钛-钢复合板塔式反应器及其填料支撑的设计

＊张 玮

（贵州东华工程股份有限公司 贵州 550002）

钛-钢复合板塔式反应器及其填料支撑的设计

＊张 玮

（贵州东华工程股份有限公司 贵州 550002）

钛-钢复合板塔式反应器主要使用在醋酸等具有腐蚀的介质环境中，本文阐述了其设计方法，并在文中详细列出了内部特殊填料支撑的设计过程，可以作为用钛-钢爆炸复合板、工业纯钛来设计非标设备及设备内部填料支撑的参考。

钛-钢塔器； 填料支撑；设计

1.前言

由于工业纯钛拥有着密度低、比强度高、优良的耐蚀性能等优点，使得其在石油、电力、冶金、化工等行业中广泛使用。虽然钛制设备的价格相比常用材料价格高，但是其使用寿命长，后期维修费用低，有利于环保。钛材在多数有机酸环境中拥有较高的稳定性，是在介质含有有机酸的反应器和换热器的首选材料。而另外一方面也因为其价格高，与钢材焊接性能差的特点，在设计钛材设备时得充分的考虑用材的经济性和结构的合理性。下面以一台使用在含醋酸介质中的塔式反应器为例，对其设计进行阐述。

2.设计参数与选材

(1)设计参数

该反应器为塔器结构，工作压力1.5～2.4Mpa，设计压力2.6Mpa，工作温度70～100℃，设计温度130℃，介质为醋酸、碳四、酯类。内部有两段填料，每段填料高4500mm，由上下各150mm高的瓷球和4200mm高的催化剂填料构成，见图1。

图1

(2)选材

醋酸是一种用途广泛的有机酸，其腐蚀性也较强，几种材料在110℃时的腐蚀速率对比见表1：

从上表可以看出，工业纯钛对于醋酸的耐蚀能力明显优于奥氏体不锈钢与脱氧铜，原因是在该使用环境中，钛材表面会形成一层彩色的钝化膜，从而有效的降低了腐蚀。

对于该塔式反应器来说，使用钛材能有效地提高设备使用寿命，降低泄露风险，减少后期维护等。但是如果整个设备都使用工业纯钛TA2来制造，其制造成本将会很高。所以最经济和有效的方法就是选用TA2+Q345R的复合板来制造壳体，使用TA2来制造其支撑内件，这样既满足了耐蚀的要求，又避免了钛材的浪费。而设备下部不与介质接触的裙座则可选择Q345R。

3.结构设计与强度计算

⑴结构设计

该反应器是塔器结构形式，裙座采用圆筒型裙座，裙座高度2000mm；直筒段高度13050 mm，筒体上根据填料的分布共设置三个人孔与两个卸料孔；封头上方设置SP型吊耳；由于该塔处于框架内部，并设有专用的平台装卸催化剂填料，所以没有设置塔顶吊柱。

此设备的关键点在于催化剂填料支撑的设计，由于钛钢爆炸复合板有可能存在未结合区，以B2级爆炸复合板为例，单个未结合指示长度允许≤50mm,单个未结合区面积允许≤20cm2，未结合率允许≤2%。如果直接将支持填料的H型支撑梁直接焊接在筒体的爆炸复合板覆层上，将会产生拉裂未结合区的风险，造成设备腐蚀泄露失效。就算对未结合区进行焊补而达到未结合率为0的B1级爆炸复合板的板材，由于基材Q345R与TA2的可焊性非常差，如果此区域受力，同样会导致拉裂焊补区域的风险，造成设备腐蚀泄露失效。

为了避免出现上述风险，并且保持使用比纯钛板更经济的钛-钢爆炸复合板方案的前提下，可采用图2的支撑结构，Z1～Z4分别为四个支撑管口，其管口及法兰为衬钛结构，法兰盖为钛锻件。每个支撑管口从法兰盖上用TA2钢板焊接一个截面为H型的悬臂支撑梁，相对的两个悬臂支撑梁上又通过贯穿悬臂梁的螺栓来连接支撑主梁，截面结构见图3。这种结构相比其他结构完全避免了爆炸复合板覆层因为受填料重力的作用为导致覆层与基层剥离、拉裂的风险。

图2

图3

(2)强度计算

①3对于塔体裙座、封头、筒体、接管开孔补强的部分，采用设备强度计算软件SW6中塔式容器进行计算，采用Q345R的裙座腐蚀裕量取2mm,采用TA2+Q345R的复合板部分腐蚀裕量取0，在计算时忽略覆层对基层材料的加强作用，计算壁厚为基层材料壁厚。由于此塔开孔较多，在计算开孔补强的时候，应注意对两孔开孔中心间距小于两孔直径之和接管进行联合补强计算。

