列管式固定床反应器壳程结构的设计

列管式固定床反应器壳程结构的设计

赵增慧

(北京石油化工学院机械工程学院, 北京　102600)

　　摘　要:探讨和评介了国内现行列管式固定床反应器的壳程结构存在的问题, 提出壳程采用外导流筒式进、出口结构和采用折流杆支撑反应管的结构改进措施。

关键词:列管式固定床反应器; 壳程结构; 外导流筒; 折流杆

中图分类号:TE966　文献标识码:B　文章编号:100628805(2002) 0320005204

　　列管式固定床反应器用于气2固相催化反应

过程, 在管程和壳程常伴有热量的交换, 化学反应发生在充填催化剂的反应管内。以放热反应过程为例, 反应管内的气体经固体床向外传热, 壳程多采用熔盐或导热油为换热介质, 配置废热锅炉, 换热介质在反应器和废热锅炉间循环, 移出和回收热量, 也有壳程中用水直接产生蒸汽而省去专设废热锅炉的工艺流程设计〔1,2〕。使用熔盐或导热油作为壳程换热介质, 一般操作条件下, 其给热系数都稍大于反应管内的综合给热系数。为了提高传热效果, 必须设法提高管程和壳程两侧的给热系数。提高管程的给热系数, 主要与该化学反应过程的工艺和工程条件有关; 壳程的给热系数主要与化学工程条件有关。本文仅探讨和评价国内现行反应器的壳程结构所存在的问题和改进措

2〕施〔。

其所在位置与环槽总入口的距离而递减(出口处

为递增) , 入(出) 口两分流通道的开孔对称分布。这种结构的目的是想使换热介质均匀地流入(出) 壳程

。

1　列管式固定床反应器换热介质进出口结构

当前, 国内自行设计的列管式固定床反应器, 例如:苯酐和顺丁烯二酸酐反应器等, 壳程换热介质入、出口结构都采用带导流板的矩型截面的圆环槽, 在环槽包围的壳体上, 沿圆周先开设若干大小不等均匀分布的矩形孔(矩形孔数量与反应器公称直径大小有关) , 一般开孔数为18～36个, 如图1所示。图上矩形孔为示意性开孔, 实际上的作法是先在环槽包围的壳体开若干大小相等均匀分布的矩形孔, 在每个矩形孔上再覆盖矩形分配板, 每块分配板上开两个轴向长条孔, 如图2所示。在壳程换热介质入口处, 换热介质分两路沿环槽通道流动, 经各分配板上的长条孔流入反应器壳程, 各分配板上的长条孔面积不同, 一般是按

图1　某苯酐反应器壳体入口结构示意图

　　从流体力学上分析, 造成上述流体流动形式的环槽通道总称为集合管。又可将入口的通道称为分流管, 出口通道为集流管。换热介质由入口进入环槽即分为两路, 其中一路由h 1, h 2……h n

收稿日期:2001211216

) , 女, 北京人, 1984年毕业于北京作者简介:赵增慧(1962—

石油化工学院化工设备与机械专业, 获学士学位, 讲师。现从事固定床反应器工艺及设备设计研究和计算机辅助设计工作, 已发表论文5篇。

分配板孔进入壳程, 环槽内的流体流量逐渐减小,

这一过程为典型的“变质量流”。若环槽截面积不变, 伴随流量逐渐减小, 槽内流体静压能上升。当流体从h 1流到h 2处, 若静压能增量大于该段流动压力降损失, 则从h 2处进入的流体的推动力大于h 1处的推动力, 所以h 2的开孔面积应小于h 1的开孔面积。依此类推, 分配板上开孔面积应递减, 以使流量均匀分配

。

过孔隙的换热介质具有较高的流速, 带有较大动能的流体横向冲击管束, 成为引起反应管振动的主要诱发因素, 严重时会导致反应器失效, 这也是这种结构不可取的主要原因。

为了降低入口流体的横向流速, 消除流体诱发的管子振动, 推荐采用外导流筒式的进、出口结构, 如图3所示。换热介质入口采用双进口分流式, 流体在导流筒的环槽内充分混合, 从壳体截断处均匀进入壳程。该结构的特点是

:

图2　焊在壳体上的分配板

　　流体力学对集合管研究结论表明〔3〕, 集合管

内的流量均匀度主要取决于“集管特性”A , 它是一系列参数的函数。

(1) A =φ( f , μi ) 式中: f ———分配板上开孔的相对截面积, f =

i =1

∑f i /F ;

2

n

F ———环槽截面积,m ;

f i ———分配板上开孔的面积,m 2;

