加氢反应器设计计算书
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。
热壁式加氢反应器工艺设计
热壁式加氢反应器工艺设计摘要：热壁式加氢反应器的设计，主要依据厂方提供的现场操作条件和技术要求，对新反应器反-101的大小及高径比、催化剂床层和液体分布板等进行计算和设计。
关键词：热壁式加氢反应器设计加氢一、项目背景[1]兰州石化公司15万吨／年润滑油加氢补充精制装置，采用缓和加氢技术，由原兰州炼油厂设计院设计。
装置于1969年12月建成，1970年5月投产。
装置由加热反应系统、分馏系统组成，采用常规气动仪表控制。
原料为溶剂脱蜡装置的常三线去蜡油、减一线去蜡油、减二线去蜡油、减三线去蜡油、减四线去蜡油、一段脱沥青去蜡油；产品分别为酸碱精制装置的8A航空润滑油、变压器油原料和润滑油基础油组份。
润滑油精制联合车间原有反-101反应器，是67年6月设计完成的冷壁式加氢反应器。
由于该设备使用时间较长因而存在较大安全隐患，可能造成严重环境污染、危害人员健康等问题，现委托我公司对其进行更新设计。
本文对本次更新设计进行小结。
二、工艺说明1.工艺原理经过溶剂脱沥青、溶剂精制和溶剂脱蜡的润滑油组分中还存在少量的含硫、含氧、含氮的非烃化合物及金属等杂质。
在适当的温度、压力下，原料油和氢气混合物通过加氢催化剂床层将油品中的硫、氮、氧等非烃类化合物转化为相应的烃类及易排除的硫化氢、氨及水。
加氢补充精制的目的在于脱除油品中的硫、氮、氧及金属等杂质，同时还使烯烃、二烯烃、芳烃和稠环芳烃选择性加氢饱和，从而改善原料的品质和产品的使用性能。
所以加氢精制的化学反应主要是脱硫、脱氮、脱氧的反应。
三、加氢反应器加氢反应器是石油化工关键设备，通常是在高温（350~480℃）、高压（0~25 MPa）、临氢、有硫化氢等腐蚀介质的恶劣工作条件下运行。
近些年来，加氢技术发展迅速，加氢反应器由内部衬非金属隔热层的冷壁结构发展成为壳体内壁堆焊不锈钢层的热壁式结构即热壁式加氢反应器。
热壁式加氢反应器与冷壁加氢反应器相比具有以下显著优点：1）在相同外形尺寸条件下，增大了反应器内部的有效容积，提高了生产能力；2）由于无内衬隔热层，避免了内衬板易破坏造成壳体局部超温导致局部鼓泡破坏；3）避免了上述原因造成设备频繁检修所造成经济和产量上的损失。
钢制加氢反应器的设计
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少约 !"#， 既节省材料， 又方便运输 和 吊 装。 $%&’ 一是从冶 ()*’! " + 钢之所以有较高的应力强度： 炼和锻造工艺技术上保证了钢材的高纯洁、 高致 密、 高均匀性； 二是通过 “锻后热处理” 、 “ 性能热处 理” 这两道关键工序， 得到的是充分的下贝氏体组 织。对于钢材的组织来讲， 若杂质少、 致密性强、 金 相组织均匀， 就能获得较高的强度和韧性； 而下贝 氏体组织本身就具有优良的综合机械性能， 它能将 较高的强度和塑性与韧性很好的配合。下贝氏体 的亚结构高密度位错以及细小碳化物在下贝氏体 铁素体内沉淀析出， 是保证下贝氏体具有优良综合 机械性能的主要原因
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!"#$%&’$ ! " ( 钢制加氢反应器的设计
栾海林， 崔云海
（抚顺石油化工设计院， 辽宁 抚顺 摘 !!"##$）
要： 抚顺石化分公司 !%##&’ ( ) 催化柴油中压加氢精制 （改质） 装置中的两台高温高压加氢反应器，
由于采用了抗氢性能好、 应力强度高的 "*+,!-.,! 同时采用了有限元分析设计法， 因此不仅降低 " / 新材料， 了反应器壳体的厚度， 更重要的是提高了反应器的综合技术性能。另外， 对 "*+,!-.,! 新型抗氢钢的推 / " 广应用起到了积极的促进作用。 关键词： 新型抗氢钢； 临氢设备； 分析设计法 中图分类号： 012$$ 文献标识码： （%##%） 3 文章编号： !##$,44#5 #5,##!#,#6
一级加氢反应器制造方案
一级、二级反应器及加氢反应器制造方案1. 一级、二级反应器及加氢反应器筒体简明制造工艺说明：一级、二级反应器筒体规格：φ3200，δ=20，L=19920，材质：20R（正火）；加氢反应器筒体规格：φ3000，δ=16，L=8320，材质：20R（正火）；a. 材料进厂后进行复验，对材料化学成分、机械性能进行复验符合图样。
b. 钢板表面喷砂清理，按图样技术要求进行UT检测。
