鈦-鋼復合板塔式反應器及其填料支撐的設計

＊張 瑋

（貴州東華工程股份有限公司 貴州 550002）

鈦-鋼復合板塔式反應器及其填料支撐的設計

＊張 瑋

（貴州東華工程股份有限公司 貴州 550002）

鈦-鋼復合板塔式反應器主要使用在醋酸等具有腐蝕的介質環境中，本文闡述了其設計方法，并在文中詳細列出了內部特殊填料支撐的設計過程，可以作為用鈦-鋼爆炸復合板、工業純鈦來設計非標設備及設備內部填料支撐的參考。

鈦-鋼塔器； 填料支撐；設計

1.前言

由于工業純鈦擁有著密度低、比強度高、優良的耐蝕性能等優點，使得其在石油、電力、冶金、化工等行業中廣泛使用。雖然鈦制設備的價格相比常用材料價格高，但是其使用壽命長，后期維修費用低，有利于環保。鈦材在多數有機酸環境中擁有較高的穩定性，是在介質含有有機酸的反應器和換熱器的首選材料。而另外一方面也因為其價格高，與鋼材焊接性能差的特點，在設計鈦材設備時得充分的考慮用材的經濟性和結構的合理性。下面以一臺使用在含醋酸介質中的塔式反應器為例，對其設計進行闡述。

2.設計參數與選材

(1)設計參數

該反應器為塔器結構，工作壓力1.5～2.4Mpa，設計壓力2.6Mpa，工作溫度70～100℃，設計溫度130℃，介質為醋酸、碳四、酯類。內部有兩段填料，每段填料高4500mm，由上下各150mm高的瓷球和4200mm高的催化劑填料構成，見圖1。

圖1

(2)選材

醋酸是一種用途廣泛的有機酸，其腐蝕性也較強，幾種材料在110℃時的腐蝕速率對比見表1：

從上表可以看出，工業純鈦對于醋酸的耐蝕能力明顯優于奧氏體不銹鋼與脫氧銅，原因是在該使用環境中，鈦材表面會形成一層彩色的鈍化膜，從而有效的降低了腐蝕。

對于該塔式反應器來說，使用鈦材能有效地提高設備使用壽命，降低泄露風險，減少后期維護等。但是如果整個設備都使用工業純鈦TA2來制造，其制造成本將會很高。所以最經濟和有效的方法就是選用TA2+Q345R的復合板來制造殼體，使用TA2來制造其支撐內件，這樣既滿足了耐蝕的要求，又避免了鈦材的浪費。而設備下部不與介質接觸的裙座則可選擇Q345R。

3.結構設計與強度計算

⑴結構設計

該反應器是塔器結構形式，裙座采用圓筒型裙座，裙座高度2000mm；直筒段高度13050 mm，筒體上根據填料的分布共設置三個人孔與兩個卸料孔；封頭上方設置SP型吊耳；由于該塔處于框架內部，并設有專用的平臺裝卸催化劑填料，所以沒有設置塔頂吊柱。

此設備的關鍵點在于催化劑填料支撐的設計，由于鈦鋼爆炸復合板有可能存在未結合區，以B2級爆炸復合板為例，單個未結合指示長度允許≤50mm,單個未結合區面積允許≤20cm2，未結合率允許≤2%。如果直接將支持填料的H型支撐梁直接焊接在筒體的爆炸復合板覆層上，將會產生拉裂未結合區的風險，造成設備腐蝕泄露失效。就算對未結合區進行焊補而達到未結合率為0的B1級爆炸復合板的板材，由于基材Q345R與TA2的可焊性非常差，如果此區域受力，同樣會導致拉裂焊補區域的風險，造成設備腐蝕泄露失效。

為了避免出現上述風險，并且保持使用比純鈦板更經濟的鈦-鋼爆炸復合板方案的前提下，可采用圖2的支撐結構，Z1～Z4分別為四個支撐管口，其管口及法蘭為襯鈦結構，法蘭蓋為鈦鍛件。每個支撐管口從法蘭蓋上用TA2鋼板焊接一個截面為H型的懸臂支撐梁，相對的兩個懸臂支撐梁上又通過貫穿懸臂梁的螺栓來連接支撐主梁，截面結構見圖3。這種結構相比其他結構完全避免了爆炸復合板覆層因為受填料重力的作用為導致覆層與基層剝離、拉裂的風險。

圖2

圖3

(2)強度計算

①3對于塔體裙座、封頭、筒體、接管開孔補強的部分，采用設備強度計算軟件SW6中塔式容器進行計算，采用Q345R的裙座腐蝕裕量取2mm,采用TA2+Q345R的復合板部分腐蝕裕量取0，在計算時忽略覆層對基層材料的加強作用，計算壁厚為基層材料壁厚。由于此塔開孔較多，在計算開孔補強的時候，應注意對兩孔開孔中心間距小于兩孔直徑之和接管進行聯合補強計算。

