楊玉成

（天津渠通達(dá)石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司，天津300270）

關(guān)于丙烯腈反應(yīng)釜設(shè)計(jì)的探討

楊玉成

（天津渠通達(dá)石油工程技術(shù)服務(wù)有限公司，天津300270）

本文從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，對(duì)高度危害介質(zhì)的反應(yīng)容器在設(shè)計(jì)中應(yīng)如何確定設(shè)計(jì)參數(shù)、如何選擇材料，及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問(wèn)題，進(jìn)行詳實(shí)的歸納總結(jié)。

丙烯腈；反應(yīng)釜；設(shè)計(jì)

1 引言

該設(shè)備是2010年12月為某公司設(shè)計(jì)的丙烯腈反應(yīng)釜，是用于丙烯腈和二甲胺反應(yīng)生成氨醚類物質(zhì)的反應(yīng)壓力容器。丙烯腈和二甲胺的物理性質(zhì)和特性見(jiàn)表1。

表1

工藝流程為：

抽真空→氮?dú)庵脫Q→丙烯腈由泵打入釜內(nèi)→氮?dú)庵脫Q→夾套內(nèi)蒸汽給內(nèi)罐加熱→氮?dú)庵脫Q→丙烯腈由泵打入釜內(nèi)→氮?dú)庵脫Q→夾套內(nèi)蒸汽給內(nèi)罐加熱至100℃→物料由下口進(jìn)入與之配套的換熱器入口再由換熱器出口返回到反應(yīng)釜入口，循環(huán)→物料再次進(jìn)入釜時(shí)由上部的分布器中均勻噴出溫度達(dá)150℃→二甲胺分汽液兩相由兩個(gè)管口進(jìn)入→冷水控制溫度→反應(yīng)產(chǎn)生氨醚類物質(zhì)。

2 反應(yīng)釜的設(shè)計(jì)條件

用戶提出的設(shè)計(jì)條件：該反應(yīng)釜內(nèi)直徑為Φ1 600 mm，容積約為6.2 m3，操作溫度為120℃～ 150℃，反應(yīng)釜內(nèi)工作壓力為0.6 MPa。

夾套介質(zhì)為蒸汽和冷水，操作溫度為130℃/20℃。

3 設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度的選取

3.1 反應(yīng)釜

考慮介質(zhì)的高度危害及易爆特性，在設(shè)計(jì)階段為確保本設(shè)備的安全使用，反應(yīng)釜內(nèi)設(shè)計(jì)壓力取為工作壓力的1.6倍。根據(jù)工藝要求，在初次工作前，罐內(nèi)需要抽真空，并同時(shí)用氮?dú)膺M(jìn)行置換，故反應(yīng)釜內(nèi)的設(shè)計(jì)壓力還需要考慮-0.1 MPa的工況。操作溫度為120～150℃，所以設(shè)計(jì)溫度確定為180℃。

3.2 夾套

反應(yīng)釜內(nèi)需要達(dá)到一定溫度時(shí)介質(zhì)才能反應(yīng)，所以在結(jié)構(gòu)上要增設(shè)外夾套，以及配套的換熱器，使得物料循環(huán)來(lái)達(dá)到反應(yīng)所需要的溫度。夾套介質(zhì)為蒸汽時(shí)，操作溫度為130℃，此時(shí)水的飽和蒸汽壓為0.27 MPa，夾套的設(shè)計(jì)溫度確定為156℃，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力取0.55 MPa。當(dāng)釜內(nèi)反應(yīng)劇烈時(shí)，需要夾套內(nèi)打入冷水給反應(yīng)釜降溫來(lái)控制反應(yīng)溫度，所以?shī)A套內(nèi)還需要考慮通0.4 MPa冷卻水的工況。

3.3 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)（見(jiàn)表2）

表2

4 關(guān)于該反應(yīng)釜?dú)んw材料的選用

由于丙烯腈具有腐蝕性，反應(yīng)釜?dú)んw不宜選用碳素鋼和低合金鋼鋼材，為保證本設(shè)備的安全使用，所以選用了奧氏體不銹鋼06Cr19Ni10。該材質(zhì)應(yīng)符合《承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板及鋼帶》GB 24511—2009標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。根據(jù)HG20581《鋼制化工容器材料選用規(guī)定》“5.4鍛件”的相關(guān)要求，鑒于介質(zhì)的毒性為高度危害，所以反應(yīng)釜的法蘭鍛件，我們確定為應(yīng)符合JB/T 4728—2000《壓力容器用不銹鋼鍛件》標(biāo)準(zhǔn)中III級(jí)鍛件的規(guī)定。

