PTA加氫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

潘線(xiàn)偉，牛曉娟，施亞汝(青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司，山東 青島 266555)

1 PTA產(chǎn)品

1.1 PTA簡(jiǎn)介

PTA(Pure TerephthalicAcid)是純對(duì)苯二甲酸(C6H4(COOH)2)，在室溫下呈白色粉末狀晶體，在一定范圍內(nèi)遇火燃燒。它無(wú)毒、易燃，與空氣混合可能有危險(xiǎn)。PTA是石油的低端產(chǎn)品。輕汽油(又名石腦油)是以石油為原料，經(jīng)過(guò)一定的工藝流程，從石腦油中提取MX(混合二甲苯)，再提取PX(對(duì)二甲苯)。PTA以對(duì)二甲苯(65%～67%)為原料，在催化劑和乙酸為溶劑的條件下，通過(guò)空氣氧化(氧含量為35%～33%)制備粗對(duì)苯二甲酸[1]。精對(duì)苯二甲酸是重要的大宗有機(jī)原料之一，廣泛應(yīng)用于輕工、電子等國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。粗對(duì)苯二甲酸在催化劑作用下通過(guò)空氣氧化得到，然后結(jié)晶、過(guò)濾、干燥得到粗對(duì)苯二甲酸；粗對(duì)苯二甲酸經(jīng)氫化除雜、結(jié)晶、離心分離、干燥成PTA。粗對(duì)苯二甲酸的主要雜質(zhì)是對(duì)苯二甲酸氧化的中間產(chǎn)物。在PTA產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，PTA加氫反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)直接決定PTA產(chǎn)品的純度。

1.2 PTA的市場(chǎng)應(yīng)用和發(fā)展

PTA廣泛應(yīng)用于化纖、輕工、電子、建筑等行業(yè)。世界上90%以上的PTA用于生產(chǎn)聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯。PTA產(chǎn)業(yè)起步于20世紀(jì)80年代，生產(chǎn)能力主要集中在華東、華南和東北地區(qū)。從技術(shù)上講，我國(guó)PTA生產(chǎn)企業(yè)已由引進(jìn)技術(shù)向國(guó)內(nèi)自主技術(shù)轉(zhuǎn)變，工廠(chǎng)規(guī)模越來(lái)越大，產(chǎn)能集中度越來(lái)越高，世界出口量也有了很大提高。在市場(chǎng)發(fā)展形勢(shì)下，中國(guó)制造商越來(lái)越重視技術(shù)自主性和提高行業(yè)發(fā)展效率。

近年來(lái)，隨著聚酯生產(chǎn)技術(shù)的成功發(fā)展，國(guó)內(nèi)PTA下游產(chǎn)業(yè)和聚酯生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大。因此，PTA產(chǎn)品價(jià)格居高不下，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)PTA加氫反應(yīng)器的需求是在不斷增加的。而中國(guó)各大化工設(shè)計(jì)院對(duì)PTA加氫反應(yīng)器的技術(shù)掌握也愈發(fā)成熟，其也大大降低了反應(yīng)器本身的設(shè)計(jì)成本。這些因素促進(jìn)了PTA項(xiàng)目的發(fā)展。

