PTA反應器冷氫口設計計算

董俊龍* 周小錫 潘 非

（青島蘭石重型機械設備有限公司）

0 引言

精對苯二甲酸（PTA）是重要的有機原料，被廣泛應用于化工、紡織、輕工、電子、建筑等領域。近年來，聚酯產業蓬勃發展，相關產品產能持續增加，我國PTA的下游產業以及聚酯類產品生產規模不斷擴大，產品種類越來越多，應用也越來越廣泛，導致PTA產品的市場價格一直居高不下，因此國內市場對PTA加氫反應器的需求也與日俱增。綜上所述，PTA裝置越來越受到國內外的設計院、工程公司和裝備制造商的青睞與重視。

PTA 加氫反應器是PTA 裝置中的核心設備，保證加氫反應器穩定運行是PTA裝置穩定運行的關鍵，要保證PTA反應器穩定運行，就需保證冷氫原料持續不斷地進入反應器。因此PTA反應器冷氫入口的結構穩定性顯得尤為重要。

1 PTA反應工藝與流程

PTA反應器中，對苯二甲酸（TA）溶液溫度經過預熱器加熱到282～290 ℃，進入加氫反應器（如圖1所示），反應器內部填裝Pd/C催化劑，在催化劑的作用下，TA溶液與含有飽和蒸汽的氫氣（40℃）發生反應。TA溶液與氫氣由反應器頂部的物料入口與氫氣入口注入，在滿液位浸泡的Pd/C催化劑中， CTA 中的4-CBA 被還原成水溶性的PT酸，再進入結晶器結晶。TA加氫反應為放熱反應，反應溫度（270～300 ℃）與反應壓力（6.8～9.0 MPa）都比較高，且在反應過程中需要持續通入40 ℃的氫氣。因為氫氣進入反應器的溫度較低，因此冷氫接管在承受內壓載荷的同時還要承受由冷氫產生的200 ℃以上溫差載荷，屬于復雜的機械-熱耦合應力狀態，由溫差帶來的應力不容忽視，因此在設計PTA反應器時，有必要對冷氫管進行機械-熱耦合的應力強度計算。

2 冷氫口應力分析

2.1 PTA反應器設計參數

現以某公司制造的PTA加氫反應器為例，該設備設計參數如表1所示。

表1 反應器設計參數

2.2 冷氫口結構尺寸

PTA加氫反應器為固定床結構反應器，容器上部設置有溶解罐、液體分布器，下部設有帶過濾裝置的出口收集器。反應器是典型的帶裙座立式容器，反應器的接管大多布置在上封頭處，而冷氫口就布置在上封頭人孔的人孔蓋上。如圖1所示，法蘭蓋上部設置補強管，冷氫口與排氣口通過三通與補強管相連，冷氫管插入容器內部。

圖1 冷氫口結構尺寸

2.3 材料選擇及性能

PTA加氫反應器介質中包含氫氣，因此需考慮氫腐蝕和氫氣對材質的影響，反應器的主體結構選用抗氫鋼SA-336 F22 CL.3。由于反應產物腐蝕性較強，容器內部與介質接觸的部位全部堆焊鎳基材料。在冷氫口結構中，人孔蓋和補強管的材料均為SA-336 F22 CL.3+堆焊，而三通與法蘭的材質選擇S32168不銹鋼鍛件。SA-336與S32168不銹鋼的力學性能如表2所示，材料的許用應力可根據TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》規定的安全系數計算得到。由于需要對冷氫口結構進行溫度場分析，因此查詢ASME ⅡD和GB 150—2011《壓力容器》及GB/T 151—2014《熱交換器》，得到不同溫度下SA-336、S32168和保溫材料的平均線膨脹系數、平均導熱系數，以及不同溫度下SA-336、S32168的彈性模量。

表2 材料力學性能參數

注：Rm——材料抗拉強度；

ReL——材料屈服強度；

μ——材料泊松比；

Et——材料在設計溫度下的彈性模量；

Sm——材料在設計溫度下的設計應力強度

2.4 模型、載荷和約束

2.4.1 幾何建模

根據冷氫口的結構與載荷特點，在某些反應器中，冷氫口可能受到管道載荷的作用，因此在建模時考慮采用三維整體建模。模型應包括人孔法蘭、人孔蓋、補強管、三通、法蘭以及保溫層，由于此處不分析人孔法蘭與法蘭蓋的螺栓連接作用，因此將人孔法蘭與法蘭蓋作為整體建模，不考慮螺栓的情況。

2.4.2 有限元模型

溫度場分析時采用SOLID90單元，機械載荷分析采用SOLID186單元。對結構進行網格劃分，保證大部分網格為六面體網格，網格劃分完成后，該結構共有224 951個單元，604 628個節點。對網格進行無關性驗證，單元密度需滿足網格無關性要求。

