PTA加氢反应器结构的设计

潘线伟，牛晓娟，施亚汝(青岛兰石重型机械设备有限公司，山东 青岛 266555)

1 PTA产品

1.1 PTA简介

PTA(Pure TerephthalicAcid)是纯对苯二甲酸(C6H4(COOH)2)，在室温下呈白色粉末状晶体，在一定范围内遇火燃烧。它无毒、易燃，与空气混合可能有危险。PTA是石油的低端产品。轻汽油(又名石脑油)是以石油为原料，经过一定的工艺流程，从石脑油中提取MX(混合二甲苯)，再提取PX(对二甲苯)。PTA以对二甲苯(65%～67%)为原料，在催化剂和乙酸为溶剂的条件下，通过空气氧化(氧含量为35%～33%)制备粗对苯二甲酸[1]。精对苯二甲酸是重要的大宗有机原料之一，广泛应用于轻工、电子等国民经济领域。粗对苯二甲酸在催化剂作用下通过空气氧化得到，然后结晶、过滤、干燥得到粗对苯二甲酸；粗对苯二甲酸经氢化除杂、结晶、离心分离、干燥成PTA。粗对苯二甲酸的主要杂质是对苯二甲酸氧化的中间产物。在PTA产品生产过程中，PTA加氢反应器内的反应直接决定PTA产品的纯度。

1.2 PTA的市场应用和发展

PTA广泛应用于化纤、轻工、电子、建筑等行业。世界上90%以上的PTA用于生产聚对苯二甲酸乙二醇酯。PTA产业起步于20世纪80年代，生产能力主要集中在华东、华南和东北地区。从技术上讲，我国PTA生产企业已由引进技术向国内自主技术转变，工厂规模越来越大，产能集中度越来越高，世界出口量也有了很大提高。在市场发展形势下，中国制造商越来越重视技术自主性和提高行业发展效率。

近年来，随着聚酯生产技术的成功发展，国内PTA下游产业和聚酯生产规模不断扩大。因此，PTA产品价格居高不下，国内市场对PTA加氢反应器的需求是在不断增加的。而中国各大化工设计院对PTA加氢反应器的技术掌握也愈发成熟，其也大大降低了反应器本身的设计成本。这些因素促进了PTA项目的发展。

2 PTA加氢反应器设计标准

目前国内加氢反应器的设计标准主要分为两类:一类是常规设计标准之下的反应器；另一种是在经过详细的应力分析之后，通过分析对照设计标准而加工出来的反应器。压差是反应器的主要工作原理，是主要的设计压力范围。如果某些标准设计标准是弹性失效标准，则认为设备只有在完全弹性时才是安全的。一旦处于塑性状态，这台设备就会失效。用这种方法得到的壳体比较厚。计算结果趋于保守，有些标准是分析标准。对于计算不连续区域中或者在应力更加集中的区域，设计加氢反应器就要采用有限元分析方法计算应力。钢材的选择、制造、检验和验收都比旧标准严格[2]。ASME规范已被几乎所有的美国州，加拿大和墨西哥省采用。ASME规范中的“设计”的内涵，本身是指反应器设计标准制定是压力容器制造商工作的一部分，也是容器制造商在反应器设计工作必须要完成的一部分。压力容器产品的功能和要求包含在“用户”的责任中，这一方面弥补了钢材质量不稳定的缺点，有利于设备的安全。

3 PTA反应器设计与制造

3.1 结构和参数

反应堆的设计标准采用ASME(2010年版)，其结构规定更严格，试验要求更高，节省了设备成本，对制造公差、检验和试验有更高的要求。PTA加氢反应器设有溶解罐和液体分布器，下部设有带出口集热器的过滤装置。主体结构包括上下封头、筒体、裙座和接管。从安全角度考虑，设计压力为12.0 MPa。为安全起见，设计温度为350 ℃。设备主要材料为SA-387-11CL.2，采用平板焊接结构，支撑结构采用裙座结构。

3.2 选材

(1)基材选择。基材就是PTA加氢反应器的整体的选材，要考虑到PTA加氢反应器的反应环境，由于PTA加氢反应器处于高温高压氢气环境中，即使在室温高压下，气态氢也不容易渗入钢中。当温度高于220 ℃时，材料内部倾向于脱碳。在钢中加入钼、铬等合金元素，可以提高钢的高温强度极限。因此，Cr-Mo钢可以满足高温高压氢气环境的要求。

(2)内墙选择。采用堆焊或复合板结构。目前，我国广泛使用的复合板材料是爆炸焊接。爆炸瞬时爆炸产生的巨大能量被用于焊接，大大降低了反应堆的成本。由于复合板整体的尺寸有限制，反应器设备只能通过选择内壁堆焊的方法进行制作。这样可以在加氢反应器的壳体内壁，覆盖上一层不锈钢防腐层和过渡层TP.309l，由于氢扩散速率的不同，两种材料交界处的氢浓度不同，这就导致了发生突变的可能。为了尽可能降低风险避免这种情况，需要在两种材料之间覆盖过渡层[3]。

3.3 制造

(1)冷加工和热加工。不允许以热加工过程代替正火热处理，无论此前是否进行过正火+回火热处理，封头热成形(温度在AC1线以上)之后，必须再次进行正火和回火热处理。处理时应提供性能测试板，测试板应从头部剩余材料上切下。处理后的力学性能应符合相关规定。

