国产首台千吨级加氢反应器的设计

国产首台千吨级加氢反应器的设计
张迎恺
中国石化集团北京设计院　100011
摘　要　中国石化集团北京设计院为齐鲁石化公司1400kt/a加氢裂化装置设计的加氢精制反应器为国产首台千吨级加氢反应器。

该反应器采用分析法设计,比采用常规设计法设计减小了壳体厚度,节省了钢材,为用户节约投资900万元以上,并且对冷氢管、冷氢箱的支撑和热电偶的结构做了较大的改进。

关键词　国产　千吨级加氢反应器　分析设计法
1　前言
近年我国各大炼油厂都在陆续通过装置改造或新建装置,以扩大其装置的处理量和规模效益。

装置的大型化自然带来了设备的大型化。

这就给大型化设备的设计、制造和安装提出了新的课题。

齐鲁石化公司1400kt/a加氢裂化装置是中国石化集团公司“九五”期间的重大项目,也是目前国内最大的单套加氢裂化装置。

该装置的重要设备之一加氢精制反应器就成为国产第一台千吨级加氢反应器。

2　反应器简介
加氢精制反应器(R-401),设计压力19.2M Pa,设计温度454℃,介质为油气、H2S和H2。

反应器内直径3800m m,切线长度26691m m。

根据设计温度和氢分压,按照Nelso n曲线,母材应采用2.25Cr-1M o钢。

目前国际上类似这种大型加氢反应器多采用3Cr-1M o或2.25Cr-1Mo改良钢。

考虑到本装置国产化的要求,以及国内制造厂采用这种新型钢材制造反应器尚处于研制阶段,故该反应器仍采用2.25Cr-1M o锻钢作为壳体,内表面堆焊厚度4m m的E309L和厚度3.5mm的E347。

设计、制造采用JB4732-95“钢制压力容器-分析设计标准”。

经计算其设计壁厚为263mm。

设计重量为937t。

若采用常规设计法,反应器的设计重量将达到1090t左右。

采用不同设计法设计的反应器经济效益对比见表1。

从表1可以看出:采用分析法设计该反应器既可节省材料,又可为用户节约投资900万元以上。

加之因重量减少而带来的运输、吊装费用的节省,其经济效益是相当显著的。

表1　采用不同设计法设计的反应器经济效益比较
项目常规设计法分析设计法壳体壁厚/mm356263
球形封头壁厚/mm214158
设计重量/t1090937设备造价(按6.1万元/t)/万元66495715.7
3　加氢精制反应器设计技术指标
由于该反应器具有较高的设计参数,设计壁厚达263mm,外径达4341m m,因此给反应器锻钢壳体材料热处理和力学性能的均匀性以及机械加工都带来了许多新的课题。

为了保证产品的质量,并且使我国加氢反应器的设计制造水平再上一个新的台阶,我们在设计时,结合我国国情,制订出了一个达到当前国际水平的制造、检验技术指标:
a) 2.25Cr-1M o锻钢的化学成分规定见表2。

表2　2.25Cr-1Mo锻钢的化学成分%
项目C max S i max M n P max S ma x C r M o Ni C u Sb max
熔炼
分析
0.150.10
0.30～
0.60
0.0100.010
2.00～
2.50
0.90～
1.10
0.200.200.003产品
分析
0.170.12
0.27～
0.63
0.0120.012
1.95～
2.60
0.85～
1.15
0.250.200.003注:Si元素含量的目标值≤0.10%。

收稿日期:1999-03-24
作者简介:张迎恺,1983年毕业于北京化工学院化工机械专业。

现在中国石化集团北京设计院从事炼油设备设计工作,高级工程师,副总工程师。

1991年和1998年各发表论文一篇,1991年参加了《换热器型式与参数》一书的编制工作。

　静设备石油化工设备技术,1999,20(3)・1・
P etro-Chemical Equipment T echnolog y
b)J 系数=(Si+M n)(P+Sn)×104
≤120。

c )X 系数=(10P +5Sb +4Sn +As )×10-2≤15×10-6(15ppm)。

图1　加氢精制反应器(R-401)简图
d)回火脆化评定指标V Tr 54+ 2.5 VT r 54≤10℃。

e )封头和壳体锻件的室温和高温拉伸试样取自表面T /1.6处和T /2处(T 为锻件厚度,mm ),且均应达到抗拉强度的要求。

以考核沿厚度方向上材料强度的均匀性。

f )室温抗拉强度为515～690M Pa ,450℃屈服强度 0.2≥231M Pa 。

4　加氢精制反应器的结构和内件设计
加氢精制反应器(R-401)有4个床层和3个冷氢箱,如图1所示。

4.1　冷氢管
对于该大型加氢精制反应器来说,每节省1000m m 长的筒节,就意味着节省27000kg 的2.25Cr -1Mo 钢材,即节省设备制造费160万元。

