加氫反應(yīng)器強度設(shè)計及理論計算

加氫反應(yīng)器強度設(shè)計及理論計算

北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院李嚴(yán)州

摘要

加氫精制技術(shù)是目前石化行業(yè)中重要的加工手段之一是現(xiàn)代石油煉制

企業(yè)

的一種改善和提高石油產(chǎn)品質(zhì)量的重要加工過程它能有效地使原料油中的

硫

氮氧等非燃化合物氫解使烯燃芳煌選擇加氫飽和并能脫除重金屬和瀝青質(zhì)

等雜質(zhì)它具有處理原料范圍廣液體收率高產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點選用加氫精

制技術(shù)可以有效地提高各種石油產(chǎn)品質(zhì)量因為它是在分子水平上通過臨氫

催化

反應(yīng)對石油儲分進行精制故加氫的石油產(chǎn)品質(zhì)量較好是目前其他方法無法

比

擬的此外它還兼有收率高操作靈活和有利于環(huán)境保護等特點

本設(shè)計通過對加氫技術(shù)研究目的與必要性進行了探討分析了某個石化

分公

司生產(chǎn)的航空煤油加氫工藝對加氫工藝所要求的反應(yīng)器特殊設(shè)計內(nèi)容進行

了綜

述與分析并對具體的一種加氫精制反應(yīng)器進行了強度等設(shè)計包括對加氫反

應(yīng)

器給出的各種主要結(jié)構(gòu)進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計通過對零部件的計算確定了各種附

件

的結(jié)構(gòu)型式并繪制了相應(yīng)的加氫反應(yīng)器裝配圖與零件圖通過本文對加氫反

應(yīng)

器本體的強度載荷風(fēng)載荷以及地震載荷的計算與校核設(shè)計出一套符合設(shè)計

要

求滿足設(shè)計條件的加氫反應(yīng)器

關(guān)鍵詞加氫精制脫硫固定床反應(yīng)器強度設(shè)計風(fēng)載荷地震載荷

裙座

III

加氫反應(yīng)器強度設(shè)計及理論計算

Abstract

Petroleumhydrotreatingtechnologyisoneof

themostimportantmethodsof

petroleumrefiningqualityimprovingandresidual

oilprocessingHydrotreating

refiningcaneffectivelyremovethenon-hydrocarbonscomponent

presentedincrude

oilsuchassulphurnitrogenandoxygenandmake

olefinsandarenassaturated

selecticelyandremoveimpuritiesincludingofmetalandasphaltThe

technologyof

selectionofhydrogenationcanimproveeffectivelythequalityofoil

productsowing

tothatreactionisdoneatthemolecularlevel

throughofcatalyticprocessThe

hydrogenationofoilproductqualityisoneofthebestanditis

wouldntbeinsteadby

anotherInadditionhighyieldoperationalflexibilityandbegood

toenvironmental

arethecharacters

Thisdiscoursehasdiscussedtheobjectiveand

necessaryofthehydrogenation

andanalyzedthehydrogenationprocesswhichusedtoproducethe

aviationkerosene

inonepetrochemicalcompanyThespecialdesignaboutreactorinthe

hydrotreating

technologyweresummarizedandaspecific

hydrogenationreactorweredesigned

whichconsistofmainstructureandkindsofpartsIthasdetermined

thestructuralof

theannexandoneassemblyandtwopartsofthehydrogenationreactor

weredoneIt

4

hasdesignedasetofhydrogenationabouthandingcapacityof40X10

tathrough

calculationandthinkoftheintensionloadofwindandseismic

KeywordsHydrogenationDesulphurizationFixed-bedreactor

Strength

designWindloadsEarthquakeloadSaddle

IV

北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院李嚴(yán)州

目錄

第一章前言1

11加氫反應(yīng)器選題背景1

12加氫反應(yīng)器研究意義與指導(dǎo)思想2

13加氫反應(yīng)器設(shè)計擬解決的主要問題3

第二章文獻綜述4

21加氫技術(shù)分類4

22加氫精制技術(shù)地位和作用7

23加氫裂化技術(shù)發(fā)展的歷史機遇8

24加氫過程的影響因素10

25加氫過程對設(shè)備的影響11

第三章研究方法與步驟13

31加氫精制工藝流程14

32氫氣對設(shè)備材料鋼的腐蝕15

33柴油加氫精制裝置的技術(shù)改造實例分析20

第四章加氫反應(yīng)器的工藝過程介紹26

41催化劑的確定及催化劑的預(yù)硫化26

42工藝方案的選擇及流程敘述29

43航煤加氫裝置反應(yīng)器工藝條件及設(shè)備尺寸的確定31

44儀表控制34

第五章加氫反應(yīng)器尺寸確定與理論計算35

51固定床加氫反應(yīng)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)35

52固定床加氫反應(yīng)器工藝尺寸的確定38

53反應(yīng)器的壓降計算39

54催化劑床層壓降計算40

加氫反應(yīng)器強度設(shè)計及理論

計算

55加氫反應(yīng)器幾何尺寸41

56加氫反應(yīng)器強度設(shè)計42

57加氫反應(yīng)器強度校核43

58加氫反應(yīng)器零部件設(shè)計45

59加氫反應(yīng)器人口手孔設(shè)計47

510加氫反應(yīng)器設(shè)備接口50

511加氫反應(yīng)器裙座設(shè)計53

512地震載荷63

513風(fēng)載荷67

第六章結(jié)論70

參考文獻71

致謝73

獨創(chuàng)性聲明74

學(xué)位論文電子版授權(quán)使用協(xié)議74

VI

北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院李嚴(yán)州

第一章前言

11加氫反應(yīng)器選題背景

加氫技術(shù)在煉廠加工流程中的多個環(huán)節(jié)上使用應(yīng)用范圍十分地廣泛與

諸

[1]

如催化重整催化裂化焦化等主要加工手段緊密相連

特別是近十幾年來

隨著環(huán)境保護和清潔燃料對產(chǎn)品質(zhì)量的要求不斷提高對于煉油企業(yè)來說常

規(guī)