2.4.3 載荷與約束

由于設備操作溫度是287 ℃，而冷氫進口溫度保持在40 ℃，因此可以看做穩態熱分析。設備內壁及冷氫管外表面的溫度邊界為設備操作溫度為287 ℃，對流傳熱取經驗值，即1.18×10-3W/（mm2·℃）。冷氫管持續通入40 ℃冷氫，因此冷氫管內表面溫度邊界為40 ℃，對流傳熱系數取經驗值，在外保溫層施加環境溫度和與外界空氣的對流傳熱系數1.2×10-5W/（mm2·℃），如圖2所示。熱分析時不設置約束條件。

圖2 冷氫口熱分析邊界條件

進行機械-熱耦合應力分析時，在法蘭及接管內表面施加內壓載荷，在接管端面施加內壓等效載荷，在法蘭底部施加環向與軸向約束，并且將熱分析得到的溫度場導入到應力分析中，作為溫度邊界條件。機械-熱耦合應力分析載荷與約束條件如圖3所示。其中接管端面等效載荷應按下式計算：

圖3 機械-熱分析邊界條件

式中：F——接管端面等效力，N；

pc——設備所施加的內壓，MPa；

Di——接管內徑，mm。

2.5 應力分析結果

由熱分析得到的溫度場如圖4所示，結果表明，人孔法蘭蓋徑向的溫度梯度較大，內壁開孔處溫度為129 ℃，到1/3半徑處溫度就增大到268 ℃，較大的溫差必然導致產生了較大的溫差應力。

圖4 冷氫口溫度場云圖

冷氫口結構機械分析應力云圖及機械-熱耦合分析應力云圖如圖5和圖6所示。由計算結果可知，當不考慮溫度場時，冷氫口結構的應力最大值僅為116 MPa，位于補強管根部。在機械分析中考慮溫度場后，該結構的最大應力變為549 MPa，位于法蘭蓋開孔內壁處。這是由于冷氫接管溫度低，設備內部溫度高，導致法蘭蓋徑向溫差較大，溫差應力也大，因此法蘭蓋開孔內壁處的局部應力較大，這與實際運行情況相符。兩種分析結果相差較大，表明在PTA反應器冷氫口結構的設計校核中，不能只考慮機械載荷的影響，應當考慮機械與溫度載荷的共同作用，對此處進行機械-熱耦合分析。

圖5 機械分析應力云圖

圖6 機械-熱耦合分析應力云圖

2.6 應力強度評定

該設備分析設計時，應力分類應按分析設計標準中的表4-1，應力評定按分析設計標準中表5-1，即一次應力強度用設計工況，而一次加二次應力強度與峰值應力強度用工作工況（本分析中壓力使用設計壓力，結果偏保守）。在工作工況下，法蘭蓋開孔內壁處應力最大，因此對法蘭蓋進行應力強度評定，應力評定路徑如圖7所示，對所選取路徑進行應力線性化處理，應力強度評定結果如表3所示，該結果可滿足標準要求。載荷系數K可見分析設計標準中的表3-3。

圖7 冷氫口應力評價路徑

表3 應力強度評定結果

3 設計與制造中應注意的問題

通過以上分析可知，進行PTA反應器冷氫口設計校核，必須考慮冷氫入口溫度的影響，對該結構進行應力分析時應建立機械-熱耦合模型，再進行應力計算。通過計算可知，該結構中人孔蓋開孔處的應力較大，因此在冷氫口結構設計中應著重考慮人孔蓋與冷氫管連接部位的結構以及補強管的設置情況。在冷氫口結構的制造中也應著重考慮此處的制造工藝。人孔蓋與補強管的焊接應采用全焊透結構，盡量減少或避免焊接缺陷。補強管與法蘭蓋開孔內徑在焊接前應留有余量，焊接后應從內部鉆至所需要的尺寸，以便清除焊縫內部的未焊透或氣孔缺陷。焊后應進行100%射線或超聲檢測，并在接管組裝后按相應的熱處理規范進行焊后熱處理，以消除焊接產生的殘余應力，提高此處強度與使用壽命。

4 結語

根據PTA反應器載荷工況進行分析后可知，PTA反應器中冷氫入口結構處存在機械-熱耦合作用。通過使用有限元分析軟件，對PTA加氫反應器中冷氫口結構進行機械-熱耦合應力分析與強度評價，得到結構中危險路徑的應力值均小于許用值，符合評定標準要求。并根據計算結果提出了冷氫入口結構的設計和制造中應注意的問題。該冷氫結構已運用到多個項目的PTA加氫反應器中，設備至今正常生產運行，且均達到設計年產量，證明了本結構及本評定方法的安全可靠性。