CN113842865A - 一种具有夹套柔性收口的串管反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及串管反应器技术领域，具体涉及一种具有夹套柔性收口的串管反应器，包括直套管、夹套连通管、弯头和安装支座，直套管包括有内管和外管，弯头与内管依次串联连接成反应物料的输送及反应的介质流道，靠近夹套端部的夹套连通管将内管与外管之间形成的夹套流道串联成输送冷却介质的冷却流道，安装支座设置于外管下部使直套管分为直套管上管段和直套管下管段，直套管两端上内管和外管的封闭连接是柔性收口结构。与现有技术相比，夹套柔性收口结构具有吸收热胀冷缩位移、缓冲吊运弯曲位移的功能，减缓管段膨胀节的受力，优化设备整体效用；为缩小下管段膨胀节乃至安装支座外形尺寸，优化设备安装基础提供条件，降低工程投资。

Description

一种具有夹套柔性收口的串管反应器

技术领域

本发明涉及串管反应器技术领域，具体涉及一种具有夹套柔性收口的串管反应器。

背景技术

聚丙烯和聚乙烯是通用合成树脂中产量和消费量最大的品种，它们的生产技术有三种，即浆液聚合、气相聚合和溶液聚合。淤浆法技术是主要方法，根据反应器形式可以分为搅拌釜式和串管反应器这两种，串管反应器又称环管反应器。

传统的串管反应器视产能大小由若干条直套管、夹套连通管、弯头、安装支座和连接梁等组成，其中每两条直管筒体和两个弯管组成一个循环。因聚合反应会产生热量，因此通过夹套内的冷却水把反应热带走，直套管的外管上设置有波形膨胀节、安装支座及支梁座，弯头上没有套管，弯头通过法兰连在直套管的内管两端把直套管串联成一个流程整体，夹套连通管把直套管的夹套串联成一个流程整体，连接梁通过螺栓与支梁座连接，把直套管组合成一个立体框架。串管反应器为多基础支承，即每条直套管各有自己的安装支座，直套管的长度、轴线位置、方位、标高、间距等的误差，以及直套管平行度、法兰垂直度、弯管的制造误差等诸多因素会同时对环管安装密封性能产生影响；串管反应器的安装可分为直立式和斜立式两种，后者的占地面积稍大一些，其整体结构相对于前者更稳定。

例如图1所示，直立式安装的串管反应器主要由六条直套管(R1～R6)、五个180°大弯头(A1、A2、A3、B1、B2)、一个90°弯头顺次联接而形成一个循环整体，并通过位于弯头处与外管连接的五条夹套连通管C1、C2、C3、C4、C5，坐落在较高的平台基础上，环管底部弯头处设有轴流泵，反应物料由反应物料流入口1A处进入串管反应器，在轴流泵的驱动下在管内搅拌、循环，在催化剂的作用下反应形成浆状聚丙烯，由反应物料流出口1B处泄出进入造粒系统；冷却介质由夹套流道的冷却介质流入口2A进入，至夹套流道的冷却介质流出口2F流出，六个安装支座D1、D2、D3、D4、D5、D6位于各直套管R1、R2、R3、R4、R5、R6的下部。夹套间彼此有五条夹套连通管相连，夹套内的冷却水通过间壁把内管里反应放出的热量带走，维持反应工艺的正常运行；为了协调内管和外管由于温度不同而引起的热膨胀位移之差，夹套上附有膨胀节；夹套上还附有支梁座及支座，相邻两夹套之间通过型钢相连，形成若干个空间平台。

基本结构的问题

随着石油资源的匮乏，为适应市场对乙烯专用料的巨大需求和发展，对串管反应器设备的结构、产能、质量均提出了新的更苛刻的要求，化工企业期望通过高产能的规模效应来降低成本，提高价格的市场竞争力，1996年国内单台串管反应器首次国产化的产能是7万吨/年，2009年，国内首台溶液聚合法的聚丙烯循环反应器产能达45万吨/年，对传统的浆液聚合法串管反应器提出了挑战，目前，串管反应器迫切需要从30万吨/年产能逐步提高到35万吨/年、40万吨/年和45万吨/年以上。

