乙二醇裝置加氫反應器大型化設計

田丹霖，許朝陽，唐飛，吳金華，劉吉祥

（神華工程技術有限公司安徽分公司，合肥 230000）

隨著煤制乙二醇裝置的不斷發(fā)展，裝置的規(guī)模、產(chǎn)能越來越大，裝置的核心設備——反應器也是越來越大型化，加氫反應器作為乙二醇裝置的核心設備之一，其選材、各部位結構型式的確定直接影響反應器的平穩(wěn)運行，進而影響裝置的穩(wěn)定運行。

國內(nèi)已運行乙二醇裝置單系列加氫反應器的反應能力多為5×104t/a，本文論述的加氫反應器產(chǎn)能為1×105t/a、結構型式為立式列管式的管式反應器，加氫反應器重約550 t，設備直徑達5 m 以上，設備總高度21 500 mm，該設備屬于大型、超限的反應容 器。

1 加氫反應器設計參數(shù)

加氫反應器管、殼程設計壓力為中壓，約3 MPa左右，加氫反應器管、殼程設計溫度約270 ℃。殼程介質(zhì)為鍋爐水，管程介質(zhì)為H2等反應物料。

2 加氫反應器各部件材料選擇

2.1 可用于加氫反應器各部件的材料

按照專利商及工藝條件的相關要求，反應器的殼程建議材質(zhì)為碳鋼，管程建議材質(zhì)為不銹鋼S30403，換熱管建議材質(zhì)為S30403。

根據(jù)反應器管、殼程的介質(zhì)含氫、中溫、中壓及設備直徑大的特性，在確保設備本質(zhì)安全，材料滿足工藝介質(zhì)操作條件、耐腐蝕性等各方面要求的前提下，考慮經(jīng)濟性、可加工性、原材料易獲取性等方面因素的基礎上，對反應器的各部件材料進行了選材。

殼程筒體可選材料：Q345R，S30408 等。

管程筒體、封頭可選材料：S30403，管程介質(zhì)含H2，按照納爾遜曲線可知，管程筒體、封頭可采用S30403+Q345R 復合板材質(zhì)。主要考慮經(jīng)濟性，管程筒體、封頭材質(zhì)選用S30403+Q345R 復合板材質(zhì)。

管板材質(zhì)：加氫反應器的管板鍛件直徑達5 500 mm 以上。綜合考慮，加氫反應器的管板采用16Mn Ⅳ鍛堆焊S30403。管板基材采用整體鍛件，鍛件級別按NB/T 47008—2017[1]中的最高級別Ⅳ級鍛件，并要求對鍛件進行材料和力學性能復驗。另經(jīng)了解，DN 6 000 mm 以上的整體餅狀鍛件國內(nèi)完全有能力加工。

列管可選材質(zhì)：S30403，S22053。

殼程膨脹節(jié)材質(zhì)：S30408。

2.2 加氫反應器各部位材料確定

加氫反應器的各部位材料選配可有3 種方案，如表1 所示。

加氫反應器3 種選材方案的優(yōu)點和缺點比較如下：

方案1。反應器殼程需設置膨脹節(jié)，膨脹節(jié)內(nèi)徑達5 m 以上。

（1）此方案優(yōu)點：

① 設備主材較為常規(guī)，造價相對低；

表1 加氫反應器各部位材料選配Table 1 Material of each part for hydrogenation reactor

② 材料易于獲取，制造加工較為簡單。

（2）此方案缺點：

① 該規(guī)格膨脹節(jié)的加工制造難度較大，費用較高，且供應商很少；

② 采用膨脹節(jié)結構的加氫反應器整體運輸較困難，且與設備組對后設備殼程的整體剛性降低；

③ 由于膨脹節(jié)的設置會給加氫反應器的安裝、維護、使用等方面帶來諸多不便。

方案2。列管采用S22053 雙相鋼材質(zhì)，利用S22053 材料線膨脹系數(shù)與殼程低合金鋼相近的特點，可以大大地減少管、殼程的熱應力。

（1）此方案的優(yōu)點：

① S22053 雙相鋼鋼管在國內(nèi)已完全實現(xiàn)國產(chǎn)化，多個廠家已有成熟的生產(chǎn)制造經(jīng)驗；

② 除列管外，其余主材較為常規(guī)；

③ 雙相鋼S22053 列管的耐腐蝕性、強度等均優(yōu)于S30403；

④ 殼程無需設置膨脹節(jié)；

⑤ 本設備結構簡單、安全性較好。

（2）此方案缺點：

① 雙相鋼S22053 列管，造價較高；

② 列管管頭的焊接難度較大；

③ 設備整體造價高。

方案3。殼程筒體兩端采用碳鋼Q345R加厚短節(jié)，在殼程筒體中部設置一段S30408 不銹鋼材質(zhì)的筒節(jié)，不銹鋼筒節(jié)的長度確定是以保證管、殼程溫差應力滿足管殼程的強度要求的原則加以確定的。

