固定床反应器的结构设计

第54卷第1期2017年2月化　工　设　备　与　管　道PROCESSEQUIPMENT&PIPINGVol.54　No.1Feb.2017固定床反应器的结构设计何凤英（中石化宁波工程有限公司兰州分公司，兰州730060）摘要：介绍了固定床反应器中填料等内件的支承结构的设计特点，以及为了满足工艺要求对人孔结构的改进。重点阐述支承结构中支承梁、栅板、压栅和支座型式的选择和多种工况下的强度校核计算。关键词：固定床反应器；结构设计；计算中图分类号：TQ050.3；TH122文献标识码：A文章编号：1009-3281（2017）01-0029-005收稿日期：2016-09-13作者简介：何凤英（1987—），女，甘肃文县人，助理工程师。主要从事压力容器设计工作。流体通过由静置的固体物料所形成的床层而进行反应的装置都称为固定床反应器，其中尤以气态的反应物料通过由固体催化剂所构成的床层反应的气-固相催化反应器占最主导地位，如炼油工业中的催化重整、天然气转化等。气相法聚烯烃装置中原料精制单元多采用固定床反应器完成原料中杂质的脱除、干燥等过程。因工艺的要求固定床反应器特殊结构包括支承结构、压栅、进出口的防冲装置和特殊的人孔等。第一，自由截面不小于填料的空隙率；第二，强度应满足以支承面上的静载荷放置于支承梁或支承圈上的栅条为支撑件，用扁钢构成，通常能满足这一要求。扁钢条之间的距离宜为填料外径的0.6~0.8倍。在直径较大的固定床反应器中，也可用较大的间距，上面放1~2层十字隔板式磁环，之后再在上面堆放拉西环，装置中固定床多采用这种结构。1.1栅板栅板一般采用金属焊接结构，但在强腐蚀性介质中工作时，也可用耐酸砖的砖砌结构。栅板可以制成整块或者分块，其结构有两种，一种是用定距管和长螺栓将栅条连接起来，另一种是用焊接方法将多个扁钢条焊在外围的扁钢圈上（图2）。后一种结构简单，制造方便，装置中栅板多用此结构。栅板的结构与尺寸须根据直径、反应器椭圆度、填料直径、填料的高度、栅板加工制造及安装拆卸等确定。设备直径小于等于350mm时，一般制成整体式，可以直接焊在设备壁上；直径400~500mm时，栅板需搁置在焊接于设备壁的支持圈上；设备直径较大时，宜用分块式栅板，当直径在600~800mm时，栅板可以分为两块；直径在900~1200mm时，栅板可以由三块组成。但不管栅板分成几块，均需将其搁置在焊接于设备壁的支持圈或支持块上，而大直径的支持圈还需用支持板（梁）来加强。对于分块式栅图1固定床反应器结构示意Fig.1Structureoffixedbedreactor1固定床反应器的支承结构固定床反应器支承结构应满足两个基本条件：第54卷第1期·30·化　工　设　备　与　管　道板，每块宽度应不超过300~400mm，质量不得超过50kg，以便于从人孔进行装卸。为了使分块栅板组装时不出现卡嵌现象，扁钢圈的高度应较小，从而消除死角，扁钢圈的高度一般取栅条高度的2/3。各分块间距用定距环来保证，以便于栅板的装拆。核。1.2.1支承梁的强度计算（1）固定床反应器支承梁的设计载荷按表1，对带有支承圈的填料层，其填料、格栅和持液质量作用在支承梁的载荷，宜按以下方法折算为梁单位长度上的均布载荷。①采用单梁支承时，按填料、持液和栅格总质量的65%确定梁的均布载荷；②采用双梁支承时，按填料、持液和栅格总质量的45%确定梁的均布载荷。图2栅板结构Fig.2Gridplatestructure在确定固定床反应器栅板的尺寸时，应对较长的栅条进行强度校核。计算时将栅条作为一承受均布载荷的两端简支梁，且略去填料对塔壁的摩擦阻力。（1）作用于栅条上的均布载荷q.qLmm981pL#=+^h其中mp=(HLtγ)×10-4对于散装填料mL=0.35HLtγL×10-4对于波网填料mL=0.05HLtγL×10-4均布载荷的简支梁最大弯矩应为m=qL2/8，单位为N·cm。但格栅上的负荷分布是不均的，且湿料重量将有所增加，因此简支梁最大弯矩取为：M≈qL2/6。