随着产能规模的进一步扩大，上述现有技术中的串管反应器，由于直套管采用一体的细长竖直结构，所以当直套管的长度超过60米甚至达到70米时，将会出现很多问题，这里只列出以下的不足之处：

第一点，串管反应器的内管和外管之间的热胀冷缩位移差异增大，夹套上膨胀节的波形数量要随之增加至6个以上，多波膨胀节的设计制造及质量保证成为新的难题，其制造精度越来越低；

第二点，仅靠传统的波形膨胀节结构来吸收和缓冲该差异时并不能取得最佳效果，而且需要的波数越来越多，不利于高耸结构的稳定性，其运作功能越来越难保证；

第三点，在超长直套管装车、卸车、转移、组装等过程中，使整条直套管保持平直状态的安全操作更加困难，发明人发现：位于直套管长度中间的弯曲位移往往是最大的，对设置于其中的膨胀节损伤也大，而位于直套管夹套两端的弯曲位移一般都是最小的，更加适合于设置柔性结构；

第四点，传统上最早的夹套收口结构都是刚性环结构，在应力分析设计校核时该处往往是包括热位移差在内各种载荷引起的高水平应力集中点，很难获得安全评估的通过；

第五点，对于夹套结构，其内管与外管热膨胀位移差异及其引起热应力的起源点就是两者的收口连接处，当刚性环收口结构无法设计通过时，就在夹套中增设膨胀节，随着直套管夹套的逐渐增长，夹套中需要设置的膨胀节也从一个波形、两个波形发展到五个波形、六个波形，这是本领域技术人员常规的机械性思维的技术手段；

第六点，随着夹套中膨胀节波形的增加，多波形膨胀节运行中各个波的功效奉献不一样，两端的波形奉献得多，中间的波形奉献得少，或者一端的波形奉献得多，另一端的波形奉献得少，结果是某一个波形很快失效而其它波形都还完好；

第七点，传统结构设计把应对该问题的膨胀节定位在远离收口的套管长度中部，离位移差及热应力的起源点较远，以为只要设置了膨胀节就一定能100％起到作用，实际上存在应有功效的传递困难、传递失效或者滞后效应，不利于膨胀节及时地、有效地发挥作用，这是一种理想化思维的反映，没有实践经验可言。

综上所述，为迅速适应目前石油化工新建、扩建中对高产能大结构的串管反应器大量需求的市场环境，满足传统串管反应器的增容、扩能、升级，以及聚丙烯产能达40万吨/年以上的高产能的需求，开发新结构的高产能的串管反应器，在工业上和经济上具有深远和重大的意义。

发明内容

针对现有技术存在上述技术问题，本发明提供一种具有夹套柔性收口的串管反应器，其吸收热胀冷缩位移效果好。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

提供一种具有夹套柔性收口的串管反应器，包括直套管、夹套连通管、弯头和安装支座，所述直套管包括有内管和外管，所述弯头与所述内管依次串联连接成供反应物料输送及反应的介质流道，所述夹套连通管位于所述弯头处与所述外管连接，将所述内管与所述外管之间形成的夹套流道串联成输送冷却介质的冷却流道，所述安装支座设置于所述外管的外侧使所述直套管分为直套管上管段和直套管下管段，其特征在于：直套管的端部处内管和外管之间的封闭连接位置为能够受热弹性形变的柔性收口结构。

