加氢设备与选材教材

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1、加氢设备与选材 中国石化集团洛阳石油化工工程公司 黎国磊2004 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 序言 加氢装置的临氢设备操作条件相当苛刻 。从损伤角度说，可能会发生一些全体 装置设备不会有或不容易有的腐蚀或损 伤现象。另外，由于有氢气存在，一旦 泄露易引起爆炸及发生二次灾害。 制造条件要求高，造价昂贵，一般动、 静高压设备费用约占整个装置建设投资 的30%40%。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 序言 所以对这些设备的设计和制造都很 重视，提出至少要满足以下几点要 求：1. 满足工艺过程各种运行方案 的需要； 2. 使用可靠性高 ； 3. 维护检修方便，所需时间短； 4. 投资费

2、用较低。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 一. 加氢裂化装置主要设备结 构与特点 (一) 反应器 加氢反应器是加氢装置的核心设备。操作条 件苛刻，技术难度大。所以，反应器的设计 和制造成功，在某种意义上说体现一个国家 总体技术水平的重要标志之一。 1. 反应器技术发展梗概 随着加氢工艺技术的广泛应用，加氢工艺设 备特别是反应器技术相应得到很快的发展与 显著的进步。主要表现： 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 1. 反应器技术发展梗概 (1) 安全使用性能越来越高。这也是整个技术 发展过程所围绕的核心问题 * 设计方法的更新 n由“常规设计”即“规则设计” 以“应力分析 为基础的设计”

3、，即“分析设计” * 设计结构的改进 n本体结构：单层 多层 更高级的单层 n使用状态：冷壁结构 热壁结构 n细部结构的改进 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 1. 反应器技术发展梗概 * 材料制造技术的发展，质量明显提高 n体现在冶炼技术、热处理技术、分析 技术等等方面。最终反映在材料的内 质特性(纯洁性、致密性、均质性)非 常优越 * 制造技术的进步 n如制造装备、制造工艺、焊接技术(含 堆焊技术)、热处理技术、检测技术等 等都有很大进步。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 (2) 为了获得较佳的经济效益，装 置日趋大型化带来了反应设备的大 型化。 热壁加氢反应器技术的进展历程 时

4、 期 技术特征 备 注 第一代 1972年以前 开发初期 第二代 19731980 改进期 第三代 19811987 成熟期 第四代 1988现在 更新期 以开发成功新的Cr-Mo钢为标 志 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 热壁加氢反应器技术演变 阶段 起止 时间 技术 特征 技术进步内涵与存在问题 第 一 阶 段 1972 年 以 前 开发 初期 设计：由常规设计分析设计。设计对材料 只提出满足力学性能及抗氢腐蚀和硫化氢腐 蚀的要求； 材料：冶炼由平炉电炉，材料纯净度和均 质性较差；堆焊：采用SAW工艺（末期开发出 浅熔深堆焊工艺）；使用中层出现过Cr-Mo钢 的回火脆化现象和不锈钢的

5、氢脆损伤问题。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 热壁加氢反应器技术演变 阶段起止 时间 技术 特征 技术进步内涵与存在问题 第 二 阶 段 1973 1980 改 进 期 设计：分析设计应用较普遍。设计对材料已提出控制回火 脆化的要求(如控制J系数和X系数)。结构设计已有所改进 ，一是尽量减小应力集中，二是方便在役检测；材料：冶 炼由电炉(+保温炉) 电炉+炉外精炼技术(如真空碳脱氧 工艺及其它新的冶炼工艺的应用)可以冶炼出低Si或低P， 甚至超低P的钢； 焊接：由常规的焊接窄间隙焊接。 堆焊：由较普遍采用的浅熔深堆焊改进的单层或双层(带 极)堆焊。而且在有关部位采取了PWHT后才堆焊T

