加氫反應器結構設計與優化現狀分析

于磊

摘要：隨著石油和化工等行業的迅速發展，加氫反應壓力容器的設計與制造愈發受到研究者的重視。加氫反應器是壓力容器的一種，在原油煉制領域有著舉足輕重的作用，其工作和使用條件十分嚴格，經常伴隨著高溫和高壓的工作環境，在實際工作時，反應器承受著巨大的熱應力和機械應力。另外，煉油是一個復雜的化學過程，反應器也面臨著被腐蝕的風險。因此，從安全性來考慮，反應器的設計和制造要求非常嚴格。然而，目前加氫反應器的設計和分析方法主要依靠借助工程經驗手工完成，而且為了防止安全事故，設計過程中結構尺寸的富余量很大，這就導致加氫反應器的制造效率很低且成本很高。針對這一問題，本文從加氫反應器的結構設計與優化等方面著手系統地評述國內外學者的研究現狀，并給出需要進一步研究的問題。

關鍵詞：加氫反應器;結構設計;優化設計;制造效率

一、引言

隨著全球工業4.0以及中國制造2025的提出，我國煉油行業得到了更加迅猛的發展，總體規模隨著各大產業對能源的需求增加而越來越大。根據文獻不完全統計，我國在世界煉油各國中排名第二，同時隨著近些年國家海洋戰略的發展需求對煉油行業的促進發展，我國一躍成為煉油能力增長速度最快的國家之一。

在煉油工業中，決定煉油質量的兩個關鍵技術是：化學工藝和加氫反應器。前者包含加氫裂化工藝和加氫脫硫工藝，隨著化工技術的不斷發展，這兩項工藝技術不斷在發展進步，已經基于趨于成熟穩定。新時代煉油工業的需求更多的是對加氫反應器設計與制造工藝水平的不斷提高。由于煉油行業潛在的高污染及低安全性的風險，愈來愈多的學者開始重視設計和制造方面的技術。

傳統的加氫反應器的設計思路是這樣的：基于簡化模型進行粗略的結構計算分析，大多時候根據工程經驗進行估算，這樣得到的結果往往可信度不高，往往需要根據設計結構進行實物模型的驗證。往往會導致加氫反應器制造過程中重復任務多，周期偏長、效率低下的劣勢。另外一方面，為了保證加氫反應器的安全性，設計的時候壁厚盡量大，安全系數較大，往往導致加氫反應器比較笨重，質量偏大，成本較高。這也不符合當今社會背景下倡導的節約資源、提高產品國際競爭力的發展趨勢。

隨著計算機輔助設計技術的出現及近年來蓬勃發展，基于有限元分析的結構校核以及基于結構優化的設計思路能有效的提高加氫反應器設計可靠度，以及實現加氫反應器的輕量化設計。

本文以加氫反應器的安全性和經濟性設計兩個方面的角度為出發點，基于有限元分析和優化設計的思想，進行這兩個方面的國內外學者的研究綜述分析，力求為加氫反應器相關工作者提供一個總結性的參考。

二、加氫反應器發展概況

加氫反應器的研究始于1920s年代，最有代表性的結構：

從圖中可以看出，目前的加氫反應器一般為了適用嚴格的工作條件，一般采用細長圓柱型結構，密封一般采用雙錐球型。其工作原理如下：油與氣體從頂部進口管進入，在容器內部催化劑層發生反應，由冷氫的循環流動負責帶走大部分熱量，底部卸料管負責卸載多余的雜質等。

常見的加氫反應器按照反應器使用狀態可以分為冷壁機構和熱壁結構兩種形式，二者典型的特征及應用。

單從結構角度來看，加氫反應器是從單層板式的結構開始發展的，后續為了應對生產率的需求，出現了多容器結構，隨著焊接和冶金技術的發展日趨成熟，單層鍛造結構成為主流。為了解決腐蝕和過熱的問題，壁面結構逐漸由最初的冷壁結構發展成為目前占統治地位的熱壁結構。冷壁結構雖然成本較低，但是容易發生損壞和脫落現象，而熱壁加氫反應器可以很好的避免這些缺點。

