加氢反应器结构设计与优化现状分析

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　　摘要：随着石油和化工等行业的迅速发展，加氢反应壓力容器的设计与制造愈发受到研究者的重视。加氢反应器是压力容器的一种，在原油炼制领域有着举足轻重的作用，其工作和使用条件十分严格，经常伴随着高温和高压的工作环境，在实际工作时，反应器承受着巨大的热应力和机械应力。另外，炼油是一个复杂的化学过程，反应器也面临着被腐蚀的风险。因此，从安全性来考虑，反应器的设计和制造要求非常严格。然而，目前加氢反应器的设计和分析方法主要依靠借助工程经验手工完成，而且为了防止安全事故，设计过程中结构尺寸的富余量很大，这就导致加氢反应器的制造效率很低且成本很高。针对这一问题，本文从加氢反应器的结构设计与优化等方面着手系统地评述国内外学者的研究现状，并给出需要进一步研究的问题。
　　关键词：加氢反应器;结构设计;优化设计;制造效率
　　一、引言
　　随着全球工业4.0以及中国制造2025的提出，我国炼油行业得到了更加迅猛的发展，总体规模随着各大产业对能源的需求增加而越来越大。根据文献不完全统计，我国在世界炼油各国中排名第二，同时随着近些年国家海洋战略的发展需求对炼油行业的促进发展，我国一跃成为炼油能力增长速度最快的国家之一。
　　在炼油工业中，决定炼油质量的两个关键技术是：化学工艺和加氢反应器。前者包含加氢裂化工艺和加氢脱硫工艺，随着化工技术的不断发展，这两项工艺技术不断在发展进步，已经基于趋于成熟稳定。新时代炼油工业的需求更多的是对加氢反应器设计与制造工艺水平的不断提高。由于炼油行业潜在的高污染及低安全性的风险，愈来愈多的学者开始重视设计和制造方面的技术。
　　传统的加氢反应器的设计思路是这样的：基于简化模型进行粗略的结构计算分析，大多时候根据工程经验进行估算，这样得到的结果往往可信度不高，往往需要根据设计结构进行实物模型的验证。往往会导致加氢反应器制造过程中重复任务多，周期偏长、效率低下的劣势。另外一方面，为了保证加氢反应器的安全性，设计的时候壁厚尽量大，安全系数较大，往往导致加氢反应器比较笨重，质量偏大，成本较高。这也不符合当今社会背景下倡导的节约资源、提高产品国际竞争力的发展趋势。
　　随着计算机辅助设计技术的出现及近年来蓬勃发展，基于有限元分析的结构校核以及基于结构优化的设计思路能有效的提高加氢反应器设计可靠度，以及实现加氢反应器的轻量化设计。
　　本文以加氢反应器的安全性和经济性设计两个方面的角度为出发点，基于有限元分析和优化设计的思想，进行这两个方面的国内外学者的研究综述分析，力求为加氢反应器相关工作者提供一个总结性的参考。
　　二、加氢反应器发展概况
　　加氢反应器的研究始于1920s年代，最有代表性的结构：
　　从图中可以看出，目前的加氢反应器一般为了适用严格的工作条件，一般采用细长圆柱型结构，密封一般采用双锥球型。其工作原理如下：油与气体从顶部进口管进入，在容器内部催化剂层发生反应，由冷氢的循环流动负责带走大部分热量，底部卸料管负责卸载多余的杂质等。
　　常见的加氢反应器按照反应器使用状态可以分为冷壁机构和热壁结构两种形式，二者典型的特征及应用。
　　单从结构角度来看，加氢反应器是从单层板式的结构开始发展的，后续为了应对生产率的需求，出现了多容器结构，随着焊接和冶金技术的发展日趋成熟，单层锻造结构成为主流。为了解决腐蚀和过热的问题，壁面结构逐渐由最初的冷壁结构发展成为目前占统治地位的热壁结构。冷壁结构虽然成本较低，但是容易发生损坏和脱落现象，而热壁加氢反应器可以很好的避免这些缺点。