6、p.347的方 法； 制造：可制造出大型反应器用整体封头，锻造筒体的缩口 技术开发。这一阶段的反应器，回火脆化问题已基本得到 解决。但在此阶段末发现了堆焊层氢致剥离现象。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 热壁加氢反应器技术演变 阶段起止 时间 技术 特征 技术进步内涵与存在问题 第 三 阶 段 1981 1987 成 熟 期 综合应用针对使用中出现的各种损伤所开展的多项研究 成果，在反应器的细部结构(如保温结构)上又有进一步 改进，材料的纯净度进一步提高，J-系数和X系数的控 制不断趋严；焊接方面，由于焊接设备、焊接材料和焊 接结构的改进，焊缝质量大有提高。堆焊技术由于采用 了高焊速、大

7、电流的堆焊工艺，提高了堆焊层金属的韧 性。其结果各种损伤发生极少。但由于有更加高温高压 加氢新工艺的出现，存在着现用的反应器材料难以适应 的问题。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 热壁加氢反应器技术演变 阶段起止 时间 技术 特征 技术进步内涵与存在问题 第 四 阶 段 1988 现在 更 新 期 以开发新的Cr-Mo钢，并很快得到推广应用将加氢反应 器技术推进到一个新的阶段。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 2. 反应器本体结构特征 单层结构 n钢板卷焊结构 n锻焊结构 多层结构 n绕带式 n热套式 等等 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 2. 反应器本体结构特征 我国华南工

8、大针对国外80年代初所开发的 一种多层结构存在的某些缺点开发出了多层 夹紧式结构。 结构形式的选择一般是依据使用条件、反应 器尺寸、经济性和制造周期等诸因素来确定 。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 2. 反应器本体结构特征 单层结构中的钢板卷焊结构和锻焊结构的选择， 主要取决于制造厂的加工能力与条件以及经济上 的合理性和用户的需要。但锻焊结构优点更多。 n锻件的内质特性(纯洁性、致密性、均质性)好； n焊缝少，特别是没有纵焊缝，从而提高了反应器耐周向 应力的可靠性； n制造装配易保证，制造周期短； n可设计和制造成对于防止某些脆性损伤很有好处的结构 ； n使用过程中对焊缝检查维护的工作

9、量少，无损检测容易 。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 2. 反应器本体结构特征 锻造结构的材料利用率比板焊结构低，当壁 厚较薄时，其制造费用相对较高。一般，厚 度大于150mm时采用较合适，壁厚越 厚，锻造结构的经济性更显优越。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 3. 反应器内件型式及作用 反应器内件设计性能的优劣将与催化剂性能 一道体现出所采用加氢工艺的先进性。 对于气液并流下流式反应器的内件，通常都 设有入口扩散器、气液分配器、积垢篮、冷 氢箱、热电偶和出口收集器等。 主要内件的作用、典型结构及注意要点 内件 名称 设置目的及有关说明 典型 结构型式 注意要点 入 口 扩 散

10、器 或 称 预 分 配 器 防止高速流体直接冲击液 体分配盘，影响分配效果 ，从而起到预分配的作用 。 对于图示的(b)型，还可 起到积存进料中的一些锈 垢的作用。 见图 5 (a)(b) (a)型： 进料方向应垂直于入口扩 散器上的两条开孔； 两层水平档板上的开孔应 对中； 水平挡板上的开孔应垂直 于板面。 (b)型： 根据液体及沉积物量确定 长槽孔的大小、数量和位 置 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 内件 名称 设置目的及有关说明 典型 结构型式 注意要点 气 液 分 配 盘 使进入反应器的物料均匀 分散，与催化剂颗 粒有效 地接触，充分发挥 催化剂 的作用。 目前国内外所用的分配器

11、 按其作用机理大致可分为 溢流型和(抽吸)喷射型两 类或二者机理兼有的综合 型。 见图 6 (a)(b) 应保证分配盘上不漏夜,可采用 有关填料垫密。安装后充水 100mm高，在5分钟内液位降低 小于25mm为合格； 控制安装水平度。对于喷射型 ，包括制造公差和梁在荷载作 用下的挠度在内可按 5mm6mm控制，对于溢流 型，要求还应 稍严； 配盘的设计 荷载，应包括通过 分配盘的压力降P、盘上的液 量及分配盘自重(按最大的操作 温度考虑)。 此外，还要考虑到检修的工况 ，其支承件至少同时要满足常 温下承受120kg集中荷载的要求 。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 内件 名称 设置目的及

