基于有限元法的船舶碳捕集旋转填充床系统结构及振动特性研究

《CMES - Computer Modeling in Engineering and Sciences》：Structural and Vibration Characteristics of Rotating Packed Beds System for Carbon Capture Applications Using Finite Element Method

为解决船舶碳捕集系统因空间和重量限制难以应用传统吸收塔的难题，本研究针对旋转填充床（RPB）在高转速下的结构稳定性与振动风险，开展了基于ANSYS的有限元分析。研究通过模态分析、结构分析及不平衡质量响应分析，系统评估了316不锈钢、铝合金及钛合金三种材料在3000 rpm下的变形、应力及固有频率变化。结果表明，所有材料在额定转速下均未超过屈服强度，且坎贝尔图显示在额定转速范围内无共振风险。研究为高转速RPB系统的材料选择、轴承刚度优化及振动控制提供了定量设计依据，对建立船用碳捕集单元机械可靠性标准具有重要指导意义。

　　

随着全球化贸易的蓬勃发展，海运承担了绝大部分国际货物运输任务。然而，船舶在航行过程中会排放大量的硫氧化物（SO_x）、氮氧化物（NO_x）以及二氧化碳（CO₂），对全球环境造成了巨大压力。为了应对日益严格的环保法规，碳捕集与封存（CCS）技术，特别是利用胺溶剂吸收燃烧后产生的CO₂的技术，被视为一种实用且成熟的环保解决方案。

然而，将陆上工厂广泛使用的CCS技术直接移植到船舶上却面临着严峻的挑战。船舶的甲板空间极其有限，而传统的吸收塔不仅体积庞大，而且非常沉重。对于追求经济利益最大化的船东而言，安装沉重的CCS设备意味着需要牺牲宝贵的载货空间，这无疑会带来巨大的经济损失。因此，寻找一种占地面积小、重量轻且捕集效率高的替代技术迫在眉睫。

在此背景下，旋转填充床（RPB）技术脱颖而出，成为解决这一难题的关键技术。RPB利用高速旋转产生的强大离心力，极大地增加了气液两相的接触面积，从而实现了极高的传质效率。与传统吸收塔相比，RPB具有压倒性的空间效率、更低的安装成本、更高的捕集性能以及模块化等优势，被认为是船舶碳捕集应用的理想选择。

尽管RPB在化学工艺性能上表现出色，但其在高转速下的机械稳定性却是一个不容忽视的问题。作为一种高速旋转机械，RPB在运行过程中会产生巨大的离心力，并可能引发振动问题。船舶的航行环境本身就伴随着高强度的振动，且结构支撑条件有限，这对转子系统的机械稳定性提出了极高的要求。然而，目前针对RPB系统在高转速下的结构特性和振动特性的研究尚属空白，国际上也没有相关的设计标准。为了填补这一研究空白，并为船用碳捕集系统的机械可靠性提供理论依据，本研究利用ANSYS软件，对RPB系统进行了全面的有限元分析。

关键技术方法

本研究主要采用了有限元法（FEM）进行数值模拟分析。首先，研究人员利用ANSYS 2025软件建立了RPB系统的三维模型，并进行了网格划分与敏感性分析，以确保计算结果的准确性。研究设定了轴承支撑的边界条件，并考虑了三种不同材料（316不锈钢、铝合金、钛合金）的物理属性。在此基础上，研究团队系统性地开展了以下分析：

1. 1.
   结构分析：在0至3000 rpm的转速范围内，分析RPB模型在离心力作用下的冯·米塞斯应力分布、最大变形量以及结构薄弱区域。
2. 2.
   模态分析：计算系统的固有频率和振型，并绘制坎贝尔图（Campbell diagram），以评估在额定转速范围内是否存在共振风险。
3. 3.
   轴承刚度影响分析：通过改变轴承刚度（10³至10⁷N/mm），分析其对系统固有频率的影响，并绘制临界转速图（Critical speed map）。
4. 4.
   不平衡质量响应分析：模拟RPB系统在存在不平衡质量（由填料中CO₂捕集不均引起）时的稳态响应，分析位移幅值、应力分布以及相位角的变化规律。

研究结果

4.1. 结构分析

在最大工作转速3000 rpm下，对三种材料进行了结构分析。结果表明，所有材料的最大变形量均约为0.4 mm，从整个系统的角度来看属于微小变形。在冯·米塞斯应力方面，316不锈钢产生的应力最大（242.05 MPa），而铝合金产生的应力最小（79.34 MPa）。这主要是由于316不锈钢密度最大，在高速旋转时承受的离心力也最大。然而，所有三种材料在最大转速下产生的应力均未超过其各自的拉伸屈服强度，表明在当前设计下不会发生塑性变形。

4.2. 模态分析

通过绘制坎贝尔图，研究人员分析了RPB系统在0至3000 rpm转速范围内的固有频率变化。结果显示，在额定转速范围内，系统的固有频率与1倍频（1×）和2倍频（2×）激励线均未发生交叉，表明在额定转速（1000 rpm）及其±15%的分离裕度范围内，不存在引发共振的临界转速。此外，研究还发现，随着转速的增加，系统的固有频率会因陀螺效应和科里奥利效应而发生变化。

4.3. 轴承刚度影响

为了获得更接近实际的模态分析结果，研究考察了轴承刚度对系统固有频率的影响。临界转速图显示，随着轴承刚度的增加，系统的固有频率普遍升高。当轴承刚度较低（如10³N/mm）时，系统的第2阶模态频率可能接近3000 rpm，存在引发共振的风险。因此，研究建议在设计时应选用刚度至少大于10⁵N/mm的轴承，以确保系统的稳定性。

4.4. 不平衡质量响应分析

为了评估RPB系统在实际运行中因填料中CO₂捕集不均导致的不平衡质量对系统的影响，研究进行了不平衡质量响应分析。结果表明，随着不平衡质量半径的增大或质量的增加，系统产生的位移幅值和应力均会相应增大，这与离心力与半径和质量成正比的物理规律一致。此外，研究还发现，不平衡力的大小不会改变共振峰值的频率，但会改变其幅值。特别值得注意的是，钛合金在480 Hz附近出现了明显的共振峰，这与模态分析中得到的第10阶固有频率（0 rpm时）相吻合，表明钛合金材料在该频率下发生了共振。

结论与讨论

本研究通过有限元法对旋转填充床（RPB）系统进行了全面的结构及振动特性分析，主要得出以下结论：

1. 1.
   结构安全性：在最大工作转速3000 rpm下，RPB系统的最大变形量极小（<0.4 mm），且所有材料（316不锈钢、铝合金、钛合金）的冯·米塞斯应力均未超过其屈服强度，表明系统在结构上是安全的，不会发生塑性变形。
2. 2.
   共振风险：模态分析及坎贝尔图表明，在额定转速（1000 rpm）及其±15%的分离裕度范围内，系统的固有频率与激励频率无交叉，不存在共振风险。
3. 3.
   轴承刚度影响：轴承刚度对系统的固有频率有显著影响。为保证系统稳定运行，建议选用刚度至少大于10⁵N/mm的轴承。
4. 4.
   不平衡质量响应：不平衡质量的存在会显著放大系统的振动响应。随着不平衡质量半径或质量的增加，系统的位移和应力均会线性增大。此外，不平衡力的大小不会改变共振频率，但会改变共振幅值。

本研究的意义在于，首次系统地研究了RPB系统在高转速下的结构及振动特性，为船用碳捕集系统的机械设计提供了重要的定量依据。研究提出的基于有限元的设计框架，为未来国际标准的建立和船用碳捕集系统机械可靠性的提升奠定了坚实的基础。