因此在满足工艺要求的前提下,在结构设计中进行了较大改进。

将原直插式冷氢管改为环形结构,并且将冷氢开口位置上移至催化剂床层段,如图2所示。

这样一来,可将催化剂支撑梁凸台与冷氢箱支持圈之间的距离缩短550mm ,3个冷氢管结构共缩短筒节长度1650m m ,其经济效益十分显著。

此外,这种冷氢管的环形结构更加有利于急冷氢在大直径反应器中的均匀分布。

图2　冷氢管结构图
4.2　冷氢箱的支撑结构
冷氢箱的作用是将油气与冷氢在箱内充分混合,以吸收反应热,避免反应器超温。

该反应器的新型冷氢箱结构复杂,两个半圈流道的设计是为了延长油气与冷氢在箱内的混合时间,同时因装填催化剂的要求,还应设计成可拆卸式的结构,并应保证密封,不得有泄漏。

在三次设计方案的讨论和修改后,设计了以大梁支撑为主的局部可拆式结构。

既满足了工艺要求,又可为装填催化剂提供足够的工
作空间。

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2・石　油　化　工　设　备　技　术
1999年　
4.3　热电偶
该反应器共有4个催化剂床层,每个床层的上、下部各有4个热电偶,以测量操作过程中床层的温升。

热电偶为插入式结构,即在设备壁上仅开有一个 25.35mm 的孔,这样就节省了法兰锻件。

按每个法兰锻件900kg 计算,32个热电偶共节省材料28800kg 。

另外,在总结了齐鲁石化公司VRDS 装置反应器在操作异常、催化剂床层发生振动时热电偶管发生泄漏的教训,改进了原设计,对热电偶受力最大的局部进行了加强,并在热电偶外部,现场焊接一对小法兰作为二次密封用,如图3所示。

这样即使反应器操作异常,热电偶管发生泄漏,由于二次密封的作用,也不会发生重大事故,并且能够很
快地进行处理。

图3　热电偶的结构
5　加氢精制反应器高应力区的应力分析 该加氢精制反应器高应力区共有4处: 1)顶部人孔与封头相接处; 2)冷氢入口接管与壳体相接处; 3)裙座与底部封头相接处;
4)反应产物出口与底部封头相接处。

其中冷氢入口处的壳单元和裙座与底部封头相接处的三角形单元有限元网格划分如图4、图5所示。

考虑温度应力后,顶部人孔与封头相接处和裙座与底部封头相接处外表面的应力分布图如图6、图7所示(因本刊正文插图均为黑白版,故本文未附整个截面的应力分布彩色云图)。

由图6可以看出:最高应力位于人孔锻件过渡圆角与封头相接处,该处的一次加二次应力值为
139.7MPa,远小于三倍的应力强度451.23M Pa 。

图4　裙座与底部封头相接处网格图
图5　冷氢入口处网格图
由图7可以看出:最高应力位于底封头凸缘与裙座筒体相接处,由于在此处设计了热箱,使温差
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3・　第20卷第3期张迎恺.国产首台千吨级加氢反应器的设计
应力大幅度减小,这样该处的一次加二次应力值为359.6MPa ,
小于三倍的应力强度。

图6
　顶部人孔与封头相接处外表面的应力分布图
图7　裙座与底部封头相接处外表面的应力分布图
6　加氢精制反应器水压试验中高应力区的应变测试
在该反应器水压试验中,对上述3个高应力区(除裙座与底封头相接区域外)进行了应变应力测试。

以顶部人孔与上部封头相接处为例,在水压试验压力28.38MPa 下的测试结果见表3,应变片布置如图8所示。

从表3可以看出,人孔接管与封头连接的过渡处D 点和焊缝处E 点所测得的应力值较大,但没有
明显的突变,比封头的膜应力实测值177.29M Pa 稍大些,但小于该材料的1.5Sm 。

从最大应力作用区域上看,与应力分析结果是比较吻合的。

表3　应变测量值和应力计算值
位置应变
应力/M Pa 项目环向径向环向径向A 280-12057.928.55B 330-8872.06 2.61C 497127127.0165.54D 759569220.68189.11E
782621229.84203.09F 635570191.31180.51G 590481174.30156.18H
593
513
177.29
163.99
图8　应变片布置图
注:L ——表示二向应变片; ——表示三向应变片。

