其內徑為?3 700 mm，設備總高約19 m，對設備整體進行分析，計算條件如下：

設計壓力 2.0 MPa

設計溫度 150 ℃

主要受壓元件材質 09MnNiDR

彈性模量 193 GPa

許用應力 157 MPa

對氣相反應器建立整體計算域，具體如圖1所示。

1.2 網格劃分

對計算模型進行網格劃分，本次計算采用六面體網格進行離散計算，網格劃分結果如圖2所示。

1.3 邊界條件

對氣相反應器施加邊界條件如下：固定約束;對反應器施加重力加速度，方向沿y軸負方向;等效平衡效力;為了考慮地震對反應器的影響，添加地震載荷響應;為了考慮風速對反應器的影響，添加風載荷;內壓。

1.4 構件的基礎振動理論

振動力學[9]中，多自由度機構系統的動力學微分方程定義如下：

[M]{[x][¨]（t）}+[C]{[x][·]（t）}+[K]{x（t）}={F（t）} （1）

式中 [C]——阻尼矩陣;

[K]——剛度矩陣;

[M]——質量矩陣;

{F（t）}——外載荷向量;

{x（t）}——位移向量;

{[x][·]（t）}——速度向量;

{[x][¨]（t）}——加速度向量。

當系統為無阻尼自由振動狀態時，外載荷等于0，阻尼矩陣等于0。則式（1）可簡化為：

[M]{[x][¨]（t）}+[K]{x（t）}=0 （2）

當系統為無阻尼自由振動狀態時，機構在初速度和初位移的作用下做自由簡諧振動，因此，式（2）的解為：

{x（t）}={φ（t）}sin（ωt+α）（3）

式中 {φ（t）}——固有振型;

ω——自振頻率。

將式（3）代入式（2）中得到：

[K]-ω2[M]{φ（t）}=0 （4）

自由振動狀態時{φ（t）}為非零解，所以：

[K]-ω2[M]=0（5）

機構的自振頻率f=ω/2π，則式（5）可以簡化為：

ω=（6）

由式（6）可以看出，系統為無阻尼自由振動狀態時，固有頻率只與質量和剛度關聯。

當系統受到預應力影響時，并忽略阻尼的影響，運動微分方程為：

[K+S]-ω2[M]{φ（t）}=0（7）

式中 [S]——預應力引起的剛度矩陣。

式（7）中{φ（t）}為非零解，所以：

ω=（8）

2 結果分析

2.1 整體載荷計算分析

圖3為受載荷作用后氣相反應器的應力云圖，由圖3可以看出，應力最大值為610 MPa，出現在氣相反應器的P1（聚合物入口）管口處，超過了材料的許用應力值（157 MPa），因此對其進行線性化處理，P1管口線性化應力分析示意圖如圖4所示，P1管口線性化各應力沿壁厚截面的變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出，P1外壁面處，局部薄膜應力為149.04 MPa，小于1.5倍的許用應力，一次+二次應力為353.98 MPa，小于3倍的

許用應力，證明其應力水平滿足要求，故該設備設計滿足強度要求。

圖6為氣相反應器總的變形云圖，由圖6可

以看出，氣相反應器的最大變形值小于3 mm，滿足設計要求。

2.2 氣相反應器模態分析

對氣相反應器進行模態分析，得出固有頻率和振型，作為設計依據，以避免設備在操作工況下發生共振。氣相反應器的固有頻率隨著振型階數的增大而增大，階數越低對反應器的振動形態影響越大，因此，筆者只分析氣相反應器的前6階模態，各階對應的振型和固有頻率如表3和圖7所示。

結合表3和圖7可以得出，氣相反應器在頻率31.355～42.074 Hz之間時，最大變形量（徑向變形）為1.6 mm。對比前6階變形量發現，前4階發生軸向變形，且變形量基本不變，第5階和第6階發生徑向變形，變形量明顯大于前4階，大約為1.6 mm。由此得出，按此結構設計的相反應器動態特性滿足要求，確保了氣相反應器安全可靠有效運行。

3 結束語

筆者綜合考慮自重、風載、地震載荷、內壓和管口載荷對氣相反應器的影響，運用有限元分析法計算了氣相反應器整體動態特性，通過分析得出，氣相反應器的強度滿足要求，設備動態特性滿足要求，從而保證了設備的安全可靠有效運行。模擬計算過程可為今后的設備結構設計和優化提供參考。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2023-03-06，修回日期：2024-03-18）

Modal Analysis of Polypropylene Vapor Reactor R401

SHI Hua?biao

（Zhongan Joint Coal Chemical Co.，Ltd.）

Abstract" "For purpose of ensuring safe operation of PP vapor reactor R401， the FEM was adopted to calculate overall dynamic characteristics of the vapor reactor. The results show that， the vapor reactor’s dynamic characteristics can meet the design requirements and ensure the safe， reliable and effective operation of the equipment.

Key words" "vapor reactor， PP， FEM， modal analysis， dynamic characteristics

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