可选的，该串管反应器的全部直套管的内管和外管的封闭连接位置均设有柔性收口结构。

可选的，该串管反应器的直套管中只有部分直套管的内管和外管的封闭连接位置设有柔性收口结构。

可选的，直套管上管段和直套管下管段的端部均在内管和外管的封闭连接位置设有柔性收口结构。

可选的，直套管上管段和直套管下管段这两者中仅其中一者的端部在内管和外管的封闭连接位置设有柔性收口结构。

可选的，所述柔性收口结构包括薄壁环平板和波纹形收口节，薄壁环平板垂直地焊接于内管的外壁，波纹形收口节的一端焊接于外管的端部，波纹形收口节的另一端焊接于薄壁环平板。

可选的，所述柔性收口结构包括薄壁环弧板和波纹形收口节，薄壁环弧板的一端焊接于内管的外壁，且朝远离内管的方向拱起，波纹形收口节一端焊接于外管的端部，波纹形收口节的另一端焊接于薄壁环弧板的另一端。

可选的，所述柔性收口结构包括波纹形收口节，波纹形收口节的一端焊接于外管的端部，波纹形收口节的另一端径向延伸焊接于内管的外壁。

可选的，波纹形收口节的端部设有延长搭边，延长搭边与内管外壁之间相互贴合焊接。

可选的，所述柔性收口结构为薄壁环弧板，薄壁环弧板的一端焊接于内管的外壁，且朝远离内管的方向拱起，薄壁环弧板的另一端与外管的端部相互焊接固定。

可选的，所述柔性收口结构为单层结构、多层结构或变厚度结构。

可选的，所述柔性收口结构为同种材料结构或异种材料结构。

可选的，所述柔性收口结构为圆锥形、波纹形、环壳形或环平板形。

可选的，所述直套管夹套端部的柔性收口结构包括整体柔性结构和局部柔性结构。

本发明的有益效果：

本发明的具有夹套柔性收口的串管反应器，本发明在直套管端部设置有柔性收口结构，取代原有的厚壁刚性环夹套收口结构，以使得夹套端部新设置的柔性收口结构与直套管段中间部位传统设置的膨胀节两个功能合二为一，取代了原来的两个旧结构，整体结构得到简化。与现有技术相比，不但具有夹套收口功能、吸收热胀冷缩位移、缓冲吊运弯曲位移这三重效果，由于设置了柔性收口结构，以能够缩小传统下管段膨胀节乃至取消下管段膨胀节，如此则可以取得工程装置优化的第四种效果。

