分段夾套攪拌反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

趙 鵬

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分段夾套攪拌反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

趙 鵬

（浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司 杭州 310012）

摘 要：夾套容器是石油化工行業(yè)中常見的化工設(shè)備。根據(jù)傳熱面積等分原則和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對夾套進(jìn)行了分段。通過強(qiáng)度計(jì)算和穩(wěn)定性校核確定了各個(gè)壓力腔的殼體壁厚。根據(jù)攪拌物料物性參數(shù)，給出了反應(yīng)器的攪拌方案。對耳式支座處的夾套筒體局部應(yīng)力進(jìn)行了校核計(jì)算。給出了反應(yīng)器的壓力試驗(yàn)和無損檢測方法。提出了反應(yīng)器設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該注意的幾個(gè)問題，供同行借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：壓力容器 夾套容器 反應(yīng)器 攪拌方案 設(shè)計(jì)

攪拌設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用很廣，尤其是石油化工行業(yè)中，很多的化工生產(chǎn)都或多或少地應(yīng)用著攪拌操作。對于加熱、冷卻和液體萃取以及氣體吸收等物理變化過程，也往往要采用攪拌操作才能得到更好的效果。攪拌設(shè)備在許多場合是作為反應(yīng)器來應(yīng)用的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，攪拌設(shè)備作為反應(yīng)器約占反應(yīng)器總數(shù)的90%［1］。夾套容器是石油化工行業(yè)中比較常見的化工設(shè)備，多應(yīng)用于反應(yīng)裝置，利用夾套內(nèi)介質(zhì)與設(shè)備本體內(nèi)工藝介質(zhì)進(jìn)行傳熱。夾套容器多為壓力容器，計(jì)算內(nèi)容主要包括內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算和外壓穩(wěn)定性校核。筆者結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對某分段夾套攪拌反應(yīng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)闡述。

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

1.1反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

夾套反應(yīng)器（內(nèi)筒直徑1800mm，夾套筒體直徑2000mm）由上封頭、內(nèi)筒體、下封頭、夾套筒體、夾套封頭、接管、耳式支座和攪拌裝置等部件構(gòu)成。設(shè)備由耳式支座支撐在鋼平臺上。考慮到熱量傳遞的效果，根據(jù)傳熱面積等分原則，將夾套筒體共分為三段，即整個(gè)設(shè)備共有4個(gè)壓力腔。

攪拌裝置采用立式型式，依靠底座凸緣安裝在上封頭上，底部通過底軸承固定于下封頭上。為便于操作和檢修，在上封頭開孔設(shè)置快開式人孔。反應(yīng)器設(shè)置兩個(gè)視鏡（一個(gè)照明，一個(gè)觀看），一個(gè)安裝在上封頭，另一個(gè)安裝在人孔蓋上。由于物料具有易爆特性，上封頭上的物料進(jìn)口設(shè)置成掛壁式接管型式，使物料沿著罐壁流下，避免物料飛濺產(chǎn)生靜電火花。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　分段夾套攪拌反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

考慮到介質(zhì)特性及用戶要求，上封頭、內(nèi)筒體和下封頭材質(zhì)均為S30408（GB 24511—2009 《承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶》）［2］；上封頭、內(nèi)筒體和下封頭上焊接的開孔接管材質(zhì)均為S30408（GB/T 14976—2012 《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》）［3］，管法蘭（SO）材質(zhì)均為S30408Ⅱ（NB/T 47010—2010 《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鍛件》）［4］；夾套筒體和夾套封頭材質(zhì)均為Q345R（GB 713—2014 《鍋爐和壓力容器用鋼板》）［5］；夾套筒體和夾套封頭上焊接的開孔接管材質(zhì)均為20鋼（GB/T 8163—2008《無縫鋼管》）［6］，管法蘭（PL）材質(zhì)均為Q345R（GB 713—2014）［5］；套管材質(zhì)均為20鋼（GB/T 8163—2008）［6］；人孔材質(zhì)為304型不銹鋼；耳式支座本體和墊板材質(zhì)均為Q345R（GB 713—2014）［5］。攪拌裝置金屬部件均為304型不銹鋼。

1.2反應(yīng)器設(shè)計(jì)參數(shù)

分段夾套攪拌反應(yīng)器的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1　分段夾套攪拌反應(yīng)器設(shè)計(jì)參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算

2.1夾套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)備內(nèi)筒體高度為2500mm，如若夾套筒體采用整體結(jié)構(gòu)，筒體較長可能會導(dǎo)致夾套末端熱水溫度降低影響傳熱效果。根據(jù)傳熱面積等分原則并結(jié)合反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，現(xiàn)將夾套筒體共分為三段，見圖1。夾套筒體與內(nèi)筒體的連接結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　夾套與內(nèi)筒連接結(jié)構(gòu)