　　三、加氢反应器的轻量化设计
　　随着中国制造2025的提出，加氢反应器已经逐步向着高温、耐腐蚀等极端方向发展，传统串行的设计方法已经越来越难满足需求。传统的设计往往借助手工或者经验来识别加氢反应器的总体结构，为了防止安全事故，设计过程中结构尺寸的富余量很大，这就导致加氢反应器的制造效率很低且成本很高，这显然不符合当今制造业向着绿色化的发展趋势，随着现在计算机辅助优化设计的发展，学者们也已经将优化设计与加氢反应器的设计结合起来，从轻量化的角度出发，在满足加氢反应器安全性能的前提下，尽量减少其质量，实现轻量化设计的目标。
　　加氢反应器的轻量化设计主要针对的是其壁厚的设计，属于优化设计的范畴，其基本原理是以整个加氢反应器的质量为优化目标，以其结构尺寸为约束变量，加氢反应器满足的安全性为基本约束，通过数学规划求解最佳的壁厚值。
　　目前国内进行加氢反应器的轻量化设计统计分析。
　　根据上述研究可知，加氢反应器的轻量化设计是涉及数学建模和非线性优化算法等多项技术的一个挑战性课题。数学建模涉及到反应器的质量描述，约束条件描述（包括反应器的强度、刚度、水压应力等多项限制）。虽然加氢反应器外表总体看起来是一个圆柱体，但由于涉及到多方面的功能（加氢、冷却、进排气口等等），决定了其结构局部的不规则形，且壳体也是多层结构，因此对于其质量的准确描述也是一个难点。
　　另外一方面，从加氢反应器设计的角度来看，需要进行总体塑性变形校核、渐增塑性变形设计校核、稳定性设计校核、疲劳设计校核、静平衡设计校核等。理论上来讲，优化设计的时候数学建模要考虑的约束应该完全包括以上五个方面，但是随着约束的增加，又给优化求解带来了困难，如何在约束表达与数值计算等两个方面之间找到平衡是难点。上述文献的研究目前基本都只考虑了总体塑性变形校核，只有少数考虑了一些实际工作时水压引起的疲劳校核。解决这个问题有两种思路，一种是根据设计加氢反应器的实际型号，参考设计标准，将约束分为主次，主约束作为优化问题所要考虑的目标约束，次约束作为优化设计后进行检验计算的参考。另外一种思路就是综合考虑所有约束，研究多约束非线性规划算法。
　　从非线性规划角度来看，结合加氢反应器的结构特点，发展趋势包含以下几个方面： 　　（1） 基于多离散变量的算法研究：由于加氢反应器的逐渐多功能性的发展，优化中的控制变量及状态变量只能以多个离散化变量来描述，而不能以单一参数来进行尺度描述，因此解决目前离散化多变量的取值问题是目前急需解决的首要问题;
　　（2） 基于多目标设计的算法研究：上述中已经提到理想的轻量化设计的思想是考虑所有约束变量进行优化，这就需要优化的时候追求多项指标函数，然而，实际求解过程中得到的目标函数有可能是互相矛盾的，这就给数值计算带来了挑战。传统的非线性规划算法就已经不能满足当下的需求。因此，发展模糊智能控制优化算法已经成为当下的一个研究热点;
　　（3） 大规模优化算法研究：针对离散化多变量的求解问题，精度与效率是一个矛盾。为了追求求解的精度，往往需要将离散化的有限元单元数量划分的越多越好，这就会导致加氢反应器优化设计变量可能到达成千上万的量级，势必会给优化算法的全局收敛性带来相当大的考验。针对这类问题的稀疏性和分治策略是时下的一个研究热点;
　　（4） 优化的全局收敛性问题：优化的本质是求解某个域内的极值问题，目前多数算法并不能保证这个极值在全域内的有效性，除非这个优化问题是一个凸优化问题。而加氢反应器的轻量化设计往往可能是一个非凸优化问题，加上它的高维度，就更难保证全局收敛性。目前，非迭代的全域最优化算法给解决这个难题提供了一种全新的思路。
