石油化工企业中的反应釜结构的有限元应力分析

摘 要：随着工业的发展，当前对于反应釜的机理、构尺寸、温度控制、局部应力分析等方面研究很多，并取得了很多的成果。但是都只局限于局部部件，例如开口，搅拌轴等部位，对筒体和夹套的整体应力分析还处于空白状态。本文利用大型三维有限元分析软件ANSYS对石油化工工艺的聚丙烯反应釜温度探头保护套管原有结构进行应力力学有限元分析计算，进而提出新的改造方案，有限元应力模拟分析结果新的结构改进方案在保证满足实际应用的前提下，其力学性能远远优于原有结构。

关键词：石油化工企业；反应釜结构；有限元应力

反应釜也就是有物理或化学反应的容器，通过对容器的结构设计与参数配置，实现工艺要求的加热、蒸发、冷却及低高速的混配功能。在我国经济的快速发展中，在石油、化工、橡胶、农药、食品等产品不断加大需求的情况下，用来完成这些用品的硫化、硝化、氢化、烃化、缩合等工艺过程的反应釜也得到了人们的普遍认可，它的发展前景也变得广阔。但是反应釜存在的固有危险性，例如反应釜中的的物料大多属于危险化学品。如果物料属于自燃点和闪点较低的物质，一旦泄漏后，会与空气形成爆炸性混合物，遇到点火源，可能引起火灾爆炸；如果物料属于毒害品，一旦泄漏，可能造成人员中毒窒息。并且但是反应釜操作压力较高，釜内的压力是化学反应产生或由温度升高而形成，压力波动较大，有时操作不稳定，突然的压力升高可能超过正常压力的几倍，因此，大部分反应釜属于受压容器。反应釜是化学工业中最常用的设备之一，也是危险性较大、容易发生泄漏和火灾爆炸事故的设备[1]。本文利用ansys软件对夹套反应釜内部应力场进行数值模拟，得到夹套式反应釜内腔和夹套的应力分布，通过改变结构参数、操作参数、物性参数等因素来进一步分析这些参数的变化对对反应釜内部应力分布规律的影响。为反应釜的前期设计和技术改造提供重要的参考依据。

1 反应釜与有限元分析

1.1 反应釜的应用特点

反应釜是化工行业用来完成物质的物理化学反应等工艺过程的典型设备之一。但是大多数情况下，反应釜也是一种带有常见缺陷的化工设备由于反应釜工作时存在易燃、易爆、毒害、腐蚀介质，因此，反应釜的缺陷在不同程度上危害人身财产安全也影响着产品质量。我国正处于反应釜生产和消费应用的高速增长期，已广泛应用于石油、化工、轻工、食品、酿酒、制药、家电、水电、机械、建筑、市政和各种民用器具中。反应釜体普遍采用钢制、铸铁或搪玻璃，反应釜所用的材料、搅拌装置、加热方法、轴封结构、容积大小、温度、压力等各有异同、种类很多。随着我国经济的发展，化工生产对反应釜的要求和发展趋势为：①大容积化，这是增加产量、减少批量生产之间的质量误差、降低产品成本的有效途径和发展趋势。②反应釜的搅拌器，已由单一搅拌器发展到用双搅拌器或外加泵强制循环。反应釜发展趋势除了装有搅拌器外，尚使釜体沿水平线旋转，从而提高反应速度。③以生产自动化和连续化代替笨重的间隙手工操作，如采用程序控制，既可保证稳定生产，提高产品质量，增加收益，减轻体力劳动，又可消除对环境的污染。④合理地利用热能，选择最佳的工艺操作条件，加强保温措施，提高传热效率，使热损失降至最低限度，余热或反应后产生的热能充分地综合利用。热管技术的应用，将是今后反应釜发展趋势。

1.2 有限元分析

有限元全称有限单元法（finite element method，FEM）属于力学分析中的数值法，它是把一个连续的介质（或构件）看成是由有限数目的单元组成的集合体，在各单元内假定具有一定理想化的位移和应力分布模式，各单元间通过节点相连接，并藉以实现应力的传递，各单元间的交接面要求位移协调，通过力的平衡条件，建立一套线性方程组，求解这些方程组，便可得到各单元和节点的位移、应力。有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互联结在一起的单元组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解区域。有限元法作为数值分析方法的一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数，分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数表达。这样，一个问题的有限元分析中，未知场函数或其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。

ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS 开发，它能与多数CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAD 工具之一。

2 夹套式反应釜受力情况分析

2.1 容器结构

夹套容器是将作为一个完整压力室的夹套连接在容器筒体、封头外部形成的多腔压力容器。使用夹套容器的目的是加热或冷却容器及其内部介质，也可以作为容器的密封绝热室。它在石油、天然气等方面得到广泛的应用，如天然气净化硫磺回收中的液流罐、冷凝冷却，造纸厂的液氯气化器等都是带有各种夹套型式的夹套容器。夹套容器按夹套包容容器的程度分为全夹套容器即容器筒体和上下封头全部带有夹套（见图3-1）；局部夹套容器即容器筒体上下封头局部带有夹套（图3-2）。