附图说明

图1是现有技术中的串管反应器的结构示意图。

图2是本发明的一种具有夹套柔性收口的串管反应器的实施例1的结构示意图。

图3是本发明的一种具有夹套柔性收口的串管反应器的实施例2的结构示意图。

图4是本发明的一种具有夹套柔性收口的串管反应器的实施例3的结构示意图。

图5是本发明的一种具有夹套柔性收口的串管反应器的实施例4的结构示意图。

图6是本发明的一种具有夹套柔性收口的串管反应器的实施例5的结构示意图。

图7是本发明的一种具有夹套柔性收口的串管反应器的实施例6的结构示意图。

图8是本发明的一种具有夹套柔性收口的串管反应器的实施例7的结构示意图。

图9是本发明的一种具有夹套柔性收口的串管反应器的实施例8的结构示意图。

附图标记：

在图1中包括有：

R1、R2、R3、R4、R5、R6——直套管；

A1、A2、A3、B1、B2、B3——弯头；

C1、C2、C3、C4、C5——夹套连通管；

D1、D2、D3、D4、D5、D6——安装支座；

2A——夹套流道的冷却介质流入口；2F——夹套流道的冷却介质流出口；

1A——反应物料流入口；1B——反应物料流出口。

在图2至图9中包括有：

101——外管、102——内管；

11——直套管上管段、12——直套管下管段；

21——上管段多波膨胀节、22——下管段膨胀节；

30——安装支座；

31——上管段的柔性收口结构；

301——波纹形收口节；

41——下管段的柔性收口结构；

501——薄壁环平板；

502——薄壁环弧板；

51——环焊缝；

61——串管反应器安装平台；

62——安装平台的支柱；

H——串管反应器下管段插入安装平台的安装孔。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明的具有夹套柔性收口的串管反应器的具体实施方式之一，如图2和图9所示，包括直套管、夹套连通管、弯头和安装支座30，所述直套管包括有外管101和内管102，所述弯头与所述内管102依次串联连接成供反应物料输送及反应的介质流道，所述夹套连通管位于所述弯头处与所述外管101连接，将所述内管102与所述外管101之间形成的夹套流道串联成输送冷却介质的冷却流道，所述安装支座30设置于所述外管101的外壁使所述直套管分为直套管上管段11和直套管下管段12，上述技术特征与现有技术中的串管反应器的结构相同。直套管上管段11设置有多波膨胀节21，直套管下管段12设置有膨胀节22(为体现前后差异，本实施例的附图依然示出膨胀节)。作为本发明的主要创新点在于，直套管的端部处内管102和外管101之间的封闭连接位置为能够受热弹性形变的柔性收口结构31和41。

本发明在直套管端部设置有柔性收口结构，取代原有的厚壁刚性环夹套收口结构，以使得夹套端部新设置的柔性收口结构与直套管段中间部位传统设置的膨胀节两个功能合二为一，取代了原来的两个旧结构，整体结构得到简化。

与现有技术相比，柔性收口结构不但具有夹套收口功能、吸收热胀冷缩位移、缓冲吊运弯曲位移这三重效果，由于设置了柔性收口结构，以能够缩小传统下管段膨胀节乃至取消下管段膨胀节，如此则可以取得工程装置优化的第四种效果。具体是：缩小安装基础孔H、安装平台61、平台支柱62等相关结构，缩小安装支座30的外形尺寸，优化设备整体效用，如图9所示；也为优化设备安装基础、降低工程投资提供条件，因为安装平台61、平台支柱62等相关结构由钢筋水泥石头混凝土构建，其开孔H越大，平台结构越是受到削弱，需要特别加强才能支承巨大吨位的重量以及承受强大的飓风载荷。长期以来，这也是聚烯烃装置工程建设中土建专业的技术难点和硬骨头，如果能缩小甚至于取消下管段多波膨胀节，不但是显著的设备技术进步，而且也因为使得跨界而相关的土建专业获得反应器支承基础结构的优化，是工程装置整体的技术进步。

另外几方面的比较有：原有的厚壁刚性环夹套收口结构在应力分析设计校核时很难通过，因为厚壁刚性环夹套收口结构存在一个严重的缺点，就是相比之下，与之焊接连接的内管102和外管101都变成了薄壁弱结构(厚薄是相对而言)，在各种复杂的载荷应力作用下，薄壁弱结构特别是内管102发生变形，破坏介质流态的稳定性，增加介质与内壁的磨擦加速冲刷腐蚀，还影响旁边端部的法兰密封；即便增加连接件的壁厚获得通过后，刚性环与内套管及外套管之间的焊接坡口结构设计困难，其焊透型坡口焊接量大而引起内外管101薄壁弱结构的焊接变形，而且深厚的焊缝不便于焊缝质量的无损检测；结构件壁厚的变化使得材料规格种类多样化，特殊尺寸而有数量较少的材料造成采购的困难和成本的增加，不利于工程建设。例如专利号为ZL201220468579名称为“一种具有夹套膨胀节串管反应器”的现有技术。

与之相比，本发明的柔性收口结构可以解决上述全部问题：

首先是其功效的主动性，柔性收口结构是薄壁的(相比内管102和外管101)，相比之下，与之焊接连接的内管102和外管101都是厚壁强结构，在各种载荷作用下，薄壁的柔性收口结构很容易发生变形，吸收化解了复杂的应力，保护了内管102和外管101；

其次是其功效的及时性，柔性收口结构位于关键位置，所在位置就是位移差及热应力的起源点，几位一体，就在该局部结构内，生成的位移差及热应力问题同步得到解决，不存在功效传递困难、失效或滞后，能及时、有效地发挥作用；