三、加氫反應器的輕量化設計

隨著中國制造2025的提出，加氫反應器已經逐步向著高溫、耐腐蝕等極端方向發展，傳統串行的設計方法已經越來越難滿足需求。傳統的設計往往借助手工或者經驗來識別加氫反應器的總體結構，為了防止安全事故，設計過程中結構尺寸的富余量很大，這就導致加氫反應器的制造效率很低且成本很高，這顯然不符合當今制造業向著綠色化的發展趨勢，隨著現在計算機輔助優化設計的發展，學者們也已經將優化設計與加氫反應器的設計結合起來，從輕量化的角度出發，在滿足加氫反應器安全性能的前提下，盡量減少其質量，實現輕量化設計的目標。

加氫反應器的輕量化設計主要針對的是其壁厚的設計，屬于優化設計的范疇，其基本原理是以整個加氫反應器的質量為優化目標，以其結構尺寸為約束變量，加氫反應器滿足的安全性為基本約束，通過數學規劃求解最佳的壁厚值。

目前國內進行加氫反應器的輕量化設計統計分析。

根據上述研究可知，加氫反應器的輕量化設計是涉及數學建模和非線性優化算法等多項技術的一個挑戰性課題。數學建模涉及到反應器的質量描述，約束條件描述（包括反應器的強度、剛度、水壓應力等多項限制）。雖然加氫反應器外表總體看起來是一個圓柱體，但由于涉及到多方面的功能（加氫、冷卻、進排氣口等等），決定了其結構局部的不規則形，且殼體也是多層結構，因此對于其質量的準確描述也是一個難點。

另外一方面，從加氫反應器設計的角度來看，需要進行總體塑性變形校核、漸增塑性變形設計校核、穩定性設計校核、疲勞設計校核、靜平衡設計校核等。理論上來講，優化設計的時候數學建模要考慮的約束應該完全包括以上五個方面，但是隨著約束的增加，又給優化求解帶來了困難，如何在約束表達與數值計算等兩個方面之間找到平衡是難點。上述文獻的研究目前基本都只考慮了總體塑性變形校核，只有少數考慮了一些實際工作時水壓引起的疲勞校核。解決這個問題有兩種思路，一種是根據設計加氫反應器的實際型號，參考設計標準，將約束分為主次，主約束作為優化問題所要考慮的目標約束，次約束作為優化設計后進行檢驗計算的參考。另外一種思路就是綜合考慮所有約束，研究多約束非線性規劃算法。

從非線性規劃角度來看，結合加氫反應器的結構特點，發展趨勢包含以下幾個方面：

（1） 基于多離散變量的算法研究：由于加氫反應器的逐漸多功能性的發展，優化中的控制變量及狀態變量只能以多個離散化變量來描述，而不能以單一參數來進行尺度描述，因此解決目前離散化多變量的取值問題是目前急需解決的首要問題;

（2） 基于多目標設計的算法研究：上述中已經提到理想的輕量化設計的思想是考慮所有約束變量進行優化，這就需要優化的時候追求多項指標函數，然而，實際求解過程中得到的目標函數有可能是互相矛盾的，這就給數值計算帶來了挑戰。傳統的非線性規劃算法就已經不能滿足當下的需求。因此，發展模糊智能控制優化算法已經成為當下的一個研究熱點;

（3） 大規模優化算法研究：針對離散化多變量的求解問題，精度與效率是一個矛盾。為了追求求解的精度，往往需要將離散化的有限元單元數量劃分的越多越好，這就會導致加氫反應器優化設計變量可能到達成千上萬的量級，勢必會給優化算法的全局收斂性帶來相當大的考驗。針對這類問題的稀疏性和分治策略是時下的一個研究熱點;

