分段夾套攪拌反應器的設計

趙 鵬

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分段夾套攪拌反應器的設計

趙 鵬

（浙江省天正設計工程有限公司 杭州 310012）

摘 要：夾套容器是石油化工行業中常見的化工設備。根據傳熱面積等分原則和結構特點，對夾套進行了分段。通過強度計算和穩定性校核確定了各個壓力腔的殼體壁厚。根據攪拌物料物性參數，給出了反應器的攪拌方案。對耳式支座處的夾套筒體局部應力進行了校核計算。給出了反應器的壓力試驗和無損檢測方法。提出了反應器設計過程中應該注意的幾個問題，供同行借鑒和參考。

關鍵詞：壓力容器 夾套容器 反應器 攪拌方案 設計

攪拌設備在工業生產中應用很廣，尤其是石油化工行業中，很多的化工生產都或多或少地應用著攪拌操作。對于加熱、冷卻和液體萃取以及氣體吸收等物理變化過程，也往往要采用攪拌操作才能得到更好的效果。攪拌設備在許多場合是作為反應器來應用的。據統計，攪拌設備作為反應器約占反應器總數的90%［1］。夾套容器是石油化工行業中比較常見的化工設備，多應用于反應裝置，利用夾套內介質與設備本體內工藝介質進行傳熱。夾套容器多為壓力容器，計算內容主要包括內壓強度計算和外壓穩定性校核。筆者結合工程實際經驗對某分段夾套攪拌反應器進行設計闡述。

1 反應器結構及設計參數

1.1反應器結構特點

夾套反應器（內筒直徑1800mm，夾套筒體直徑2000mm）由上封頭、內筒體、下封頭、夾套筒體、夾套封頭、接管、耳式支座和攪拌裝置等部件構成。設備由耳式支座支撐在鋼平臺上。考慮到熱量傳遞的效果，根據傳熱面積等分原則，將夾套筒體共分為三段，即整個設備共有4個壓力腔。

攪拌裝置采用立式型式，依靠底座凸緣安裝在上封頭上，底部通過底軸承固定于下封頭上。為便于操作和檢修，在上封頭開孔設置快開式人孔。反應器設置兩個視鏡（一個照明，一個觀看），一個安裝在上封頭，另一個安裝在人孔蓋上。由于物料具有易爆特性，上封頭上的物料進口設置成掛壁式接管型式，使物料沿著罐壁流下，避免物料飛濺產生靜電火花。反應器結構如圖1所示。

圖1　分段夾套攪拌反應器結構

考慮到介質特性及用戶要求，上封頭、內筒體和下封頭材質均為S30408（GB 24511—2009 《承壓設備用不銹鋼鋼板及鋼帶》）［2］；上封頭、內筒體和下封頭上焊接的開孔接管材質均為S30408（GB/T 14976—2012 《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》）［3］，管法蘭（SO）材質均為S30408Ⅱ（NB/T 47010—2010 《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》）［4］；夾套筒體和夾套封頭材質均為Q345R（GB 713—2014 《鍋爐和壓力容器用鋼板》）［5］；夾套筒體和夾套封頭上焊接的開孔接管材質均為20鋼（GB/T 8163—2008《無縫鋼管》）［6］，管法蘭（PL）材質均為Q345R（GB 713—2014）［5］；套管材質均為20鋼（GB/T 8163—2008）［6］；人孔材質為304型不銹鋼；耳式支座本體和墊板材質均為Q345R（GB 713—2014）［5］。攪拌裝置金屬部件均為304型不銹鋼。

1.2反應器設計參數

分段夾套攪拌反應器的設計參數見表1。

表1　分段夾套攪拌反應器設計參數

2 結構設計和強度計算

2.1夾套結構設計

設備內筒體高度為2500mm，如若夾套筒體采用整體結構，筒體較長可能會導致夾套末端熱水溫度降低影響傳熱效果。根據傳熱面積等分原則并結合反應器結構特點，現將夾套筒體共分為三段，見圖1。夾套筒體與內筒體的連接結構如圖2所示。