第三是其功效的持久性，采用(一层或多层)薄钢板制造收口结构时，薄钢板的质量本来就比厚钢板的质量更加保证，在结构成形过程中薄钢板抗变形能力低、很方便成形，制造能耗低，结构形位尺寸精度容易保证，柔性收口结构本质优良为其持久发挥效能打下基础；

第四是其组焊的可靠性，薄壁结构容易焊透，也适合灵活使用手工电弧焊、氩弧焊、埋弧自动焊等各种各样焊接手段，提高工效；

第五是其检测的可操作性，应用各种检测手段来检测薄壁焊缝都很容易取得满意的效果，特别是因为容易被射线穿透，还可采用RT检测。

这些都是原有的厚壁刚性环夹套收口结构无法比拟的。柔性收口结构的技术原理是从传统的极端走向反方向的另一个极端，这是技术路径方向的显著创新。

实际中，该串管反应器的全部直套管的内管102和外管101的封闭连接位置均设有柔性收口结构；或者该串管反应器的直套管中只有部分直套管的内管102和外管101的封闭连接位置设有柔性收口结构。

实际应用中，直套管上管段11和直套管下管段12的端部均在内管102和外管101的封闭连接位置设有柔性收口结构；或者直套管上管段11和直套管下管段12这两者中仅其中一者的端部在内管102和外管101的封闭连接位置设有柔性收口结构。

实际应用中，所述柔性收口结构为单层结构、多层结构或变厚度结构。在外径逐步缩小以达到收口的同时，结构壁厚适当逐步增大形成优化结构，以便使整个环壳形的各部分均衡分担夹套的热膨胀位移应力。

实际应用中，所述柔性收口结构相比内管102或外管101，为同种材料结构或异种材料结构。具有防腐功能的内层和弹性优良的外层相组合。

可选的，所述直套管夹套端部的柔性收口结构包括为整体柔性结构或局部柔性结构。

可选的，所述柔性收口结构为圆锥形、波纹形、环壳形或环平板形。

实施例2

本发明的一种具有夹套柔性收口的串管反应器的具体实施方式之二，如图3所示，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于，所述柔性收口结构包括薄壁环平板501和波纹形收口节301，薄壁环平板501垂直地焊接于内管102的外壁，波纹形收口节301的一端通过环焊缝51焊接于外管101的端部，波纹形收口节301的另一端通过环焊缝51焊接于薄壁环平板501。

实施例3

本发明的一种具有夹套柔性收口的串管反应器的具体实施方式之三，如图4所示，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于，所述柔性收口结构包括薄壁环弧板502和波纹形收口节301，薄壁环弧板502的一端通过环焊缝51焊接于内管102的外壁，且朝远离内管102的方向拱起，波纹形收口节301一端通过环焊缝51焊接于外管101的端部，波纹形收口节301的另一端通过环焊缝51焊接于薄壁环弧板502的另一端。波纹形收口节301的多个波纹之间亦通过环焊缝51焊接成型。

实施例4

本发明的一种具有夹套柔性收口的串管反应器的具体实施方式之四，如图5所示，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于，所述柔性收口结构仅包括波纹形收口节301，波纹形收口节301的一端通过环焊缝51焊接于外管101的端部，波纹形收口节301的另一端径向延伸通过环焊缝51焊接于内管102的外壁。进一步的如图6所示，波纹形收口节301的端部设有延长搭边，延长搭边与内管102外壁之间通过环焊缝51相互贴合焊接。

对于波纹形收口节的柔性收口结构，除图6所示两个波形外径相等的之外，还可以改为两个或多个波形外径不相等、而是逐步缩小从而形成收口的双重柔性结构，双重柔性即波形柔性叠加缩径柔性。

对于波纹形收口节的柔性收口结构，除图6所示两个波形外径大于直套管外管101外径的之外，还包括波形外径等于或者小于直套管外管101外径的结构，其中就是由于这是位于端部的收口结构，才存在波形外径小于直套管外管101外径的可行性。

