高溫直接氯化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王智拓 李芳妍 宋 堯 中國(guó)成達(dá)工程有限公司 成都 610041

氯乙烯是應(yīng)用于高分子化工的一種重要單體，是生成聚氯乙烯的中間材料。目前，生產(chǎn)氯乙烯的方法有：乙炔法、乙烯法和混合烯炔法[1]。其中，乙烯法具有成本低、綜合能耗低、產(chǎn)品純度可達(dá)99.98%以上、基本可以實(shí)現(xiàn)“三廢”零排放等優(yōu)勢(shì)，乙烯法VCM逐漸成為行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。平衡氧氯化法就是乙烯法的一種，也是世界上生產(chǎn)氯乙烯的主要方法之一[2]。高溫直接氯化反應(yīng)器（簡(jiǎn)稱反應(yīng)器）是利用乙烯平衡氧氯化法生產(chǎn)氯乙烯的核心設(shè)備。本文將對(duì)某項(xiàng)目中的反應(yīng)器中的大型管式除沫器、大型錐形孔板分布器、大型碟式調(diào)節(jié)閥、下降管支座等進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)有限元分析計(jì)算對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核。

1 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 工藝描述

反應(yīng)器的工藝流程為：乙烯與氯氣按比例送入反應(yīng)器，反應(yīng)生成二氯乙烷[3]。反應(yīng)在沸點(diǎn)下的液相二氯乙烷中進(jìn)行，反應(yīng)熱以二氯乙烷汽化帶出，二氯乙烷在分離器中進(jìn)行氣液分離，蒸出的二氯乙烷氣直接送入高沸塔作為熱源，部分二氯乙烷又從高沸塔塔釜循環(huán)回反應(yīng)器。

1.2 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

反應(yīng)器是一種自循環(huán)反應(yīng)器，由洗滌段、分離段、反應(yīng)段和循環(huán)段四個(gè)工藝操作段組成，其中，洗滌段、分離段與反應(yīng)段上下連通，分離段的側(cè)部與循環(huán)段連通，其主體結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 反應(yīng)器主體結(jié)構(gòu)

各操作段介質(zhì)的組成、形態(tài)、壓力、溫度各不相同，使得各操作段的內(nèi)徑尺寸也不相同，洗滌段與反應(yīng)段的筒體內(nèi)徑均小于分離段的筒體內(nèi)徑。循環(huán)段的最低水平管段處設(shè)置蝶閥自調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)介質(zhì)的流速，使介質(zhì)產(chǎn)生擾動(dòng)，進(jìn)而形成密度差，使從反應(yīng)段出來(lái)的介質(zhì)在分離段實(shí)現(xiàn)良好的氣液分離。經(jīng)反應(yīng)段的汽化介質(zhì)與洗滌段出來(lái)的液態(tài)介質(zhì)在分離段管束分離器中相遇，密度大的液體出管束分離器后下降返回循環(huán)段，氣體則繼續(xù)上升從頂部進(jìn)入高沸塔，從而實(shí)現(xiàn)氣液分離。

1.3 反應(yīng)器設(shè)計(jì)參數(shù)

反應(yīng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)表

1.4 反應(yīng)器材料選擇

受不同的操作段介質(zhì)形態(tài)、壓力、溫度的影響，各個(gè)操作段的材料隨之不同。根據(jù)設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力，在分離段、循環(huán)段、洗滌段采用Q345R材料；而在反應(yīng)段，乙烯與氯氣在一定溫度下直接發(fā)生反應(yīng)生成二氯乙烷，若介質(zhì)帶入水分，可能產(chǎn)生氯離子，選用奧氏體不銹鋼有裂紋產(chǎn)生的可能，鐵素體不銹鋼不易發(fā)生氯離子應(yīng)力腐蝕，因此反應(yīng)段采用Q345R復(fù)合或堆焊S11306，同時(shí)S11306具有良好的耐腐蝕性能、塑性、韌性和冷成型性。S11306材料是鐵素體不銹鋼中含Cr量最低的一種，在焊接時(shí)易形成裂紋，因此在制造過(guò)程中要求嚴(yán)格按已確認(rèn)的焊接工藝執(zhí)行，工程中一般采用奧氏體或鎳基焊接材料，鎳材需完全退火狀態(tài)供貨，按批進(jìn)行化學(xué)成分復(fù)驗(yàn)，并進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。

2 總體及局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體各主要承壓部件壁厚確定

根據(jù)薄殼理論強(qiáng)度公式計(jì)算，可以初步確定不同操作段的筒體壁厚，但由于反應(yīng)器屬于多質(zhì)點(diǎn)的超靜定結(jié)構(gòu)體系，而且還承受地震載荷、風(fēng)載荷，采用常規(guī)設(shè)計(jì)無(wú)法進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，因此需要對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行整體建模分析計(jì)算。本文采用有限元軟件ANSYS 2020 R1進(jìn)行結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度計(jì)算。

2.2 外壓加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于設(shè)計(jì)壓力有負(fù)壓，考慮到反應(yīng)器為大直徑、組合式薄壁容器，需要進(jìn)行外壓屈曲分析。通過(guò)計(jì)算，最終確定能滿足強(qiáng)度要求的各操作段加強(qiáng)圈的合理間距，增強(qiáng)了筒壁截面的抗彎曲能力，同時(shí)節(jié)省了主體材料。

2.3 循環(huán)段與主體結(jié)構(gòu)連接的設(shè)計(jì)

