加氢反应器的设计要求和结构分析.doc

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-1Mo2.3 结构特点该加氢精制反应器为板焊结构，其内径4000，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 0.300.60 0.012 S(max) 0.010 0.012 P(max) 0.010 0.250.66 Cr 2.02.5 1.882.62 Mo 0.901.100.851.15 Ni(max) 0.20 0.25 Cu(max) 0.20 0.20 Sb*(max) 0.003 0.003 Sn*(max) 0.0150.015 As*(max）0.0160.016 H* 2ppm 2ppm 表1Mn、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。2.54、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 NiMax Max MaxMax Max熔炼分析0.150.100.3/0.60.0100.0102.00/2.5030ppm0.20产品分析 0.170.120.27/0.630.0120.0121.95/2.6030ppm0.25化学成份方法 Mo Cu Sb Sn As H N2 Max Max MaxMaxMax熔炼分析0.90/1.100.200.0030.0120.0152ppm80ppm产品分析0.85/1.150.200.0030.0120.0152ppm80ppm表2b、锻件的力学性能应符合表3的规定项目 单位 数值 室温拉伸强度bMpa 515-690室温屈服强度0.1Mpa310室温延伸率4%19室温断面伸缩率%40变化冲击功-30V型缺口 J平均值54 允许一个试样47高温屈服强度0.2 Mpa234.9（热坯热处理状态应为正火+回火+模拟焊后热处理） 表32.5.5、1）所有2.25Cr-1Mo钢锻件应逐件按JB/T4730.32005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级为合格，对其他锻件不大于级为合格，密集缺陷不大于级为合格。同时对筒形锻件两端各550mm范围内密集缺陷级为合格；接管锻件焊接破口端150mm范围内密集缺陷级为合格。2）所有2.25Cr-1Mo钢锻件机加工后应逐件按JB/T4730.42005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156225HB. 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。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： C0.15% P0.010% S0.010% Cr=2.002.50% Mo=0.901.10% Mn=0.300.95% Cu0.20% Ni0.25% Si+Mn1.20% 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4000，壁厚96.5，由2节组成；封头内半径20