甲乙酮裝置中仲丁醇水合反應器的設計

汪小娟

東華工程科技股份有限公司　合肥　230024

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甲乙酮裝置中仲丁醇水合反應器的設計

汪小娟*

東華工程科技股份有限公司合肥230024

介紹反應容器的材料選擇；并對其重要結構在設計條件下的應力分布進行分析，基于應力分析法對這些部位進行安全評定。

復合板材有限元防腐層安全評定

仲丁醇(以下簡稱SBA)水合反應器是丁烯制甲乙酮工藝流程中的核心設備，本文對SBA水合反應器的選材和結構進行了闡述，并對反應器整體進行了強度分析，為SBA水合反應器的安全生產運行提供了保障。

1　設備簡介

SBA水合反應器由4個催化劑床組成。每個床充有約17m3催化劑。進料丁烯通過下部催化劑支撐床上的分布噴嘴，在催化劑中獲得均勻分布。丁烯和工藝水向上流過催化劑床，在催化劑酸性基團上，正丁烯和水發生反應，生成SBA。混合物通過上部催化劑支撐床上分布噴嘴離開催化劑床層。水和有機相在兩催化劑床層之間進行油水分離。工藝水通過界面液位調節閥控制去循環水換熱器，而有機相則通過分布噴嘴進入上一催化劑床層。

SBA水合反應器的上、下封頭采用球形封頭，筒體采用單層結構，底部采用裙座結構支撐筒體，該設備的內腔被分隔成四段反應床層，其設計參數和水合反應器見圖1。

2　材料選擇及強度計算

2.1材料選擇

圖1　水合反應器簡圖

2.2強度計算

按照GB 150.3對設備筒體和封頭進行設計計算，通常采用SW6進行強度計算。

筒體厚度計算：

球形厚度計算：

考慮內部介質的腐蝕性質和904L材質的耐腐蝕性能，在滿足工藝條件的前提下盡可能降低設備投資，確定設備筒體厚度為86+6mm，上下球形封頭的厚度為56+6mm(堆焊)。

3　水合反應器有限元分析

通過上述計算，確定了筒體及封頭的厚度，在設備開孔處還需進行補強計算，GB 150.3中提供了等面積補強法，即只需將開孔所削弱的面積在有效補強范圍內予以彌補即可滿足結構的強度要求。本質上，該方法是一種工程經驗方法，而且無法反映該處實際應力水平，因此本文采用分析設計方法以得出該結構附近的實際應力分布情況，并按JB 4732進行應力評定，可提高該結構的計算可靠性，本文選取設備上封頭最大開孔進行了應力分析。

塔盤支撐圈與筒體連接處焊縫的強度直接關系到塔器設備能否正常操作，而本設備筒體使用的爆炸復合板材料，為了降低制造難度，采用將塔盤支撐圈直接焊于復合層上的結構，對于此結構是否會造成復合層被撕裂需進行應力分析，并基于應力分類方法對其進行安全性評定，旨在提高設備的計算可靠性。

3.1上封頭的人孔結合處附近的結構有限元分析

3.1.1模型建立

鑒于人孔法蘭、封頭、筒體結構以及內壓情況都具有對稱性，建立的二維有限元模型，見圖2(A)。局部放大圖2(B)顯示了人孔法蘭與封頭連接處的倒角情況，倒角尺寸為R 30mm。同時，為了避免位移邊界條件的設置對封頭的局部應力響應產生不合理的影響，本文特意建立了一段長850mm的筒體與封頭連接，以便在筒體上設置位移邊界條件。

3.1.2載荷和邊界條件的設置

按照設計壓力情況，在筒體、封頭和人孔法蘭內壁上施加8.3MPa的均布內壓載荷，同時，在筒體的下端施加簡支約束位移邊界條件(2方向的位移U2=0)。載荷邊界條件的設置見圖3。

圖2　封頭、人孔法蘭與筒體的力學及有限元模型

圖3　載荷和邊界條件的設置

3.1.3網格劃分

本模型為軸對稱模型，采用PLANE183對模型進行了網格劃分。圖4顯示了人孔法蘭與封頭連接處具體的網格劃分情況。

圖4　有限元模型的網格劃分情況

3.1.4應力分布

壓力容器制造中之所以采用復合板材的原因之一主要是從設備需要防腐的角度考慮的，因此，復層材料大多具有特殊的耐蝕性；而絕大多數的壓力容器用復合板材都是由爆炸焊接技術制造而成的，無法保證基層與復層100%貼合。因此，一般在設計和校核計算時僅僅將復層作為防腐層，而不作為承壓層考慮。

本節基于這一點，僅建立人孔法蘭、封頭與筒體結構的基層材料SA516-70部分的有限元模型，并將基層材料SA516-70在200℃下的許用應力作為設計應力強度進行應力強度安全評定。

