● 摘要
延迟焦化是目前国内外石油化工炼制的重要环节，焦炭塔作为延迟焦化装置的关键设备，在一个运行周期中承受着巨大的周期交变温度和循环载荷，工作条件十分恶劣苛刻。本文借助有限元分析软件对焦炭塔完整运行周期进行了数值模拟，研究了塔体温度、应力与应变的分布规律，为企业安全生产、设备产能挖掘提供了意见。
首先，使用焦炭塔科技档案整理并绘制了焦炭塔完整结构图，在ANSYS软件内部利用焦炭塔结构与载荷的高度轴对称性建立了焦炭塔的含焦炭、不含焦炭的二维有限元模型，并进行了网格划分。以塔顶、塔底进出口介质温度沿塔体高度方向线性拟合插值所得函数作为热分析的边界条件，并采用多载荷步加载的方法实现了完整运行周期中焦炭塔的温度场模拟。结果发现：油气预热阶段塔体温度上升连续而平缓；蒸汽冷焦阶段仅对塔内焦炭表层进行了冷却，对于有焦炭覆盖的塔体冷却效果不明显；给水冷焦阶段塔体温度变化最大，热梯度情况变化复杂；裙座位置历经漫长升温后保温，温度始终不高。
其次，运用热-结构耦合有限元计算方法，以热分析结果、焦炭塔自重、操作内压、水压等作为载荷对焦炭塔进行了结构场数值计算。计算结果表明：温度梯度所产生的热应力远大于介质重量、自重对焦炭塔安全的影响；塔体在运行过程中多位置已产生了不同程度的塑性形变；焦炭塔塔体在油气预热结束时刻形变量最大；蒸汽冷却阶段塔体应力变化量最小；给水冷焦阶段对塔体安全性影响最大；整个过程中过渡段部位受影响最大。
最后，结合企业实际需求，对未来延迟焦化技术发展所产生的新的焦炭塔运行工况进行了数值模拟，并对当前保温材料老化保温性能下降所带来的影响进行了计算分析，为企业生产决策提供了意见。
论文研究工作为焦炭塔材料的工况模拟力学实验、焦炭塔安全与寿命评估积累了基础数据，为进一步进行延迟焦化焦炭塔在线监测及安全评估系统开发奠定了基础。