彭明東 吳雄標(biāo)

(中石化南京工程有限公司,江蘇南京 211100)

環(huán)己酮裝置加氫前反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

彭明東 吳雄標(biāo)

(中石化南京工程有限公司,江蘇南京 211100)

介紹了環(huán)己酮裝置中加氫前反應(yīng)器的設(shè)計(jì),通過設(shè)計(jì)實(shí)例,著重?cái)⑹隽嗽O(shè)備的工藝功能、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、介質(zhì)特性及材料選擇原則,并對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算、制造檢驗(yàn)要求等進(jìn)行了詳細(xì)介紹,可為同類設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。

環(huán)己酮裝置 加氫前反應(yīng)器 設(shè)計(jì)

加氫前反應(yīng)器是環(huán)己酮裝置中的關(guān)鍵設(shè)備之一，對整個(gè)裝置生產(chǎn)的安全性和最終成品的產(chǎn)量、品質(zhì)等起著關(guān)鍵作用。

1 加氫前反應(yīng)器的工作原理

來自上游工序的反應(yīng)氣體(苯和氫的混合氣體)由頂部進(jìn)入加氫前反應(yīng)器，經(jīng)過裝填催化劑的換熱管內(nèi)，在催化劑的作用下，苯與氫氣進(jìn)行加成反應(yīng)，生成環(huán)己烷，反應(yīng)式為：C6H6+3H2→C6H12+Q，混合氣體由底部排出，進(jìn)入加氫后反應(yīng)器繼續(xù)加成反應(yīng)，全部轉(zhuǎn)換成環(huán)己烷。

反應(yīng)產(chǎn)生的大量反應(yīng)熱，通過與殼程介質(zhì)(導(dǎo)熱油)進(jìn)行熱交換，被強(qiáng)制導(dǎo)出，以控制反應(yīng)溫度。

2 加氫前反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)

加氫前反應(yīng)器的型式為立式列管式反應(yīng)器，設(shè)備直徑為φ2600mm，反應(yīng)管為φ25×2×4500mm列管，共計(jì)4955根，換熱面積為1634m2，換熱管內(nèi)裝填催化劑，約7．64m3。為使整個(gè)換熱管內(nèi)溫度均衡，保證加成反應(yīng)的順利進(jìn)行，在殼程中間設(shè)置一個(gè)中間管板，將殼程分隔成上、下兩個(gè)腔，每個(gè)腔各設(shè)置兩個(gè)導(dǎo)熱油進(jìn)口和兩個(gè)導(dǎo)熱油出口。導(dǎo)熱油進(jìn)口處設(shè)置防沖擋板，用以防止導(dǎo)熱油沖擊換熱管，導(dǎo)致?lián)Q熱管振動(dòng)和磨損。折流板的形式為圓盤-圓環(huán)形，殼程上、下腔內(nèi)各設(shè)置5塊折流板，折流板間距為275mm。

加氫前反應(yīng)器主要由管板、筒體、上下管箱及換熱管束等部件組成，其結(jié)構(gòu)見圖1。上下封頭采用橢圓封頭，上封頭反應(yīng)混合氣進(jìn)口設(shè)置氣體分布器，下管板下側(cè)面裝有絲網(wǎng)和格柵等組成的填料支撐。

3 加氫前反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

3.2 介質(zhì)特性

(1)苯。苯為中度危害、易爆介質(zhì)，當(dāng)用于確定壓力容器密封性、致密性要求時(shí)，苯應(yīng)列為高度危害介質(zhì)。

(2)氫氣及氫腐蝕[1]。氫氣為易爆介質(zhì)。當(dāng)壓力容器的設(shè)計(jì)溫度大于或等于200℃且與氫氣氛相接觸時(shí)為氫腐蝕環(huán)境。

處于臨氫狀態(tài)下操作的壓力容器，氫會(huì)進(jìn)入鋼材，進(jìn)入量隨著操作溫度和操作氫分壓的提高而增加，鋼中的滲碳體(Fe3C)和不穩(wěn)定碳化物析出的碳與氫反應(yīng)生成甲烷，導(dǎo)致鋼材破裂，這種現(xiàn)象稱為氫腐蝕。

