环己酮装置加氢前反应器的设计
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【摘 要】 介绍了环己酮装置中加氢前反应器的设计，通过设计实例，着重叙述了设备的工艺功能、结构特点、介质特性及材料选择原则，并对其结构设计、强度计算、制造检验要求等进行了详细介绍，可为同类设备的设计提供参考。
【关键词】 环己酮装置 加氢前反应器 设计
加氢前反应器是环己酮装置中的关键设备之一，对整个装置生产的安全性和最终成品的产量、品质等起着关键作用。
1 加氢前反应器的工作原理
来自上游工序的反应气体（苯和氢的混合气体）由顶部进入加氢前反应器，经过装填催化剂的换热管内，在催化剂的作用下，苯与氢气进行加成反应，生成环己烷，反应式为：C6H6+3H2C6H12+Q，混合气体由底部排出，进入加氢后反应器继续加成反应，全部转换成环己烷。
反应产生的大量反应热，通过与壳程介质（导热油）进行热交换，被强制导出，以控制反应温度。
2 加氢前反应器的结构
加氢前反应器的型式为立式列管式反应器，设备直径为 φ2600mm，反应管为φ25×2×4500mm列管，共计4955根，换热面积为1634m2，换热管内装填催化剂，约7.64m3。为使整个换热管内温度均衡，保证加成反应的顺利进行，在壳程中间设置一个中间管板，将壳程分隔成上、下两个腔，每个腔各设置两个导热油进口和两个导热油出口。导热油进口处设置防冲挡板，用以防止导热油冲击换热管，导致换热管振动和磨损。折流板的形式为圆盘-圆环形，壳程上、下腔内各设置5块折流板，折流板间距为275mm。
加氢前反应器主要由管板、筒体、上下管箱及换热管束等部件组成，其结构见图1。上下封头采用椭圆封头，上封头反应混合气进口设置气体分布器，下管板下侧面装有丝网和格栅等组成的填料支撑。
3 加氢前反应器的设计
3.1 设计参数
主要设计参数如表1。
3.2 介质特性
（1）苯。苯为中度危害、易爆介质，当用于确定压力容器密封性、致密性要求时，苯应列为高度危害介质。
（2）氢气及氢腐蚀[1]。氢气为易爆介质。当压力容器的设计温度大于或等于200℃且与氢气氛相接触时为氢腐蚀环境。
处于临氢状态下操作的压力容器，氢会进入钢材，进入量随着操作温度和操作氢分压的提高而增加，钢中的渗碳体（Fe3C）和不稳定碳化物析出的碳与氢反应生成甲烷，导致钢材破裂，这种现象称为氢腐蚀。
3.3 材料选择
由于加氢前反应器管程的设计压力、温度都较高，且处于临氢状态，对于加氢前反应器的设计，材料选择的正确与否关系加氢前反应器能否正常运行。
碳素钢在425℃以上、C-0.5Mo钢在475℃以上长时间使用时，钢中的渗碳体会自行分解析出碳原子，这些碳原子先以微细的点状形式出现在金属内部，此后逐渐聚集长大成较粗的颗粒，产生石墨化，从而使钢材的强度下降，塑性和韧性降低，引起钢材的脆断。[1]
铬钼钢具有良好的抗氢腐蚀能力，其高温持久强度极限和蠕变极限也较高，因此在高温高压临氢环境中得到广泛的应用。工程设计中，应根据容器的操作温度（另加20℃以上）和氢分压从纳尔逊曲线（美国API RP947《钢在氢环境中的操作极限》）中查取相应钢的类型。
本设备的材料选用情况见表2。
3.4 催化剂支撑
催化剂装填在换热管内，采用两层丝网及支撑格栅支撑。这种支撑方式结构简单、加工容易、装卸方便、阻力降小。
在下管板下侧铺设一层2目和一层5目的不锈钢丝网，丝网被环形密封条和支撑格栅压住（图2），紧贴在下管板上，环形密封条和支撑格栅与下管板之间采用螺柱联接。为了安装、拆卸方便，环形密封条均分成6块，支撑格栅分成12块。
环形密封条和支撑格栅与下管板的连接结构如图3所示。
3.5 管箱结构
根据加氢前反应器操作程序，在投入运行前需将丝网、支撑格栅等固定在下管板上，然后在每根换热管内装填催化剂，催化剂尚需定期更换，所以，从操作的角度来讲，管箱采用可拆式的比较合理。
虽然由于设备直径较大，采用法兰联接存在以下不利因素：