12、有关说明 典型 结构型式 注意要点 积 垢 篮 积垢篮置于催化剂床层的 顶部，系由各种规格不锈钢 金属丝网与骨架构成的篮框 。它为反应器进入物料提供 更多的流通面积，使催化剂 床层可聚集更多的锈垢和沉 积物而不致引起床层压 降过 分地增加。 现已不太采用。 见图 7 积垢篮在装入反应器内时 ，其篮内应是空的。在装填 催化剂时 一定要注意这一点 ； 积垢篮按三角形排列，安装 时用链条将其连在一起，并 栓到上面的分配器支承梁上 ，其栓紧链 条要有足够的长 度裕量以适应催化剂床层的 下沉(按下沉5考虑)。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 内件 名称 设置目的及有关说明 典型 结构型式 注意要点

13、 冷 氢 箱 用以控制加氢放热反应引 起的催化剂床层温升，图示 的冷氢箱结构由冷氢管、冷 氢盘、再分配盘组 成，可使 来自上面床层的反应物料和 起冷却作用的冷氢充分混合 ，而又将具有均匀温度的气 液混合物再均匀分配到下部 的催化剂床层上。 见图 8 冷氢管内设置的隔档板应 使从两个开孔中喷出的氢气 量是相当的； 为发挥 冷氢的作用效果， 冷氢盘 和冷氢箱部分应用填 料填密，以保证不漏液，可 按气液分配盘的试漏标准验 收； 冷氢盘 和喷射盘的安装水 平度，包括制造公差、荷载 作用下的挠度等在内，可按 6mm控制。再分配盘的要 求与气液分配盘同。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 内件 名称

14、设置目的及有关说明 典型 结构型式 注意要点 热 电 偶 为监视 加氢放热反应引起 床层温度升高及床层截面温 度分布状况等而对操作温度 进行管理。热电 偶的安装有 从筒体上径向插入和从反应 器顶封头上垂直方向插入。 径向水平插入的有横跨整个 截面的和仅插入一定长度的 。 见图 9 (a)(b)(c) 对径向水平插入的热电 偶 套管要注意由于操作过程催 化剂下沉和检修卸出催化剂 时可能引起被压弯的问题 ； 顶部垂直插入的热电 偶套 管，当长度较长时 ，要适当 设置导向结构，以利操作受 热时 伸长不受阻碍。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 内件 名称 设置目的及有关说明 典型 结构型式 注意

15、要点 出 口 收 集 器 用于支承下部的催化剂床层 ，以减轻床层的压降和改善 反应物料的分配。 见图 10 出口收集器与下封头的下沿 或与其连接的定心环圆 周上 应设 数个缺口，以便停工时 排液用。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 3. 反应器内件型式及作用 在反应器内件设计中最关键的一点是要使反 应进料(气液相)与催化剂颗粒(固相)有效 地接触，在催化剂床层内不发生流体偏流现 象。 从设备设计角度说，有两点是特别值得注意 的： n内件要具有高效和稳定操作的性能； n最大限度地利用反应器容积。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 （二）高压换热器 1. 加氢装置常用的高压换热器型式 通常有以下3种型式： * 普通大法兰型换热器 * 密封盖板封焊式换热器 * 螺纹环锁紧式换热器 应该根据不同的使用条件合理地进行选择。 对于高温高压场合，选用后2种型式较为合 理。一般大致按压力大于8010MPa时 选用后2种。 中国石化集团公司洛阳石油化工工程公司 2. 螺纹环锁紧式高压换热器结构及使用注 意要点： （1）主要结构特点 （a） 密封性能可靠 * 螺栓载荷小，故螺栓小，便于拧紧。 不同结构换热器螺栓大小的对比情况如下 ： 不同型式换热器用螺栓比较 设计条件 压力：17.65MPa 温度：430 内径：900mm 螺栓