3.3 材料選擇

由于加氫前反應(yīng)器管程的設(shè)計(jì)壓力、溫度都較高，且處于臨氫狀態(tài)，對于加氫前反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，材料選擇的正確與否關(guān)系加氫前反應(yīng)器能否正常運(yùn)行。

碳素鋼在425℃以上、C-0．5Mo鋼在475℃以上長時(shí)間使用時(shí)，鋼中的滲碳體會(huì)自行分解析出碳原子，這些碳原子先以微細(xì)的點(diǎn)狀形式出現(xiàn)在金屬內(nèi)部，此后逐漸聚集長大成較粗的顆粒，產(chǎn)生石墨化，從而使鋼材的強(qiáng)度下降，塑性和韌性降低，引起鋼材的脆斷。[1]

鉻鉬鋼具有良好的抗氫腐蝕能力，其高溫持久強(qiáng)度極限和蠕變極限也較高，因此在高溫高壓臨氫環(huán)境中得到廣泛的應(yīng)用。工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)容器的操作溫度(另加20℃以上)和氫分壓從納爾遜曲線(美國API RP947《鋼在氫環(huán)境中的操作極限》)中查取相應(yīng)鋼的類型。

本設(shè)備的材料選用情況見表2。

3.4 催化劑支撐

催化劑裝填在換熱管內(nèi)，采用兩層絲網(wǎng)及支撐格柵支撐。這種支撐方式結(jié)構(gòu)簡單、加工容易、裝卸方便、阻力降小。

在下管板下側(cè)鋪設(shè)一層2目和一層5目的不銹鋼絲網(wǎng)，絲網(wǎng)被環(huán)形密封條和支撐格柵壓住(圖2)，緊貼在下管板上，環(huán)形密封條和支撐格柵與下管板之間采用螺柱聯(lián)接。為了安裝、拆卸方便，環(huán)形密封條均分成6塊，支撐格柵分成12塊。

環(huán)形密封條和支撐格柵與下管板的連接結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.5 管箱結(jié)構(gòu)

根據(jù)加氫前反應(yīng)器操作程序，在投入運(yùn)行前需將絲網(wǎng)、支撐格柵等固定在下管板上，然后在每根換熱管內(nèi)裝填催化劑，催化劑尚需定期更換，所以，從操作的角度來講，管箱采用可拆式的比較合理。

雖然由于設(shè)備直徑較大，采用法蘭聯(lián)接存在以下不利因素：

(1)大直徑法蘭加工時(shí)密封面的平面度要求很難保證，導(dǎo)致其密封性能很難保證，容易在操作時(shí)出現(xiàn)泄漏，且大直徑法蘭造價(jià)較高。

(2)大直徑法蘭的密封墊片制造困難。但在制造時(shí)嚴(yán)格控制質(zhì)量，仍能夠保證法蘭平面度的要求。墊片采用纏繞式墊片，纏繞式墊片具有多道密封作用，且回彈性好，對密封面的表面質(zhì)量和尺寸精度要求不高，這有利于解決法蘭密封性能的問題。

所以本設(shè)備仍采用凹凸面帶頸對焊法蘭聯(lián)接的管箱結(jié)構(gòu)。

3.6 換熱管的布置

換熱管的排列形式為三角形排列，管間距為32mm。

由于固定環(huán)形密封條和支撐格柵的螺柱需占據(jù)部分換熱管的位置，布管時(shí)，在開螺柱孔的位置不能布管，所以設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先確定環(huán)形密封條和支撐格柵的結(jié)構(gòu)，這樣在布置換熱管時(shí)才能正確預(yù)留出設(shè)置螺柱孔的位置。

3.7 上、下管板結(jié)構(gòu)

表1 加氫前反應(yīng)器主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 材料選擇

如采用兼作法蘭的管板結(jié)構(gòu)，操作時(shí)管板的微量變形將影響管板法蘭的密封性能，對于大直徑的設(shè)備，其作用將較為明顯。且法蘭力矩對管板的影響也較大，經(jīng)過計(jì)算，本設(shè)備如采用兼作法蘭的管板，則管板厚度為260mm；采用不兼作法蘭的管板，則管板厚度僅需100mm。

