超临界反应器工程设计方法实践探索

（¹百色学院 信息工程学院，广西 百色 533099;

²百色学院 材料科学与工程学院, 广西 百色533099）

摘 要：对某一特定工艺的整套超临界反应装备的工业化设计过程进行了总结。尤其在管道选材过程中，为了保障整套装置在局部存在温度梯度超过450℃工况下的可靠运行，利用热模拟拉伸实验测试和晶相分析手段进行了工程设计。这些结果为后续类似的超临界反应器工程设计和超临界装置用到的金属新材料研发提供了一定的借鉴意义。

关键词：超临界反应器；温度梯度；弹性模量；晶相分析 

       基金项目：校企合作《非标定制超临界反应器》项目(RH2000003591)

作者简介：赵燕（1981-），女，河北保定人，百色学院，硕士，工程师，研究方向为机械设计、电气工程及其自动化；董广成（1977-），男，内蒙古通辽人，百色学院，博士，高级工程师，研究方向为化工装备研发及工业化。

20世纪40年代就已有学者专门从事超临界流体（SCF，Supercritical Fluids）的学术研究。随着学术界和工业界对SCF愈加重视，尤其随着SCF相图的研究、溶质在SCF中溶解度的研究和对应的技术过程成本估算等工作的逐步深入，研究者愈发清醒和科学的对待。这项技术已经扩展到了化工、矿冶、地质和天文等多个领域。

本文基于国内某科研单位为生产某一纳米级特殊材料提出的设计压力为30MPa、设计温度为500℃、额定流量为8L/h的超临界装备运行工艺条件，对整套装置的设计过程进行设计总结。尤其针对工程实践中如何处理出现局部温度梯度过大问题和解释在管道选材过程中出现的材料在温度梯度作用下弹性模量变大的现象进行了以实验测试为主的设计方法实践。

1  整套装备设计准则的确定

由于该套装置的设计压力为30MPa、设计温度为500℃，所以整套装置的设计方法应参考压力容器和压力管道的设计标准，暨GB150《钢制压力容器》、GB151《管壳式换热器》、GB50316《工业金属管道设计规范》、GB50235《工业金属管道工程施工规范》和GB50184《工业金属管道工程施工质量验收规范》，并接受TSG D0001《压力管道安全技术监察规程》和TSG R0004《固定式压力容器安全技术监察规程》的监管。但由于该装置受到额定流量为8L/h的限制，致使管道的内直径仅有5mm。这就导致该套装置不能完全依据上述标准GB50235进行设计。除此之外，常规的管道连接方法，例如法兰连接和焊接连接均不适用，致使GB50235和GB50184无法在这套装置上参考执行。经广泛调研，最终确定该套装置的管道连接方法采用卡套连接技术。卡套接头是通过螺纹互锁来压迫卡套，而卡套使管子均匀变形从而达到密封的效果。

所以本套装置还要参考JB4732《钢制压力容器-分析设计标准》来进行非标部件的设计。最终整套装备参照TSG D001和TSG R004进行监管。这就使得这套装备与常规压力容器在设计上有所不同，且增加了设计内容和难度。

2  管材拉伸实验

参照上述标准对本套装置进行设计，在选材上根据工艺介质的特性，最后选定反应器及其配套管道材料材质为不锈钢316L。该套超临界反应器与常规金属压力容器的设计有着显著的不同之处：超临界反应器的超临界流体喷嘴的出口要与另一常温介质接触，并且喷出的超临界介质要与另两股常温进料进行反应，这就意味着超临界流体管道局部存在急冷区域，暨超临界流体介质温度会从500℃迅速降到30℃左右。所以整套装置除了按照常规设计规定设计之外，还要考虑到大温度梯度对管道材料性能的影响。该工况下材料的性能直接决定着大温度梯度温度应力对装置的整体运行可靠性的影响，特别是管材的力学性能数据还直接影响着采用JB4732进行非标设计及分析的准确程度。因此，该工况下管材（不锈钢316L）的力学性能数据尤为重要。因此，本文采用管材根据实际工况分为三组进行热模拟拉伸实验。分别为：工况一：常温工况下的管材；工况二：500℃下保温48小时后空冷管材和工况三：500℃下保温48小时后常温水冷管材。每组做四次实验，每次20个样品。为了保证实验数据的可靠性，这四次实验分别按照不同的时间段进行测试，且将每组（20个试样）的数据进行单独统计处理。统计结果如图1所示：

从图1中可以看出：本次超临界反应器装置使用的管道材料不锈钢316L在工况二下，弹性模量明显高于该材料的工况一下弹性模量；在工况三下，弹性模量明显不低于该材料的工况一下弹性模量。这就说明了该材料适用于高温工况，尤其可以适用于有450℃温度梯度的超临界工况。

3  晶相分析实验方法

为了进一步研究本套装置使用的管材不锈钢316L在上述工况下材料性能发生的变化，课题组分别就不锈钢316L的浸蚀液的配方和浸蚀时间做了大量的研究和实验。最终采用了由浓盐酸和浓硝酸按质量比为2:3配置而成的王水溶液作为不锈钢316L晶相浸蚀液。

三种工况下的实验标本进行晶相分析，在500倍光学显微镜下观察到的结果如图2所示。

从晶相图中可以看出：工况三下试样的晶粒大小不均匀；工况二下试样的试样晶粒大小均匀；工况三和工况二下，试样的大部分晶粒要明显大于工况一下管材的试样晶粒。

为了更进一步确切了解这种材料的微观组织信息，本文将三种工况下的试样采用XRD手段对晶型进行分析。三种工况下的XRD图谱如图3所示。

由于三种工况下的XRD图谱完全重合，可以看出：三组材料的晶型没有任何改变。

为了进一步用定量方法估算一下三种工况下试样晶粒大小变化情况，本文采用了JADE软件对三种工况下的晶相图进行分析，分析结果如图4所示。

从软件分析结果来看：工况一下的平均晶粒尺寸为79nm；工况二下的平均晶粒尺寸为533nm；工况三下的平均晶粒尺寸为117nm。也就是说：经过高温保温后空冷或水冷的316L奥氏体不锈钢的晶粒明显增大。与在材料拉伸实验中该材料宏观表现出的随着温度的升高，316L不锈钢的弹性模量也增大的结果一致。这充分说明这种管材十分适合该套装置的使用。

4  结论

应用本文提出的基于实验测试方法和传统压力容器设计方法相结合的方法可以对非标类的超临界反应器及其装置进行工程设计。通过实验证明了不锈钢316L具有优良的耐腐蚀性能和综合力学性能，非常适合用于超临界反应设备及管道。本套装备设计方法可以为其他类似超临界装置的工程设计提供指导和借鉴意义。

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来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第11期  在线投稿  >>