（2）弯曲应力：σ=M/W，W=(S-C)×(h-C)2/6故SChCqL10222#v=---^^hh；（3）应力校核：当σ≤[σ]t，满足强度要求。1.2支承、支承梁直径小于400mm的反应器可采用支承圈来支撑，支持圈型式基本有两种，一种是扁钢支承圈（或扁钢支承圈下加支承板），另一种是角钢支承圈。对于大直径的固定床反应器的支承圈需用支承梁来加强时，还应对支承梁的强度和稳定性进行校表1填料支承梁的设计载荷Table1Designloadofsupportbeam设计载荷符号单位正常操作填料(或催化剂)质量作用在梁上的均布载荷q1N/m填料持液量作用在梁上的均布载荷q2N/m填料格栅作用在梁上的均布载荷q3N/m梁的质量（均布载荷）q4N/m安装和检修填料格栅质量作用在梁上的均布载荷q5N/m梁质量（均布载荷）q6N/m集中载荷F：梁的跨度Lg≤2m时，在梁的中点处作用1350N的载荷F=1350；梁的跨度Lg＞2m时，在距梁两端各1/3长度处分别作用1000N的集中载荷F=1000。N（2）填料支承梁的应力和挠度计算按表2。表2填料支承梁的应力和挠度计算Table2Calculationofstressanddeflectionofthesupportbeam计算项目正常操作的支承梁检修或安装的支承梁Lg≤2mLg＞2m均布载荷q/(N·m-1)q1+q2+q3+q4q5+q6q5+q6集中载荷F/N—F1F2最大弯矩/(N·m)qL82gqLFL841gg2+qLFL83gg22+弯曲应力/MPaWM106maxggt#Gv-6@10WMmaxgg6Gv#-6@挠度y/mm10EJqly3845g3G#-6@—注：支承梁的应力和挠度计算的基本假设为承受均布载荷和集中载荷的简支梁。（3）支承梁的允许挠度值按表3。1.2.2支撑梁的整体稳定性校核当根据GB50017—2014的4.2.1条规定，需要进行支撑梁（如工字型钢、H型钢或槽钢等）的稳定性校核时，应按下式进行计算：2017年2月·31·WMmaxtbGvzv=6@式中φb——梁的整体稳定性系数，查GB50017—2014的附录B；[σ]t——设计温度下支承梁的许用应力。1.3支座在选择支承梁支座的时候要考虑物料的重量、压降的作用、支承梁自身的重量以及固定床反应器内部结构对支座的作用，综合考虑后在确定选取支撑结构较为合理。根据反应器直径的大小，支座的型式不同，具体型式如图3。最初堆积状态。填料膨胀不均匀，会使沟流现象增加，流体不均匀分布加剧，因而降低了固定床反应器的效率。有时顶层填料还可能被气流带出反应器外。为此，对陶瓷填料须安装填料压板，金属或塑料填料须安装床层限制板。2.1填料压板填料压板凭借自身重量，达到限制填料移动、碰撞之目的，故与设备壁无需固定，其重量一般设计成1100Pa左右，在满足所需重量的条件下还应达到自由截面积的要求，自由截面积不小于70%。2.1.1栅条压板栅条压板与支承栅结构相同，结构和尺寸可参考支承栅板，结构简单、制造方便。2.1.2丝网压板丝网压板结构由大孔金属网与扁钢圈焊接而成。在扁钢圈外周下侧，焊有限位抬肩，利用焊在设备壁上的限位板，来控制压板的上限位置。丝网规格应满足最小填料不能通过网孔，压板外径比设备内径小10~20mm。网孔压板的空隙率大，适合于DN＜1200mm的设备中。2.1.3栅板与丝网组合压板此种压板的结构是将大孔的金属丝网（丝网小于填料各向最小尺寸）平铺在栅板的横断面，而后用铁丝捆牢于栅板上。根据设备直径的不同，栅板分成数块（每块须能出入就近的人孔），块与块之间用螺栓连接。在栅板上端面一定高度处安装扁钢环，扁钢环与设备壁焊接。这种结构的压板不受设备直径的限制。当做填料设备的床层限制时，这种结构也是可行的。2.2床层限制板床层限制板与压板结构类似，但质量较轻，床层限制板与设备壁必须有活连接点，否则将失去作用。