的煉油技術(shù)難以滿足環(huán)保的要求迫切需要一種生產(chǎn)清潔燃料的煉油工藝在

這

種背景下加氫工藝得到快速發(fā)展加氫后的產(chǎn)品能夠較好滿足生產(chǎn)清潔燃料

的

要求并有進一步開發(fā)利用的空間同時由于各煉油企業(yè)為了降低成本采購

加工原油質(zhì)量越來越差常規(guī)的二次加工裝置受到硫等雜質(zhì)含量的制約而無

法加

工加氫技術(shù)的快速發(fā)展較好地解決了上述問題可以充分消化加工這些高含

硫

等雜質(zhì)的儲分而且加氫裂化裝置與加氫精制裝置的流程靈活可以為催化重

整乙烯催化裂化等裝置提供原料還能生產(chǎn)超低硫的航煤柴油等燃料所

加工的原料儲分也非常廣包括減壓蠟油焦化蠟油脫瀝青及催化重柴油等儲

⑵

分

作為煉油企業(yè)中重要的加工工藝加氫技術(shù)隨著國內(nèi)重工業(yè)的發(fā)展共同

成長

著中華人民共和國成立以后中國的煉油工業(yè)獲得了極大的發(fā)展尤其是改革

開放以來我國國民經(jīng)濟一直快速發(fā)展對能源的需求量快速增長作為重要能

源之一的石油需求量也在逐年增加2003年我國原油消費量約為250Mt

已躍

升為世界第二大石油消費國預(yù)計到2010年將超過400Mt為滿足國民經(jīng)

濟快

速發(fā)展的需求除了有限的國產(chǎn)原油之外進口原油逐年增長據(jù)統(tǒng)計2003

年進口原油910Mt2004年進口原油增加到1200Mt增幅近32%世界原

油

的開采已有近百年的歷史總的趨勢是原油質(zhì)量逐年變差據(jù)統(tǒng)計世界原油平

[3]

均含硫量已從2000年之前的09%上升到2000年后的16%原油平均

相對密

3

度也逐漸升高已從2000年之前的8514kgm上升到

2000年之后的8633

3

kgm由于進口原油大多數(shù)是質(zhì)量較差的含硫原油國產(chǎn)原油質(zhì)量也日趨惡劣

化因此數(shù)量眾多質(zhì)量低劣的含硫油加工技術(shù)己構(gòu)成了我國石油煉制的突出

矛盾

與此同時我國龐大的消費市場對輕質(zhì)油品及中間儲分油的需求量逐年

增

加尤其近幾年快速發(fā)展的農(nóng)業(yè)汽車工業(yè)和航空運輸業(yè)對各種燃料油的消費

量增加很快

20世紀(jì)90年代環(huán)保問題越來越受到世界各國的重視發(fā)達(dá)國家先后推

出

1

加氫反應(yīng)器強度設(shè)計及理論計算

了高質(zhì)量的清潔燃料標(biāo)準(zhǔn)并分階段逐年提高

近幾年我國的汽油和柴油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)也在不斷升級并逐步向國際先進標(biāo)

準(zhǔn)

靠攏國家從2003年開始已將車用輕柴油的硫含量限定為不大于500

口gg從

2005年7月1日執(zhí)行車用無鉛汽油硫含量不大于500

Ugg的標(biāo)準(zhǔn)對比國外清

潔燃料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)我國的石油產(chǎn)品質(zhì)量差距還很大未來的發(fā)展空間還很廣闊

尤其是我國環(huán)保法規(guī)的普及實施無疑將大大加快石油產(chǎn)品質(zhì)量升級的步伐

清

潔燃料的推廣和普及已提到議事日程加氫技術(shù)已成為生產(chǎn)清潔燃料的重要

技

術(shù)此外依賴石油加工過程提供原料的石油化工行業(yè)的發(fā)展也很快產(chǎn)量逐年

增加2002年用于化工輕油已達(dá)210Mt比1998年增加450Mt而且質(zhì)量

要

求也在不斷提高

：3]

綜上所述加氫技術(shù)是迎合上述各種需要的一種很好的應(yīng)對方法

同時加氫對技術(shù)的投入對生產(chǎn)設(shè)備的需求是同步而來氫的溢出和對金

屬

裝置的氫脆及各種損壞影響石油化工行業(yè)的生產(chǎn)與進程為了降低甚至消除

加

氫對裝置的損害順利發(fā)展加氫技術(shù)是一個重要的方向

12加氫反應(yīng)器研究意義與指導(dǎo)思想

我國加氫技術(shù)具有很大的發(fā)展空間與潛力自20世紀(jì)70年代國內(nèi)引進

揚子

[1]

金山南京和茂名4套加氫裂化裝置以來陸續(xù)新建了多套加氫裂化裝置

但

與國外加氫技術(shù)相比其普及性還是不太廣加氫技術(shù)對裝置的要求也是一個

變

化的量影響石油儲分加氫過程的主要因素有反應(yīng)壓力反應(yīng)溫度空速和氫

油比原料的性質(zhì)和催化劑等為提高加氫過程的效率除了討論反應(yīng)速度之外

[4]

還涉及到熱力學(xué)方面的問題所以對不同加氫裝置需要對

設(shè)備有不同的要求

大學(xué)生研究加氫反應(yīng)器強度設(shè)計方面的問題是非常有現(xiàn)實意義的它不

但可

以了解現(xiàn)階段國家能源需求現(xiàn)狀國內(nèi)外之間的能源利益我國石油化工行業(yè)

的

發(fā)展現(xiàn)狀趨勢與國外的技術(shù)差距以及石油化工行業(yè)中重要設(shè)備生產(chǎn)工藝流

程

和設(shè)計要求而且能培養(yǎng)個人嚴(yán)整謹(jǐn)密的學(xué)習(xí)研究態(tài)度和對專業(yè)知識的鞏固

與

加強也是對未來參與設(shè)計工作的一種經(jīng)驗和實踐鍛煉

根據(jù)某公司生產(chǎn)航空煤油的工藝條件對加氫反應(yīng)器進行優(yōu)化改進在此

工

藝基礎(chǔ)條件下提高工藝航煤硫氮雜質(zhì)脫除的能力提高輕質(zhì)油收率滿足原

油加工量及日益增大的航煤市場需求

2

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13加氫反應(yīng)器設(shè)計擬解決的主要問題

本課題要求針對加氫反應(yīng)器進行強度理論分析加氫反應(yīng)主要分為加氫

裂化

與加氫精制兩種根據(jù)國內(nèi)外發(fā)展需求與現(xiàn)狀可任選其一進行詳細(xì)的理論分

析

并得出如何改善氫氣對加氫反應(yīng)器設(shè)備損傷的現(xiàn)狀針對國內(nèi)一種典型的加

氫設(shè)