c. 钢板号料：号出筒节气割下料线、检查线、加工线，下料划线公差为：长度±2mm、宽度±1mm、对角线尺寸公差不大于2mm。
d. 刨边机刨筒节纵、环缝坡口符合图样要求。
e. 筒节卷制：在苏联四辊上冷卷制。
f. 纵缝焊接：组装筒节纵缝符合图样有关要求；采用埋弧自动焊施焊纵缝，延长部位带筒体纵缝试板同时施焊。
g. 校圆：在苏联四辊上冷校圆，检查筒节几何尺寸符合图样有关要求。
h. 焊缝探伤：对焊缝进行100%RT探伤，符合技术条件有关要求。
2. 封头简明制造工艺说明：一级、二级反应器封头规格：EHA3200×20，材质：20R（正火）；采用厚度δ=24mm 钢板制造。
加氢反应器封头规格：EHA3000×16，材质：20R（正火）；采用厚度δ=18mm钢板制造。
a.材料进厂后进行复验，对材料化学成分、机械性能进行复验符合图样。
b.钢板表面喷砂清理，按图样技术要求进行UT检测。
c.钢板号料：号出封头气割下料线、检查线、加工线。
d.刨边机刨封头拼缝坡口符合图样要求。
e.拼缝焊接：组装封头拼缝符合图样有关要求；采用埋弧自动焊施焊拼缝，延长部位带封头拼缝试板同时施焊。
f.冲压成型及随后的热处理带拼缝试板及母材试板，对封头成型尺寸及热处理应符合图样要求。
（外协成型）g. 焊缝探伤：对焊缝进行100%RT探伤，符合技术条件有关要求。
h. 二次号割封头端口坡口。
3．法兰的简明制造工艺说明法兰材料为12Cr2Mo1Ⅱ，具体工艺如下：a. 材料进厂后进行复验，对材料化学成分、机械性能进行复验符合图样。
乙炔加氢反应器
乙炔加氢反应器设计1、反应器参数反应床层温度：90℃反应压力：20atm原料：乙炔、氢气进料量：17802kg/h转化率：乙炔加氢制乙烯0.72，乙炔加氢制乙烷0.28催化剂：蛋壳型加银助剂催化剂氢气/乙烯：6.42、反应动力学乙炔加氢反应C2H2+H2→C2H4 主反应C2H4+H2→C2H6 副反应C2H4+H2→C2H8 副反应nC2H4+n/2H2→(C2H3)n （绿油）副反应乙炔加氢反应主要分三步进行：（1）乙炔和氢气扩散到催化剂表面，并在活性中心上吸附一个乙炔分子或一个氢分子。
（2）在活性中心上吸附的乙炔分子再吸附一个氢分子进行反应，或活性中心上吸附的氢分子再吸附一个乙炔分子进行反应，生成乙烯。
（3）由于乙烷分子在活性中心上的被吸附能力远比乙炔分子小，一旦乙炔分子转化成乙烷，便很快被脱附，不能及时脱附的还有可能进一步加氢生成乙烷然后再脱附，活性中心马上开始下一个乙炔加氢的反应。
催化剂对烃的吸附速度炔烃>双烯烃>烯烃>饱和烷烃催化剂对烃的解吸速度饱和烷烃>烯烃>双烯烃>炔烃通过乙炔加氢生成乙烯和乙烷这个简化串联反应来讨论2222242612H H C H C H C H r r ++>>根据幂数型经验式与动力学方程式关联，乙炔加氢速度可表示为11111ABH r k cc c αβθ=根据阿伦尼乌斯关系式'101/k k e E RT=-式中 A c —乙炔浓度 B c —乙烯浓度 1k —乙炔加氢速度常数T —反应温度对于固定床反应器，催化剂运转时间D 对1k 的影响，11()/'10E k D R Tk k e-+=乙炔加氢生成乙烯的速度式11()/'11110E k D RTABH r k ecc c αβθ-+=同理，乙烯加氢的速度式22()/''22220E k D RTABHr k ecc c αβθ-+=一种用于乙炔加氢制乙烯的蛋壳型催化剂，其特征是以氧化铝为载体采用浸渍法制备活性铝呈蛋壳型分布的负载型催化剂并采用Ag 对蛋壳型Pd/Al 2O 3催化剂进行改性，其特征是负载量是Pd0.01-0.1wt%，Ag 与Pt 原子比是1-5。
加氢反应器强度设计及理论计算
加氢反应器强度设计及理论计算
5.5 加氢反应器几何尺寸....................................................................................41 5.6 加氢反应器强度设计....................................................................................42 5.7 加氢反应器强度校核....................................................................................43 5.8 