加氢反应器的设计要求和结构分析

一.设计背景
工程科学是关于工程实践的科学基础，现代过程装备与控制工程是工程科学的一个分支，因此，生产实习是工科学习的重要环节。

在兰州兰石集团实习期间，对化工设备的发展前景和各种化工容器如反应釜、换热器、储罐、分液器和塔器等的有所了解和学习。

生产实习的主要任务是学习化工设备的制造工艺和生产流程，将理论知识与生产实践相结合，理论应用于实际。

因此，过程装备与检测的课程设计的设置是十分必要的。

由于我们实习的加工车间正在进行加氢反应器的生产，而加氢反应器是石油化工行业的关键设备，其生产工艺和设计制造在化工设备中具有显著的代表性，为此，选择加氢反应器这一典型的化工设备作为课程设计的设计题目。

二加氢反应器的主要设计参数
2.1：引用的主要标准及规范
国家质量技术监督局颁发的《压力容器安全技术监察规程》（99）版
GB150-1998 《钢制压力容器》
GB6654-1996 压力容器用钢板（含1、2号修改单）
JB4708-2000 钢制压力容器焊接工艺评定
JB/T4709-2000 钢制压力容器焊接规程
JB4744-2000 钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验
JB/T4730-2005 承压设备无损检测
JB4726-2000 压力容器用碳素钢和低合金钢锻件
JB4728-2000 压力容器用不锈钢锻件
GB/4237-2007 不锈钢热轧钢板和钢带
GB/T3280-2007 不锈钢冷轧钢板和钢带
GB/T3077-1999 合金结构钢
GB/T14976-2002 流体输送用不锈钢无缝钢管
JB/T4711-2003 压力容器涂敷与运输包装
2.2 主要技术参数
表一
设计压力8.4MPa
设计温度400℃
最高工作压力7.8MPa
最高工作温度343℃
容器类别三类容器
容积225立方米
腐蚀裕量 5
水压试验立式7.47／卧式7.55MPa
盛装介质石脑油、油气、氢气、硫化氢
主体材质 2.25Cr-1Mo
2.3 结构特点
该加氢精制反应器为板焊结构，其内径φ4000㎜，壁厚96.5㎜，由2节组成；封头内半径2043.5㎜，壁厚96.5㎜，总重量94550Kg。

整个容器位于裙座圈上，总高度约14011㎜，容器内壁（包括封头、筒体、法兰以及接管和弯管）全部堆
焊309L+347 不锈钢，反应器设有油气进出口、催化剂卸料口、冷氢进口、热电偶口、人孔等接管孔，所有接管均采用整体补强结构，裙座采用对接结构，各接管密封采用八角垫结构，设备上下各有一个弯管。

容器内部焊有凸台（一周），安装有冷氢盘、分配盘等内件。

2.4 使用特点及需解决的问题
由于热壁加氢反应器是在高温、高压、临氢及硫和硫化氢介质条件下使用的，因此决定了该设备在使用过程中将会出现：氢腐蚀、氢脆、高温高压硫化氢腐蚀、硫化物应力腐蚀开裂、堆焊层的剥离、CrMo五钢的回火脆性破坏等问题。

2.5技术要求与技术特性
2.5.1、2.25Cr-1Mo钢板
2.5.2、壳体筒体，封头所用2.25Cr-1Mo钢板除满足下列条件外，尚应符合ASME SA387/SA387M其他有关项目的要求。

2.5.3、2.25Cr-1Mo钢应采用电炉或氧气转换炉加真空脱气精炼工艺冶炼，应为本质细晶粒镇静钢。

钢板化学成分应符合表1的要求。

（2.25Cr-1Mo钢板化学成分 %）
化学元素熔炼分析产品分析
C(max) 0.15 0.15
Si*(max) 0.20 0.25
Mn 0.30—0.60 0.012
S(max) 0.010 0.012
P(max) 0.010 0.25—0.66
Cr 2.0—2.5 1.88—2.62
Mo 0.90—1.10 0.85—1.15
Ni(max) 0.20 0.25
Cu(max) 0.20 0.20
Sb**(max) 0.003 0.003
Sn**(max) 0.015 0.015
As**(max）0.016 0.016
[H]** 2ppm 2ppm
表1
Mn、Si的含量在满足性能要求的前提下，尽可能接近规定范围的下限。

2.5．4、2.25Cr-1Mo钢锻件的化学成分
a、锻件的化学成分应符合表2的规定（%）
化学成
份方法
C Si Mn P S Cr O2 Ni Max Max Max Max Max
熔炼分析0.15 0.10 0.3/0.6 0.010 0.010 2.00/2.50 30ppm 0.20 产品分析 0.17 0.12 0.27/0.63 0.012 0.012 1.95/2.60 30ppm 0.25
化学成
份方法 Mo Cu Sb Sn As [H] N2 Max Max Max Max Max
熔炼分析0.90/1.10 0.20 0.003 0.012 0.015 2ppm 80ppm
产品分析 0.85/1.15 0.20 0.003 0.012 0.015 2ppm 80ppm
表2
b 、锻件的力学性能应符合表3的规定 （热坯热处理状态应为正火+回火+模拟焊后热处理）
表3
2.5.5、1）所有2.25Cr-1Mo 钢锻件应逐件按JB/T4730.3—2005《承压设备
无损检测》第三部分进行100%超声波检测。