備進行強度核算并探討出一種較為理想的解決處理方案

1分析煉油行業(yè)中加氫反應(yīng)概論

2探討氫氣對加氫裝置在材料方面的影響

3分析國內(nèi)外中日美等如何解決氫氣對加氫反應(yīng)器材料的損傷問題

4針對目前存在的問題對國內(nèi)某典型設(shè)備航煤加氫設(shè)備進行強度設(shè)計核

算

3

加氫反應(yīng)器強度設(shè)計及理論計算

第二章文獻綜述

加氫也稱作氫化是指在催化劑存在下某種化學(xué)物質(zhì)與氫的加和反應(yīng)即

稱之為加氫反應(yīng)

加氫技術(shù)主要是指原料在氫壓和催化劑條件下通過加氫反應(yīng)和或加

[56]

氫裂化反應(yīng)達(dá)到產(chǎn)品要求的一類工藝技術(shù)總稱

它的特點一是必須有催化

[78]

劑因此以氫作為稀釋劑用于生產(chǎn)乙烯丙烯的加氫裂解不屬于此列

是必須以加氫反應(yīng)為主故以脫氫反應(yīng)為主的催化重整亦不歸屬加氫技術(shù)

一般來說反應(yīng)溫度在600℃以上所進行的過程稱之為裂解應(yīng)用溫度在

600

℃以下進行的過程則稱為裂化由于石油煉制工業(yè)中加氫過程的最高反應(yīng)溫

度約

為500℃所以人們以加氫裂化相稱而石油化學(xué)工業(yè)反應(yīng)溫度一般800~900

⑻

°C人們稱為加氫裂解

加氫技術(shù)的主要任務(wù)是改變原料化學(xué)組成脫除雜質(zhì)改善產(chǎn)品質(zhì)量油儲

[9]

分油渣油及頁巖油及煤的輕質(zhì)化

21加氫技術(shù)分類

加氫技術(shù)主要分為加氫精制和加氫裂化兩個領(lǐng)域加氫裂化的概念是指

通過加氫反應(yīng)是原料油中大于或等于10%以上的分子變小的一些加氫過程

加氫精制過程則是指在保持原料油分子骨架結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化或變小的情況

下將雜質(zhì)脫除以達(dá)到改善油品質(zhì)量為目的加氫反應(yīng)即在有催化劑和氫氣存

在下將石油儲分中含硫氮氧及金屬的非煌類組分加氫脫除以及烯煌芳煌

[3][10]

發(fā)生加氫飽和反應(yīng)下面分別具體討論下這兩種加氫方法

com加氫裂化

加氫裂化是中有深度加工的主要技術(shù)之一即在催化劑存在的條件下在

高

溫及較高的氫分壓下使C-C鍵斷裂的反應(yīng)可以使大分子煌類轉(zhuǎn)化為小分

子

煌類使油品變輕的一種加氫工藝它加工原料范圍廣包括直儲石腦油粗柴

油減壓蠟油以及其他二次加工得到的原料如焦化柴油焦化蠟油和脫瀝青油

等

通?？梢灾苯由a(chǎn)優(yōu)質(zhì)液化氣汽油柴油噴氣燃料等清潔燃料和輕石腦油等

優(yōu)質(zhì)石油化工原料

為了便于統(tǒng)計美國油氣雜質(zhì)轉(zhuǎn)化率大于50的加氫過程稱為加氫裂化

實際上應(yīng)用中人們習(xí)慣將通過加氫反應(yīng)使原料有中有10%?50%的分子

變小

的那些加氫工藝稱為緩和加氫裂化通常所說的常規(guī)高壓加氫裂化是指

4

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反應(yīng)壓力在100MPa以上的加氫裂化工藝中壓加氫裂化是指在100

MPa

以下的加氫裂化工藝

加氫裂化反應(yīng)中除了裂解是吸熱反應(yīng)其他反應(yīng)中大多數(shù)均為放熱反

應(yīng)總

的熱效應(yīng)是強放熱反應(yīng)加氫裂化按加工原料不同可以分為儲分油加氫裂

化和渣

油加氫裂化

com加氫精制

加氫精制主要作用有加氫脫硫脫氧脫氮及脫金屬等許多化合物中存

在過量的硫氮氧及其他金屬需要用氫化反應(yīng)將其除去其中以加氫脫硫

為說明重點加氫脫硫反應(yīng)如下

在加氫精制條件下石油儲分中的硫化物進行氫解轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的炫和

HS

2

從而硫雜原子被脫掉例如

硫醇

2-1

RSHHRHHS一

22

硫酸

2-2

RSRHRSHRH一

2

2-3

RSHHRHHS-

22

硫化物

2-4

RSSRHRSH22RHHS

22

RSH2RSH—H02

2-5

二硫化物加氫發(fā)硬轉(zhuǎn)化為燃和HS要經(jīng)過生成硫醇的中間階段即

首先在

2

S-S鍵上斷開生成硫醇再進一步加氫生成燃和硫化氫中間生成的硫醇也

能

轉(zhuǎn)化成硫酸

對多種有機硫化物的加氫脫硫反應(yīng)研究表明硫醇硫酸二硫化物的加

氫

脫硫反應(yīng)在比較緩和條件下容易進行這些化合物首先在C-S鍵S-S鍵

上發(fā)生

斷裂生成的分子碎片再與氫化合環(huán)狀硫化物比較困難需要苛刻的條件一

般是首先環(huán)狀中雙鍵發(fā)生加氫飽和然后才發(fā)生斷環(huán)脫去硫原子但最新研

究表

明雜環(huán)硫化物也可直接脫硫例如二苯并唾吩加氫脫硫產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)聯(lián)苯這

是

二苯并曝吩直接脫硫的證明

根據(jù)含硫話務(wù)加氫脫硫反應(yīng)的平衡常數(shù)可見在催化加氫常溫度

500—900K

范圍內(nèi)除了噴吩類化合物外其他類型含硫化物的加氫脫硫反應(yīng)的平衡常

數(shù)

IgK均大于零亦即加氫脫硫反應(yīng)能順利進行但在較高的溫度下嚷吩的加

氫

P

反應(yīng)受到了化學(xué)平衡反應(yīng)限制曝吩加氫脫硫隨溫度的升高平衡轉(zhuǎn)化率下

降

說明了熱力學(xué)限制的存在當(dāng)壓力為1MPa反應(yīng)溫度不超過700K時曝吩

加

氫的轉(zhuǎn)化率摩爾分?jǐn)?shù)可達(dá)990而溫度越高壓力越低平衡轉(zhuǎn)化率越低

5

加氫反應(yīng)器強度設(shè)計及理論計算

由此可見在工業(yè)加氫裝置所采用的條件下由于熱力學(xué)

限制有時可能達(dá)不到

很高的脫硫率研究表明分子中有暖吩結(jié)構(gòu)存在的稠環(huán)