加氢反应器零部件设计................................................................................45 5.9 加氢反应器人口手孔设计............................................................................47 5.10 加氢反应器设备接口....................................................................................50 5.11 加氢反应器裙座设计....................................................................................53 5.12 地震载荷........................................................................................................63 5.13 风载荷............................................................................................................67 第六章 结 论..........................................................................................................70 参考文献...................................................................................................................... 71 致 谢..........................................................................................................................73 独创性声明.................................................................................................................. 74 学位论文电子版授权使用协议.................................................................................. 74
加氢精制反应器强度计算及特定结构的设计
主 要 参 数
设计 温度 （ ） 最高操作 温度 （ ℃）
设计压力 （ ＭＰ ａ ） （ Ｇ ）
封头 ，法兰采用整体式法兰结构 ，支撑结构采用裙 座 式 结 构 。 内件 材 料 为 ￥ ３ ２ １ ６ ８ ，对 应 法 兰 材 料 为
阶梯冷却后与经 Ｍ ｉ ｎ ． Ｐ ＷＨ Ｔ后 的夏 比冲击功为 ５ ４ Ｊ
时对 应 的转 变温度 的增 量 （ 见图 ２ ） 。
３ 承压 件强度 计算
本文 按 Ｇ Ｂ １ ５ ０ — １ ９ ９ ８《 钢 制塔式 容器》 的规 定 ，利用 Ｓ Ｗ６ — １ ９ ９ ８ 计算软件 ，对壳体 、封头 、接 管补强及法兰进行了计算。按 Ｊ Ｂ ／ ｒ Ｉ ’ ４ ７ １ ０ — ２ ０ ０ ５《 钢 制塔式容器》 的规定计算 了裙座。其 中的壳体 、封 头的计算完全按照 Ｇ Ｂ １ ５ ０ — １ ９ ９ ８ 执行 ，本文不做具 体介绍。本文仅对开孑 Ｌ 补强计算 、法兰设计及人孔 法 兰盖设计 计 算进行 说 明 。
＿ ｜
ｌ ｌ ｌ ｜ 设计ｓ计算
３ ４ ７ 。采用 板 焊 结 构 型式 ，顶 部 和底 部 采用 半 球 形
４ ３ ０℃。根 据 １ ２ Ｃ ｒ ２ Ｍｏ ｌ 的性 能 ，随着 温度 的增 高 ，
其材料的许用应力降低 ，以此计算 出的结果具有更 大 的裕度 ，从 而 具有 更好 的安 全 ｌ 生。本设 备 的主体
７ ＼ ＿ ５ ３ ８ ℃ ＼ ５ ２ ４ ＼ ４ ９ ６ ， 。 ＼
ｌ ｈ １ ５ ｈ ２ ４ ｂ ６ ０ ｈ 】 ０ Ｏ ｈ
煤焦油加氢反应器的设计
a. 提升管由热壁改为冷壁, 材质由不锈钢改为
表 3 生产情况及经济效益
处理量 项目
t·d- 1 改造前 26314 改造后 361
轻质油收 液化气收 全年利 年纯利