2 PTA加氫反應(yīng)器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

目前國(guó)內(nèi)加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要分為兩類(lèi):一類(lèi)是常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之下的反應(yīng)器；另一種是在經(jīng)過(guò)詳細(xì)的應(yīng)力分析之后，通過(guò)分析對(duì)照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)而加工出來(lái)的反應(yīng)器。壓差是反應(yīng)器的主要工作原理，是主要的設(shè)計(jì)壓力范圍。如果某些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是彈性失效標(biāo)準(zhǔn)，則認(rèn)為設(shè)備只有在完全彈性時(shí)才是安全的。一旦處于塑性狀態(tài)，這臺(tái)設(shè)備就會(huì)失效。用這種方法得到的殼體比較厚。計(jì)算結(jié)果趨于保守，有些標(biāo)準(zhǔn)是分析標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于計(jì)算不連續(xù)區(qū)域中或者在應(yīng)力更加集中的區(qū)域，設(shè)計(jì)加氫反應(yīng)器就要采用有限元分析方法計(jì)算應(yīng)力。鋼材的選擇、制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收都比舊標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格[2]。ASME規(guī)范已被幾乎所有的美國(guó)州，加拿大和墨西哥省采用。ASME規(guī)范中的“設(shè)計(jì)”的內(nèi)涵，本身是指反應(yīng)器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)制定是壓力容器制造商工作的一部分，也是容器制造商在反應(yīng)器設(shè)計(jì)工作必須要完成的一部分。壓力容器產(chǎn)品的功能和要求包含在“用戶(hù)”的責(zé)任中，這一方面彌補(bǔ)了鋼材質(zhì)量不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，有利于設(shè)備的安全。

3 PTA反應(yīng)器設(shè)計(jì)與制造

3.1 結(jié)構(gòu)和參數(shù)

反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用ASME(2010年版)，其結(jié)構(gòu)規(guī)定更嚴(yán)格，試驗(yàn)要求更高，節(jié)省了設(shè)備成本，對(duì)制造公差、檢驗(yàn)和試驗(yàn)有更高的要求。PTA加氫反應(yīng)器設(shè)有溶解罐和液體分布器，下部設(shè)有帶出口集熱器的過(guò)濾裝置。主體結(jié)構(gòu)包括上下封頭、筒體、裙座和接管。從安全角度考慮，設(shè)計(jì)壓力為12.0 MPa。為安全起見(jiàn)，設(shè)計(jì)溫度為350 ℃。設(shè)備主要材料為SA-387-11CL.2，采用平板焊接結(jié)構(gòu)，支撐結(jié)構(gòu)采用裙座結(jié)構(gòu)。

3.2 選材

(1)基材選擇?；木褪荘TA加氫反應(yīng)器的整體的選材，要考慮到PTA加氫反應(yīng)器的反應(yīng)環(huán)境，由于PTA加氫反應(yīng)器處于高溫高壓氫氣環(huán)境中，即使在室溫高壓下，氣態(tài)氫也不容易滲入鋼中。當(dāng)溫度高于220 ℃時(shí)，材料內(nèi)部?jī)A向于脫碳。在鋼中加入鉬、鉻等合金元素，可以提高鋼的高溫強(qiáng)度極限。因此，Cr-Mo鋼可以滿(mǎn)足高溫高壓氫氣環(huán)境的要求。

(2)內(nèi)墻選擇。采用堆焊或復(fù)合板結(jié)構(gòu)。目前，我國(guó)廣泛使用的復(fù)合板材料是爆炸焊接。爆炸瞬時(shí)爆炸產(chǎn)生的巨大能量被用于焊接，大大降低了反應(yīng)堆的成本。由于復(fù)合板整體的尺寸有限制，反應(yīng)器設(shè)備只能通過(guò)選擇內(nèi)壁堆焊的方法進(jìn)行制作。這樣可以在加氫反應(yīng)器的殼體內(nèi)壁，覆蓋上一層不銹鋼防腐層和過(guò)渡層TP.309l，由于氫擴(kuò)散速率的不同，兩種材料交界處的氫濃度不同，這就導(dǎo)致了發(fā)生突變的可能。為了盡可能降低風(fēng)險(xiǎn)避免這種情況，需要在兩種材料之間覆蓋過(guò)渡層[3]。

3.3 制造

(1)冷加工和熱加工。不允許以熱加工過(guò)程代替正火熱處理，無(wú)論此前是否進(jìn)行過(guò)正火+回火熱處理，封頭熱成形(溫度在AC1線(xiàn)以上)之后，必須再次進(jìn)行正火和回火熱處理。處理時(shí)應(yīng)提供性能測(cè)試板，測(cè)試板應(yīng)從頭部剩余材料上切下。處理后的力學(xué)性能應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定。