图2-1 全夹套容器结构 图2-2 局部夹套容器结构

2.2 容器受力分析

夹套式反应釜自1912年发明以来取得迅猛发展，简单来说，夹套内筒内外两侧实际存在着3个压力，受力如图2-3所示：

图2-3 夹套反应釜的受力图

图中P1为内筒内压力；P2为夹套压力；P3为夹套反应釜外部压力。由此可见夹套式反应釜简化模型后结构简单，受力情况易于分析。

带夹套容器的内筒壳体要同时承受内压力和夹套外压力的作用。在操作时容器内筒和夹套内的压力大小不同，同时在压力试验过程中不可能保持两侧操作时的压力状态，可能会出现多种危险状态，使内筒壳体的受力状态十分复杂。在设计过程中，需要充分考虑各种危险组合对容器安全性产生的影响，并以其最危险的压力组合作为设计载荷，确定容器的设计壁厚。容器筒体内的操作压力高于夹套内操作压力这类夹套容器的壳体在操作过程中承受内压力（压力差） 的作用。其最危险的压力组合状态是：当夹套内的压力为0 时，容器内为最高操作压力或试验压力。在这种情况下，容器以内压进行强度计算，并以夹套内的压力作为外压进行稳定性校核。容器的试验压力值取其设计压力值的1.25 倍乘以温度修正系数。即把容器内筒当作内压容器进行设计和压力试验，但需要考虑在可能承受最大外压力作用下的稳定性。

同时夹套反应釜的内筒除了侧面受均匀外压情况外，在受轴向压缩载荷时，同样会发生失稳。内筒受压缩载荷有3 种情况，一是沿轴线受均匀压缩载荷，压缩载荷的合力为P；二是仅受侧向的均布外压P作用；第三种是在侧向和轴向同时受均匀外压P 的作用，理论分析表明这种情况中的轴向外压对筒体失稳的影响不大。因此，夹套反应釜的内筒内外侧实际存在着3个压力，如图2-4所示。

图2-4 夹套式反应釜所受压力

图中P1为内筒内压力；P2为夹套压力；P3为夹套反应釜外部压力。在分析夹套所包围的内筒部分的承压性质及确定所受压力时，应充分考虑在正常操作情况下可能出现的内外压力差，所以确定内筒的压力P时，实际应考虑3个压力：一是内筒内压力P1；二是夹套内压力P2；三是根据内筒受到的内外压力差决定的压力ΔP 。在实际操作过程中还会出现一些危险工况，所以计算时必须充分考虑危险工况，计算内筒内外侧的最大压力差ΔPmax，从而确定所受压力P，进行壁厚计算。

3 石油化工企业中卧式搅拌床反应釜温度探头结构的应用有限元盈利分析

3.1 应用概况

在石油化工企业中卧式搅拌床反应釜，温度探头是保证该反应釜正常反应温度的核心元件。由于工艺特点，在实际的聚丙烯聚合反应过程中不可避免地会产生块状的聚丙烯固体，块状固体聚丙烯就成了阻碍搅拌浆旋转的障碍物，它会将搅拌浆在旋转过程中产生的巨大挤压力传给温度探头套管，在其根部产生很大的弯曲应力，造成套管较大的弯曲变形。同时聚丙烯聚合反应对温度要求十分敏感，反应温度严格控制在71.1℃左右。但是如固体聚丙烯块料的体积过于大，会使温度探头套管的弯曲变形角度过大，直至探头套管贴到反应釜的釜壁。这时探头所测得的湿度就不是反应釜内的实际温度，而是反应釜釜壁温度，此时温度探头传回的电信号就是一种错误的温度信号，使得控制釜发出错误的指令，急冷液控制阀产生错误动作，过大的块料，进而造成全线停车清釜，给石油化工企业的生产带来严重损失，也有一定的安全问题。理想的解决方法是防止在聚合反应过程中产生块状体，但从目前的工艺条件来看，反应过程中产生块状体是不可避免的，并且块状体的大小也是无法控制的。

3.2 抗弯曲实验分析

抗弯曲实验是在60T液压式万能材料实验机上进行，先将原结构温度探头套管固定在实验机上，测量实验机压头到套管顶端的距离，该距离为33 mm。然后缓缓加力，当压力加至5 kN时，我们发现出现明显的塑性变形，立即停止加压。观察套管弯曲变形情况，此时的变形在弹性范围内，微小的变形无法用肉眼观察到；继续加力，当压力达到11 kN时变形仍在弹性范围内，还是无法用肉眼观察。考虑到改进后的温度探头套管已具有大于100%以上的抗弯曲能力，并且我们也不想将此套管破坏掉，因此我们停止了加力。

3.3 有限元应力分析

3.3.1 原结构温度探头套管的有限元应力分析

在对原结构温度探头套管进行有限元应力分析中，根据结构的对称性我们取套管的1/2作为计算模型，选用的有限元单元为三维单元。在离套管33 mm处作用了5 kN的集中力，力的方向为水平方向与弯曲实验基本一致，见图3-1与图3-2。