（1）大直径法兰加工时密封面的平面度要求很难保证，导致其密封性能很难保证，容易在操作时出现泄漏，且大直径法兰造价较高。
（2）大直径法兰的密封垫片制造困难。但在制造时严格控制质量，仍能够保证法兰平面度的要求。垫片采用缠绕式垫片，缠绕式垫片具有多道密封作用，且回弹性好，对密封面的表面质量和尺寸精度要求不高，这有利于解决法兰密封性能的问题。
所以本设备仍采用凹凸面带颈对焊法兰联接的管箱结构。
3.6 换热管的布置
换热管的排列形式为三角形排列，管间距为32mm。
由于固定环形密封条和支撑格栅的螺柱需占据部分换热管的位置，布管时，在开螺柱孔的位置不能布管，所以设计时，应首先确定环形密封条和支撑格栅的结构，这样在布置换热管时才能正确预留出设置螺柱孔的位置。
3.7 上、下管板结构
如采用兼作法兰的管板结构，操作时管板的微量变形将影响管板法兰的密封性能，对于大直径的设备，其作用将较为明显。且法兰力矩对管板的影响也较大，经过计算，本设备如采用兼作法兰的管板，则管板厚度为260mm；采用不兼作法兰的管板，则管板厚度仅需100mm。
由此可见，为了提高设备工作过程中的密封性能，减少法兰力矩对管板的影响，降低制造成本，采用不兼作法兰的管板结构较为合理。
本设备上、下管板采用不兼作法兰的管板，管板为碗形锻件，其与管箱筒节（管箱法兰颈部）的连接采用全焊透双U形坡口的对接焊接型式。
3.8 换热管与管板的连接
换热管与管板的焊接接头的强度和密封性是换热器设计的关键点之一。对于密封性能要求较高的场合、承受振动或疲劳的场合、有间隙腐蚀的场合、采用复合管板的场合，一般采用强度胀加密封焊或强度焊加贴胀的连接型式。[2]
由于本设备设计温度、管程设计压力较高，且管板与换热管的拉脱强度和密封性要求亦较高，所以上、下管板与换热管采用强度焊加贴胀的连接型式（图4）。这样，既能满足设计压力、设计温度的要求，也能满足强度和密封性的要求，同时避免了设备在工作中出现振动、间隙腐蚀等影响换热管与管板焊接接头强度和密封性的情况。
中间管板的作用是将壳程分成上、下独立的两个腔，考虑制造工艺等因素，中间管板与换热管的连接采用强度胀的型式（图5）。
为了保证丝网能够紧贴在下管板下侧面上，要求换热管端部与管板面平齐，并在焊接后加工平整。换热管与管板的焊接接头高度一般不得小于换热管壁厚的1.4倍，根据GB151-1999《管壳式换热器》的要求，对于φ25×2的换热管，其值应为3.5mm。为使换热管与管板的焊接接头底部能够焊透，不出现未焊透和未熔合等缺陷，并使熔敷金属填充量最小，即坡口截面最小，将管板上的管头坡口定为半U形的型式。
此外，为了保证制造过程中的焊接质量和密封性能，对管头的焊接及胀接提出以下控制要求：（1）换热管与管板的焊接分为两层，在焊完第一层后进行磁粉检测，合格后再进行第二层的焊接。（2）胀管采用柔性胀。
3.9 强度计算
管箱封头、管程容器法兰、壳程筒体以及开孔补强等强度计算依据GB150-1998《钢制压力容器》和GB151-1999《管壳式换热器》进行，根据SW6-98《压力容器强度设计软件包》计算结果，确定各零部件的计算厚度和名义厚度。
由于固定环形密封条和支撑格栅用的螺柱占用了部分换热管布管位置，导致管板周边不布管区无量纲宽度k值大于1.0，管板计算不能按GB151-1999进行计算，按GB151-1999的要求，可按JB4732附录I给出的方法进行计算，根据SW6-98中管板计算方法按JB4732-95的方式进行计算，得出管板厚度。
3.10 设备制造检验的基本要求
设备制造检验的基本要求见表3。
4 结语
加氢前反应器自2008年投入运行后，运行情况一直良好。说明本设备的选材、结构设计及强度计算满足工艺生产的要求，可为同类设备的设计提供参考。
参考文献：
[1]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.压力容器设计工程师培训教程.新华出版社，2005.
[2]中华人民共和国国家标准.GB151-1999管壳式换热器.
[3]中华人民共和国国家标准.GB150-1998钢制压力容器.