圖5(A)為模型在8.3MPa設計內壓作用下的應力分布云圖，可見最大Mises應力值167.7MPa出現在8號節點(Node)處，具體位置為人孔法蘭與封頭連接處的基層材料上。因此，只需對此位置進行應力強度安全評定即可。局部放大圖5(B)顯示人孔法蘭與封頭連接處的具體應力分布情況，在這一位置由內而外建立如圖5(B)上粗實線箭頭所示的應力線性化路徑。

圖5　模型應力分布云圖(最大Mises應力值為167.7MPa)

3.1.5應力強度安全評定

模型整體的應力分布云圖顯示，最危險截面必然為人孔法蘭與封頭的連接處，因此，只需對此位置進行應力強度安全評定即可。局部放大圖5(B)顯示人孔法蘭與封頭連接處的具體應力分布情況，本文擬在這一位置由內而外建立圖5(B)上深色箭頭所示的應力線性化路徑。

此處，將200℃條件下材料SA516-70的許用應力141MPa作為設計應力強度Sm。結合圖應力線性化分布結果可知：

一次局部薄膜應力最大應力強度：

S=142.6MPa

1.5Sm=211.5MPa

S<1.5Sm

一次加二次應力最大應力強度：

S=134.3MPa

3Sm=423MPa

S<3Sm

因此，僅將基層材料SA516-70作為承壓部件，對該帶人孔法蘭的封頭應力強度安全評定結果為合格。

按GB 150.3等面積補強法可計算出該封頭上人孔開孔削弱所需補強面積為20950mm2，實際有效補強面積為28452 mm2，不能直觀得出此處實際應力水平。

3.2塔盤支撐圈與筒體連接處有限元分析

3.2.1模型建立

為支撐催化劑和分離反應生成的有機相和水，每段催化劑床層都設有上下兩個塔盤，如果采用將筒體上的復合層鏟除，再將塔盤的支撐圈與筒體直接焊接，則制造難度大。為減少設備制造難度，現將支撐圈直接焊接于筒體內表面的復層金屬上，本模型主要計算支撐圈與筒體的連接處應力強度，以校核是否會撕裂復層。由于塔盤與支撐圈焊接，支撐圈與復層金屬焊接，可將其作為一個整體，基層板材作為一個整體建模，兩個體之間的結合面設置為接觸面，見圖6。

圖6　塔盤與支撐圈及復層金屬焊接結構圖

模型取2000mm長筒體(支撐圈位置上下各1000mm)，塔盤上水帽結構見圖7。

圖7　塔盤上水帽結構示意圖

從圖7可以看出，塔盤上開孔處設有水帽，該結構上下均焊有罩蓋，介質從水帽側面流出，因此可以將塔盤作為實體板承受上下壓差，同時塔盤和支撐圈焊接連接，模型簡化處理，將塔盤與支撐圈當成一個整體見圖8。邊界A塔板上部空間壓力載荷7.597MPa，邊界B塔板下部空間壓力載荷7.6MPa，邊界C筒體下端限制Y軸方向位移，邊界D筒體上端等效載荷-51.84MPa。

圖8　支撐圈模型

3.2.2網格劃分

本模型為軸對稱模型，采用PLANE183對模型進行了網格劃分。

圖9顯示了塔盤、支撐圈和筒體連接處的網格劃分情況。

圖9　網格劃分

3.2.3應力分布

圖10為塔盤在3KPa壓差(催化劑末期最大壓差)作用下支撐環與筒體連接處的基層應力云圖，

最大應力值為121.7MPa，出現在內表面，即復層界面處的應力為121.7MPa，小于不銹鋼復合板要求的復合界面的結合剪切強度≥210MPa，因此在不超過3KPa壓差下，不會引起不銹鋼復合層的撕裂，所以本結構是安全的。

圖10　應力云圖

4　結語

(1)根據《壓力容器》GB 150和《塔式容器》NB/T 47041-2014并使用軟件SW6，可以較快速地確定SBA水合反應器的安全厚度。

(2)通過有限元分析，可以對部分危險部位進行安全評定，確保設備的安全性且提高設備設計的經濟性。

(3) 通過對塔盤支撐圈與筒體連接處的應力分析，在確保設備安全性的基礎上，大幅降低了設備的制造難度，提高了設備制造效率。

1鄭津洋, 董其伍, 桑志富. 過程設備設計[M]. 北京: 化學工業出版社, 2005.

2JB 4732-1995，鋼制壓力容器-分析設計標準(2005年確認版)[S].

*汪小娟：高級工程師。2013年畢業于南京大學機械工程專業獲碩士學位。主要研究方向為容器設計開發與數值模擬。聯系電話：13721020623，E-mail:cuilina@chinaecec.com。

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