聚丙烯装置环管反应器框架的结构设计

聚丙烯装置环管反应器框架的结构设计

田文斌

中国寰球大庆石化工程有限公司黑龙江省大庆市163714

摘要：在环管法聚丙烯装置中，环管反应器是整个聚丙烯装置的核心，本文对对大型环管反应器的结构特点及聚丙烯装置环管反应器框架的结构设计进行了研究。

关键词：环管反应器；结构设计

聚丙烯因其具有原料来源丰富、生产成本低、密度小、产品透明度高、化学稳定性和电绝缘性好、易加工等特点，在汽车、家电、建筑、包装和农业等领域得到广泛应用，已成为5大通用树脂中发展速度最快的产品。促使聚丙烯工业迅速发展的根本原因在于催化剂和聚合工艺不断推陈出新，使聚丙烯新产品不断涌现，大大拓展了聚丙烯的应用领域。

一、环管反应器特点

1.结构特点。以某石化公司20万t/a第2代环管法聚丙烯环管反应器为例，根据装置处理量及物料在反应器内停留时间，计算出反应器容积为73m3，又根据轴流泵进出口规格及实践经验，定出环管反应器由8根公称直径0.6m，长40m的直管段和8个公称直径0.6m，R2.1m的180°弯管联接构成独特的环管结构。环管的两端与一台额定流量7000m3/h的轴流泵相连，使反应浆液在环管内以7m/s的速度强制循环。反应管外，公称直径0.7m的夹套内通循环冷却水取走反应生成的过多热量。为消除夹套与反应管的温差应力，夹套上、下各设一组波形膨胀节。反应器各立管之间用型钢联接，使其自身构成稳定的框架结构。

2.工艺特点。环管反应器与同类装置中的釜式反应器相比较，具有如下特点：⑴总传热系数达8372kJ/m2·℃·h。⑵单位体积传热面积约6.5m2/m3。⑶单位体积产率大于400kg/m3·h。⑷单程转化率高，均聚的丙烯单程转化率为55%～65%。⑸反应器内介质流速快，流体流速大于7m/s聚合物淤浆搅拌均匀，催化剂分布均匀，聚合质量均一，不容易产生热点，壁面介质速度高，不易粘壁。⑹环管反应器内的反应条件较易控制。⑺产品品种转换快，因为物料停留时间一般为2h，所以产品牌号的转换时间较短。⑻结构简单，布置紧凑，占地面积小。

二、聚丙烯装置环管反应器框架设计的原则及计算分析

1.聚丙烯装置环管反应器框架设计的原则。聚丙烯装置环管反应器组合框架结构的特性，环管反应器组合框架承受恒载（环管反应器自重、操作平台自重、设备自重、反应器内的物料及夹套水等）、活载（操作平台）、检修荷载（操作平台）、充水试压荷载（反应器内的试压水）、风载、地震作用等．荷载组合工况有正常操作、安装、充水试压、检修、正常操作加风载、自重加风载、正常操作加地震作用等。环管反应器组合框架既不同于建筑物结构．也不同于一般的构筑物结构，属于特殊的结构型式。如某石化公司20万t/a第2代环管法聚丙烯环管反应器组合框架布置图（图1）及环管反应器框架平台布置图（图2）。

图1环管反应器组合框架布置图

图2环管反应器框架平台布置图

环管反应器组合框架的计算分析是设计的核心，选择安全可靠的计算软件、合理简单的计算模型及计算方法则又是计算分析的关键。国内民用建筑常用的多高层建筑结构三维计算分析软件TAT一般不能满足环管反应器组合框架的复杂荷载工况要求，采用美国通用结构计算分析软件STAAD／PRO，利用其荷载及荷载组合工况任意定义、杆件任意截面等特点．软件STAAD／PRO能满足环管反应器组合框架的复杂荷载工况要求。

