1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1.PTA生产工艺与加氢反应器简述

1.1 PTA生产工艺

PTA是精对苯二甲酸（Pure Terephthalic Acid ）的英文简称，常温下。白色粉状晶体，无毒，易燃，若与空气混合，达到一定浓度范围遇火即燃烧。

精对苯二甲酸的生产是以对二甲苯为原料，以空气作为氧源，在Co-Mn-Br三元复合催化剂的共同作用下，在一定温度下进行液相氧化反应，生成粗对苯二甲酸（CTA），然后在Pd/C催化剂的作用下，加氢精制得到高纯度的精对苯二甲酸。

即PTA生产工艺采用两步法。第一步为氧化，使用空气将对二甲苯（PX）液相氧化为对苯二甲酸（TA），第二步为精制，在高温高压下，将TA溶于脱离子水中，在炭钯（Pd/C）催化剂作用下，加氢脱除其中的杂质。

此次设计任务即完成精制部分的反应器设计。

1.2加氢反应器

1.2.1反应设备简介

反应设备是发生化学反应或生物质变化的场所，是流程性材料产品中的核心设备。通过化

学反应或生物质变化等将原料加工成产品，是化工，冶金，石油，新能源，医药，食品和轻工等领域的重要生产方式。任何一种流程性材料产品的生产流程都可以概括为：原料预处理，化学反应或生物质变化，反应产物的分离与提纯等。

反应设备开发应考虑以下因素：

A物料性质，如粘度，密度，腐蚀性，相态等；

B反应条件，如温度，压力，浓度等；

C反应过程的特点，如气相的生成，固相的沉积和多相的输送等。

反应设备应满足传质，传热和流体流动的要求，其通过影响反应速率，选择性，和化学平

衡等，对产品的生产成本，能耗和环保等起决定作用。

1.2.2 PTA加氢反应器简述

PTA工艺包在20世纪60年代被成功开发，由于该工艺流程的复杂性及工艺介质的腐蚀性，长期以来一直被国外的专利商所垄断。近年来随着PTA工艺包的不断研究和改善，我国成功开发了百万吨级的PTA工艺包，打破了国外的长期垄断，为我国的PTA国际竞争提供了有利条件。

PTA加氢反应器在PTA装置中属于核心关键设备，它处于PTA加氢精制工段，产品TA浆料的重金属含量控制非常严格，达几个百万分之一级，因此PTA加氢反应器也是保证整个产品质量的核心。PTA加氢反应属于放热反应，在较高温度270℃到300℃和较高压力6.8到9.0MPa下进行，反应过程设计气液相的分散和混合，因此反应器的设计变得十分复杂和困难。PTA加氢反应器为固定床结构反应器，上部设置有液体分布器，下部设有用于过滤催化剂的过滤篮结构。PTA加氢反应器技术以往一直被国外的几家知名反应器制造商所掌握，本反应器的国产化才刚刚起步。

2.PTA加氢反应器设计分析

2.1 PTA加氢反应器主要参数

PTA加氢反应器主体结构，见图1

图1 PTA加氢反应器主要参数

PTA加氢反应器设计参数，见下表

2.2设计方法选择

由于此设备直径大，压力高，温度高。如果采用按常规设计，材料按1.25Cr-0.5Mo，来计算壁厚达168mm，而采用按分析设计方法壁厚为156mm。

由于两种设计方法对材料抗拉强度的安全系数取值不同，一般采用应力分析法壁厚缩小约百分之七，对于大型设备总重减少不少。且JB4732对选材制造和检验，验收要求比GB150更为严格，因此对于百万吨级的PTA加氢反应器选用按有限元应力分析设计方法整体设计。

2.3材料的选择

2.3.1 氢腐蚀：钢材受高温高压的氢气（环境）作用而变脆甚至出现破裂的现象。氢腐蚀分两个阶段：氢脆（可逆）阶段，氢腐蚀（不可逆）阶段。

2.3.2反应器本体材料选择

由于PTA加氢反应器的介质具有腐蚀性，TA浆料的重金属含量控制又十分严格，达几个百万分之一级，因此与介质相接触的部分需选用耐腐蚀性能良好的不锈钢304L。目前国外引进的PTA加氢反应器壳体的基层材料大都选用高强抗氢钢1.25Cr-0.5Mo。