②利用設備強度計算軟件并不能對填料支撐進行計算，此部分要運用到材料力學的理論來進行計算。以下該設備中下層填料支撐的計算為例：

主梁部分考慮為單根梁上的均布線性載荷的兩端鉸支結構進行計算：

已知條件為：設備半徑R=1000mm，介質密度ρL=796Kg/m3，催化劑持液量ф=30%，填料堆積密度ρP=953.3Kg/m3（含催化劑和瓷球），填料層高H=4500mm，梁長度L1=1980mm，間距T=680，H型梁250×140×10，抗彎模數W梁=403860mm3，慣性矩I梁=50482500mm4，填料壓降P2=0.05Mpa，TA2許用應力[σ]t=110MPa，彈性模量E=105200Mpa。

填料產生的壓力F1=π×R2×H×ρp×g=132230N

填料持液量產生的壓力

F2=ф×π×R2×H×ρL×g=33118 N

填料及填料持液量產生的壓強P 1=(F 1+F 2)/ (π×R2)=0.0526 MPa

作用在梁上的均布載荷q=[(P1+P2)×L1×T]/L1=69.8N/mm

梁上最大彎矩Mmax(q×L12)/8=34200533 N.mm

強度校核：

梁上的最大應力σmax=Mmax/W梁=84.7 MPa

σmax≤[σ]t，滿足強度要求；

剛度校核：

fmax=(5×q×L14)/(384×E×I)=2.63 mm

[f]=L1/500=3.96mm

?max≤[?]，滿足剛度要求；

連接在支撐管口上的支撐懸臂梁計算：

此部分考慮為一端固支的懸臂梁受集中載荷結構進行計算：

已知條件為：支座個數n=4，懸臂梁長度

L2=600mm，H型梁250×250×10，抗彎模數

W懸梁=738560 mm3，慣性矩I懸梁=92320000 mm4。

懸臂梁上豎向集中載荷FV=（F1+F2+F壓降）n=80607 N

懸臂梁上最大彎矩Mmax=FV.L2 =48364200

強度校核：

懸臂梁上的最大應力σmax=Mmax/W懸梁=65.48 MPa

σmax≤[σ]t，滿足強度要求；

剛度校核：

fmax=（FV×L23）/（3×E×I）=0.59mm

[f]=L2/500=1.2mm

?max≤[?]，滿足剛度要求；

懸臂梁與支持管口法蘭蓋焊縫強度校核：

已知條件為：角焊縫系數фa=0.7，角焊縫截面高度α=7mm，焊縫長度L3=500（保守考慮只計算橫向焊縫）,焊縫許用應力[τ]t=0.6×[σ]t=66 MPa。

焊縫剪切應力τ=FV/(α×L3×фa)=32.9 MPa

τ≤[τ]t，滿足強度要求。

4.制造、檢驗與驗收要求

鈦板和鈦管應退火狀態供貨, 鈦-鋼復合板應以消除應力退火狀態(M)供貨。鈦-鋼復合板焊接接頭型式應按GB/T 13149-2009《鈦及鈦合金復合鋼板焊接技術要求》的規定，所有焊接接頭為連續的全焊透。所有接管及鈦-鋼復合板縱環焊縫處按JB/T4745-2002設置檢漏嘴。鈦-鋼復合板對接接頭的墊板或蓋板的后面基層應設有檢漏孔，檢漏孔不得覆蓋保溫層。在設備制造過程中對鈦材鐵離子污染的預防和檢查應貫穿于整個設備的制造過程，制造廠應嚴格控制，制定相應的檢查防治措施。

5.結語

現如今由于鈦材的各種優良特性受到越來越多的關注，但是由于鈦材與其他金屬之間的焊接性能比較差，相比普通鋼材價格貴等，在設計時使用鈦材或者鈦復合板就需要考慮這些問題。隨著鈦材冶煉及加工技術的不斷提高，未來鈦及鈦合金的使用將遍及各個技術領域，新的使用條件與制造的結構形式值得我們不斷地去探索。

[1]NB/T47041,塔式容器[S]．北京:新華出版社，2014．

[2]NB/T4745，鈦制焊接容器[S]．昆明:云南科技出版社,2002．

[3]余存燁．鈦在醋酸環境中的應用分析[J]．中國材料進展,2004, 23(3):36-37．

(責任編輯 責聰)

Design of Ti-steel Composites Plate Tower Reactor and Its Packing Support

Zhang wei
（Guizhou East China Engineering Co.,LTD，Guizhou, 550002）

Ti-steel composites plate tower reactor used in many acetic acid and other corrosive media environment, this thesis describes its design methods, and in the thesis show the detail calculation of the internal special packing support, it can be used as a ti-steel explosion composite plate, industrial pure titanium to design equipment and internal packing support.

Ti-steel Tower；packing support；design

T

A

張瑋（1985～），男，貴州東華工程股份有限公司；研究方向：化工機械；