芳香型高分子含硫化物

其加氫脫硫反應(yīng)在熱力學(xué)上是不利的反應(yīng)壓力應(yīng)不低

于3MPa反應(yīng)溫度不應(yīng)

超過700K

各種有機含硫化合物在加氫脫硫反應(yīng)中的反應(yīng)活性

因分子結(jié)構(gòu)和分子大小

不同而異按一下順序遞減

RSHRSSRRSR口塞吩

曝吩類型化合物的反應(yīng)活性在工業(yè)加氫脫硫條件下

因分子大小不同而按

以下順序遞減

曝吩苯并嚷吩2二本酚曝苯甲基取代的苯并

根據(jù)加氫脫硫反應(yīng)動力學(xué)關(guān)系硫化物的氫解反應(yīng)屬

于表面反應(yīng)硫化物和

氫分子分別吸附在催化劑不同類型的活性中心上其反

應(yīng)速度方程可以用朗格繆

爾欣謝伍德方程來描述研究者還指出對加氫脫硫反應(yīng)

來講沒有一個統(tǒng)一的

適用于所有反應(yīng)的速度方程式因為反應(yīng)包括了若干連

續(xù)的有時是平衡的步驟

并且至少在工業(yè)操作條件下這寫步驟通常是內(nèi)擴散控

制的

對于所有石油儲分的加氫脫硫其總括反應(yīng)的動力學(xué)

公式一般可以用以下表

達(dá)式描述

dxE

[1expa

karxfPH

d02RT

式中

X-表示轉(zhuǎn)化率

a-表示原料中硫的初始含量

在研究反應(yīng)溫度對石油微分脫硫速度的影響時得到

當(dāng)原料越重反應(yīng)活性

越差時其表觀活化能越大最后應(yīng)當(dāng)指出硫化物對氫解

反應(yīng)有一定的抑制作

用此外存在與氣相中的抑制作用此外存在與氣相中的

含氮含氧化合物

以及烯煌芳香煌等同樣可能或多或少地起著抑制作用

這在確定過程的操作條

[10]

件時是需要考慮的

6

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22加氫精制技術(shù)地位和作用

加氫精制技術(shù)是目前改善和提高石油產(chǎn)品質(zhì)量的主要手段之一是現(xiàn)代

石油

煉制工業(yè)的重要加工過程之一是提升石油產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)石油產(chǎn)品及

石油

[11]

化工原料的主要手段

com煉制技術(shù)整體水平標(biāo)志

隨著我國煉油和石油化工事業(yè)的迅速發(fā)展和加氫裝置加工能力的迅速

增加

以為這我國煉油技術(shù)的整體素質(zhì)和水平在不斷的提高表1T列出了我國近

幾年

[12]

原油加工能力及主要煉油裝置結(jié)構(gòu)的變化

由表1T看出我國加氫精制裝置的加工能力從1965年2套重裝原

料預(yù)力口

氫總量只有200kta算起到1998年我國臨氫催化加工能力達(dá)到了42935

Mta

而到2002年又增至86021Mta2002年的加氫能力比1998年增加了

10035%

尤其加氫精制加工能力增幅最大達(dá)到1212%此外加氫裝置的加工能力占

原油加工能力的比例也有1998年的1756%上升為2002年的2971%由

此可見

我國加氫技術(shù)快速發(fā)展的態(tài)勢以及在石油加工過程中的地位和作用數(shù)據(jù)表

明

我國加氫精制技術(shù)已越來越受到關(guān)注和青睞目前我國加氫能力絕對量列在

美國俄日和德國等發(fā)達(dá)國家之后據(jù)世界排名第五位

表2-1我國原油加工能力及主要煉油裝置構(gòu)成Mta

年份1998199920002001

2002

原油加工能力24455269232771328099

28951

催化裂化能力82628810990010096

10280

占原油加工比3378337235723593

3551

延遲焦化能力1853206321142164

2465

占原油加工比758766763770

851

催化重整能力139130148766155766

175563197863

占原油加工比569553556625

683

加氫能力總計42935532255927667246

86021

占原油加工比1756197721352393

2971

其中加氫裂化能力1084129611471337

1502

其中加氫處理能力2840520052005200

5200

其中加氫精制能力292553510542606

4867665801

com加氫精制技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛

加氫精制技術(shù)在石油加工中的應(yīng)用范圍幾乎涵蓋了石油煉制過程的大

部分

石油產(chǎn)品例如氣態(tài)煌類直儲及二次加工汽油催化裂化汽油焦化汽油

熱裂解及整齊裂解汽油煤油蠟及特種油品潤滑油常減壓渣油等各種油

7

加氫反應(yīng)器強度設(shè)計及理論計算

品均可以選擇合適的加氫精制或加氫處理工藝以制取相應(yīng)的石油產(chǎn)品和石

油

化工原料

com石油產(chǎn)品質(zhì)量升級的保證

選用加氫精制技術(shù)可以有效地提高各種石油產(chǎn)品質(zhì)量因為它是在分子

水平

上通過臨氫催化反應(yīng)對石油儲分進行精制故加氫的石油產(chǎn)品質(zhì)量是最好的

也

是目前其他方法所無法比擬的此外它還兼有收率高操作靈活和有利于環(huán)境

保護等優(yōu)點

com環(huán)保法規(guī)的實施

隨著知識經(jīng)濟時代的到來環(huán)保保護已經(jīng)越來越受到全球人類的關(guān)注發(fā)

展

環(huán)境友好技術(shù)和向社會提供環(huán)境友好產(chǎn)品已是我國石化行業(yè)責(zé)無旁貸的任

務(wù)

據(jù)中國石化報報告上海市于2004年4月推出了98號清潔汽油和新型0

號城市

車用清潔柴油2005年7月底中國石化已向北京市場全面供應(yīng)符合歐HI

排放

標(biāo)準(zhǔn)的清潔燃料

目前中國石化正在推廣應(yīng)用的加氫技術(shù)均屬于環(huán)境友好技術(shù)采用加氫

技

術(shù)生產(chǎn)的石油產(chǎn)品也將逐步實線和全面達(dá)到符合環(huán)保法規(guī)的要求欲實現(xiàn)上

述

[11]

指標(biāo)要求無疑加氫精制技術(shù)將扮演主要角色并發(fā)揮越來越重要的作用

23加氫裂化技術(shù)發(fā)展的歷史機遇

隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展和人們環(huán)保意識的增強必然刺激高質(zhì)量

石化

[13-18]