②利用设备强度计算软件并不能对填料支撑进行计算，此部分要运用到材料力学的理论来进行计算。以下该设备中下层填料支撑的计算为例：

主梁部分考虑为单根梁上的均布线性载荷的两端铰支结构进行计算：

已知条件为：设备半径R=1000mm，介质密度ρL=796Kg/m3，催化剂持液量ф=30%，填料堆积密度ρP=953.3Kg/m3（含催化剂和瓷球），填料层高H=4500mm，梁长度L1=1980mm，间距T=680，H型梁250×140×10，抗弯模数W梁=403860mm3，惯性矩I梁=50482500mm4，填料压降P2=0.05Mpa，TA2许用应力[σ]t=110MPa，弹性模量E=105200Mpa。

填料产生的压力F1=π×R2×H×ρp×g=132230N

填料持液量产生的压力

F2=ф×π×R2×H×ρL×g=33118 N

填料及填料持液量产生的压强P 1=(F 1+F 2)/ (π×R2)=0.0526 MPa

作用在梁上的均布载荷q=[(P1+P2)×L1×T]/L1=69.8N/mm

梁上最大弯矩Mmax(q×L12)/8=34200533 N.mm

强度校核：

梁上的最大应力σmax=Mmax/W梁=84.7 MPa

σmax≤[σ]t，满足强度要求；

刚度校核：

fmax=(5×q×L14)/(384×E×I)=2.63 mm

[f]=L1/500=3.96mm

ƒmax≤[ƒ]，满足刚度要求；

连接在支撑管口上的支撑悬臂梁计算：

此部分考虑为一端固支的悬臂梁受集中载荷结构进行计算：

已知条件为：支座个数n=4，悬臂梁长度

L2=600mm，H型梁250×250×10，抗弯模数

W悬梁=738560 mm3，惯性矩I悬梁=92320000 mm4。

悬臂梁上竖向集中载荷FV=（F1+F2+F压降）n=80607 N

悬臂梁上最大弯矩Mmax=FV.L2 =48364200

强度校核：

悬臂梁上的最大应力σmax=Mmax/W悬梁=65.48 MPa

σmax≤[σ]t，满足强度要求；

刚度校核：

fmax=（FV×L23）/（3×E×I）=0.59mm

[f]=L2/500=1.2mm

ƒmax≤[ƒ]，满足刚度要求；

悬臂梁与支持管口法兰盖焊缝强度校核：

已知条件为：角焊缝系数фa=0.7，角焊缝截面高度α=7mm，焊缝长度L3=500（保守考虑只计算横向焊缝）,焊缝许用应力[τ]t=0.6×[σ]t=66 MPa。

焊缝剪切应力τ=FV/(α×L3×фa)=32.9 MPa

τ≤[τ]t，满足强度要求。

4.制造、检验与验收要求

钛板和钛管应退火状态供货, 钛-钢复合板应以消除应力退火状态(M)供货。钛-钢复合板焊接接头型式应按GB/T 13149-2009《钛及钛合金复合钢板焊接技术要求》的规定，所有焊接接头为连续的全焊透。所有接管及钛-钢复合板纵环焊缝处按JB/T4745-2002设置检漏嘴。钛-钢复合板对接接头的垫板或盖板的后面基层应设有检漏孔，检漏孔不得覆盖保温层。在设备制造过程中对钛材铁离子污染的预防和检查应贯穿于整个设备的制造过程，制造厂应严格控制，制定相应的检查防治措施。

5.结语

现如今由于钛材的各种优良特性受到越来越多的关注，但是由于钛材与其他金属之间的焊接性能比较差，相比普通钢材价格贵等，在设计时使用钛材或者钛复合板就需要考虑这些问题。随着钛材冶炼及加工技术的不断提高，未来钛及钛合金的使用将遍及各个技术领域，新的使用条件与制造的结构形式值得我们不断地去探索。

[1]NB/T47041,塔式容器[S]．北京:新华出版社，2014．

[2]NB/T4745，钛制焊接容器[S]．昆明:云南科技出版社,2002．

[3]余存烨．钛在醋酸环境中的应用分析[J]．中国材料进展,2004, 23(3):36-37．

(责任编辑 责聪)

Design of Ti-steel Composites Plate Tower Reactor and Its Packing Support

Zhang wei
（Guizhou East China Engineering Co.,LTD，Guizhou, 550002）

Ti-steel composites plate tower reactor used in many acetic acid and other corrosive media environment, this thesis describes its design methods, and in the thesis show the detail calculation of the internal special packing support, it can be used as a ti-steel explosion composite plate, industrial pure titanium to design equipment and internal packing support.

Ti-steel Tower；packing support；design

T

A

张玮（1985～），男，贵州东华工程股份有限公司；研究方向：化工机械；