率, %
率, % 润 万元 润 万元
74138
315 15371436
78129
5109 27021392 11641956
T P 347 ( 00C r25N i13 + 00C r20N i10N b ) , ∆= 3 + 2m m 。
由于反应器结构尺寸较小, 吨位不大 (约 17 吨) , 2∀∑ C r21M o 材料用量不多, 国内一时难以找到 这种规格的材料, 如果进口, 交货期又难以保证, 并 且进口材料的最小吨位也有限制。 考虑以上实际情 况, 最后选择稳定型的奥氏体不锈钢 0C r18N i9T i 作为反应器的主体材料。 这种材料在任何温度及氢 分压条件下不产生脱碳, 且耐氢腐蚀, 并且含有稳 定元素 T i, 碳含量较低, 对抗连多硫酸腐蚀有利。因 此这种材料能满足反应条件, 安全可靠, 仅仅是增 加投资约 15 万元; 但从制造工期、制造费用等方面 综合考虑, 选用 0C r18N i11T i 是合适的。 4 结构设计 411 筒体结构
煤焦油加氢反应器的主要内件有入口扩散器、 分配盘、冷氢盘、催化剂支持件、出口收集器等, 其 材料全部选用 1C r18N i9T i。采用目前国内外成熟的 先进结构, 并针对该反应器直径较小, 内件不容易 拆卸等特点, 在结构上充分考虑了拆卸、 安装的方 便。
a. 入口扩散器 入口扩散器的结构如图 3 所示。 它是一种双层 多孔板结构, 两层孔板上的开孔大小和数量不完全 相同。 反应介质在上部锥形体整流后, 经两层孔板 上孔的节流、碰撞作用被扩散到整个反应器截面上, 促进气液相介质充分混合, 以达到精制反应的目的。
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加氢反应器盖板、吊耳设计计算书
1.吊盖盖板厚度
1.1材料选用16MnD-Z25 δ＞100时、δS=255N/mm2
[δ]= δS/1.6=255/1.6=159.375 N/mm2
1.2设计计算重力W
（1）设备净重W0=270t
W=K×W0
K-计算系数、吊耳设计计算系数1.2-1.65 取K=1.4
W=1.4×270t=378t
（2）吊盖受力模型
按圆板中心受一个局部均布荷载且螺栓不产生弯矩，计算公式见“建筑结构计算手册”中国建筑工业出版社1975版。
（3）局部均布载荷
均布荷载范围取800×160、即耳板形成的范围。
成圆形时，当量半
径为r。
r=a+b1/4×0.875=800+160/4×0.875=274.3mm
均布荷载q=W/πr2=378×104/π×274.32=16.0N/mm2
1.3盖板应力计
(1)盖板计算半径为螺栓圆半径R=635mm
(2)β=r/R=274.3/635=0.432
(3)б=(6 /h2)×(qr2/16)[4-（1-μ）β2-4（1+μ）Inβ]
式中μ-泊桑比μ=0.3 h盖板厚度取h=160mm
б=(6/2002) ×（16×274.32/16）[4-（1-0.3）×0.4322-4（1+0.3）In0.432] =11.286×(3.869+4.365)=92.929N/mm2＜159.375N/mm2
2耳板尺寸
2.1采用单耳板形式尺寸见图2
2.2危险断面应力计标（设备直立状态时）
（1）A-A断面、按曲梁计算
M=pl/8 式中p-每个耳板受力p=k1×W
式中k1-双吊耳受力不均匀系数k1=1.1 单吊耳k1=1.0 P=W=378t
l-耳板环梁中径
l=(700-188)/2+188=444mm
M=378×104×444/8=20979×104N·mm
W=b1h12/6=160×2562/6=5747627mm3
б=M/W=120.04N/mm2＜［б］=159.375N/mm2
(2)焊缝处拉应力
б=p/a×b1×k2
式中a耳板长a=800 b1-耳板厚b1=160
k2-焊缝系数k2=0.7
б=378×104/800×160×0.7=42.19N/mm2＜［б］安全3设备起吊时耳板抗弯计标
3.1起吊时耳板根部骤变.见图2 B-B截面
设起吊时起吊力为1/2设备吊装计算应力
μ=(p/2)×l1=378×104×400/2=75600×104 N·mm
W=b1a2/6=160×8002/6=1707×104mm3
б=M/W=44.29N/mm2＜［б］
4设备起吊时设备管口骤变
设备管口尺寸φ外=1050 φ内=777、厚度136.5mm
位置D-D截面见图3
取k1-吊装动载系数k1=1.1
