甲乙酮裝置中仲丁醇水合反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

汪小娟

東華工程科技股份有限公司　合肥　230024

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甲乙酮裝置中仲丁醇水合反應(yīng)器的設(shè)計(jì)

汪小娟*

東華工程科技股份有限公司合肥230024

介紹反應(yīng)容器的材料選擇；并對(duì)其重要結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)條件下的應(yīng)力分布進(jìn)行分析，基于應(yīng)力分析法對(duì)這些部位進(jìn)行安全評(píng)定。

復(fù)合板材有限元防腐層安全評(píng)定

仲丁醇(以下簡稱SBA)水合反應(yīng)器是丁烯制甲乙酮工藝流程中的核心設(shè)備，本文對(duì)SBA水合反應(yīng)器的選材和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了闡述，并對(duì)反應(yīng)器整體進(jìn)行了強(qiáng)度分析，為SBA水合反應(yīng)器的安全生產(chǎn)運(yùn)行提供了保障。

1　設(shè)備簡介

SBA水合反應(yīng)器由4個(gè)催化劑床組成。每個(gè)床充有約17m3催化劑。進(jìn)料丁烯通過下部催化劑支撐床上的分布噴嘴，在催化劑中獲得均勻分布。丁烯和工藝水向上流過催化劑床，在催化劑酸性基團(tuán)上，正丁烯和水發(fā)生反應(yīng)，生成SBA?；旌衔锿ㄟ^上部催化劑支撐床上分布噴嘴離開催化劑床層。水和有機(jī)相在兩催化劑床層之間進(jìn)行油水分離。工藝水通過界面液位調(diào)節(jié)閥控制去循環(huán)水換熱器，而有機(jī)相則通過分布噴嘴進(jìn)入上一催化劑床層。

SBA水合反應(yīng)器的上、下封頭采用球形封頭，筒體采用單層結(jié)構(gòu)，底部采用裙座結(jié)構(gòu)支撐筒體，該設(shè)備的內(nèi)腔被分隔成四段反應(yīng)床層，其設(shè)計(jì)參數(shù)和水合反應(yīng)器見圖1。

2　材料選擇及強(qiáng)度計(jì)算

2.1材料選擇

圖1　水合反應(yīng)器簡圖

2.2強(qiáng)度計(jì)算

按照GB 150.3對(duì)設(shè)備筒體和封頭進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，通常采用SW6進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

筒體厚度計(jì)算：

球形厚度計(jì)算：

考慮內(nèi)部介質(zhì)的腐蝕性質(zhì)和904L材質(zhì)的耐腐蝕性能，在滿足工藝條件的前提下盡可能降低設(shè)備投資，確定設(shè)備筒體厚度為86+6mm，上下球形封頭的厚度為56+6mm(堆焊)。

3　水合反應(yīng)器有限元分析

通過上述計(jì)算，確定了筒體及封頭的厚度，在設(shè)備開孔處還需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，GB 150.3中提供了等面積補(bǔ)強(qiáng)法，即只需將開孔所削弱的面積在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)予以彌補(bǔ)即可滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求。本質(zhì)上，該方法是一種工程經(jīng)驗(yàn)方法，而且無法反映該處實(shí)際應(yīng)力水平，因此本文采用分析設(shè)計(jì)方法以得出該結(jié)構(gòu)附近的實(shí)際應(yīng)力分布情況，并按JB 4732進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定，可提高該結(jié)構(gòu)的計(jì)算可靠性，本文選取設(shè)備上封頭最大開孔進(jìn)行了應(yīng)力分析。

塔盤支撐圈與筒體連接處焊縫的強(qiáng)度直接關(guān)系到塔器設(shè)備能否正常操作，而本設(shè)備筒體使用的爆炸復(fù)合板材料，為了降低制造難度，采用將塔盤支撐圈直接焊于復(fù)合層上的結(jié)構(gòu)，對(duì)于此結(jié)構(gòu)是否會(huì)造成復(fù)合層被撕裂需進(jìn)行應(yīng)力分析，并基于應(yīng)力分類方法對(duì)其進(jìn)行安全性評(píng)定，旨在提高設(shè)備的計(jì)算可靠性。