在反應(yīng)器的循環(huán)段需要連接反應(yīng)段與分離段，但常規(guī)的蝦米彎連接，按HG/T20582-2020中17.1.2條規(guī)定，不適用于高度危害介質(zhì)，且應(yīng)力水平較高。因此，在反應(yīng)器的循環(huán)段采用三個(gè)大直徑焊接式彎頭，該結(jié)構(gòu)具有內(nèi)壁光滑、流動(dòng)阻力小、準(zhǔn)確滿足安裝公差等優(yōu)點(diǎn)。

2.4 大型管式分離除沫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分離段安裝大型管式分離除沫結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用薄壁管按六邊形排列并固定，其截面示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 大型管式分離除沫結(jié)構(gòu)截面示意圖

大型管式分離除沫結(jié)構(gòu)可以分離氣體中的霧沫[4]，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、阻力降小、除沫均勻、效率高，安裝操作及檢修方便等優(yōu)點(diǎn)。

2.5 大型錐形孔板分布器結(jié)構(gòu)

反應(yīng)段下方設(shè)置大型錐形孔板分布器，下方孔板上開(kāi)有均布開(kāi)孔，從反應(yīng)段出來(lái)的氣液混合物通過(guò)此結(jié)構(gòu)均勻化后進(jìn)入蝶閥，由此進(jìn)入循環(huán)段進(jìn)行混合流動(dòng)。大型錐形孔板分布器的均勻分布性好，結(jié)構(gòu)合理[5]，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 大型錐形孔板分布器結(jié)構(gòu)示意圖

2.6 大型多層管式分布器結(jié)構(gòu)

反應(yīng)段的原料分布器采用大型多層管式分布器，分布管多層交錯(cuò)分布，分布管可拆卸。每根分布管上開(kāi)孔，實(shí)現(xiàn)大型反應(yīng)器在進(jìn)料時(shí)的氣體分配的均勻性。相比傳統(tǒng)氣體分布器，該大型多層管式分布器占用空間小，安裝、檢修、更換方便，可以節(jié)省檢修時(shí)間，提高效率。

2.7 大型碟式調(diào)節(jié)閥

循環(huán)段的最低處管道設(shè)置大型碟式調(diào)節(jié)閥，該閥是一種自調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用于調(diào)整反應(yīng)器整個(gè)循環(huán)的流速。大型碟式調(diào)節(jié)閥通過(guò)調(diào)節(jié)介質(zhì)的流速產(chǎn)生擾動(dòng)，形成密度差，進(jìn)而在分離段實(shí)現(xiàn)氣液分離。蝶閥的安裝檢驗(yàn)要求高，因此在現(xiàn)場(chǎng)采用了特殊工裝進(jìn)行安裝、調(diào)試。

3 下降管支座設(shè)計(jì)

根據(jù)反應(yīng)器的整體有限元應(yīng)力分析結(jié)果，調(diào)整下降管支座的位置，最終確定下降管支座底部與裙座底部平齊時(shí)，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)合理。下降管支座位置對(duì)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力的影響見(jiàn)表2。

表2 下降管支座位置對(duì)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力的影響

表3 不同支撐方式對(duì)最大應(yīng)力的影響

4 分離段下封頭加強(qiáng)方式

在考慮地震載荷的組合工況下，分離段下封頭處應(yīng)力水平較高。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行多次優(yōu)化試算，最終確定下封頭的厚度及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式，即在封頭處設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)圈，并采用加厚鍛件管連接反應(yīng)段。分離段下封頭處示意圖及應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 下封頭處應(yīng)力云圖

5 應(yīng)力強(qiáng)度校核

基于有限元計(jì)算軟件ANSYS 2020 R1，網(wǎng)格劃分單元類(lèi)型采用20節(jié)點(diǎn)SOLID186單元，采用掃略方式劃分，并進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，最終確定網(wǎng)格數(shù)為260萬(wàn)?？紤]包含地震載荷、風(fēng)載荷等多工況組合的整體應(yīng)力分析計(jì)算，反應(yīng)器的整體應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5。

圖5 反應(yīng)器的整體應(yīng)力云圖

選取反應(yīng)器關(guān)鍵部位作為反應(yīng)器應(yīng)力線性化評(píng)定的路徑，提取各路徑應(yīng)力線性化數(shù)據(jù)，根據(jù)《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JB 4732—1995）[6]（2005年確認(rèn)）進(jìn)行校核。校核結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 路徑線性化結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

（1）基于有限元分析軟件ANSYS 2020 R1對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行了整體建模分析計(jì)算，反應(yīng)器的整體強(qiáng)度和外壓屈曲計(jì)算滿足規(guī)范要求。

（2）對(duì)反應(yīng)器總體和內(nèi)部組件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使反應(yīng)器各部件結(jié)構(gòu)更加合理、安全可靠，為類(lèi)似大直徑薄壁組合式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)提供參考。

（3）高溫直接氯化反應(yīng)器是乙烯法制備VCM裝置中的核心關(guān)鍵設(shè)備，其工藝過(guò)程復(fù)雜、工況多、介質(zhì)腐蝕程度高，因此對(duì)材料、結(jié)構(gòu)、焊接、檢測(cè)等方面都有較高要求。該設(shè)備已安全平穩(wěn)運(yùn)行超過(guò)兩年，各項(xiàng)工藝、設(shè)計(jì)指標(biāo)均達(dá)設(shè)計(jì)預(yù)期，設(shè)計(jì)、制造均實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，大幅降低了成本，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。