2.2穿過夾套的接管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾套容器的內(nèi)筒體被夾套筒體包裹，內(nèi)筒體上的接管須經(jīng)過夾套筒體引出至工藝管線，該接管的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。接管外圍焊接一個(gè)套管，該套管穿過夾套筒體與夾套筒體焊接，并與內(nèi)筒外表面焊接。夾套空缺區(qū)域（套管包圍區(qū)域）內(nèi)筒體僅承受內(nèi)筒內(nèi)的設(shè)計(jì)壓力，內(nèi)筒接管也僅承受內(nèi)筒內(nèi)的設(shè)計(jì)壓力，套管承受夾套內(nèi)的設(shè)計(jì)壓力。

圖3　穿過夾套的接管結(jié)構(gòu)

2.3 夾套排氣裝置設(shè)計(jì)

為了全部放出夾套中的空氣和惰性氣體，使熱水充滿整個(gè)夾套空間，在盡量靠近夾套空間的最上端設(shè)置排氣口，直徑不小于10mm。采用DN15的管口，排氣裝置如圖4所示。操作前打開法蘭蓋，正常操作時(shí)法蘭蓋應(yīng)盲死封閉。

圖4　夾套容器排氣裝置

2.4強(qiáng)度計(jì)算和穩(wěn)定性校核

根據(jù)GB 150［7］進(jìn)行計(jì)算的主要內(nèi)容有：上封頭在-0.1MPa時(shí)的外壓穩(wěn)定性校核和0.33MPa時(shí)的內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算；內(nèi)筒體在全真空-0.1MPa和全外壓計(jì)算長度下的外壓穩(wěn)定性校核；內(nèi)筒體在-0.43MPa（內(nèi)外壓差）時(shí)的外壓穩(wěn)定性校核（此時(shí)的外壓計(jì)算長度由分段式夾套長度決定，取外壓長度較大者）和0.33MPa時(shí)的內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算；下封頭在-0.43MPa時(shí)的外壓穩(wěn)定性校核和0.33MPa時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算；分段式夾套筒體在0.33MPa時(shí)的內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算；夾套封頭在0.33MPa時(shí)的內(nèi)壓強(qiáng)度計(jì)算；接管開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算（包括接管和套管）等。

3 攪拌方案設(shè)計(jì)

根據(jù)物性參數(shù)進(jìn)行了攪拌方案設(shè)計(jì)見表2，攪拌軸直徑為65mm。

表2　反應(yīng)器攪拌方案

4 耳座處夾套筒體局部應(yīng)力校核

根據(jù)設(shè)備最大質(zhì)量，選用4個(gè)B5支座（標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4712.3—2007《容器支座》），支座材料Q345R，支座本體允許載荷［Q］=120kN。地震影響系數(shù)α=0.12，設(shè)備最大質(zhì)量m0=14600kg，重力加速度g=9.8m/s2，夾套筒體內(nèi)徑Di=2000mm，筒體厚度δn=10mm；墊板厚度δ3=10mm；無偏心載荷和偏心距；支座尺寸b2=180mm，L2=330mm，s1=90mm；不均勻系數(shù)k=0.83；設(shè)備高度較小，可不考慮風(fēng)載荷；夾套筒體腐蝕裕量C=1.5mm；夾套筒體材質(zhì)Q345R鋼板厚度負(fù)偏差C1=0.3mm；夾套筒體內(nèi)設(shè)計(jì)壓力p=0.33MPa。

本反應(yīng)器耳式支座處夾套筒體的局部應(yīng)力校核過程如下：

4.1計(jì)算支座承受的實(shí)際載荷Q［8］

于是，Q<[Q]=120kN，故滿足支座本體允許載荷的要求。

4.2計(jì)算支座處筒體所受的支座彎矩ML［3］

夾套筒體有效厚度［7］：

根據(jù)δe和p查標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4712.3—2007表B.4內(nèi)插得：［ML］=31.44kN·m。

于是，ML＜［ML］=31.44kN·m，故滿足支座處筒體許用彎矩的要求。

綜上所述，耳式支座處夾套筒體的局部應(yīng)力校核通過。

5 壓力試驗(yàn)及無損檢測

5.1壓力試驗(yàn)

分段夾套攪拌反應(yīng)器的壓力試驗(yàn)方法如下：

1）內(nèi)筒以0.13MPa的壓力進(jìn)行水壓試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)用水中氯離子含量不超過25mg/L。

2）內(nèi)筒水壓試驗(yàn)合格后再焊夾套并以0.42MPa的壓力對夾套進(jìn)行水壓試驗(yàn)，水壓試驗(yàn)用水中氯離子含量不超過25mg/L。

5.2無損檢測

對內(nèi)筒和夾套筒體的A、B類焊接接頭均進(jìn)行20%射線檢測，技術(shù)等級為AB級，按照J(rèn)B/T 4730.2—2005《承壓設(shè)備無損檢測》進(jìn)行，Ⅲ級合格［9］。

對上封頭、下封頭和夾套封頭的A、B類焊接接頭均進(jìn)行100%射線檢測，技術(shù)等級為AB級，按照J(rèn)B/T 4730.2—2005進(jìn)行，Ⅲ級合格［9］。