由此可見，為了提高設(shè)備工作過程中的密封性能，減少法蘭力矩對管板的影響，降低制造成本，采用不兼作法蘭的管板結(jié)構(gòu)較為合理。

本設(shè)備上、下管板采用不兼作法蘭的管板，管板為碗形鍛件，其與管箱筒節(jié)(管箱法蘭頸部)的連接采用全焊透雙U形坡口的對接焊接型式。

3.8 換熱管與管板的連接

換熱管與管板的焊接接頭的強(qiáng)度和密封性是換熱器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。對于密封性能要求較高的場合、承受振動(dòng)或疲勞的場合、有間隙腐蝕的場合、采用復(fù)合管板的場合，一般采用強(qiáng)度脹加密封焊或強(qiáng)度焊加貼脹的連接型式。[2]

由于本設(shè)備設(shè)計(jì)溫度、管程設(shè)計(jì)壓力較高，且管板與換熱管的拉脫強(qiáng)度和密封性要求亦較高，所以上、下管板與換熱管采用強(qiáng)度焊加貼脹的連接型式(圖4)。這樣，既能滿足設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度的要求，也能滿足強(qiáng)度和密封性的要求，同時(shí)避免了設(shè)備在工作中出現(xiàn)振動(dòng)、間隙腐蝕等影響換熱管與管板焊接接頭強(qiáng)度和密封性的情況。

中間管板的作用是將殼程分成上、下獨(dú)立的兩個(gè)腔，考慮制造工藝等因素，中間管板與換熱管的連接采用強(qiáng)度脹的型式(圖5)。

為了保證絲網(wǎng)能夠緊貼在下管板下側(cè)面上，要求換熱管端部與管板面平齊，并在焊接后加工平整。換熱管與管板的焊接接頭高度一般不得小于換熱管壁厚的1．4倍，根據(jù)GB151-1999《管殼式換熱器》的要求，對于φ25×2的換熱管，其值應(yīng)為3．5mm。為使換熱管與管板的焊接接頭底部能夠焊透，不出現(xiàn)未焊透和未熔合等缺陷，并使熔敷金屬填充量最小，即坡口截面最小，將管板上的管頭坡口定為半U(xiǎn)形的型式。

此外，為了保證制造過程中的焊接質(zhì)量和密封性能，對管頭的焊接及脹接提出以下控制要求：(1)換熱管與管板的焊接分為兩層，在焊完第一層后進(jìn)行磁粉檢測，合格后再進(jìn)行第二層的焊接。(2)脹管采用柔性脹。

3.9 強(qiáng)度計(jì)算

管箱封頭、管程容器法蘭、殼程筒體以及開孔補(bǔ)強(qiáng)等強(qiáng)度計(jì)算依據(jù)GB150-1998《鋼制壓力容器》和GB151-1999《管殼式換熱器》進(jìn)行，根據(jù)SW6-98《壓力容器強(qiáng)度設(shè)計(jì)軟件包》計(jì)算結(jié)果，確定各零部件的計(jì)算厚度和名義厚度。

由于固定環(huán)形密封條和支撐格柵用的螺柱占用了部分換熱管布管位置，導(dǎo)致管板周邊不布管區(qū)無量綱寬度k值大于1．0，管板計(jì)算不能按GB151-1999進(jìn)行計(jì)算，按GB151-1999的要求，可按JB4732附錄I給出的方法進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)SW6-98中管板計(jì)算方法按JB4732-95的方式進(jìn)行計(jì)算，得出管板厚度。

3.10 設(shè)備制造檢驗(yàn)的基本要求

設(shè)備制造檢驗(yàn)的基本要求見表3。

4 結(jié)語

加氫前反應(yīng)器自2008年投入運(yùn)行后，運(yùn)行情況一直良好。說明本設(shè)備的選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算滿足工藝生產(chǎn)的要求，可為同類設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。

[1]全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程.新華出版社,2005.

[2]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB151-1999管殼式換熱器.

[3]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB150-1998鋼制壓力容器.