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摘 要

本文针对某化工厂加氢反应器中弓形格栅催化剂泄露问题，采用ANSYS软件对加氢反应器321不锈钢弓形格栅在使用温度和过温条件下的温度场和变形进行数值模拟研究。模拟过程中按照实际弓形格栅尺寸建立了三维实体模型，并采用顺序耦合对弓形格栅进行了模拟计算。在高温条件下，格栅温度不均匀，最高温差约为70-80℃。由于格栅整体热膨胀，导致格栅产生较大内应力。390℃和486℃条件下对称面上最大压应力分别为-140MPa和-200MPa，冷却到室温变为拉应力，均约为250MPa。在高温390℃条件下，两弓形格栅对称面下端最大间隙为2.64mm，按照计算结果，催化剂不会泄露。在高温486℃条件下，两弓形格栅对称面下端最大间隙为4.58mm，按照模拟计算结果，催化剂两格栅间隙仍不会泄漏，但如果两弓形格栅在装配时有2mm及以上间隙，则两弓形格栅间隙将大于6.58mm，将会导致催化剂仍泄漏。

关键词：加氢反应器 弓形格栅 有限元 变形 温度场

ABSTRACT

Aiming at catalyst leakage on arch grille in the hydrogenation reactor for a chemical plant, the temperature field and deformation of 321 stainless steel arch grille in hydrogenation reactor under operating temperature and overheat conditions were simulated using ANSYS software. Three-dimensional solid model was established according to the actual arch grille size, and the arch grille was calculated by sequential coupling method. At high temperatures, the temperature on grille is uneven, and the maximum temperature difference is about 70-80℃ Due to overall thermal expansion of grille, grille causes greater internal stress. The maximum compressive stresses on symmetrical surface at 390℃ and 486℃ conditions are -140MPa and -200MPa. It changes to a tensile stress of about 250MPa when cooling to ambient temperature. The lower grille maximum gap is 2.64mm under 390℃ at the bottom of two arch grilles. According to the results, catalysts do not leak. The lower grille maximum gap is 4.58mm under 486℃ at the bottom of two arch grilles. According to the results, catalysts do not still leak. However，if there is more than 2mm gap between two arch grilles, the gap between two arch grilles will reaches 6.58mm and catalysts will leak.

Keywords: hydrogenation reactor; arcuate grid; finite element; deformation; temperature field

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究的意义及背景 1

1.2 加氢反应器的发展概况 1

1.3 热应力研究存在问题 3

1.4 课题研究内容及技术路线 3

第二章 弓形格栅泄漏原因初步分析 5

2.1 情况简介 5

2.2 检查情况 5

2.3 催化剂泄漏部位 8

2.4 催化剂泄漏堆积过程 10

2.5 弓形格栅板之间间隙形成的原因 10

2.6 冷氢弓形格栅板尖端间隙形成的原因 11

2.7 催化剂泄漏的主要原因 11

第三章 数值模拟及分析 13

3.1 基本假设 13

3.2 实体模型 13

3.3 材料物性 15

3.4 初始条件和边界条件 15

3.5 模拟计算 16

3.6 温度场计算结果分析 16

3.6.1 操作温度390℃温度场 16

3.6.2 温度486℃温度场 20

3.7 应力场与变形分析 22

3.7.1 390℃条件下应力及位移分析 22

3.7.2 486℃条件下应力及位移分析 27

第四章 结论 33

参考文献 34

致 谢 36

第一章 绪论

1.1 课题研究的意义及背景

加氢反应器是炼油工业的核心设备，由于它长期在高温、高压条件下工作，设计、工艺、加工制造以及生产操作等都有着极为严格的要求。反应器的制造成功，从某种意义上说是体现一个制造厂家总体技术水平的重要标志之一。过去，世界上只有少数工业发达国家能够制造。我国的炼油工业所采用设备，也基本从国外进口，价格十分昂贵。1982年，兰州石化完成了国产第一台热壁式加氢反应器的制作，开拓了我国制造加氢反应器的先河。但由于加氢反应器的关键性和高技术含量性，虽然经历20余年的发展，目前我国能生产该产品的企业仍然屈指可数。2008年，中原油田工程建设总公司金属结构厂承接并生产了山东德润化工有限集团公司制造的两台复合板容器反应器和预加氢反应器功掌握了这一具有世界领先水平的生产制造技术,也填补了豫北地区不能生产加氢反应器的空白。这两台容器主体材质为复合钢材15CrMoR 00Cr19Ni10，反应介质为苯、甲苯、二甲苯、氢气以及硫化氢，设计温度为280℃/550℃。由于容器本身长期处于高温状态下，对接焊缝金属极容易出现回火脆化、氢腐蚀、氢脆以及氢诱发裂纹现象，并且硫化氢介质的存在还可能导致晶间腐蚀及应力腐蚀。因此，焊接^[1]和热处理^[2]是整个制造过程中的重点和难点。在炼油工业中，采用高温高压加氢精制技术已有近半个世纪的历史。随着加氢裂化和加氢脱硫^[3]等工艺的改进，轻质油品需求量的增加，重质原料油的裂解精制，防止大气污染等的需要，该项工艺技术在不断进步，带动了加氢精制装置和加氢裂化装置中的核心设备—加氢反应器制造技术的改进提高和材料的更新换代。由于目前在役的加氢反应器已经使用多年，出现了一些问题，越来越多的人开始重视其检修和延寿的技术^[4]。

1.2 加氢反应器的发展概况

我国从20世纪70年代末开始有了加氢反应器的制造技术。第一重型机器厂2002 年初完成了用2.25Cr-1Mo-0.25V钢材料制造出我国第一台锻焊结构加氢裂化反应器^[5]。反应器设计压力为11.68MPa，设计温度450℃，内径Ф4000mm，切线长23300mm，壁厚150mm，堆焊层为TP309L 和TP347L，总重为542吨。由中国一重大连加氢反应器制造有限公司为中石油大连石化分公司建造的1400吨的特大型加氢反器,2007 年3 月在一重加氢反应器制造公司的棉花岛基地研制成功，并起运运往大石化。该加氢反应器总长46m，外围直径4.9m，是我国自主建造的最大吨位原油冶炼装备。

加氢工艺于1927年在工业上得到应用，该过程具有工艺流程简单，生产灵活性大，产品收率高，质量好等特点^[6]，但由于高压设备供应困难，耗用合金钢材多，投资大，在石油炼制中没有得到迅速发展。加氢工艺包括加氢精制和加氢裂化。加氢精制主要是除去油品中的硫、氮、氧、金属杂质和饱和烯烃，以改善油品的安定性、感铅性、颜色、气味、燃烧性能及粘瘦系数等。加氢裂化是指烃类在高压氢气和催化剂存在的条件下转化为低分子量产物的过程^[7]，这是炼油技术的重要成就。为获得高质量的石油加工产品、适应含硫原油、劣质原油深加工的需要及满足改善环境条件等目的，现代化石油加工工业中出现了加氢工艺装置。与此同时，加氢反应装置中的关键设备热壁加氢反应器的设计、制造技术也有了长足的进步^[8-9]。加氢反应器分为加氢精制反应器和加氢裂化反应器。加氢反应器在加氢工艺中的作用就是为原料油和氢气在催化剂、温度和压力条件下进行反应提供场所。

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