从加氢精制反应器水压试验实测的应力值来看,不论顶部人孔处,还是冷氢入口、底封头两个
接管部位,其应力值均不大。

当然,这是在常温下测得的结果,并没有计入温度应力的影响。

另外,从应力分析计算出的应力值来看,各点的应力均满足应力强度的要求。

7　结语
国产首台千吨级加氢精制反应器已于1999年1月9日在齐鲁石化公司胜利炼油厂工地顺利吊装成功。

它标志着我国已成为世界上自行设计、制造千吨级加氢反应器的少数国家之一。

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4・石　油　化　工　设　备　技　术1999年　
DISING OF THE FIRST SET OF THOUSAND TONS GRADE HYDROGENATED REACTOR MADE IN OUR COUNTRY
Zhang Yingkai.SI N OPE C Beij ing design insti-tute,P.C100011
Abstract　The hydrog enated reactor designed by SINOPEC Beijing desig n institute is the first set of tho usand tons g rade hy dro genated reactor made in our countr y.T his reactor is designed w ith analy sis metho d.
By com parisio n w ith normal desig n method,it reduced the w all thickness,and eco no mized on steel materials and inv estm ent o f9×106yuan fo r user. The improvements o n the support of cooling hydr ogen tube and co oling hydr ogen box,and on the structure of ther mocouple are carried out in relativ ely larg e scope.
Keywords　M ade in our countr y,T housand tons gr ade hydro genated reacto r,Analysis desig n metho d
SELECTION AND ERECTION OF METAL BEL-LOW C OMPENSATOR FOR PIPELING
Chen X iaoli.SI N OP EC Beij ing design institute,P. C100011
Abstract　M etal bellow compensato r is adopted extensively in large diam eter pipeline.In desig n, the fix ed suppor t should be set reasonably,and the pipeline sy stem is divided into simple and separate-ly ex pansive pipe section.In erection,reliable pre-ventive measure sho uld be adopted to prevent bel-low tube fro m damaging.
Keywords　Pipeline sy stem,Co mpensator,Selec-tio n,Erection
LEAKAGE REASON ANALYSIS AND HAN-DLING OF EVAPORATOR
Si Zhao p ing.J inz hou p etrochemical comp any,P.C 121001
A n Yushuang.J inz hou p etr ochemical engineering com p any,P.C121001
Abstract　The joint w elds betw een tubes and tubesheet o f evapo ratio n are cracked due to bad ex-panding quality and they cause internal leakag e in evaporator of the third catalystic cracking unit for Jinzhou petrochemical co mpany.
Owing to the residual deform ation of ex ternal head octangonal g asket and damage of trapezo id g roo ve sealing face,the evapor ato r is external leak-ag e.After removing the crack fro m tubesheet, o verlay1Cr18Ni9Ti steel o f5m m and underg o heattreatment,change heat exchang e tube from o-rig inal10#steel to1Cr18Ni9ti seamless steel tube, m ake str ength w eld and slig ht expansion,the inter-nal leakag e of ev aporator is solved.Substitute the o riginal octango nal gasket by combined corrugated g asket,the ex ternal leakage of evaporator is solved.
Keywords　Evaporator,Leakag e,Reason analy-sis,Improv em ent
DISCUSSION ON PROPERTY TARGET REA-SONABIENESS OF HEAVY QUALITY SINGLE LAYER LINING MATERIAL WITHOUT HEXS-TEEL IN QA-212A
Chen H aiy uan.W uj in city H uanai lining material p lant,P.C213119
Keywords　Sing le layer lining,Proper ty target, Reasonableness,Discussion
THE APPLIC ATION OF ACOUSTIC WAVE AND FUEL GAS IMPLUSE SOOT REMOVAL SYSTEM ON FUEL OIL BOILER
L iu Fengming.L anz hou ref ined and chemical com-p lex p ow er p lant,P.C730060
Abstract　In general ov erhaul of1997,the soo t re-m oval sy stem of HG75/39-4ty pe fuel oil bo iler of pow er plant for Lanzho u r efined and chem ical com-plex is reconstructed.The acoustic w ave and fuel g as im pluse soo t remov al sy stem ar e installed.T he low frequency acoustic w ave soo t r em over is adopt-ed o n o ver heater and economizer at high tempera-ture sectio n o f boiler.T he fuel gas im pulse soot re-m oval is adopted o n the air preheater at low tem-per ature sectio n of boiler.
After r econstruction and co ntinuous oper ation
ABSTRACTS PETRO-CHEM ICAL EQUIPM ENT T ECHNOLOGY
St arted Publicatio n in1980.Bimonthly.M ay.1999V ol.20N o.3。