2.环管反应器组合框架的计算模型假定。在结构计算分析时．计算模型的假定与实际的情况存在一定的差别．而计算数值也是通过一系列的简化后才得到的，与实际情况并不是完全相符：其次结构（构件）实际所承受的荷载在设计计算时考虑并不准确、全面：另外还受材料本身、施工质量等不利因素的影响；加上结构计算模型又直接决定计算分析的工作量。在计算设计时，为保证结构的安全可靠使用．首先搞清结构的受荷特点、传力路径、连接的特性等：同时重视计算模型的假定和简化工作。环管反应器主要是由设备专业设计确定，其安全系数比结构专业设计高得多：故环管反应器不需用复杂的板（壳）单元．简化为杆单元即可；支承环管反应器的钢筋混凝土框架平台一般刚度都很大，可近似假定为刚性框架：而环管反应器通过直径为1．85m封闭环形的12个M48地脚螺栓固定在钢筋混凝土平台上．环管反应器与钢筋混凝土平台之间的连接近似假定固接，通过这一系列的简化，将环管反应器组合框架分成环管反应器与平台组成的钢结构构架和钢筋混凝土框架平台两个独立的结构（环管反应器与平台组成的钢结构构架计算模型：经与环管反应器组合框架整体计算分析比较，其计算结果及截面差异较小，误差一般在4．6％～9．3％，满足工程设计的要求；但大大减少了计算分析的工作量：经过10多个聚丙烯装置多年的实际运行．实践证明效果良好。

3．环管反应器组合框架的计算分析。由于环管反应器框架结构的特性，不仅需对环管反应器框架进行整体计算分析，还需在安装工况下单根环管、两根环管组成门式构架的计算分析。其计算分析内容包括荷载的确定和计算、计算所需数据参数的输入、计算所需数据参数的调整、计算结果的校核（强度、挠度、侧移等）等：由于在正常操作工况下工艺要求对环管反应器水平向侧移要求较严，而环管的直径根据环管的内管循环产生均聚物量来确定，即由工艺专业确定；结构专业主要通过环管反应器水平梁的合理设置来满足环管反应器水平向侧移

要求。环管反应器水平向侧移是由风荷载起控制作用．因此风荷载的确定和计算非常重要。由于环管反应器框架是开敞式的结构、高宽比较小、基本自振周期F为1．332S（大于0．25S）．故需考虑风振效应。该石化公司20万t／a环管反应器框架．当地的基本风压为=0．60kN／m2，地面粗糙度类别为A类；标准风压（）为：式中，y——重现期调整系数，取——体型系数；——高度变化系数；——风振系数（——脉动增大系数；——脉动影响系数；——振型系数）。环管反应器框架的基本自振周期为1．332S，基本风即脉动增大系数。

反应器外管为体型系数=n70．钢结构为=1．30；环管反应器框架顶标高的高度H=45．5m→脉动影响系数v=0．85。

由于环管反应器是一个特殊的开敝式的组合框架构，纵（x方向）横（Y方向）多榀构架组成，在风载计算时须考虑风载的屏蔽效应。单榀构架的风压体型系数为：。式中，——构件的体型系数；——构架的挡风系数；——构架各构件的挡风投影面积；——构架的轮廓面积。平行多榀整体构架的风压体型系数为：，值是根据来确定。在环管反应器框架x方向：方向构架榀数：整体构架X方向的风压体型系数以为：在环管反应器框架z方向：，方向构架榀数：n=2：整体构架z方向的风压体型系数风为：

其详细数值不在这里细算。其它荷载如恒载（环管反应器白重操作平台自重设备自重反应器内的物料及夹套水等），活载（操作平台）、检修荷载（操作平台）、充水试压荷载（反应器内的试压水）、地震作用（）等根据条件计算。荷载组合工况有正常操作、安装、充水试压、检修、正常操作加风载、空重加风载、正常操作加地震作用等；荷载工况及荷载组合如表1。

采用STAAD／PRO进行计算，根据相应的规范标准对其计算结果校核验算：并且将环管反应器与平台连接的节点计算结果（拉（压）力：Ⅳ；剪力：y；弯矩：M）提给设备专业．由设备专业对环管反应器进行强度、刚度等验算，最终确定环管反应器外管的直径及厚度。

随着我国国民经济的高速发展、世界聚丙烯工业的勃勃生机和飞速发展．特别是国产化聚丙烯技术及其国际先进水平极大地推动了国内聚丙烯工业的迅速发展。

表1荷载工况及荷载组合表

参考文献：

[1]秦宇.聚丙烯装置环管反应器的施工图及计算书.2017.5～15

[2]李国民.聚丙烯装置环管反应器设备国产化可行性研究报告.2017.3～4