產(chǎn)品需求的增長從而促進加氫技術(shù)的發(fā)展

com加工進口含硫高硫原油的需求

石油在我國中能源消費結(jié)構(gòu)中占20%據(jù)國際能源機構(gòu)預(yù)測未來20

年中

國對石油及其產(chǎn)品的需求將呈快速增長趨勢預(yù)計到2020年石油在我國總

能

源消費結(jié)構(gòu)中的比例將上升至26%刺激石油消費增長的主要因素是交通

運輸

我國未來將大力發(fā)展汽車工業(yè)到2010年汽車將增產(chǎn)80%目前世界石油

資

源仍比較豐富但分布極不均勻世界上剩余的石油探明儲量分布大致為中東

地區(qū)占67%其中沙特占全球142002年OPECOrganizationofthe

Petroleum

ExportingCountries石油儲量達(dá)111084億噸占世界總儲量的792%

按現(xiàn)有

生產(chǎn)水平計算可采79年該地區(qū)消費量僅占全世界18%西歐占18%北美

[15-16]

占54%亞太地區(qū)占43%這些地區(qū)卻是世界石油主要消費市場

世界原油開采已有100多年歷史淺層好開采的低硫原油越來越少深層

難

8

北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院李嚴(yán)州

開采的重質(zhì)含硫或高硫原油越來越多目前世界上含硫硫含量05%~20%

原油和高硫硫含量2%以上原油的產(chǎn)量已占全世界原油總產(chǎn)量的75%以

上

其中硫含量10%以上原油占世界原油總產(chǎn)量的55%以上硫含量20%以

上原

油占世界原油總產(chǎn)量的30%以上

近10年來我國國民經(jīng)濟按年均97%的速度增長原油消費量也呈年

均

577%的速度增加近年來國內(nèi)外一些機構(gòu)從不同角度以各種不同的預(yù)測方

法對中國21世紀(jì)初石油需求進行了預(yù)測中國國內(nèi)機構(gòu)的預(yù)測值略低于國

外

的預(yù)測值但到2010年石油需求預(yù)測值21世紀(jì)初石油供應(yīng)量的預(yù)測國內(nèi)

外機

構(gòu)的看法較為一致如果沒有大的石油發(fā)現(xiàn)和技術(shù)上的突破進展正常情況下

中

國在2010年前后的高峰產(chǎn)量很難超過2X108t左右中國石油對外的依存

度將增

至50%

我國石油需求與可開采量之間的巨大差距只有靠進口原油來彌補自

1994

年我國變?yōu)槭蛢暨M口國以來石油消費量不斷上升2002年進口6941萬

噸

[17-18]

2003年達(dá)到9112萬噸而2004年為12000萬噸預(yù)

計到2020年石油

進口至少3億噸而穩(wěn)定可靠的最大原油來源為中東含硫和高硫原油國家按

八昭、、

進油方便出路暢通靠近煉廠快速反應(yīng)的原則進行選址布局沿海煉廠

[16]

將是含硫和高硫原油的加工用戶

com提高原油加工深度和輕質(zhì)油收率的需求

全球煉廠加工原油的平均相對密度由1999年的08514上升到

2001年的

08633平均含硫量也有1999年的09%上升到2001年的16%原油中重

金屬

[16]

鍥軌鐵的含量均呈現(xiàn)上升趨勢

美國型煉廠主要生產(chǎn)汽油西歐型煉廠主要生產(chǎn)柴油雖然原油重質(zhì)化劣

質(zhì)化但產(chǎn)品要求輕質(zhì)化因此企業(yè)要提高原油資源利用率和經(jīng)濟效率必須采

取深加工技術(shù)提高輕質(zhì)油收率多出輕質(zhì)油少出燃料油

com調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的需要

儲分油加氫裂化可按最大量生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)中間儲分油最大量生產(chǎn)噴氣燃料

最大量生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)柴油最大量生產(chǎn)石腦油靈活生產(chǎn)石腦油和中間儲分油等多

種

方案產(chǎn)生潤滑油加氫裂化可按最大量生產(chǎn)高檔潤滑油基礎(chǔ)油靈活生產(chǎn)燃料

和

潤滑油基礎(chǔ)油方案生產(chǎn)渣油加氫裂化可按全轉(zhuǎn)化生產(chǎn)中間儲分油和蠟油部

分

轉(zhuǎn)化生產(chǎn)中間儲分油蠟油和催化裂化原料方案生產(chǎn)

9

加氫反應(yīng)器強度設(shè)計及理論計算

com石油化工發(fā)展需求

加氫裂化采用了全循環(huán)操作以最大量生產(chǎn)芳香煌潛含量高的優(yōu)質(zhì)催化

重

整原料以進一步制取輕質(zhì)芳煌滿足聚酯等化纖原料需求

com企業(yè)提高經(jīng)濟效率的需求

隨著高硫原油與含硫原油含硫原油與低硫原油輕質(zhì)原油與重質(zhì)原油價

差的加大企業(yè)要使經(jīng)濟最大化就必須要加工高硫重質(zhì)原油加氫裂化具有加

工高硫重質(zhì)原油的靈活性

com產(chǎn)品質(zhì)量和環(huán)保的需要

當(dāng)今世界發(fā)展的三大主題人口資源環(huán)境汽車與這三方面密切相

關(guān)1998年我國汽車消耗汽油32Mt和柴油45Mt2000年分別是40Mt

和60Mt

有關(guān)數(shù)據(jù)表明目前我國城市機動車空氣污染的表現(xiàn)形式是以環(huán)境空氣中氮

氧化

合物NOx超標(biāo)為主要特征存在光化學(xué)嚴(yán)重污染危險的潛在威脅需進一步

降低汽車排放改進和提高燃油汽柴油品質(zhì)與發(fā)達(dá)國家相比我國汽油

柴油在品質(zhì)上的主要差距見表2-2

表2—2汽油柴油品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

中國美國西歐

日本

汽油硫含量ugg100080030300

10030~50

柴油硫含量口gg2000500500500500

烯煌含硫量%351020

20

注內(nèi)數(shù)字為部分城市標(biāo)準(zhǔn)中國為北京上海廣州三城市標(biāo)準(zhǔn)

同時存在汽油ON變化大添加氧化物少含硫量較低柴油芳香燒含

量高氧化安定性較差膠質(zhì)含量較高易產(chǎn)生沉淀十六烷值較低等差距

加氫裂化是唯一能在輕質(zhì)化的同時直接制取低硫低芳香煌清潔燃料的

技術(shù)對二次加工油品如催化裂化柴油焦化柴油可通過芳燃開環(huán)及深度脫硫

脫芳香燒制取清潔柴油產(chǎn)品

24加氫過程的影響因素

[19]