5 儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

5.1 該儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（如圖1）

5.2 為保證罐的安全使用，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮的問(wèn)題

a結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，減少約束；

b盡量避免結(jié)構(gòu)形狀的突然變化，以減小局部高應(yīng)力；

c容器的支座需設(shè)置與殼體同材質(zhì)的墊板。

5.3 在結(jié)構(gòu)型式上具體采取了以下幾項(xiàng)措施

a殼體的AB類焊接接頭采用了全焊透的焊接型式，開(kāi)單面坡口，背面清理焊根后進(jìn)行雙面焊接。

如圖2所示。

b開(kāi)孔接管與殼體的焊接接頭：為避免結(jié)構(gòu)形式的突然變化，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度，根據(jù)接管直徑的大小，接管分別采用了鍛管、整體法蘭和適當(dāng)增加接管壁厚的三種形式，取消了以補(bǔ)強(qiáng)圈進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)構(gòu)方式。

c開(kāi)孔接管與殼體也采用了全焊透的焊接型式要求，焊縫圓滑過(guò)渡，接管內(nèi)端部要求打磨成圓角。如圖3所示。

d由于介質(zhì)為高度危害，所以反應(yīng)釜接管法蘭選用了HG/T20592-2009的高頸對(duì)焊法蘭;

要求法蘭鍛件應(yīng)符合《壓力容器不銹鋼鍛件》JB 4728—2000標(biāo)準(zhǔn)中Ⅲ級(jí)鍛件標(biāo)準(zhǔn);法蘭密封面選用了凸凹面形式；墊片選用了HG/T 20610—2009帶內(nèi)加強(qiáng)環(huán)的金屬纏繞墊片。法蘭連接選用了HG/ T 20613—2009全螺紋高強(qiáng)度螺栓，螺母選用了GB/ T 6175.Ⅱ級(jí)六角螺母。

e為滿足生產(chǎn)工藝要求的反應(yīng)溫度，故此反應(yīng)釜外部需要設(shè)置夾套，夾套介質(zhì)有蒸汽，所以外設(shè)保溫層，并同時(shí)要考慮蒸汽升溫和冷水降溫兩種工況。為便于準(zhǔn)確的控制溫度，所以設(shè)置兩組溫度計(jì)口，一組遠(yuǎn)傳溫度計(jì)口，一組就地溫度計(jì)口（溫井式）。

f從為了更加安全方面考慮，該反應(yīng)釜設(shè)置了兩個(gè)安全口。一個(gè)安全閥口，一個(gè)爆破片口。

6 關(guān)于罐的強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算

儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)計(jì)算采用了SW6-5.0軟件進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算包括以下幾點(diǎn)。

a強(qiáng)度校核：內(nèi)筒體強(qiáng)度校核，內(nèi)封頭強(qiáng)度校核，外夾套筒體強(qiáng)度校核，外夾套封頭強(qiáng)度校核。b開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)校核。c安全閥計(jì)算。d由于此設(shè)備罐內(nèi)有-0.1 MPa的工況，同時(shí)夾套還要給內(nèi)筒體施外壓，所以內(nèi)罐筒體及下封頭的強(qiáng)度是按最大外壓，即-0.1 MPa與夾套設(shè)計(jì)壓力之和進(jìn)行了外壓強(qiáng)度校核。

以上計(jì)算均符合GB 150—1998《鋼制壓力容器》、《固定式壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程》TSQ R004-2009（固容比規(guī)）規(guī)定。

7 罐的檢驗(yàn)和試驗(yàn)的設(shè)計(jì)要求

由于罐內(nèi)介質(zhì)為易爆和極毒，內(nèi)筒焊縫系數(shù)為1.0，檢試驗(yàn)要求如下：

7.1 焊接接頭的檢驗(yàn)要求

表面質(zhì)量要求：a不得有表面裂紋、未焊透、未熔合、表面氣孔、弧坑、咬邊，未填滿和肉眼可見(jiàn)的夾渣等缺陷；b焊接與母材應(yīng)道圓滑過(guò)渡；c角焊接的外形應(yīng)當(dāng)凹形圓滑過(guò)渡。