對夾套筒體與內(nèi)筒筒體的焊接接頭進(jìn)行100%滲透檢測，按照J(rèn)B/T 4730.5—2005進(jìn)行，Ⅰ級合格［9］。

6 設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題

6.1各工況內(nèi)筒和下封頭設(shè)計(jì)溫度的選取

在所有組合工況下內(nèi)筒和下封頭的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)取相鄰兩個(gè)壓力腔中介質(zhì)設(shè)計(jì)溫度較大值，沒有被夾套包裹的上封頭的設(shè)計(jì)溫度仍然取內(nèi)筒內(nèi)介質(zhì)的設(shè)計(jì)溫度。

6.2內(nèi)筒體接管開孔補(bǔ)強(qiáng)時(shí)的殼體計(jì)算厚度

內(nèi)筒體開孔補(bǔ)強(qiáng)校核時(shí)殼體計(jì)算厚度的選擇應(yīng)取決于夾套筒體斷開處的結(jié)構(gòu)尺寸（考慮工藝傳熱面積參數(shù)的需要）。按圖3的示意結(jié)構(gòu)，當(dāng)內(nèi)筒上夾套結(jié)構(gòu)斷開區(qū)域的寬度大于有效補(bǔ)強(qiáng)寬度時(shí)，開孔處內(nèi)筒的殼體計(jì)算厚度應(yīng)取決于內(nèi)筒自身的壓力工況，而非最苛刻的工況（內(nèi)外最大壓差），否則導(dǎo)致材料浪費(fèi)；當(dāng)內(nèi)筒上夾套結(jié)構(gòu)斷開區(qū)域的寬度小于有效補(bǔ)強(qiáng)寬度時(shí)，開孔處內(nèi)筒的殼體計(jì)算厚度應(yīng)取決于最苛刻的工況（內(nèi)外最大壓差），而非內(nèi)筒自身的壓力工況，否則埋下安全隱患。

6.3SW6軟件計(jì)算時(shí)尚缺少的內(nèi)容

SW6是計(jì)算軟件，而非繪圖式的設(shè)計(jì)軟件，軟件未要求設(shè)計(jì)者輸入設(shè)備的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒的外壓計(jì)算長度為設(shè)計(jì)者輸入?yún)?shù)，因此，設(shè)計(jì)者需要考慮齊全可能的各種組合工況。目前，SW6軟件計(jì)算分段式夾套容器時(shí)缺少的工況是內(nèi)筒體全真空-0.1MPa和相應(yīng)外壓計(jì)算長度下的外壓穩(wěn)定性校核，外壓雖小，但是外壓計(jì)算長度可能較大，這種工況的結(jié)果就有可能會決定內(nèi)筒的壁厚。如果夾套各段封閉結(jié)構(gòu)滿足內(nèi)筒外壓加強(qiáng)圈慣性矩的計(jì)算要求，可以將其作為內(nèi)筒外壓加強(qiáng)圈考慮來確定內(nèi)筒的外壓計(jì)算長度。所以，設(shè)計(jì)者計(jì)算該類分段式夾套容器時(shí)應(yīng)格外注意，需自己另建SW6程序考慮內(nèi)筒全真空和相應(yīng)外壓計(jì)算長度的工況。

7 結(jié)論

結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對某分段夾套攪拌反應(yīng)器進(jìn)行設(shè)計(jì)闡述。

1）根據(jù)傳熱面積等分原則和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對夾套進(jìn)行了分段設(shè)計(jì)。通過強(qiáng)度計(jì)算和穩(wěn)定性校核確定了各個(gè)壓力腔的殼體壁厚。

2）根據(jù)攪拌物料物性參數(shù)，給出了反應(yīng)器的攪拌方案。

3）對耳式支座處的夾套筒體局部應(yīng)力進(jìn)行了校核計(jì)算。

4）給出了反應(yīng)器的壓力試驗(yàn)和無損檢測方法。

5）從各工況內(nèi)筒和下封頭設(shè)計(jì)溫度的選取、內(nèi)筒體接管開孔補(bǔ)強(qiáng)時(shí)的殼體計(jì)算厚度和SW6軟件計(jì)算中尚缺少的工況等方面提出了設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該注意的幾個(gè)問題。

參考文獻(xiàn)

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［9］ JB/T 4730.2—2005 承壓設(shè)備無損檢測［S］.

Design of Mechanical Mixing Reactor with Subsection Jacket

Zhao Peng
（Zhejiang Titan Design & Engineering Co.， Ltd. Hangzhou 310012）

AbstractJacketed vessel is the most commonly used chemical equipment in petrochemical industry. The jacket is divided into several subsections on the basis of the diathermanous area equidistribution and structure feature. The shell thickness of every pressure space is gained from strength calculation and stability calculation. Combined with the mixing medium characteristic parameters, the mixing scheme of reactor is given. The local stress calculation is done to verify the strength of jacket shell where the lug support is installed. The pressure test sequence and nondestructive detection method are given. The special and important aspects needing to be paid attention in the design of mixing reactor are described from several practical cases in detail, which are taken for reference and discussion.

KeywordsPressure vessel Jacketed vessel Reactor Mixing case Design

中圖分類號：X933.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1673-257X（2016）04-0038-04

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.04.006

作者簡介：趙鵬（1984～），男，碩士，工程師，主要從事化工設(shè)備與壓力容器設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：（2015-08-25）