PTA加氢反应器中虽然有一定的氢分压（1MPa左右），但根据碳素钢及珠光体耐热钢在氢气中的使用限制图，本反应器的操作温度及操作氢分压可选用碳锰钢材料。选用碳锰钢材料焊接性能良好，国内外焊接工艺都非常成熟，缺点是强度较低，导致壁厚较厚，重量增加。如选用高强抗氢钢1.25Cr-0.5Mo，优点是：材料强度高，壳体壁厚相对较薄，也减轻了设备重量。 但此种钢具有淬硬倾向，焊缝金属和热影响区可能形成冷裂纹。钢中含有Cr，Mo，V,Nb，Ti等强碳化物形成元素，从而使热影响区易产生再热裂纹的倾向，钢及焊接接头如果存在一定的残余元素（P,As，Sb,Sn等）时，还具有明显的回火脆性，因此高强抗氢钢1.25Cr-0.5Mo焊接工艺非常复杂，质量还不是非常稳定。下表为几种典型材料的比较表 ：

从上表可以分析得出：

(1)引进的PTA加氢反应器选用高强抗氢钢1.25Cr-0.5Mo，复合板居多，首要原因是：选用复合板制造工艺相对简单、成本低；焊接工作量少，没有复杂的堆焊制造工艺；可以保证覆层304L材质的化学成分，防止TA浆料产生挂壁现象；制造过程中热循环次数少，对基层及覆层材料性能的影响小。其次，选用1.25Cr-0.5Mo按ASME Ⅷ-2设计比选用SA516Gr.70壁厚减薄了约20%，而两者在原材料质量及焊接质量方面没有明显差异。再次，如选用2.25Cr-1.0Mo按ASMEⅧ-2设计，相比厚度没有明显减薄，但2.25Cr-1.0Mo的焊接质量更难控制，制造成本也高。因此，国外引进的PTA加氢反应器大多选用1.25Cr-0.5Mo复合板制造。

(2)在国内制造：如果选用国产板材，目前国内的板厚都不能满足反应器的壁厚要求。如果选用进口板材，供货周期非常长，而且国内现有卷板机的复合板冷卷最大能力基本在150mm左右，如能冷卷150mm的复合板，质量控制也非常困难，因此也很难满足本反应器的要求。如果采用温卷工艺，覆层的不锈钢正好处于敏化区，影响了不锈钢的耐腐蚀性，而且复合板卷制还存在基层与覆层的分层倾向，因此认为国内制造不宜选用覆合板。建议选用16MnⅣ或者选用SA516Gr.70堆焊304L。

优点是：焊接工艺成熟，质量稳定，同时避开目前国内板材生产能力和卷制能力的限制，供货周期短。且近年来国内304L不锈钢的堆焊工艺也逐渐成熟，不乏成功案例。

缺点是：壳体壁厚相对要厚，增加了设备重量；相对复合板，堆焊工作量增加很多。

参考文献

[1] GB150-2011.压力容器[S].

[2] GB713-2008. 锅炉及压力容器钢板[S].

[3] JB4732-1995.钢制压力容器-分析设计标准[S].

[4] JB4730-2005. 承压设备无损检测[S].

[5] TSGR0004-2009. 固定式压力容器安全技术监察规程[S].

[6] 孙松青，陈凌，蒋家羚，PTA加氢反应器在碱洗条件下的安全分析[J]. 合成纤维工业，2006，29(4)：28-30

[7] 王振新. PTA加氢反应器改造运行状况分析[J]. 合成纤维工业，2003，26(01)：49-51.

[8] 余存烨. PTA加氢反应器腐蚀氢脆检测分析[J]. 化工腐蚀与防护，1995(4)：7-15.

[9] 柳长圣. PTA加氢反应器改造[J]. 聚酯工业，2004，17(01)：30-31 .

[10] 雷玲，钱枝茂. PTA加氢反应器国产化扩容设计与改造[J]. 合成纤维工业2013，36(4)：56-58.

[11] 黄晓霞 PTA加氢反应器国产化分析[J]. 化工设备与管道，2010，(5)：19-21 .

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1. 结构选型：进行一个特定的化学反应，采用何种反应器比较合适，需要结合反应的特点对反应器的性能进行比较；

2. 材料选择：根据加氢反应器设计温度和氢分压，参照nelson线图（各种钢材的氢腐蚀线），合理选择材料；

3. 设计计算