μ=k1×(W0/2)×l=1.1×270×104×(700-100+600)/2=178200×104 N·mm
W=π(D4-d4)/32D=π(10504-7774)/(32×1050)=7952.96×104mm3
б=M/W=22.4N/mm2＜［б］
设备管口材料9/4Cr-1MoбB=505. бs=300. ［б］1=150
5设备起吊时、封头处局部应力
（1）按封头处接管φ=1316与封头结合处位置计算
M t=k1(W0/2)l1=1.1(270×104/2) ×1300=193050×104 N·mm
(2)应力计算公式取自“化工设备元件骤变计算”化学工业部设备设计技术中心站1989.4第十章“局部应力”
切向弯矩M产生的应力
б=C t(M t/t2Rβ)
式中R-壳体中间半径R=1932-39=1893mm
t-封头厚度t=78mm
壳体参数γ=R/t=1893/78=24.27
β=0.875r0/R=0.875[1316/﹙1893×2﹚]=0.304
式中r0-接管外半径，有补强圈时按补强圈外半径（此处按补强圈计、即r0=1316/2）
由γ及β查图97，得C t=0.49
б=0.49(193050×104/782×1893×0.304)=270.18N/mm2
设备封头材料9/4Cr-1Mo［б］1=150N/mm2
由于б＜2［б］1，故安全。
6螺栓受力计算
6.1本设备顶接管使用20个H80×3双头螺栓，材料25Cr2MoV A
бB=805 бS=685 [б]1=254 (查GB150得到)
6.2设备起吊时螺栓预紧力
（1）设备起吊时重力为p2=378t/2=189t
(2)螺栓预紧力后产生的摩擦力应大于起吊重力
F×f≥p2×k3
式中F-螺栓预紧力
f-钢对钢摩擦力系数，对干摩擦，取f=0.2
k3-预紧力增加系数k3=1.2
F=p2k2/0.2=189×1.2/0.2=1134t
(3)每个螺栓的预紧力
F1=F/20=56.7t
(4)设备直立后螺栓受力
F2=p2/20=378t/20=18.9t<F1
(5)每个螺栓受许拉力
θ=π×[δ]2=π×(762/4) ×254=1151677N=115t>F1
故螺栓拉力满足要求。
技术要求
1.材料件号 1.盖板16MnD-Z25并应符合厚度方向性能钢板
GB5313-85要求
件号2.耳板16MnD 件号3.小吊耳16Mn
2.件号1应经100%超声波检查，符合GB/T2970-91 Ⅱ级合格。
3.本次设备吊装在乌市冬季，故吊耳材料采用16MnD低温用钢材。
4.耳板与盖板丁字焊缝采用半U型双面焊，坡口尺寸允许按所用工
艺适当调正，焊接前应有焊接工艺评定，焊前应予垫及后垫，采
用低氢型焊条。
5.T型焊缝在组对时点焊时允许设支撑、焊接开始后应撤去，焊缝不
应在拘束条件下焊接。
焊接过程中应两侧交替进行，防止耳板歪斜。
一侧焊缝焊接一部分后，焊接另一侧。
不应使用碳弧气刨，应采用砂轮磨光机，后进行着色检查、合格后继续焊接。
必要时增加中间过程的着色检查。
6.T字缝净100%超声波检查，Ⅱ级合格，然后作整体热处理，温度
625℃±25℃，保持8小时。
7.盖板焊接后如不平度超过2‰，应对盖板螺母处宽度160mm范围
进行加工，或划出φ160圆平面，以使螺母与盖板接触良好。
8.每个螺母预紧力56.7t
安装使用说明
1.本次使用单耳板式吊盖，其中制造中使用16MnD-Z25为Z向性能
钢板，由于吊盖厚度大，容易与焊缝与盖板间产生层状撕裂，所以采用Z向性能钢板。
防止产生层状撕裂的措施。
（1）减少该处应力，即扩大接触面积。
（2）采用Z向钢板，由于该材料中硫的含量少（Z25要求硫≤0.007），远小于16MnD中0.030要求。
故金属晶格处非金属夹杂物少，晶格结合强度高，抗层间撕裂能力大。
Z向性能钢板有三个等级，Z15、Z25、Z35，即断面收缩率15%、25%、35%（在钢板厚度方向性能）
（3）焊接时，结构不应拘束，防止产生过大内应力。
（4）焊后整体热处理，以消除大部分焊接应力。
2.盖板与管口装配时只允许螺母处接触，每个螺柱预紧力为56.7t
3.盖板、卡环、绳扣螺栓配合尺寸及注意事项件附图。
4.本次盖板计算可参阅公司“技术进步2008-Z”圆形提升盖板设计
计算，本次用材料力学计算方式并未用钢结构设计中荷载规范要求，故许用应力取δs/1.6。
如果使用中将管口密封部位接触，按该文要计算螺栓产生的弯矩，此时盖板应力会比本计算增大将一倍。
本计算公式仅按平板计标，最大应力发生在中心部位，未考虑耳板的加强作用，故实际使用应该安全。