影響石油儲分加氫過程的主要因素有反應(yīng)壓力反應(yīng)溫度空速和氫油比

com反應(yīng)壓力

反應(yīng)壓力的影響是通過氫分壓來體現(xiàn)的系統(tǒng)中的氫分壓決定于操作壓

力

氫油比循環(huán)氫純度以及原料的氣化率

10

北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院李嚴(yán)州

對于含硫化合物的加氫脫硫和烯燃的加氫飽和反應(yīng)在壓力不太高時就

有較

高的平衡轉(zhuǎn)化率因此在較高的反應(yīng)壓力下加氫精制的反應(yīng)深度不受化學(xué)熱

力

學(xué)控制提高反應(yīng)壓力使精制深度增大特別說脫氮效率顯著提高這是因為

脫氮反應(yīng)速度較低而對脫硫率影響不大這是因為脫硫速度較高在較低壓力

時已有足夠的反應(yīng)時間在工業(yè)加氫過程中反應(yīng)壓力不僅是一個操作因素而

且也關(guān)系到工業(yè)裝置設(shè)備投資和能量消耗

com反應(yīng)溫■度

提高反應(yīng)溫度會使加氫精制和加氫裂化的反應(yīng)速度加快工業(yè)上希望有

較高

的反應(yīng)速度但反應(yīng)溫度的提高受某些反應(yīng)的熱力學(xué)限制所以必須根據(jù)原料

性質(zhì)和產(chǎn)品要求等條件選擇是以的反應(yīng)溫度

com空速和氫油比

空速反映了裝置的處理能力工業(yè)上希望采用較高的空速但是空速受到

反

應(yīng)速度的制約根據(jù)催化劑的活性原料油性質(zhì)和反應(yīng)深度不同空速在一個較

大范圍內(nèi)波動為05-10h-1重質(zhì)油料和二次加工中得到油料在加氫處理時

要

采取較低的空速在加氫精制過程中在給定的溫度下降低空速烯燃飽和率脫

硫率和脫氮率都會有所提高

在加氫裂化條件下燒類的加氫裂化是一平行連串反應(yīng)提高空速時總轉(zhuǎn)

化

率雖然降低不多但反應(yīng)產(chǎn)物中輕組分含量下降較多因此在實際生產(chǎn)中改

變空速也和改變反應(yīng)溫度一樣是調(diào)節(jié)產(chǎn)品分布的一種手段

25加氫過程對設(shè)備的影響

氫或氫與其它氣體的混合物不論是常壓的或高壓的也不論是常溫的或

溫的都能對金屬造成一定形式的破壞氫蝕破壞是金屬由于氣體作用而造成

破

壞的最重要形式之一

氫以原子形式進入固態(tài)鋼中其對鋼的損失可能是可恢復(fù)的也可能是不

可

逆的氣態(tài)分子氫在室溫下不易進入鋼內(nèi)甚至在氫壓高達(dá)數(shù)十兆帕的壓力下

也

如此但是當(dāng)有某些腐蝕性介質(zhì)例如水或酸存在時由于這些腐蝕性介質(zhì)的電

化學(xué)作用使氫分子在鋼表面上分解成新生的氫原于這些新生的氫原子擴散

入

鋼中使鋼特別是高強度鋼的延性和韌性下降有時還使鋼形成裂紋這類現(xiàn)象

就是通常所說的氫脆

在高溫高壓條件下氫會由分子態(tài)部分分解為原子態(tài)分解的程度隨溫度

的

11

加氫反應(yīng)器強度設(shè)計及理論計算

升高逐步增加這種由于熱分解而產(chǎn)生的原子氫同樣也可以進入鋼中引起氫

脆

造成暫時性的或永久性的破壞這種作用的本質(zhì)與室溫時由于化學(xué)侵蝕或腐

蝕作

用放出新生原子氫的作用相同但一般來說氫脆作用在室溫附近的溫度最為

顯

著這種作用屬于氫溶于鋼基體內(nèi)引起的直接的物理作用

高溫高壓下的氫對鋼除有上述直接的物理作用外還有一種間接的化學(xué)

作

用即在高溫化學(xué)活性提高的條件下氫一方面與鋼表面的碳反應(yīng)引起鋼的表

[20]

面脫碳另一方面氫也與鋼內(nèi)部的碳發(fā)生反應(yīng)一一氫腐蝕或簡稱氫蝕

12

北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院李嚴(yán)州

第三章研究方法與步驟

通過文獻資料檢索全面了解了加氫反應(yīng)器在國內(nèi)外發(fā)展的狀況與特點

系

統(tǒng)掌握了國內(nèi)外加氫反應(yīng)器在工作過程中所遇到的問題以及前人所提供的

解決

方案同時在老師的悉心指導(dǎo)幫助下逐步形成了總體設(shè)計思路與大致設(shè)計細(xì)

節(jié)

首先弄清楚加氫技術(shù)在煉油行業(yè)中的概念弄明白加氫技術(shù)的種

類第二根據(jù)掌握的資料與現(xiàn)實狀況下選擇適合一個研究的方向即確定研究

目標(biāo)針對研究方向查閱相關(guān)資料掌握加氫技術(shù)所存在的問題例如從材料

方面考慮第三掌握了解國內(nèi)外各行業(yè)就加氫技術(shù)存在的問題所提出解決的

方

案第四選擇一個典型具體的加氫裝置分析其當(dāng)前存在的問題并進行強度設(shè)

計最后提出我對解決氫氣對加氫裝置損壞問題的觀點

可以把思路整理成流程圖見圖3-1

加氫技術(shù)的概念

加氫現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

加氫裂化

選取要研究的方向

所存在的問題加氫精制

對某裝置工藝進行分析

修

改

針對具體裝置進行強度設(shè)計

提出解決方案與個人觀點

圖3T設(shè)計流程圖

13

加氫反應(yīng)器強度設(shè)計及理論計算

31加氫精制工藝流程

加氫精制的原料有汽油煤油柴油和潤滑油等各種石油儲分其中包括直

譙儲分和二次加工產(chǎn)物此外還有重渣油的加氫脫硫加氫精制裝置所用氫氣

多

數(shù)來自催化重整的副產(chǎn)氫氣只有副產(chǎn)物氫氣不滿足需要或者無催化重組裝

置

時才另建制氫裝置石油儲分加氫精制盡管因原料不同和加工目的不同而有

所

區(qū)別但是其基本原理相同并且都采用固定床絕熱反應(yīng)器因此各種石油分

儲加氫精制的原理工藝流程原則上沒有明顯的差別下面以才有加氫精制流

程為

例進行討論見圖3T

圖3-2柴油加氫精制工藝流程圖

柴油加氫精制工藝流程包括三部分反應(yīng)系統(tǒng)生成油換熱冷卻分離系

[19]