(2)焊接和熱處理。焊縫和熱影響區(qū)表面不允許存在缺陷，焊縫兩側(cè)的熔渣和飛濺物必須拋光。對(duì)接接頭的表面應(yīng)與基底金屬齊平。殼體上環(huán)焊縫修磨后的斜度至少為1∶3，錯(cuò)邊量應(yīng)≤4 mm，表面應(yīng)平滑過(guò)渡。焊接接頭均應(yīng)采用全熔透結(jié)構(gòu)，必須清理焊根。鍛件內(nèi)壁不銹鋼耐蝕層經(jīng)磁粉或滲透檢測(cè)合格后采用雙層堆焊，堆焊層(內(nèi)部和界面)質(zhì)量Ⅰ級(jí)合格。焊縫和堆焊層表面經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，允許用砂輪磨掉，打磨部位應(yīng)與周?chē)饘倨骄忂^(guò)渡，焊縫同一部位的返修不得超過(guò)兩次，若返修次數(shù)超過(guò)兩次必須征得買(mǎi)方的同意。

4 PTA加氫反應(yīng)器的強(qiáng)度計(jì)算

4.1 筒體計(jì)算

計(jì)算圓柱殼的厚度。為了設(shè)備的安全，考慮不銹鋼的防腐作用。計(jì)算壓力為設(shè)計(jì)壓力與靜水壓力之和。底殼接頭的計(jì)算壓力最大，殼接頭所需的最小厚度也最大。根據(jù)美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)規(guī)范，焊接接頭取1.0。內(nèi)壁為不銹鋼硬面，故內(nèi)壁腐蝕裕量取0 mm，結(jié)果要求筒體接頭最小厚度為186.1 mm。為安全起見(jiàn)，殼體厚度(最小值)取190 mm。

4.2 封頭

采用的封頭類(lèi)型為半球形封頭，相同體積下的表面積最小，相同壓力條件下所需的厚度最薄。半球形封頭的厚度按ASME計(jì)算。頂蓋和底蓋的其他計(jì)算參數(shù)是一樣的，唯一不同的是計(jì)算壓力不同。底部封頭中液柱的靜壓大于頂部封頭中的靜壓。計(jì)算封頭時(shí)，公式不僅要滿(mǎn)足強(qiáng)度，而且要與結(jié)構(gòu)中殼體的連接部分連續(xù)。根據(jù)以前的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通常采用殼體厚度的大約0.55倍為封頭厚度，底部封頭的液柱靜壓力為所有在底部封頭之上的液體產(chǎn)生的，液柱靜壓力最大，因此需要滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

4.3 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)

判斷該區(qū)域附近的材料是否需要加固，需要保證在孔附近的材料，是可以承擔(dān)該區(qū)域內(nèi)一次應(yīng)力的。補(bǔ)強(qiáng)以后得面積來(lái)計(jì)算應(yīng)力，應(yīng)盡可能設(shè)置在開(kāi)孔附近，此外還必須注意避免產(chǎn)生高的熱應(yīng)力。有效加固范圍由開(kāi)口附近平行和垂直于殼體表面的尺寸決定。實(shí)際應(yīng)用表明該法能解決工程實(shí)際問(wèn)題?？紤]到加厚殼體不經(jīng)濟(jì)，設(shè)備采用厚壁管加強(qiáng)型。采用鍛造厚壁管加工翻邊與壁對(duì)接的焊接結(jié)構(gòu)，管口與殼體連接處的棱角應(yīng)平滑過(guò)渡，以保證設(shè)備安全。