　　四、加氢反应器的有限元分析
　　加氢反应器在实际炼油过程中，由于其炼油的高反应条件，由于高温高压的作用，非常容易发生两种破坏：一是氢化物导致的腐蚀现象;二是对壳体材料的强度破坏。由于这两方面问题引起的安全事故突发率很高，因此必须在加氢反应器的设计过程中充分考虑如何提高其安全性。其核心本质就是首先要保证结构是安全，其次是要尽量避免局部应力集中的情况。
　　为了解决这两个方面的问题，传统的加氢反应器的设计方法有两种思路，一种是通过分析实验数据统计得到加氢反应器的应力集中区域主要在结构连接处，通过对制造材料的选取来避免应力集中，材料要求耐高温，耐腐蚀、耐高压。另外一种思路是依靠经验公式，通过计算来保证加氢反应器的静强度要求。前者的问题是需要大量的数据支撑，对于批量生产的旧型号是可以的，对于新产品是无法实现的。后者的问题是不确定性和精度太差，同时也无法验证在实际高温、高压下的动态热应力和动态的疲劳强度要求。
　　随着计算机辅助工程分析技术的发展，有限元分析的思想为解决加氢反应器的设计问题带来全新的解决方法。加氢反应器有限元分析的基本原理是基于建立的三维实体模型，在商业化有限元分析软件中如ANSYS或ABAQUS等，根据所提供的实体单元进行离散化网格划分，同时考虑加氢反应器的实际负载和约束条件，借助有限元计算模块，获取反应器不同位置的应力云图，以评估反应器对应的结构强度。
　　目前国内进行加氢反应器的有限元分析相关的研究：
　　从表中统计结果可以看出，加氢反应器的有限元不仅仅能够分析基本的静态应力应变，同时能够分析动态响應特性，甚至包括考虑工作条件下的温度场及流场特性。有限元分析涉及的核心技术主要包括：反应器数字化建模、三维实体网格划分、有限元计算方法等，在实际分析过程中，要根据分析对象合理选择这些关键技术。
　　另外一方面，从表中可以看出，有限元分析可以与优化设计集中同步进行，借鉴轻量化设计的思想，即就是不再将质量看作是优化的唯一目标，可以将容易产生破坏位置的应力、温度、压力等任意一个参数作为优化目标，利用有限元分析软件提供的模型进行相关的优化设计，避免应力应变集中等现象，有效的提高加氢反应器的使用寿命。
　　五、结论
　　目前加氢反应器的设计和分析方法主要依靠借助工程经验手工完成，而且为了防止安全事故，设计过程中结构尺寸的富余量很大，这就导致加氢反应器的制造效率很低且成本很高。针对这一问题，本文从加氢反应器的结构设计与优化等方面着手系统地评述国内外学者的研究现状，主要结论如下：
　　（1） 从结构角度来看，随着焊接和冶金技术的发展日趋成熟，单层锻造结构成为加氢反应器的主流结构，壁面结构逐渐由最初的冷壁结构发展成为目前占统治地位的热壁结构，可以有效的解决腐蚀和过热的问题;
　　（2） 加氢反应器的轻量化设计可以有效的提高加氢反应器的制造效率，降低成本。多离散变量质量描述、静动态多约束规划、大规模全局收敛性算法的研究是未来主要的研究热点;
　　（3） 加氢反应器的有限元分析可以保证结构安全，且可以尽量避免局部应力集中的情况。考虑温度场及流场特性的动态响应特性分析是一个新的挑战。另外，优化设计与有限元分析相结合的思想可以有效避免加氢反应器应力应变集中等现象，提高加氢反应器的使用寿命。
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