3.1上封頭的人孔結(jié)合處附近的結(jié)構(gòu)有限元分析

3.1.1模型建立

鑒于人孔法蘭、封頭、筒體結(jié)構(gòu)以及內(nèi)壓情況都具有對(duì)稱性，建立的二維有限元模型，見圖2(A)。局部放大圖2(B)顯示了人孔法蘭與封頭連接處的倒角情況，倒角尺寸為R 30mm。同時(shí)，為了避免位移邊界條件的設(shè)置對(duì)封頭的局部應(yīng)力響應(yīng)產(chǎn)生不合理的影響，本文特意建立了一段長850mm的筒體與封頭連接，以便在筒體上設(shè)置位移邊界條件。

3.1.2載荷和邊界條件的設(shè)置

按照設(shè)計(jì)壓力情況，在筒體、封頭和人孔法蘭內(nèi)壁上施加8.3MPa的均布內(nèi)壓載荷，同時(shí)，在筒體的下端施加簡支約束位移邊界條件(2方向的位移U2=0)。載荷邊界條件的設(shè)置見圖3。

圖2　封頭、人孔法蘭與筒體的力學(xué)及有限元模型

圖3　載荷和邊界條件的設(shè)置

3.1.3網(wǎng)格劃分

本模型為軸對(duì)稱模型，采用PLANE183對(duì)模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。圖4顯示了人孔法蘭與封頭連接處具體的網(wǎng)格劃分情況。

圖4　有限元模型的網(wǎng)格劃分情況

3.1.4應(yīng)力分布

壓力容器制造中之所以采用復(fù)合板材的原因之一主要是從設(shè)備需要防腐的角度考慮的，因此，復(fù)層材料大多具有特殊的耐蝕性；而絕大多數(shù)的壓力容器用復(fù)合板材都是由爆炸焊接技術(shù)制造而成的，無法保證基層與復(fù)層100%貼合。因此，一般在設(shè)計(jì)和校核計(jì)算時(shí)僅僅將復(fù)層作為防腐層，而不作為承壓層考慮。

本節(jié)基于這一點(diǎn)，僅建立人孔法蘭、封頭與筒體結(jié)構(gòu)的基層材料SA516-70部分的有限元模型，并將基層材料SA516-70在200℃下的許用應(yīng)力作為設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度安全評(píng)定。

圖5(A)為模型在8.3MPa設(shè)計(jì)內(nèi)壓作用下的應(yīng)力分布云圖，可見最大Mises應(yīng)力值167.7MPa出現(xiàn)在8號(hào)節(jié)點(diǎn)(Node)處，具體位置為人孔法蘭與封頭連接處的基層材料上。因此，只需對(duì)此位置進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度安全評(píng)定即可。局部放大圖5(B)顯示人孔法蘭與封頭連接處的具體應(yīng)力分布情況，在這一位置由內(nèi)而外建立如圖5(B)上粗實(shí)線箭頭所示的應(yīng)力線性化路徑。

圖5　模型應(yīng)力分布云圖(最大Mises應(yīng)力值為167.7MPa)

3.1.5應(yīng)力強(qiáng)度安全評(píng)定

模型整體的應(yīng)力分布云圖顯示，最危險(xiǎn)截面必然為人孔法蘭與封頭的連接處，因此，只需對(duì)此位置進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度安全評(píng)定即可。局部放大圖5(B)顯示人孔法蘭與封頭連接處的具體應(yīng)力分布情況，本文擬在這一位置由內(nèi)而外建立圖5(B)上深色箭頭所示的應(yīng)力線性化路徑。

此處，將200℃條件下材料SA516-70的許用應(yīng)力141MPa作為設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度Sm。結(jié)合圖應(yīng)力線性化分布結(jié)果可知：

一次局部薄膜應(yīng)力最大應(yīng)力強(qiáng)度：

S=142.6MPa

1.5Sm=211.5MPa

S<1.5Sm

一次加二次應(yīng)力最大應(yīng)力強(qiáng)度：

S=134.3MPa

3Sm=423MPa

S<3Sm

因此，僅將基層材料SA516-70作為承壓部件，對(duì)該帶人孔法蘭的封頭應(yīng)力強(qiáng)度安全評(píng)定結(jié)果為合格。

按GB 150.3等面積補(bǔ)強(qiáng)法可計(jì)算出該封頭上人孔開孔削弱所需補(bǔ)強(qiáng)面積為20950mm2，實(shí)際有效補(bǔ)強(qiáng)面積為28452 mm2，不能直觀得出此處實(shí)際應(yīng)力水平。