（1）此方案的優(yōu)點：

① 反應器殼程無需設置膨脹節(jié)；

② 材料易于獲??；

③ 制造加工難度相對較低，產(chǎn)品質(zhì)量容易保證；

④ 本設備結構簡單、易于制造且安全性較好。

（2）此方案的缺點：

① 殼程存在異種鋼對接接頭；

② 殼程不銹鋼筒體部分的厚度已接近GB/T 24511—2017[2]標準適用的80 mm 上限；

③ 設備整體造價較方案1 略有升高。

綜上，經(jīng)過反復比選并與設備用戶、業(yè)界權威的專家和國內(nèi)著名的壓力容器制造廠進行了方案論證，結合設計、制造和使用等方面的成功經(jīng)驗和本工程的具體情況，形成了采用方案3 的結論意見。通過與專利商充分溝通，從而確定了加氫反應器的材料選 定。

2.3 加氫反應器設計計算

加氫反應器的設計主要采用GB/T 150.1 ～ 150.4—2011《壓力容器》[3]和JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》[4]等國內(nèi)標準規(guī)范。

由于加氫反應器的公稱直徑已超出GB/T 151—2014[5]限定的范圍，加氫反應器的設計計算采用ANSYS 有限元分析計算軟件進行建模并分析計算。通過對管程、殼程的壓力、溫度組合而成的多種工況進行模擬計算。對于管、殼程的變形不協(xié)調(diào)產(chǎn)生的高應力部位，利用ANSYS 應力線性化的工具，對所定義的危險截面的應力沿厚度方向進行線性化，得出各種應力分量，然后按照JB 4732—1995 表5-1 對其進行評判。對于列管對管板的支撐約束進行簡化為桿單元，并進行建模計算，核算管板的應力分布、列管與管板結合部位的應力分布，對高應力部位進行評估，確保設備的安全性。

雖然本設備超出GB/T 151—2014 規(guī)定的適用范圍，但GB/T 151—2014 中有些結構和制造的規(guī)定對本設備的設計、制造是有用的，因此，本設備的設計標準中將GB/T 151—2014 列為參照性標準。

3 加氫反應器結構設計

本裝置加氫反應器實際為大型列管式固定管板換熱器，加氫反應器為本裝置的核心設備之一，加氫反應器總體結構圖見圖1。反應器各部位的結構型式是否合理將直接影響整個裝置的安全、平穩(wěn)、長周期運行和裝置的生產(chǎn)效益。

3.1 加氫反應器管板的結構設計

反應器的管板作為管束的一部分，其與管、殼程筒體連接的結構型式選擇尤為重要，GB/T 151—2014 推薦了常用管板與管、殼程筒體連接型式。

圖1 加氫反應器總體結構Fig.1 Nelson curve

經(jīng)分析設計計算，并結合已運行裝置的成功經(jīng)驗，加氫反應器管板與管、殼程筒體連接采用圖2 型式。

圖2 加氫反應器管板與管、殼程筒體連接型式Fig.2 Tubesheet type of hydrogenation reactor

該結構的特點是在管板與殼體連接部位的內(nèi)側開了應力釋放槽，不僅能夠滿足設備的強度，同時增加了管板與殼體連接節(jié)點的柔度，起到了降低管板產(chǎn)生應力的效果。

加氫反應器管板上下兩端適當?shù)亓舫龇?，這是為了使得管程殼體和殼程殼體與管板的連接能夠形成對接的結構，從而有利于達到全焊透的目的。

3.2 加氫反應器布管

加氫反應器直徑較大，換熱管內(nèi)的反應為放熱催化反應，若反應熱量不能及時移走，換熱管內(nèi)溫度會進一步升高，導致?lián)Q熱管內(nèi)飛溫，進而使得催化劑活性降低，結焦，壽命降低等。如何將換熱管內(nèi)反應后產(chǎn)生的反應熱量快速通過殼程介質(zhì)撤熱，并盡可能的使反應器床層溫度在軸、徑向均勻分布，此問題尤為重要。

