環己酮裝置加氫前反應器的設計

彭明東 吳雄標

(中石化南京工程有限公司,江蘇南京 211100)

環己酮裝置加氫前反應器的設計

彭明東 吳雄標

(中石化南京工程有限公司,江蘇南京 211100)

介紹了環己酮裝置中加氫前反應器的設計,通過設計實例,著重敘述了設備的工藝功能、結構特點、介質特性及材料選擇原則,并對其結構設計、強度計算、制造檢驗要求等進行了詳細介紹,可為同類設備的設計提供參考。

環己酮裝置 加氫前反應器 設計

加氫前反應器是環己酮裝置中的關鍵設備之一，對整個裝置生產的安全性和最終成品的產量、品質等起著關鍵作用。

1 加氫前反應器的工作原理

來自上游工序的反應氣體(苯和氫的混合氣體)由頂部進入加氫前反應器，經過裝填催化劑的換熱管內，在催化劑的作用下，苯與氫氣進行加成反應，生成環己烷，反應式為：C6H6+3H2→C6H12+Q，混合氣體由底部排出，進入加氫后反應器繼續加成反應，全部轉換成環己烷。

反應產生的大量反應熱，通過與殼程介質(導熱油)進行熱交換，被強制導出，以控制反應溫度。

2 加氫前反應器的結構

加氫前反應器的型式為立式列管式反應器，設備直徑為φ2600mm，反應管為φ25×2×4500mm列管，共計4955根，換熱面積為1634m2，換熱管內裝填催化劑，約7．64m3。為使整個換熱管內溫度均衡，保證加成反應的順利進行，在殼程中間設置一個中間管板，將殼程分隔成上、下兩個腔，每個腔各設置兩個導熱油進口和兩個導熱油出口。導熱油進口處設置防沖擋板，用以防止導熱油沖擊換熱管，導致換熱管振動和磨損。折流板的形式為圓盤-圓環形，殼程上、下腔內各設置5塊折流板，折流板間距為275mm。

加氫前反應器主要由管板、筒體、上下管箱及換熱管束等部件組成，其結構見圖1。上下封頭采用橢圓封頭，上封頭反應混合氣進口設置氣體分布器，下管板下側面裝有絲網和格柵等組成的填料支撐。

3 加氫前反應器的設計

3.1 設計參數

主要設計參數如表1。

3.2 介質特性

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

(2)氫氣及氫腐蝕[1]。氫氣為易爆介質。當壓力容器的設計溫度大于或等于200℃且與氫氣氛相接觸時為氫腐蝕環境。

處于臨氫狀態下操作的壓力容器，氫會進入鋼材，進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)和不穩定碳化物析出的碳與氫反應生成甲烷，導致鋼材破裂，這種現象稱為氫腐蝕。

3.3 材料選擇

由于加氫前反應器管程的設計壓力、溫度都較高，且處于臨氫狀態，對于加氫前反應器的設計，材料選擇的正確與否關系加氫前反應器能否正常運行。

碳素鋼在425℃以上、C-0．5Mo鋼在475℃以上長時間使用時，鋼中的滲碳體會自行分解析出碳原子，這些碳原子先以微細的點狀形式出現在金屬內部，此后逐漸聚集長大成較粗的顆粒，產生石墨化，從而使鋼材的強度下降，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，其高溫持久強度極限和蠕變極限也較高，因此在高溫高壓臨氫環境中得到廣泛的應用。工程設計中，應根據容器的操作溫度(另加20℃以上)和氫分壓從納爾遜曲線(美國API RP947《鋼在氫環境中的操作極限》)中查取相應鋼的類型。

本設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，采用兩層絲網及支撐格柵支撐。這種支撐方式結構簡單、加工容易、裝卸方便、阻力降小。

在下管板下側鋪設一層2目和一層5目的不銹鋼絲網，絲網被環形密封條和支撐格柵壓住(圖2)，緊貼在下管板上，環形密封條和支撐格柵與下管板之間采用螺柱聯接。為了安裝、拆卸方便，環形密封條均分成6塊，支撐格柵分成12塊。

環形密封條和支撐格柵與下管板的連接結構如圖3所示。

3.5 管箱結構

根據加氫前反應器操作程序，在投入運行前需將絲網、支撐格柵等固定在下管板上，然后在每根換熱管內裝填催化劑，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。

雖然由于設備直徑較大，采用法蘭聯接存在以下不利因素：

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

(2)大直徑法蘭的密封墊片制造困難。但在制造時嚴格控制質量，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。

所以本設備仍采用凹凸面帶頸對焊法蘭聯接的管箱結構。

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。

由于固定環形密封條和支撐格柵的螺柱需占據部分換熱管的位置，布管時，在開螺柱孔的位置不能布管，所以設計時，應首先確定環形密封條和支撐格柵的結構，這樣在布置換熱管時才能正確預留出設置螺柱孔的位置。

3.7 上、下管板結構

表1 加氫前反應器主要設計參數

表2 材料選擇

如采用兼作法蘭的管板結構，操作時管板的微量變形將影響管板法蘭的密封性能，對于大直徑的設備，其作用將較為明顯。且法蘭力矩對管板的影響也較大，經過計算，本設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構較為合理。

本設備上、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(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度和密封性是換熱器設計的關鍵點之一。對于密封性能要求較高的場合、承受振動或疲勞的場合、有間隙腐蝕的場合、采用復合管板的場合，一般采用強度脹加密封焊或強度焊加貼脹的連接型式。[2]

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

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

為了保證絲網能夠緊貼在下管板下側面上，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GB151-1999《管殼式換熱器》的要求，對于φ25×2的換熱管，其值應為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形的型式。

此外，為了保證制造過程中的焊接質量和密封性能，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，在焊完第一層后進行磁粉檢測，合格后再進行第二層的焊接。(2)脹管采用柔性脹。

3.9 強度計算

管箱封頭、管程容器法蘭、殼程筒體以及開孔補強等強度計算依據GB150-1998《鋼制壓力容器》和GB151-1999《管殼式換熱器》進行，根據SW6-98《壓力容器強度設計軟件包》計算結果，確定各零部件的計算厚度和名義厚度。

由于固定環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，導致管板周邊不布管區無量綱寬度k值大于1．0，管板計算不能按GB151-1999進行計算，按GB151-1999的要求，可按JB4732附錄I給出的方法進行計算，根據SW6-98中管板計算方法按JB4732-95的方式進行計算，得出管板厚度。

3.10 設備制造檢驗的基本要求

設備制造檢驗的基本要求見表3。

4 結語

加氫前反應器自2008年投入運行后，運行情況一直良好。說明本設備的選材、結構設計及強度計算滿足工藝生產的要求，可為同類設備的設計提供參考。

[1]全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.壓力容器設計工程師培訓教程.新華出版社,2005.

[2]中華人民共和國國家標準.GB151-1999管殼式換熱器.

[3]中華人民共和國國家標準.GB150-1998鋼制壓力容器.