μi ———分配板上开孔的流量系数。从现行四个不同直径的苯酐反应器的统计,

壳程换热介质入口或出口分配板上的总开孔面积

i =1

图3　外导流筒式换热介质入口结构示意图

　　a ) 导流筒结构使流体流通截面积增大, 流速降低, 压力降较小, 流体的静压能增大, 动压能减少, 减少了流体对管束的冲击和流体诱发的管子振动。

b ) 由于导流筒的结构引导换热介质自设备壳程最上或最下端流动, 充分利用入、出口上下部的传热面积。　　c ) 上、下入出口导流筒结构上起到了两个热膨胀节的作用, 降低了管束与壳壁间的温差应力。

d ) 从化工机械角度上分析, 导流筒比分配板的受力情况更为合理, 容易制造。2　列管式固定床反应器折流板型式在管壳式换热器的壳程中设置折流板的目的是提高流体流速、增强湍动、改善传热; 对管束起支持作用、增强其刚度、防止管子挠度过大, 防止振动。由于换热介质的种类不同而各有侧重。

∑f i 仅为环槽流道截面积F 的5%～8%, 而每一

n

块分配板上的开孔面积f i 更远小于环槽截面积F 。流体在环槽内流动的压力降远比在分配板开孔处的压力降小, 即使各处分配板上的开孔面积保持一致, 由于分配板孔隙处很大的压力降足以使流体在各分配板孔的流量趋于均匀分配。

在这种结构中, 流体的实际流动所受到的影响因素较多, 情况也相当复杂; 如在环槽内两路流体之间的相互影响和流体流入壳程后所遇到的壳内流体和管束的干扰等。虽然有过一些这方面的实验研究报道, 由于其模拟实验条件与实际工况存在差异较大, 所得的结果离工程设计要求还有很大距离。同时, 由于分配板上的开孔较小, 使通

　第23卷第3期　　　　　　　　　　　赵增慧. 列管式固定床反应器壳程结构的设计・7・

列管式固定床反应器的壳程折流板的设计与管壳式换热器相同, 大多采用圆盘2圆环形、单弓形、双弓形和三重弓形折流板。此类折流板不同程度存在着一些弊端。

a ) 流体流程长, 转向、扩大、收缩较频繁, 造成较大压力降。

b ) 使流体产生不同程度的垂直于管子轴线方向的横向流动, 横向流是诱发管子振动的主要原因。诱发振动往往发生在流体的正常流速下。当横向流流速较低时, 在管束附近易产生卡曼旋涡或紊流旋涡; 当横向流流速较高时, 会产生流体弹性激振, 乃至出现射流转换, 这些都是造成管子振动的主要原因。

c ) 横向流动也是产生流体流动“死区”的原4～6〕因〔。

管子振动会引起管子间的撞击, 管子与折流板内孔撞击, 使管子受到磨损、开裂乃至切断; 管子振动使管子与管板的连接焊缝疲劳破坏, 造成管程与壳程流体泄漏混合。管子因流体诱发振动, 是换热设备失效的主要原因之一。即使不发生上述各种失效情况, 管子的振动也会增大壳程流体的压力降。

将列管式反应器的反应管认为是弹性件, 所有的自振频率下都会因流体流动而激发振动, 其最严重的情况是发生在被称为基频即最低自振频率下的振动。

对于不设折流板的单跨管, 第一振型管子的基频理论公式为〔7〕:

f 1=

小50%, 管子自振频率约增大三倍, 振动时的振幅相应降低; 若管子的振幅小于二分之一管间距时, 管子的振动不会造成管子间的撞击和磨损。　　为了减少因流体横向流诱发的管子振动, 产生了多种新型折流结构, 其中当属螺旋折流板和折流杆的效果最为显著。当设置螺旋折流板时, 流体沿螺旋折流板旋转流动, 不仅可以消除流动“死区”, 又能增大流体的湍动, 并减少横向流动, 减弱诱发振动的因素。但螺旋折流板上的开孔属于三维空间开孔, 用于大型列管式固定床反应器上, 它的制造将非常困难。

1〕

折流杆的结构如图4所示〔。它是由圆形折流圈焊上许多折流杆组成, 折流杆的直径等于或略小于管间距, 四个折流圈为一组。对于正三角排列的管束, 一组折流圈中1号、2号折流圈沿某一相同方向支撑管束, 即第1,3,5,7等排管安装1号折流圈, 第2,4,6,8等排管安装2号折流圈, 1号、2号折流圈相互交错地支撑管子;3号、4号折流圈沿与1号、2号呈60°方向相互交错地支撑管束。一组折流圈在四个位置上将管子牢固夹持着, 使管子不能产生位移,