圖2　夾套與內筒連接結構

2.2穿過夾套的接管結構設計

夾套容器的內筒體被夾套筒體包裹，內筒體上的接管須經過夾套筒體引出至工藝管線，該接管的結構形式如圖3所示。接管外圍焊接一個套管，該套管穿過夾套筒體與夾套筒體焊接，并與內筒外表面焊接。夾套空缺區域（套管包圍區域）內筒體僅承受內筒內的設計壓力，內筒接管也僅承受內筒內的設計壓力，套管承受夾套內的設計壓力。

圖3　穿過夾套的接管結構

2.3 夾套排氣裝置設計

為了全部放出夾套中的空氣和惰性氣體，使熱水充滿整個夾套空間，在盡量靠近夾套空間的最上端設置排氣口，直徑不小于10mm。采用DN15的管口，排氣裝置如圖4所示。操作前打開法蘭蓋，正常操作時法蘭蓋應盲死封閉。

圖4　夾套容器排氣裝置

2.4強度計算和穩定性校核

根據GB 150［7］進行計算的主要內容有：上封頭在-0.1MPa時的外壓穩定性校核和0.33MPa時的內壓強度計算；內筒體在全真空-0.1MPa和全外壓計算長度下的外壓穩定性校核；內筒體在-0.43MPa（內外壓差）時的外壓穩定性校核（此時的外壓計算長度由分段式夾套長度決定，取外壓長度較大者）和0.33MPa時的內壓強度計算；下封頭在-0.43MPa時的外壓穩定性校核和0.33MPa時的強度計算；分段式夾套筒體在0.33MPa時的內壓強度計算；夾套封頭在0.33MPa時的內壓強度計算；接管開孔補強計算（包括接管和套管）等。

3 攪拌方案設計

根據物性參數進行了攪拌方案設計見表2，攪拌軸直徑為65mm。

表2　反應器攪拌方案

4 耳座處夾套筒體局部應力校核

根據設備最大質量，選用4個B5支座（標準JB/T 4712.3—2007《容器支座》），支座材料Q345R，支座本體允許載荷［Q］=120kN。地震影響系數α=0.12，設備最大質量m0=14600kg，重力加速度g=9.8m/s2，夾套筒體內徑Di=2000mm，筒體厚度δn=10mm；墊板厚度δ3=10mm；無偏心載荷和偏心距；支座尺寸b2=180mm，L2=330mm，s1=90mm；不均勻系數k=0.83；設備高度較小，可不考慮風載荷；夾套筒體腐蝕裕量C=1.5mm；夾套筒體材質Q345R鋼板厚度負偏差C1=0.3mm；夾套筒體內設計壓力p=0.33MPa。