統(tǒng)和循環(huán)氫系統(tǒng)在許多流程中還包括生成油注水系統(tǒng)

com固定床加氫反應(yīng)系統(tǒng)

原料油經(jīng)換熱并與從循環(huán)氫壓縮機來的循環(huán)氫混合以氣液混相狀態(tài)進

入加

熱爐加熱至反應(yīng)溫度根據(jù)原料的沸程反應(yīng)器入口溫度及氫油比等條件反

應(yīng)器進料可能是氣相也可能是氣液混相在大多數(shù)裝置物流自上而下通過反

應(yīng)器對于氣液相混合進料的反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)有專門的進料分布器反應(yīng)器內(nèi)的

催化劑一般是分層填裝以利于注入冷氫以控制反應(yīng)溫度向催化劑層間的空

間

14

北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院李嚴(yán)州

注入冷氫的量要根據(jù)反應(yīng)熱的大小反應(yīng)速度和允許溫升等因素通過反應(yīng)器

熱

平衡來決定由反應(yīng)器底部引出的反應(yīng)物經(jīng)換熱冷卻到約50℃后進入高壓分

離器

反應(yīng)中生成的氨硫化氫和低分子氣態(tài)煌會降低反應(yīng)系統(tǒng)中的氫分壓對

反

應(yīng)不利而且在較低溫度下還能與水生成水合物而堵塞管線和換熱器管束氨

還

能使催化劑減活因此必須在反應(yīng)產(chǎn)物進入冷卻器前注入高壓洗滌水在氨溶

入

洗滌水的過程中部分硫化氫也溶入水隨后在高壓分離器中分出

反應(yīng)產(chǎn)物在高壓分離器中進行油氣分離分出的氣體是循環(huán)氫其中除了

主

要成分氫以外還有少量氣態(tài)燃和未溶入水的硫化氫分出的液體產(chǎn)物是加氫

生

成油其中也溶入少量氣態(tài)燒和硫化氫高壓分離器中的分離過程實際上是一

平

衡氣化過程因此氣液兩相組成可以根據(jù)在該處的溫度壓力條件下各組分的

平衡常數(shù)通過計算確定

com循環(huán)氫系統(tǒng)

為了保證循環(huán)氫的純度避免硫化氫在系統(tǒng)中積累由高壓分離器分出的

循

環(huán)氫經(jīng)乙醇胺脫硫除去硫化氫然后在經(jīng)循環(huán)氫壓縮機升壓至反應(yīng)壓力送回

反應(yīng)

系統(tǒng)循環(huán)氫主要部分70%送去與原料油混合其余部分不經(jīng)加熱直接送入

反應(yīng)器作冷氫

com生成油分離系統(tǒng)

生成油中溶解的NHHS和氣態(tài)煌必須除去而且在反應(yīng)過

程中不可避免

32

地會產(chǎn)生一些汽油儲分生成油進入氣提塔塔底產(chǎn)物是精制柴油塔頂產(chǎn)物經(jīng)

過冷凝冷卻進入分離器分出的油一部分作塔頂回流其余引出裝置分離器分

出的氣體經(jīng)脫硫做燃料氣

32氫氣對設(shè)備材料鋼的腐蝕

氫或氫與其它氣體的混合物不論是常壓的或高壓的也不論是常溫的或

溫的都能對金屬造成一定形式的破壞氫致破壞是金屬由于氣體作用而造成

[20]

壞的最重要形式之一

氫以原子形式進入固態(tài)鋼中其對鋼的損失可能是可恢復(fù)的也可能是不

可

逆的

為了分析包括氫蝕在內(nèi)的氫致?lián)p傷過程首先必須弄清氫在鋼中的吸收

和溶

解金屬包括鋼鐵吸氫有其共同點不論是吸熱吸氫鐵就是如此還是放

15

加氫反應(yīng)器強度設(shè)計及理論計算

[21]

熱吸氫其共同點為

1.氫原子向金屬基體內(nèi)的擴散這種擴散和氣體-氣體間的擴散類似

但速度相差很多

2.將金屬在氫中逐步升溫當(dāng)達(dá)到一定溫度后才顯著吸收氫氣此溫度

并不是一個嚴(yán)格固定的溫度

3.吸留氫氣在早期階段是自加速的初期開放

4.只有在很高壓力下氫才能擴散進通常狀態(tài)下的金屬

5.雖然常壓氫氣難以滲入通常狀態(tài)下的金屬但當(dāng)金屬電解或發(fā)生化學(xué)

應(yīng)時所產(chǎn)生的原子態(tài)氫易被金屬吸入

6.反復(fù)吸收和釋放氫會大大增加或大大降低滲透率這要取決于氣體被

排出的快慢程度

7.經(jīng)過高溫加熱后的金屬對于氣體極不活潑特別是純金屬在真空中經(jīng)

過高溫加熱后甚至陰極氫都難以滲入其中

8.塑性變形可以提高氣體的滲透率有時可以提高許多倍

9.不論籍何種途徑提高氣體的滲透率均能同時提高金屬的吸氣能力

除上述請點外還有一個特點即一旦吸留氫氣之后氫即可在比原壓力低

很多的壓力下滲入鐵中

在室溫下氫在鐵與其它吸熱吸氫的金員中溶解度是很小的但溶解度隨

溫

度的升高而增加在高溫時可以有相當(dāng)大的溶解度

氫在問態(tài)和液態(tài)鋼中的溶解度大體遵守Sieverts定律即溶解度與分子氫H

壓

2

力的平方根成正比

[H]KXPH12

3-1

2

式中

[H]氫在鋼中的溶解度

PH2為氫分壓

K為比例常數(shù)

溶解度與壓力平方根成正比是由于氫以原子態(tài)或離子態(tài)而非分子態(tài)

溶入

鋼中H2分解為2H的緣故

在有些情況下可以使鋼中的吸氫量大大超過其溶解度極限.這被稱為

過度充

氫水溶液電化學(xué)方法充氫例如退火狀態(tài)的鋼陰極充氫退火狀態(tài)的鋼吸收化

學(xué)反應(yīng)釋放的原子態(tài)氫鐵在電解沉積時如果電解液同時釋放原子氫會導(dǎo)致

鐵吸

氫這些均能使鋼或鐵過度吸氫陰極充氫是研究氫脆時向鋼中充氫的一種最

常

16

北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院李嚴(yán)州

用方法此外冷加工狀態(tài)的鋼也可以溶解過量的氫

水溶液電化學(xué)充氫時充氫量的規(guī)律尚未確定目前還做不到根據(jù)溶液成

分和

電流密度來確定氫進入金屬表面的有效活度此活度可以通過Fick擴散定

律將

試驗測得的進入速率與理論計算的擴散流聯(lián)系起來而求出有些氫進入金屬

的動

力學(xué)模型指出它與電流密度的平方根成正比但在有些情況下此規(guī)律與試驗

結(jié)