有效地防止管子振动, 如图5和6所示。在大型列管式固定床反应器的壳程采用折流杆, 有如下优点:

2π

1/s 4　(2)

式中:E ———管子材料的弹性模量,MPa ;

J ———管子的断面惯性矩,m 4;

当折流板按常规等间距设置时, 多跨第一振型管子的基频半经验公式为〔7〕:

f 1=3512λ1

4

(4)

图4　折流杆结构示意图

ml

4

　1/s (3)

　　a ) 折流杆使壳程换热介质基本沿管子轴向

(纵向) 流动, 有效防止了管子因横向流诱发的振动。虽然从流体诱发振动原理上分析, 流体沿管子轴向(纵向) 流动也会引起管子振动, 但它需要在远大于一般正常操作流速下才会发生, 故不必考虑它的影响。

b ) 换热介质轴向流动, 可以消除弓形折流板式支撑造成的降低传热效率的“死区”和在“死区”

式中:d 0———管子外径,m ;

d i ———管子内径,m ;

λ——频率常数。1—

从以上两式皆可见, 提高反应管的自振频率最有效的办法是减少管子的跨距l , 如将跨距缩

滞流流体对管子的腐蚀, 同时也能降低结垢的速

率, 使清洗时间间隔延长

。

图5　折流圈夹持反应管示意图

　　c ) 在传热量相同的情况下, 由于折流杆使换

热介质流程短, 摩擦阻力小, 与单弓形折流板相比, 壳程压力降约降低50%; 与双弓形折流板相比, 壳程压力降约降低60%。对于使用粘度和密度都较高的熔盐或导热油为换热介质的反应器而言, 经济意义非常重大; 与弓形折流板支撑相比, 折流杆支撑的缺点是; 金属耗量大, 制造难度大, 成本高; 对于折流杆来说, 流体是横向流动, 由于折流杆也受反应管夹持, 自由长度短, 自振频率高, 不易引起共振

。

图7　列管式固定床反应器示意图

3　结论

综上所述, 列管式固定床反应器的壳程采用

外导流筒式入、出口及折流杆的壳程结构型式, 将有效地减少引起管束振动而失效的因素, 提高反

图6　折流圈夹持反应管示意图

应器运行的经济和可靠性。参考文献:

1　G 1F 1弗罗门特等1反应器分析与设计[M ]1北京:化

　　折流杆的间距要考虑设备的公称直径和允许

压力降, 组内各折流杆间距可采用200mm ～400mm , 两组折流杆间距为800mm ～1200mm , 折

流圈和组之间均由拉杆和定距管定距, 拉杆和定距管的直径和数量可参考换热器的设计规范。

图7给出一个大型列管式固定床反应器的示意图。反应气由管口a 进入反应器的管程, 由管口b 流出。换热介质由管口c 1和c 2分两路经外导流筒进入壳程, 在导流筒所包围的反应器的筒壁上开两个开口区, 开口角为50°至70°, 进口管c 1和c 2安装在不开口的部位, 换热介质自管口

d 1和d 2流出。在反应器内采用三组折流杆, 每

学工业出版社,1985

2　M 1O 1塔汉1催化反应器设计[M ]1北京:中国石化出

版社,1989

3　华绍曾等1实用流体阻力手册[S]1北京:国防工业出

版社,1985

4　聂清德1化工设备设计[M ]1北京:化学工业出版社,

1991

5　O 1列文斯比尔1化学反应器[M ]1北京:烃加工出版

社,1988

6　L 1拉皮德斯1化学反应理论[M ]1北京:石油工业出

组由四个折流圈组成, 在图7的俯视图中, 仅画出

了四根反应管被折流杆所夹持的示意图

。

版社,1984

7　钱颂文等1换热器流体诱导振动基础[M ]1上海:华

中工学院出版社11988

EXPERIMENTAL STU DY ON PERFORMANCE EVAL UATION ON H YD R OGENATE D REAC 2T OR IN SERVICE

X u Wei dong. Ji nli ng pet rochemical Co L t d alkyl 2benzene plant , P. C N anji ng , 210046

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“pressure vessel defect evaluation code ”,the brittle fail 2

ure analisis ,leakage 2before failure analysis and fatigue analysis of coke drum were carried into effect. The re 2sults show :Allthe defects may be kept ,under the oper 2ation condition the service is safe. The matters needing attention for repair from now on and operation of coke drum are proposed.

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DESIGN OF SHE LL SIDE STRUCTURE OF TUBU LAR FIXE D 2BE D REACT OR

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DEVE LOPMENT AN D APPL ICATION OF RUB 2BER SEAL FI LM FOR GQ 2ⅠT YPE D R Y SEAL G AS H OLDER

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