实施例5

本发明的一种具有夹套柔性收口的串管反应器的具体实施方式之五，如图7所示，本实施例的主要技术方案与实施例1相同，在本实施例中未解释的特征，采用实施例1中的解释，在此不再进行赘述。本实施例与实施例1的区别在于，所述柔性收口结构为薄壁环弧板502，薄壁环弧板502的一端通过环焊缝51焊接于内管102的外壁，且朝远离内管102的方向拱起，薄壁环弧板502的另一端与外管101的端部通过环焊缝51相互焊接固定。没带波纹形收口301，没也带有薄壁平板501。进一步的如图8所示，薄壁环弧板502的端部延伸搭接于内管的外壁。

对于环壳形柔性收口结构，除图7和图8所示等壁厚的之外，还包括外径逐步缩小的同时、壁厚适当逐步增大的结构，以便使整个环壳形的各部分均衡分担夹套的热膨胀位移应力。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种具有夹套柔性收口的串管反应器，包括直套管、夹套连通管、弯头和安装支座，所述直套管包括有内管和外管，所述弯头与所述内管依次串联连接成供反应物料输送及反应的介质流道，所述夹套连通管位于所述弯头处与所述外管连接，将所述内管与所述外管之间形成的夹套流道串联成输送冷却介质的冷却流道，所述安装支座设置于所述外管的外侧使所述直套管分为直套管上管段和直套管下管段，其特征在于：直套管的端部处内管和外管之间的封闭连接位置为能够受热弹性形变的柔性收口结构。

2.根据权利要求1所述的一种具有夹套柔性收口的串管反应器，其特征在于：该串管反应器的全部直套管的内管和外管的封闭连接位置均设有柔性收口结构。

3.根据权利要求1所述的一种具有夹套柔性收口的串管反应器，其特征在于：该串管反应器的直套管中只有部分直套管的内管和外管的封闭连接位置设有柔性收口结构。

4.根据权利要求1所述的一种具有夹套柔性收口的串管反应器，其特征在于：直套管上管段和直套管下管段的端部均在内管和外管的封闭连接位置设有柔性收口结构。

5.根据权利要求1所述的一种具有夹套柔性收口的串管反应器，其特征在于：直套管上管段和直套管下管段这两者中仅其中一者的端部在内管和外管的封闭连接位置设有柔性收口结构。

6.根据权利要求1所述的一种具有夹套柔性收口的串管反应器，其特征在于：所述柔性收口结构包括薄壁环平板和波纹形收口节，薄壁环平板垂直地焊接于内管的外壁，波纹形收口节的一端焊接于外管的端部，波纹形收口节的另一端焊接于薄壁环平板。

7.根据权利要求1所述的一种具有夹套柔性收口的串管反应器，其特征在于：所述柔性收口结构包括薄壁环弧板和波纹形收口节，薄壁环弧板的一端焊接于内管的外壁，且朝远离内管的方向拱起，波纹形收口节一端焊接于外管的端部，波纹形收口节的另一端焊接于薄壁环弧板的另一端。

8.根据权利要求1所述的一种具有夹套柔性收口的串管反应器，其特征在于：所述柔性收口结构包括波纹形收口节，波纹形收口节的一端焊接于外管的端部，波纹形收口节的另一端径向延伸焊接于内管的外壁。

9.根据权利要求8所述的一种具有夹套柔性收口的串管反应器，其特征在于：波纹形收口节的端部设有延长搭边，延长搭边与内管外壁之间相互贴合焊接。

10.根据权利要求1所述的一种具有夹套柔性收口的串管反应器，其特征在于：所述柔性收口结构为薄壁环弧板，薄壁环弧板的一端焊接于内管的外壁，且朝远离内管的方向拱起，薄壁环弧板的另一端与外管的端部相互焊接固定。

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