当固定床反应器直径DN≤1200mm时，床层限制板的外径比反应器壁的内径小10~15mm；当固定床反应器直径DN＞1200mm时，则限制板外径比反应器内径小25~28mm，如图4。3其他特殊结构3.1塔顶吊柱对于室外无框架的固定床反应器应设置塔顶吊柱，供检修和更换反应器内件（如填料、除沫器等）用。表3梁的允许挠度Table3Allowabledeflectionofbeam梁的跨度Lg/m允许挠度/mmLg≤333＜Lg≤65Lg＞66图3支座型式Fig.3Bearingtype型式Ⅰ型式Ⅲ型式Ⅱ型式Ⅳ直径/mm0~15001000~30002000~6000型式ⅠⅡⅢorⅣ2填料压板及床层限制板对于固定床反应器来说，在填料的上端面须安装填料压板和床层限制板。固定床反应器在大压力降下操作，由于气体冲击和负荷波动，导致重量较重的陶瓷填料的顶部填料发生移动、跳跃撞击，严重时填料破碎。跳跃、撞击或破碎引起管道堵塞，床层通道堵塞进而压力降增加，影响正常操作；重量较轻的金属和塑料填料层逐渐膨胀升高，以致改变填料层的何凤英.固定床反应器的结构设计第54卷第1期·32·化　工　设　备　与　管　道3.1.1塔顶吊柱按HG/T21639—2005《塔顶吊柱》（附条文说明）标准选用。3.1.2吊柱安装位置应满足以下要求：（1）吊柱的吊钩至塔顶的距离，宜为2000mm左右；（2）吊柱手柄至平台上表面的距离（h）不宜大于1600mm；（3）吊柱中心线与人孔中心线间应有合适的夹角α，以使吊钩的铅垂线可转到人孔附近，以便于内件的装卸；（4）确定吊柱悬臂长度（S）时，应考虑吊物空间的距离。3.2特殊人孔在某装置中的固定床反应器常用到一种特殊的的人孔（即带芯人孔），如图5。带芯人孔是在人孔盖内加设一层与反应器壁弧度相等的芯板，并与反应器壁齐平，通常用开孔时从筒体上切割下来的部分。为了方便启闭，在孔口结合筒体上装有小车，操作时可以利用小车将带芯法兰盖抽出，以便填料卸出。人孔部位应有操作平台。人孔中心距平台的高度一般为800~1000mm，最大不得超过1200mm，最小不得低于600mm。4应用举例某项目中一台固定床反应器，筒体材料为Q345R，梁的材料为Q245R，其他设计参数如下表。图4床层限制板Fig.4Bedplate图5特殊人孔Fig.5Specialmanhole项目参数设计压力/MPa4.068工作压力/MPa3.058设计温度/℃110/-10工作温度/℃40直径/mm1000填料质量mp=HLtγ×10-4=14913kg填料层静持液质量mL=0.35HLtγL×10-4=0作用在栅条上的均布载荷.150.2/NcmqLmm981pL#=+^h127.6MPaSChCqL10222#v=--=-^^hh查GB150.2，Q245R在110℃时的屈服强度是145.6MPaσ=127.6MPa≤[σ]110=145.6MPa栅板强度校核合格。支承梁计算①正操操作时：催化剂体积V=πR2h=5.1m3催化剂密度ρ=672.5kg/m3催化剂作用在梁上的均布载荷q1=ρvg=34298N/m支撑栅质量m1=75.24kg压栅m2=42.8kg填料栅格作用在梁上的均布载荷q2=(m1+m2)g=1180N/m支承梁的质量m3=18.5kg支承梁均布载荷q3=m3g=185N/m均布载荷q=q1+q2+q3=35663N/m最大弯矩Mmax=qL2/8=3610N·m∠140mm×60mm×10mm，考虑双面腐蚀，可拆件腐蚀裕量取1.5mm，经计算得：J=320.37×10-8m4Wg=37.04×10-6m3弯曲应力2017年2月·33·1097.46146.5MPaMPaWM6maxMgg110Gvv#===-6@Q245R在110℃下的弹性模量E=190.6×103MPa挠度y=5qL4×10-3/384EJ=0.76mm梁的允许挠度为3mm，0.76mm＜3mm，合格②安装和检修时：填料栅格作用在梁上的均布载荷q4=(m1+m2)g=1180N/