從以往設計類似反應器的CFD 數(shù)值模擬分析結果表明[6]，反應器的布管型式、殼程折流板型式等均會對殼程流體的流動及傳熱的徑向均勻性產(chǎn)生影響。由于設備直徑大，在中心位置的換熱效果將較差，如果在設備的中心不布管或少布管，將極大的浪費加氫反應器寶貴的反應空間。為此，通過在管板布管區(qū)域設計了強化傳熱的流體入射通道，流體進入殼程后快速的流動進入殼程中心位置，促使殼程介質(zhì)在反應器殼程內(nèi)的徑向快速、分布均勻的效果，有效提高殼程傳熱的徑向均勻性。加氫反應器最終確定的布管型式見圖3。

圖3 加氫反應器布管圖Fig.3 Tube layout of hydrogenation reactor

3.3 加氫反應器管束支撐型式

反應器的作用與換熱器不同，不僅需要傳熱、傳質(zhì)、還需要滿足相應的能量平衡。反應器管束的支撐型式，直接影響其床層溫度在軸向、徑向的分布，同時影響整個反應系統(tǒng)的壓降、反應速度、催化劑選擇性、產(chǎn)品的時空收率、裝置的安全平穩(wěn)運行等。

換熱器的管束支撐結構一般與其在裝置中的位置及作用有非常大的關系，GB/T 151—2014 中的折流板為圓形開孔平板，通過適當切割，在滿足換熱管的支撐要求條件下，促使流體在換熱器殼程內(nèi)部實現(xiàn)折流，從而達到強化傳熱的目的。

但折流板型式的管束支撐，殼程流體呈橫向流動，流體在折流的過程中來回穿越管束，管子受到卡門旋渦激振和紊流抖振的影響，可能激發(fā)管束有聲振動或無聲振動，如果管束振動劇烈到一定程度，將導致管子疲勞破壞或管子撞擊折流板孔邊而被切斷[7]。流體在殼程受到折流板的阻擋，來回折流，其殼程流體壓降相對較高。更為重要的是：折流板結構不能滿足同截面溫度場均勻一致的要求，所以，本設備未采用折流板的結構型式。

為了滿足溫度場均勻一致的要求，本設備采用了折流柵結構。在很多大型石化裝置中的固定床列管式反應器殼程的介質(zhì)流動較多地采用平行于換熱管的軸向流動（縱流式），其管束的支撐多采用桿柵支撐型式，或是多孔支持板型式，如乙烯裝置固定床管殼式C2 反應器殼程采用3 桿支撐格柵支撐、SD固定床管殼式環(huán)氧乙烷反應器殼程采用2 桿支持格柵支撐、SHELL 固定床管殼式環(huán)氧乙烷反應器殼程采用多孔支持板支撐（整圓板）[8]。

軸向流動（縱流式）管束支撐型式有以下特點[9]：

（1）軸向流動（縱流）主導了殼程流體的流動，大大削弱了由流體橫向流動產(chǎn)生的卡門漩渦，從源頭上減輕了管束的振動；

（2）流體在通過換熱管與支撐間的不規(guī)則間隙時，形成貼壁射流作用，能在一定程度上強化殼程傳熱；

（3）殼程流體流動均勻性較好，殼程壓降相對較小；

（4）殼程抗結垢性能得以提升。

（5）格柵支撐結構的剛性較好，重量輕，一般采用不銹鋼材質(zhì)，使用壽命較長。

（6）結構較為復雜，制造加工難度高，成本較高。

3.3.1 幾種軸向流動（縱流式）管束支撐

（1）折流桿支撐結構

20 世紀70 年代美國菲利浦石油公司為了解決傳統(tǒng)折流板換熱器中管子與折流板的切割破壞和流體誘導振動問題而開發(fā)設計出折流桿換熱器，這種換熱器的支撐結構是將折流板改為桿式支撐[10]。折流桿換熱器傳熱性能較弓形折流板換熱器高，且壓降低。折流桿換熱器制造、安裝較為復雜，其布管型式一般為正方形布管。