单个缺陷不大于Ⅱ级为合
格;由缺陷引起的底波降低量对筒体螺纹承压环锻件Ⅰ级为合格，对其
他锻件不大于Ⅱ级为合格，密集缺陷不大于Ⅱ级为合格。

同时对筒形
锻件两端各550mm 范围内密集缺陷Ⅰ级为合格；接管锻件焊接破口端
150mm 范围内密集缺陷Ⅰ级为合格。

2）所有2.25Cr-1Mo 钢锻件机加工后应逐件按JB/T4730.4—2005《承压设
备无损检测》第四部分进行100%荧光磁粉检测。

磁粉检测质量Ⅰ级为
合格。

3）每个锻件均应在正火+回火状态下进行硬度试验，至少打三点，其结果
应为156—225HB.
4) 2.25Cr-1Mo 钢锻件除满足上述各项要求外，尚应满足JB4726《压力容
器用碳素钢和低合金钢锻件》其他有关项目的规定。

2.5.6、受压元件所用的钢板和锻件进厂后的验收至少应满足《压力容器安全技术检察规程》第25条的规定。

2.5.7、管箱上与管板接触的密封面在热处理后精加工，管箱内壁机加工前先将接管焊接完毕后再进行堆焊；管箱端部及承压环的螺纹要求最终热处理
后在数控加工中心进行精加工。

2.5.8、壳体正式施焊之前必须按JB4708《钢制压力容器焊接工艺评定》进
行焊接工艺评定（不推荐采用电渣焊），当使用的焊接材料产品牌号改变
时应重新评定。

a.焊接工艺评定试板力学性能检验项目，试样数量，位置及热处理状态试
板母材的热处理状态应与产品一致，即正火+回火状态。

b.力学性能（包括回火脆化倾向评定试验）的试验结果除冷弯外，其余各
项均应符合对钢板的要求。

项目
单位 数值 室温拉伸强度σb
Mpa 515---690 室温屈服强度σ0.1
Mpa ≥310 室温延伸率σ4
% ≥19 室温断面伸缩率φ
% ≥40 变化冲击功-30℃
V 型缺口
J 平均值≥54 允许一个试样≥47 高温屈服强度σ0.2 Mpa ≥234.9
c.在室温拉伸试验的断裂试样上取样进行焊缝金属的化学成份分析，其结
果应满足下列条件：
C≤0.15% P≤0.010% S≤0.010% Cr=2.00—2.50%
Mo=0.90—1.10% Mn=0.30—0.95% Cu≤0.20%
Ni≤0.25% Si+Mn≤1.20%
三.整体结构分析
加氢反应是可逆、放热和分子数减少的反应，根据吕·查德里原理，低温、高压有利于化学平衡向加氢反应方向移动。

加氢过程所需的温度决定于所用催化剂的活性，活性高者温度可较低。

对于在反应温度条件下平衡常数较小的加氢反应（如由一氧化碳加氢合成甲醇），为了提高平衡转化率，反应过程需要在高压下进行，并且也有利于提高反应速度。

采用过量的氢，不仅可加快反应速度和提高被加氢物质的转化率，而且有利于导出反应热。

过量的氢可循环使用。

常用的加氢反应器有两类：一类用于高沸点液体或固体（固体需先溶于溶剂或加热熔融）原料的液相加氢过程，如油脂加氢、重质油品的加氢裂解等。

液相加氢常在加压下进行，过程可以是间歇式的，也可以是连续的。

间歇液相加氢常采用具有搅拌装置的压力釜或鼓泡反应器。

连续液相加氢可采用涓流床反应器或气、液、固三相同向连续流动的管式反应器。

另一类反应器用于气相连续加氢过程，如苯常压气相加氢制环己烷、一氧化碳高压气相加氢合成甲醇等，反应器的类型可以是列管式或塔式。

加氢过程在石油炼制工业中，除用于加氢裂化外,还广泛用于加氢精制,以脱除油品中存在的含氧、硫、氮等杂质，并使烯烃全部饱和、芳烃部分饱和，以提高油品的质量。

在煤化工中用于煤加氢液化制取液体燃料。

在有机化工中则用于制备各种有机产品，例如一氧化碳加氢合成甲醇、苯加氢制环己烷、苯酚加氢制环己醇、醛加氢制醇、萘加氢制四氢萘和十氢萘（用作溶剂）、硝基苯加氢还原制苯胺等。

此外，加氢过程还作为化学工业的一种精制手段，用于除去有机原料或产品中所含少量有害而不易分离的杂质，例如乙烯精制时使其中杂质乙炔加氢而成乙烯；丙烯精制时使其中杂质丙炔和丙二烯加氢而成丙烯；以及利用一氧化碳加氢转化为甲烷的反应，以除去氢气中少量的一氧化碳等
该加氢精制反应器为板焊结构，其内径φ4000㎜，壁厚96.5㎜，由2节组成；封头内半径2043。

5㎜，壁厚96.5㎜，总重量94550Kg。

整个容器位于裙座圈上，总高度约14011㎜，容器内壁（包括封头、筒体、法兰以及接管和弯管）全部堆焊309L+347 不锈钢，反应器设有油气进出口、催化剂卸料口、冷氢进口、热电偶口、人孔等接管孔，所有接管均采用整体补强结构，裙座采用对接结构，各接管密封采用八角垫结构，设备上下各有一个弯管。

容器内部焊有凸台（一周），安装有冷氢盘、分配盘等内件。