果并不相符有些研究根據(jù)測量穩(wěn)態(tài)時的氫通量得出氫的進入量在低電流密

度

時與電流密度平方根成正比但對某些材料和鈴液來說當(dāng)電流密度較大時氫

的

進入量則低于上述比例其原因尚未完全弄清可能是由于在高電流密度時達(dá)

到

了競爭陰極反應(yīng)活化所需的臨界過電壓也可能是因為在高電荷通量時某些

界面

控制的反應(yīng)開始起了作用

當(dāng)氫不純或氣體是氫與其它氣體的混合氣時雜質(zhì)究竟對氫的進入有何

影

響目前人們研究得還不多已知低溫低壓時氧能大大阻礙甚至阻止氫進入金

屬

原因可能是氧在表面上擇優(yōu)吸附并封閉了表面還知道在氫滲透膜的出口表

面處

如用氧代替惰性氣體也會明顯阻礙氫的外流自然也可以預(yù)期氧化物膜會阻

礙氫

進入和流出金屬事實證明確實如此但這方面的定量數(shù)據(jù)還不很多

對于給定成分和電流密度的水溶液當(dāng)加入少量AsSeTeS等化合物

時會在氫滲透試驗中大大促進氫向鋼中的滲透在氫溶解度試驗中大大提高

氫

在鋼中的濃度這些化合物通常被稱為毒化劑但是并無證據(jù)表明氫的擴散率

受到達(dá)些化合物的影響毒化劑促進氫滲透和吸收的現(xiàn)象在生產(chǎn)實踐中極為

重

要突出的例子即所謂鋼的硫化物開裂這是在含酸的油氣井中經(jīng)常碰到的問

題

試驗室測量表明硫化氫水溶液即使在沒有外加電流的情況下也會放氫毒化

劑

的促進作用被認(rèn)為是由于它們毒化或阻止了氫原于更新結(jié)合成為氫分子的

反應(yīng)

而吸附在表面上的氫原子在結(jié)合成氫分子后會成為氣泡跑掉

氫作為金屬溶質(zhì)原子的一個突出特點是它的擴散活化能很低因而擴散

率極

-42

高例如氫在300K的溫度在鐵晶格中的擴散率接近于10

cms

金屬的組織內(nèi)通常存在有氫的陷阱traps例如氫在室溫下的鐵素體

鋼中的

總濃度大大超過氫在其晶格中的濃度說明絕大部分氫均處于鋼中的微觀缺

陷或

不均勻處這些地方一般稱之為陷阱由于氫在鋼和鐵中的晶格本質(zhì)溶解度極

低

氫在其中被陷阱俘獲的行為不難用溶解度試驗或擴散試驗區(qū)分開鋼與鐵中

可能

成為氫陷阱的地方為晶界錯位位錯聚集體第二相粒子第二相粒子與基體

的界面空洞溶質(zhì)原子晶格空位等陷阱對室溫氫脆的影響尚未弄清看來

有的陷阱促進氫脆有的陷阱由于儲氫而對氫脆起抑制作用有的陷阱則無作

用

已有的少量試驗表明在室溫以上由于熱能的作用氫陸續(xù)脫離陷阱使陷阱的

作

17

加氫反應(yīng)器強度設(shè)計及理論計算

用減弱

進入鋼中的氫在室溫時也可以自己擴散出去但這需要很長的時間例如

25mm見方的鋅鋼試樣在室溫需要大約60天才能把氫降至平衡的水平

除氫

處理一般在較高的溫度進行例如在650℃停留兩小時或在100200C停留

24

小時等等所需時間不僅取決于溫度還取決于工件厚度因為擴散速率與厚度

的平方成反比

在常壓下即使在氫中加熱到不太高的溫度低壓的分子氫對鋼不會造成

損

害在高溫時常壓氫會引起鋼表面的脫碳

早在上世紀(jì)末就已發(fā)現(xiàn)鋼在氫中加熱脫碳的現(xiàn)象并且知道在氫中如含

有

少量的氧或水汽可以顯著加速脫碳進程還發(fā)現(xiàn)擴散到鋼中的氫不但可以脫

碳

也可以脫氧和脫硫但以脫碳效應(yīng)最為顯著

氫致脆性在本世紀(jì)初也已發(fā)現(xiàn)在高溫氫中加熱的鋼淬火后可以使鋼變

脆甚

至在退火爐氣氛中如有少量的氫也能使鋼的脆性增加

由于碳是鋼中的主要強化元素因此脫碳對鋼性能的不利影響也特別

明顯

圖3-3示出了退火碳鋼的抗拉強度屈服強度和布氏硬度與碳含量的關(guān)系圖

中

還相應(yīng)地表明了這些機械性能與顯微組織中鐵素體與珠光體相對比例的關(guān)

系圖

3-4示出了經(jīng)淬火與回火處理的普碳鋼硬度與鋼中碳含量的關(guān)系鋼的其它

機械

性能均與硬度有相應(yīng)關(guān)系圖3-5示出了Naumann測定的合成氨的觸媒

容器壁

厚為60mm沿壁厚的脫碳與相應(yīng)部位硬度的關(guān)系可以看出硬度曲線與碳

含

量曲線是平行的

圖3-3退火碳鋼機械性能與碳含量圖3-4

淬火與回火處理碳鋼硬度

和顯微組織的關(guān)系與碳含

量的關(guān)系

18

北京石油化工學(xué)院機械工程學(xué)院李嚴(yán)州

圖3-5合成氨觸媒容器壁厚60mm沿壁厚脫碳與相應(yīng)部位硬

度的關(guān)系

以氫去除鋼中碳氮以及消除屈服點和應(yīng)變時效與碳和氮的存在有關(guān)的

應(yīng)現(xiàn)象的有效件與氫中水蒸汽含量的關(guān)系很大

如表3-1所示當(dāng)氫中水分含量較高例如占30%體積時處理時間將顯

著縮

短

表3T在含不同水汽量的氫中消除屈服點和應(yīng)變時效現(xiàn)象所需

時間

H0體積余為H消除應(yīng)變時效所需時間h

清除屈服點所需時間h

22

瓶H220

140