(2)焊接和热处理。焊缝和热影响区表面不允许存在缺陷，焊缝两侧的熔渣和飞溅物必须抛光。对接接头的表面应与基底金属齐平。壳体上环焊缝修磨后的斜度至少为1∶3，错边量应≤4 mm，表面应平滑过渡。焊接接头均应采用全熔透结构，必须清理焊根。锻件内壁不锈钢耐蚀层经磁粉或渗透检测合格后采用双层堆焊，堆焊层(内部和界面)质量Ⅰ级合格。焊缝和堆焊层表面经检查发现缺陷时，允许用砂轮磨掉，打磨部位应与周围金属平缓过渡，焊缝同一部位的返修不得超过两次，若返修次数超过两次必须征得买方的同意。

4 PTA加氢反应器的强度计算

4.1 筒体计算

计算圆柱壳的厚度。为了设备的安全，考虑不锈钢的防腐作用。计算压力为设计压力与静水压力之和。底壳接头的计算压力最大，壳接头所需的最小厚度也最大。根据美国机械工程师协会规范，焊接接头取1.0。内壁为不锈钢硬面，故内壁腐蚀裕量取0 mm，结果要求筒体接头最小厚度为186.1 mm。为安全起见，壳体厚度(最小值)取190 mm。

4.2 封头

采用的封头类型为半球形封头，相同体积下的表面积最小，相同压力条件下所需的厚度最薄。半球形封头的厚度按ASME计算。顶盖和底盖的其他计算参数是一样的，唯一不同的是计算压力不同。底部封头中液柱的静压大于顶部封头中的静压。计算封头时，公式不仅要满足强度，而且要与结构中壳体的连接部分连续。根据以前的设计经验，通常采用壳体厚度的大约0.55倍为封头厚度，底部封头的液柱静压力为所有在底部封头之上的液体产生的，液柱静压力最大，因此需要满足强度要求。

4.3 开孔补强

判断该区域附近的材料是否需要加固，需要保证在孔附近的材料，是可以承担该区域内一次应力的。补强以后得面积来计算应力，应尽可能设置在开孔附近，此外还必须注意避免产生高的热应力。有效加固范围由开口附近平行和垂直于壳体表面的尺寸决定。实际应用表明该法能解决工程实际问题。考虑到加厚壳体不经济，设备采用厚壁管加强型。采用锻造厚壁管加工翻边与壁对接的焊接结构，管口与壳体连接处的棱角应平滑过渡，以保证设备安全。

4.4 开孔补强应力

设置应力线性化的路径，通过ANSYS软件提供的沿路径应力线性化的功能，区分出沿壁厚路径的各种应力，并在应力线性化的结果中列出，最后对各个模型的分析结果中应力线性化处理后的结果进行评定[4]。

5 PTA加氢反应器的特殊结构设计

5.1 冷氢接管

预热器加热的TA溶液温度为282～290 ℃。它进入加氢反应器之后，与高温饱和氢蒸汽一起熔化。钯/碳作为催化剂填充。TA溶液和氢气分别从顶部管道注入。CTA中的4-CBA被还原为水溶性铂酸。反应过程需要循环的通入40 ℃的氢气，循环次数约为0.1×109次。在这样的复杂工况下，冷氢接管会产生热应力循环，为了有效的避免这种情况发生，应尽量避免由于温差应力的影响，使接管与壳体连接处产生应力集中和损伤。

进行疲劳判定的时候，可以以Salt’=Salt×E/Et=Salt×200 000/173 000来计算，当允许循环次数大于或等于0.1×109次时，计算累积疲劳损伤系数，如果这个值远小于1，疲劳评定合格。本结构为疲劳容器结构，应当保证其安全性，严格错边量，不允许强力组装行为，在焊后立即进行消氢热处理，以减少延迟裂纹的产生。

5.2 防冲刷腐蚀

料液从进料口高速流入反应器，高速物料的冲刷破坏了反应器金属表面的保护膜。破坏处的金属被腐蚀，物料的进口处冲刷比较严重。一般通过调整流体的分布来缓解介质对设备内壁的冲刷[5]。反应器内设有溶解罐，溶解罐中间设计有导流管，上部均匀排列一些导流管。底部同样设计有喷淋孔，分布器通过角钢悬挂于溶解罐的下部。原料液通过内部套管流入混合罐中，大大降低了料液的进口速率，原料液喷淋而下，在通过导流筒中的导流管进一步降速，到达在导流筒底部的分布器，分布器的结构上设计有溢流堰，从而可使料液在反应器内部均匀喷淋。增大了原料液与氢气的接触时间和接触面积，提高了反应器效率。

6 结语

总而言之，基于中国的宏观调控和产能过剩的问题，中国的PTA行业发展存在竞争激烈的整体趋势，在此情况之下，相关的化工上生产企业更需要了解行业的发展情况，综合考虑项目建设的技术先进程度、原材料来源和下游配套等多个需求，再进行PTA项目的建设，加上下游需求逐渐疲软，更应当做好规划以避免经济损失，优化PTA的行业布局，进一步提升企业的综合竞争实力。