4.4 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)力

設(shè)置應(yīng)力線(xiàn)性化的路徑，通過(guò)ANSYS軟件提供的沿路徑應(yīng)力線(xiàn)性化的功能，區(qū)分出沿壁厚路徑的各種應(yīng)力，并在應(yīng)力線(xiàn)性化的結(jié)果中列出，最后對(duì)各個(gè)模型的分析結(jié)果中應(yīng)力線(xiàn)性化處理后的結(jié)果進(jìn)行評(píng)定[4]。

5 PTA加氫反應(yīng)器的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 冷氫接管

預(yù)熱器加熱的TA溶液溫度為282～290 ℃。它進(jìn)入加氫反應(yīng)器之后，與高溫飽和氫蒸汽一起熔化。鈀/碳作為催化劑填充。TA溶液和氫氣分別從頂部管道注入。CTA中的4-CBA被還原為水溶性鉑酸。反應(yīng)過(guò)程需要循環(huán)的通入40 ℃的氫氣，循環(huán)次數(shù)約為0.1×109次。在這樣的復(fù)雜工況下，冷氫接管會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力循環(huán)，為了有效的避免這種情況發(fā)生，應(yīng)盡量避免由于溫差應(yīng)力的影響，使接管與殼體連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中和損傷。

進(jìn)行疲勞判定的時(shí)候，可以以Salt’=Salt×E/Et=Salt×200 000/173 000來(lái)計(jì)算，當(dāng)允許循環(huán)次數(shù)大于或等于0.1×109次時(shí)，計(jì)算累積疲勞損傷系數(shù)，如果這個(gè)值遠(yuǎn)小于1，疲勞評(píng)定合格。本結(jié)構(gòu)為疲勞容器結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)保證其安全性，嚴(yán)格錯(cuò)邊量，不允許強(qiáng)力組裝行為，在焊后立即進(jìn)行消氫熱處理，以減少延遲裂紋的產(chǎn)生。

5.2 防沖刷腐蝕

料液從進(jìn)料口高速流入反應(yīng)器，高速物料的沖刷破壞了反應(yīng)器金屬表面的保護(hù)膜。破壞處的金屬被腐蝕，物料的進(jìn)口處沖刷比較嚴(yán)重。一般通過(guò)調(diào)整流體的分布來(lái)緩解介質(zhì)對(duì)設(shè)備內(nèi)壁的沖刷[5]。反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有溶解罐，溶解罐中間設(shè)計(jì)有導(dǎo)流管，上部均勻排列一些導(dǎo)流管。底部同樣設(shè)計(jì)有噴淋孔，分布器通過(guò)角鋼懸掛于溶解罐的下部。原料液通過(guò)內(nèi)部套管流入混合罐中，大大降低了料液的進(jìn)口速率，原料液噴淋而下，在通過(guò)導(dǎo)流筒中的導(dǎo)流管進(jìn)一步降速，到達(dá)在導(dǎo)流筒底部的分布器，分布器的結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)有溢流堰，從而可使料液在反應(yīng)器內(nèi)部均勻噴淋。增大了原料液與氫氣的接觸時(shí)間和接觸面積，提高了反應(yīng)器效率。

6 結(jié)語(yǔ)

總而言之，基于中國(guó)的宏觀(guān)調(diào)控和產(chǎn)能過(guò)剩的問(wèn)題，中國(guó)的PTA行業(yè)發(fā)展存在競(jìng)爭(zhēng)激烈的整體趨勢(shì)，在此情況之下，相關(guān)的化工上生產(chǎn)企業(yè)更需要了解行業(yè)的發(fā)展情況，綜合考慮項(xiàng)目建設(shè)的技術(shù)先進(jìn)程度、原材料來(lái)源和下游配套等多個(gè)需求，再進(jìn)行PTA項(xiàng)目的建設(shè)，加上下游需求逐漸疲軟，更應(yīng)當(dāng)做好規(guī)劃以避免經(jīng)濟(jì)損失，優(yōu)化PTA的行業(yè)布局，進(jìn)一步提升企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。