7.2 無(wú)損檢測(cè)要求

a內(nèi)罐筒體封頭A.B類焊接接頭進(jìn)行100%射線探傷。按JB/T4730.2Ⅱ級(jí)合格。

b內(nèi)罐與開(kāi)孔接管的D類焊縫進(jìn)行100%滲透探傷。按JB/T4730.5.I級(jí)合格。

7.3 壓力試驗(yàn)

反應(yīng)釜?dú)んw制造完后，按1.25倍的設(shè)計(jì)壓力，即1.25 MPa進(jìn)行內(nèi)筒水壓試驗(yàn)，水中氯離子含量應(yīng)小于25 mg/L。檢查合格后再組裝焊接上夾套，再進(jìn)行夾套試壓。夾套試壓前，應(yīng)對(duì)內(nèi)筒在該試驗(yàn)壓力下進(jìn)行外壓穩(wěn)定性強(qiáng)度校核，若不能滿足校核要求，應(yīng)在夾套試壓時(shí)，使內(nèi)筒保持一定的壓差。如果夾套組焊后，反應(yīng)釜?dú)んw上還有接管與釜體相焊，釜體還要進(jìn)行二次水壓試驗(yàn)。

7.4 泄漏試驗(yàn)

由于介質(zhì)易爆極毒；按《固容規(guī)》和GB150規(guī)定，內(nèi)筒在組焊夾套前，水壓試驗(yàn)合格后應(yīng)進(jìn)行一次泄露試驗(yàn)，所以設(shè)計(jì)圖紙要求水壓試驗(yàn)合格后，應(yīng)按設(shè)計(jì)壓力1.0 MPa進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。氣密性試驗(yàn)時(shí)，安全閥的整定壓力可定為1.05 MPa。如果夾套組焊后，反應(yīng)釜?dú)んw上還有接管與殼體相焊，釜體在二次水壓試驗(yàn)后，還應(yīng)進(jìn)行二次泄露試驗(yàn)。

8 儲(chǔ)罐內(nèi)外表面處理的設(shè)計(jì)要求

丙烯腈能溶于丙酮、苯、四氯化碳、乙醚、乙醇等有機(jī)溶劑，微溶于水，與水形成共沸混合物?？膳c空氣形成爆炸性混合物，純品易自聚，所以要求內(nèi)罐體內(nèi)外表面均應(yīng)進(jìn)行酸洗、鈍化處理。酸洗以去除不銹鋼表面已有的腐蝕及其他污染物，然后進(jìn)行鈍化處理，使不銹鋼表面形成一層致密的鈍化膜，以增強(qiáng)其抗蝕能力。鈍化處理后采用蘭點(diǎn)法檢查鈍化膜質(zhì)量，如果鈍化膜質(zhì)量不好或有鐵離子污染，即呈蘭色。所以該儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)要求內(nèi)外表面應(yīng)進(jìn)行酸洗鈍化處理，以蘭點(diǎn)法進(jìn)行檢驗(yàn)，無(wú)蘭點(diǎn)為合格。

9 其它設(shè)計(jì)要求

由于操作介質(zhì)劇毒并易燃易爆,使用單位應(yīng)按GB150-98附錄B中“B10泄放管”中要求在安全閥口和爆破片口以及排污口處，設(shè)置泄放管，將介質(zhì)排放到專用安全地方。初次投入物料前，必須對(duì)內(nèi)罐采用抽真空，并用氮?dú)膺M(jìn)行置換，氮?dú)獾募兌葢?yīng)不低于99.9%。

10 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于高度危害介質(zhì)的反應(yīng)容器，在設(shè)計(jì)中應(yīng)從多個(gè)角度合理選則設(shè)計(jì)參數(shù)，材料，結(jié)構(gòu)。從而保證了使用的安全可靠，同時(shí)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理。設(shè)計(jì)文件均符合《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和《鋼制壓力容器》等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程。

10.3969/j.issn.1008-1267.2011.03.016

TQ052

B

1008-1267（2011）03-0047-03

2011-02-17

楊玉成（1971-），工程師，長(zhǎng)期從事壓力容器的設(shè)計(jì)審核。