3.2塔盤支撐圈與筒體連接處有限元分析

3.2.1模型建立

為支撐催化劑和分離反應(yīng)生成的有機(jī)相和水，每段催化劑床層都設(shè)有上下兩個(gè)塔盤，如果采用將筒體上的復(fù)合層鏟除，再將塔盤的支撐圈與筒體直接焊接，則制造難度大。為減少設(shè)備制造難度，現(xiàn)將支撐圈直接焊接于筒體內(nèi)表面的復(fù)層金屬上，本模型主要計(jì)算支撐圈與筒體的連接處應(yīng)力強(qiáng)度，以校核是否會(huì)撕裂復(fù)層。由于塔盤與支撐圈焊接，支撐圈與復(fù)層金屬焊接，可將其作為一個(gè)整體，基層板材作為一個(gè)整體建模，兩個(gè)體之間的結(jié)合面設(shè)置為接觸面，見圖6。

圖6　塔盤與支撐圈及復(fù)層金屬焊接結(jié)構(gòu)圖

模型取2000mm長筒體(支撐圈位置上下各1000mm)，塔盤上水帽結(jié)構(gòu)見圖7。

圖7　塔盤上水帽結(jié)構(gòu)示意圖

從圖7可以看出，塔盤上開孔處設(shè)有水帽，該結(jié)構(gòu)上下均焊有罩蓋，介質(zhì)從水帽側(cè)面流出，因此可以將塔盤作為實(shí)體板承受上下壓差，同時(shí)塔盤和支撐圈焊接連接，模型簡化處理，將塔盤與支撐圈當(dāng)成一個(gè)整體見圖8。邊界A塔板上部空間壓力載荷7.597MPa，邊界B塔板下部空間壓力載荷7.6MPa，邊界C筒體下端限制Y軸方向位移，邊界D筒體上端等效載荷-51.84MPa。

圖8　支撐圈模型

3.2.2網(wǎng)格劃分

本模型為軸對(duì)稱模型，采用PLANE183對(duì)模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分。

圖9顯示了塔盤、支撐圈和筒體連接處的網(wǎng)格劃分情況。

圖9　網(wǎng)格劃分

3.2.3應(yīng)力分布

圖10為塔盤在3KPa壓差(催化劑末期最大壓差)作用下支撐環(huán)與筒體連接處的基層應(yīng)力云圖，

最大應(yīng)力值為121.7MPa，出現(xiàn)在內(nèi)表面，即復(fù)層界面處的應(yīng)力為121.7MPa，小于不銹鋼復(fù)合板要求的復(fù)合界面的結(jié)合剪切強(qiáng)度≥210MPa，因此在不超過3KPa壓差下，不會(huì)引起不銹鋼復(fù)合層的撕裂，所以本結(jié)構(gòu)是安全的。

圖10　應(yīng)力云圖

4　結(jié)語

(1)根據(jù)《壓力容器》GB 150和《塔式容器》NB/T 47041-2014并使用軟件SW6，可以較快速地確定SBA水合反應(yīng)器的安全厚度。

(2)通過有限元分析，可以對(duì)部分危險(xiǎn)部位進(jìn)行安全評(píng)定，確保設(shè)備的安全性且提高設(shè)備設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。

(3) 通過對(duì)塔盤支撐圈與筒體連接處的應(yīng)力分析，在確保設(shè)備安全性的基礎(chǔ)上，大幅降低了設(shè)備的制造難度，提高了設(shè)備制造效率。

1鄭津洋, 董其伍, 桑志富. 過程設(shè)備設(shè)計(jì)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.

2JB 4732-1995，鋼制壓力容器-分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(2005年確認(rèn)版)[S].

*汪小娟：高級(jí)工程師。2013年畢業(yè)于南京大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)獲碩士學(xué)位。主要研究方向?yàn)槿萜髟O(shè)計(jì)開發(fā)與數(shù)值模擬。聯(lián)系電話：13721020623，E-mail:cuilina@chinaecec.com。

2016-03-25)