（2）整圓形折流板支撐結構

隨著技術的進步，換熱器管束支撐型式不斷進步，越來越多的殼程強化傳熱式管束支撐型式被開發(fā)出來，如整圓形折流板。其強化傳熱的主要機理是射流，射出的流體速度很大，直接沖刷管壁，一方面減薄管壁邊界層，減小熱阻，另一方面可阻止污垢的形成[9]。

（3）折流柵支撐結構

折流柵支撐結構，采用扁鋼作為格柵條，在格柵條兩兩相交處加工出一定的切口，套合在一起并點焊固定，換熱管被格柵條固定在中間。格柵支撐結構具有剛性好，重量輕等特點[8]。

3.3.2 加氫反應器管束支撐型式選擇

隨著我國機械設備加工能力和技術的提高，制造廠制造經(jīng)驗的提升，經(jīng)咨詢了解，國內(nèi)的部分制造廠均已有相關的格柵支撐式換熱器/反應器加工制造經(jīng)驗，同時能保證制造加工精度。本裝置加氫反應器殼程采用的支撐型式最終確定為二桿式格柵支撐，見圖4。

圖4 二桿支持格柵Fig.4 Grid baffle comprises two supports

3.4 加氫反應器管、殼程進出口

按照專利商相關要求，加氫反應器殼程設置了多個進出口，并在進口處設置有進口分配堰板，出口處設置有出口擋板。這些擋板與殼程管束支撐一起，組成了殼程內(nèi)部的整個流體通道，有效地使殼程流體盡可能地均勻分布，使殼程流體的流動死區(qū)、換熱死區(qū)盡可能地少，使得殼程流體對殼程進、出口的管束擾動盡可能地小。

由于反應器的直徑較大，管程反應介質(zhì)進入管箱后如何快速的在設備直徑截面范圍內(nèi)均勻分布，將影響管束中的每根換熱管內(nèi)的反應。為此，在管程進口處設置了入口分布器，該分布器委托專業(yè)的廠家進行模擬分析并建模計算，以保證反應介質(zhì)進入設備內(nèi)部后均勻地進入每根換熱管參與反應。

4 加氫反應器制造要點

加氫反應器由于其直徑達5 m 以上，加上其外部附屬件，設備的尺寸屬于運輸超限設備，本設備需在項目現(xiàn)場完成最終的組裝、試壓、交付。為保證設備制造質(zhì)量，所有的設備部件能在制造廠組裝完成的，盡可能全部在制造廠組裝完成，將現(xiàn)場需進行的制造加工工作降至最低。

管板直徑較大，為確保管板加工后的質(zhì)量，管板預留加工余量，堆焊采取兩塊管板背靠背的方式。管板堆焊前進行預熱，過渡層堆焊完成后進行熱處理。管板堆焊前，堆焊后對管板進行相應的UT，PT，MT 檢測以確保堆焊質(zhì)量。

管板鉆孔、精加工、筒節(jié)制造、接管預制等均在制造廠完成；格柵的加工采用工裝定位，現(xiàn)場制造；換熱管穿管、管頭焊接、筒體環(huán)縫組對等工作在現(xiàn)場完成?，F(xiàn)場搭建熱處理爐，以確保焊接后的熱處理質(zhì)量。

加氫反應器現(xiàn)場組裝、制造完成后，進行管、殼程試壓，氣密試驗等工作。

5 結束語

本文通過對煤制乙二醇裝置核心反應器——加氫反應器從選材、計算、結構設計、制造等方面的論述，總結了以下設計方面的體會：

（1）煤制乙二醇裝置隨著規(guī)模的不斷擴大，反應能力1×105t/a 級煤制乙二醇裝置的加氫反應器選材在確保其本質(zhì)安全的前提下，更多的以材料的易獲取性，經(jīng)濟性為考量。

（2）固定床列管式反應器殼程的介質(zhì)流動較多的采用平行于換熱管的軸向流動（縱流式）方式，其優(yōu)點較為明顯，尤其是在配合管束布管、殼程進、出口流體分配堰板使用的情況下，使得殼程的介質(zhì)流動盡可能地均勻分布，從而實現(xiàn)大型反應器床層的溫度在徑向及軸向盡可能的均勻分布，使床層溫度平穩(wěn)可控，最終實現(xiàn)反應器催化劑的正確選擇性及保證產(chǎn)品收率。

（3）本反應器的直徑已達5 m 以上，若反應器的年反應能力再進一步放大，應當吸納軸徑向反應器的結構原理并結合本設備工況的特點進行攻關和改進。