（4） 優化的全局收斂性問題：優化的本質是求解某個域內的極值問題，目前多數算法并不能保證這個極值在全域內的有效性，除非這個優化問題是一個凸優化問題。而加氫反應器的輕量化設計往往可能是一個非凸優化問題，加上它的高維度，就更難保證全局收斂性。目前，非迭代的全域最優化算法給解決這個難題提供了一種全新的思路。

四、加氫反應器的有限元分析

加氫反應器在實際煉油過程中，由于其煉油的高反應條件，由于高溫高壓的作用，非常容易發生兩種破壞：一是氫化物導致的腐蝕現象;二是對殼體材料的強度破壞。由于這兩方面問題引起的安全事故突發率很高，因此必須在加氫反應器的設計過程中充分考慮如何提高其安全性。其核心本質就是首先要保證結構是安全，其次是要盡量避免局部應力集中的情況。

為了解決這兩個方面的問題，傳統的加氫反應器的設計方法有兩種思路，一種是通過分析實驗數據統計得到加氫反應器的應力集中區域主要在結構連接處，通過對制造材料的選取來避免應力集中，材料要求耐高溫，耐腐蝕、耐高壓。另外一種思路是依靠經驗公式，通過計算來保證加氫反應器的靜強度要求。前者的問題是需要大量的數據支撐，對于批量生產的舊型號是可以的，對于新產品是無法實現的。后者的問題是不確定性和精度太差，同時也無法驗證在實際高溫、高壓下的動態熱應力和動態的疲勞強度要求。

隨著計算機輔助工程分析技術的發展，有限元分析的思想為解決加氫反應器的設計問題帶來全新的解決方法。加氫反應器有限元分析的基本原理是基于建立的三維實體模型，在商業化有限元分析軟件中如ANSYS或ABAQUS等，根據所提供的實體單元進行離散化網格劃分，同時考慮加氫反應器的實際負載和約束條件，借助有限元計算模塊，獲取反應器不同位置的應力云圖，以評估反應器對應的結構強度。

目前國內進行加氫反應器的有限元分析相關的研究：

從表中統計結果可以看出，加氫反應器的有限元不僅僅能夠分析基本的靜態應力應變，同時能夠分析動態響應特性，甚至包括考慮工作條件下的溫度場及流場特性。有限元分析涉及的核心技術主要包括：反應器數字化建模、三維實體網格劃分、有限元計算方法等，在實際分析過程中，要根據分析對象合理選擇這些關鍵技術。

另外一方面，從表中可以看出，有限元分析可以與優化設計集中同步進行，借鑒輕量化設計的思想，即就是不再將質量看作是優化的唯一目標，可以將容易產生破壞位置的應力、溫度、壓力等任意一個參數作為優化目標，利用有限元分析軟件提供的模型進行相關的優化設計，避免應力應變集中等現象，有效的提高加氫反應器的使用壽命。

五、結論

目前加氫反應器的設計和分析方法主要依靠借助工程經驗手工完成，而且為了防止安全事故，設計過程中結構尺寸的富余量很大，這就導致加氫反應器的制造效率很低且成本很高。針對這一問題，本文從加氫反應器的結構設計與優化等方面著手系統地評述國內外學者的研究現狀，主要結論如下：

（1） 從結構角度來看，隨著焊接和冶金技術的發展日趨成熟，單層鍛造結構成為加氫反應器的主流結構，壁面結構逐漸由最初的冷壁結構發展成為目前占統治地位的熱壁結構，可以有效的解決腐蝕和過熱的問題;

（2） 加氫反應器的輕量化設計可以有效的提高加氫反應器的制造效率，降低成本。多離散變量質量描述、靜動態多約束規劃、大規模全局收斂性算法的研究是未來主要的研究熱點;

（3） 加氫反應器的有限元分析可以保證結構安全，且可以盡量避免局部應力集中的情況。考慮溫度場及流場特性的動態響應特性分析是一個新的挑戰。另外，優化設計與有限元分析相結合的思想可以有效避免加氫反應器應力應變集中等現象，提高加氫反應器的使用壽命。

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