本反應器耳式支座處夾套筒體的局部應力校核過程如下：

4.1計算支座承受的實際載荷Q［8］

于是，Q<[Q]=120kN，故滿足支座本體允許載荷的要求。

4.2計算支座處筒體所受的支座彎矩ML［3］

夾套筒體有效厚度［7］：

根據δe和p查標準JB/T 4712.3—2007表B.4內插得：［ML］=31.44kN·m。

于是，ML＜［ML］=31.44kN·m，故滿足支座處筒體許用彎矩的要求。

綜上所述，耳式支座處夾套筒體的局部應力校核通過。

5 壓力試驗及無損檢測

5.1壓力試驗

分段夾套攪拌反應器的壓力試驗方法如下：

1）內筒以0.13MPa的壓力進行水壓試驗，水壓試驗用水中氯離子含量不超過25mg/L。

2）內筒水壓試驗合格后再焊夾套并以0.42MPa的壓力對夾套進行水壓試驗，水壓試驗用水中氯離子含量不超過25mg/L。

5.2無損檢測

對內筒和夾套筒體的A、B類焊接接頭均進行20%射線檢測，技術等級為AB級，按照JB/T 4730.2—2005《承壓設備無損檢測》進行，Ⅲ級合格［9］。

對上封頭、下封頭和夾套封頭的A、B類焊接接頭均進行100%射線檢測，技術等級為AB級，按照JB/T 4730.2—2005進行，Ⅲ級合格［9］。

對夾套筒體與內筒筒體的焊接接頭進行100%滲透檢測，按照JB/T 4730.5—2005進行，Ⅰ級合格［9］。

6 設計中應注意的幾個問題

6.1各工況內筒和下封頭設計溫度的選取

在所有組合工況下內筒和下封頭的設計溫度應取相鄰兩個壓力腔中介質設計溫度較大值，沒有被夾套包裹的上封頭的設計溫度仍然取內筒內介質的設計溫度。

6.2內筒體接管開孔補強時的殼體計算厚度

內筒體開孔補強校核時殼體計算厚度的選擇應取決于夾套筒體斷開處的結構尺寸（考慮工藝傳熱面積參數的需要）。按圖3的示意結構，當內筒上夾套結構斷開區域的寬度大于有效補強寬度時，開孔處內筒的殼體計算厚度應取決于內筒自身的壓力工況，而非最苛刻的工況（內外最大壓差），否則導致材料浪費；當內筒上夾套結構斷開區域的寬度小于有效補強寬度時，開孔處內筒的殼體計算厚度應取決于最苛刻的工況（內外最大壓差），而非內筒自身的壓力工況，否則埋下安全隱患。

6.3SW6軟件計算時尚缺少的內容

SW6是計算軟件，而非繪圖式的設計軟件，軟件未要求設計者輸入設備的詳細結構，內筒的外壓計算長度為設計者輸入參數，因此，設計者需要考慮齊全可能的各種組合工況。目前，SW6軟件計算分段式夾套容器時缺少的工況是內筒體全真空-0.1MPa和相應外壓計算長度下的外壓穩定性校核，外壓雖小，但是外壓計算長度可能較大，這種工況的結果就有可能會決定內筒的壁厚。如果夾套各段封閉結構滿足內筒外壓加強圈慣性矩的計算要求，可以將其作為內筒外壓加強圈考慮來確定內筒的外壓計算長度。所以，設計者計算該類分段式夾套容器時應格外注意，需自己另建SW6程序考慮內筒全真空和相應外壓計算長度的工況。

7 結論

結合工程實際經驗對某分段夾套攪拌反應器進行設計闡述。

1）根據傳熱面積等分原則和結構特點，對夾套進行了分段設計。通過強度計算和穩定性校核確定了各個壓力腔的殼體壁厚。

2）根據攪拌物料物性參數，給出了反應器的攪拌方案。

3）對耳式支座處的夾套筒體局部應力進行了校核計算。

4）給出了反應器的壓力試驗和無損檢測方法。

5）從各工況內筒和下封頭設計溫度的選取、內筒體接管開孔補強時的殼體計算厚度和SW6軟件計算中尚缺少的工況等方面提出了設計過程中應該注意的幾個問題。

參考文獻

［1］王凱，虞軍.化工設備設計全書-攪拌設備［M］.北京：化學工業出版社，2003.

［2］ GB 24511—2009 承壓設備用不銹鋼鋼板及鋼帶［S］.

［3］ GB/T 14976—2012 流體輸送用不銹鋼無縫鋼管［S］.

［4］ NB/T 47010—2010 承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件［S］.

［5］ GB/T 713—2014 鍋爐和壓力容器用鋼板［S］.

［6］ GB/T 8163—2008 無縫鋼管［S］.

［7］ GB 150.1~GB 150.4—2011 壓力容器［S］.

［8］ JB/T 4712.3—2007 容器支座［S］.

［9］ JB/T 4730.2—2005 承壓設備無損檢測［S］.

Design of Mechanical Mixing Reactor with Subsection Jacket

Zhao Peng
（Zhejiang Titan Design & Engineering Co.， Ltd. Hangzhou 310012）

AbstractJacketed vessel is the most commonly used chemical equipment in petrochemical industry. The jacket is divided into several subsections on the basis of the diathermanous area equidistribution and structure feature. The shell thickness of every pressure space is gained from strength calculation and stability calculation. Combined with the mixing medium characteristic parameters, the mixing scheme of reactor is given. The local stress calculation is done to verify the strength of jacket shell where the lug support is installed. The pressure test sequence and nondestructive detection method are given. The special and important aspects needing to be paid attention in the design of mixing reactor are described from several practical cases in detail, which are taken for reference and discussion.

KeywordsPressure vessel Jacketed vessel Reactor Mixing case Design

中圖分類號：X933.4

文獻標識碼：B

文章編號：1673-257X（2016）04-0038-04

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.04.006

作者簡介：趙鵬（1984～），男，碩士，工程師，主要從事化工設備與壓力容器設計工作。

收稿日期：（2015-08-25）