甲醇合成塔的設計

第46卷第1期化工設備與管道Vol. 46 No. 12009年2月PROCESS EQUIPMENT & PIPINGFeb. 2009甲醇合成塔的設計韓滔，聶杰，安豐華，于艷芬.(錦西化工機械(集團)有限責任公司設計院,遼寧葫蘆島125001)摘要:大直徑不帶法蘭的立式列管固定床甲醇合成塔具有能源利用合理,催化劑使用壽命較長(cháng),操作方便等特點(diǎn)。通過(guò)設計實(shí)例,介紹了甲醇合成塔的工作原理結構特點(diǎn)、設計參數及材料選擇原則,并對其結構設計、強度計算、設備制造檢驗的要求等設計要點(diǎn)進(jìn)行了詳細介紹,為同類(lèi)產(chǎn)品設計提供了參考經(jīng)驗。關(guān)鍵詞:甲醇合成塔;工作原理; 結 構設計特點(diǎn)中圖分類(lèi)號:TQ 050.2文獻標識碼: A文章編號: 1009-3281(2009)01 _0023-04Design of Methanol Synthesis TowerHAN Tao，NIE Jie，AN Feng-hua，YU Yan-fen(Research & Derelopment Institute, Jinxi Chemical Machinery Group Co.，Ld. . huludao 12500 , China)Abstract: Large diamelter vertical tubular fixed bed methanol synthesis tower without flange has the advantages of suitable usage ofenergy,long using life of catalyst and convenient operation. With the practical example , the operating mechanism, structural features,design paramelers and material selection principle were introduced in this article. Moreover, the structural design, strength calculationand requirements of fabrication and inepection for this equipment were described in detail. What presented herein can be referenced forthe design of the same equipment.Keywords: methanol synthesis tower; operating mechanism; feature of structural design甲醇工業(yè)始于20世紀初,到20世紀60年代，MPa,與循環(huán)氣以1:5比例混合(人塔氣) ,經(jīng)過(guò)與出甲醇工業(yè)取得了重大進(jìn)展。1966 年英國ICI公司首塔氣換熱并升溫至230 C后,從頂部的人口進(jìn)人甲先推出了低壓甲醇合成工藝一-ICI 工藝,此為低壓醇合成塔,經(jīng)過(guò)裝填- -定粒徑的( Cu-Zn-AI)催化劑在法生產(chǎn)甲醇的開(kāi)端。所有中、低壓法甲醇裝置工藝.換熱管內,在催化劑的作用下,CO、CO2加氫合成甲過(guò)程類(lèi)似,在壓力為5.0~15.0 MPa、溫度205 ~275醇,反應熱傳給殼程的沸騰水,產(chǎn)生蒸汽進(jìn)人汽包,反C操作。各種工藝的主要區別在于反應器的設計、應器出口氣溫度約254C,含甲醇6.2%左右。反應熱的移走及回收利用方式的不同,另外所用的2甲醇合成塔的結構催化劑亦有差異。國內低壓甲醇裝置建設始于20世紀70年代,甲醇合成塔的型式為立式列管固定床，設備直最早引進(jìn)的是ICI公司的冷激型低壓甲醇合成塔裝徑為φ3 400 mm,反應管為φ 38 mm x2 mm x6000置,數量不多。某公司年產(chǎn)500kt甲醇合成裝置采.mm列管,共計4513根,換熱面積為3124 m2 ,內裝用華東理工大學(xué)“絕熱一管 殼外冷復合式反應催化劑共26.3 m' ,催化劑床層高度為200 mm。主器”專(zhuān)利技術(shù),甲醇合成塔是此項目的關(guān)鍵設備,其.要由管板簡(jiǎn)體裙座管箱換熱管束等部件組成,其主建成投產(chǎn)后,運行狀況一直良好,對兗礦高硫煤能夠要結構見(jiàn)圖1。甲醇合成塔的上下封頭,采用半球封頭。上封頭得到充分有效利用.減少資源浪費,使煤炭行業(yè)向高合成氣人口處設置氣體分布器,在管板的上部裝填一附加值一化工方向轉化等方面,具有重要意義。層200mm高的絕熱層催化劑.絕熱層催化劑上部填現將該設備的主要設計過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。1甲醇合 成塔的工作原理收稿日期:2008 10-29作者簡(jiǎn)介:韓渭(1971一).女.河北邯鄲人,工程師。一直從事壓力新鮮氣在離心式透平壓縮機內加壓(A)至8.2容器的設計與制造工作?！?4●化工設備與管道第46卷第1期裝耐火球φ 8 mm。下管板下面裝填耐火球φ 25 mm。比較合理,但是由于其直徑較大,如果采用法蘭連接將存在以下不利因素:(1)大直徑法蘭的密封性較難保證,若操作失誤易造成嚴重泄漏,且大直徑法蘭的成本造價(jià)高。(2)大直徑法蘭的密封墊片加工困難。為了防止設備工作過(guò)程中的密封泄漏.減少法蘭力矩對管板的影響,降低制造成本,采用不兼做法蘭的管板結構最為合理。表2材料選擇零部件名稱(chēng)材料名稱(chēng)規格/mmδ=46球形封頭15CrMoR(正火+回火)(包括沖壓減薄量)殼程簡(jiǎn)體13MnNiMoNbR(正火+回火)δ=42管程簡(jiǎn)體8=60+5堆焊不銹鋼反應管雙相不銹鋼:瑞典Sandvik公φ38 x2.司的SAF2205上下管板13MnNiMeNbR堆焊不銹鋼8=90 +7補強管鍛件20MnMoM法蘭鍛件20MnMo I圖1甲醇合成塔3甲醇合成塔的設計3.1設計參數主要設計參數如表1。表1甲醇合成塔技術(shù)參數技術(shù)參數項目殼程設計壓力/MPa6.34.3設計溫度/C280256更3400操作介質(zhì)合成氣(易燃易爆)沸騰水圖2管板與簡(jiǎn)體焊接 :腐蝕裕度3.02.0焊接接頭:系數1.0.03.4填料支撐彈簧的設計換熱面積/m'3124由于甲醇合成塔的反應過(guò)程在裝填催化劑的換容器類(lèi)別三類(lèi)(A2)熱管中進(jìn)行,因此對換熱管中催化劑支承設計是相催化劑裝填量/m'26.3當重要的。錐形彈簧結構裝拆容易.加工方便,阻力氧化鋁球裝填/m'20.9降較小,穩定性好、能夠承受較大載荷,可以防止共設計使用壽命/a15振現象發(fā)生。選用高溫下具有抗腐蝕好且保持彈性3.2材料的選擇性能的1Crl3來(lái)制作催化劑支承彈簧,以增加錐形材料的選擇主要考慮甲醇合成塔工作過(guò)程中的彈簧的彈性,加大彈簧與換熱管管壁的摩擦力,避免介質(zhì)特性和工藝條件,以及設備制造過(guò)程中材料的彈簧的脫落,并設計了簡(jiǎn)單專(zhuān)用的催化劑支承彈簧焊接性.工藝性和經(jīng)濟性(表2)。裝拆工具(圖3)。3.3筒體 與管板的焊接結構的設計3.5 增大管箱空間管板與簡(jiǎn)體的焊接結構如圖2所示。根據甲醇在設計時(shí)在管箱封頭處開(kāi)設人孔并適當增大管合成塔工作程序.在操作反應前先要將催化劑顆粒箱空間結構形式，以方便安裝維修人員進(jìn)人合成塔裝填在每根換熱管內.催化劑需要定期更換.從操作內進(jìn)行催化劑的裝填和對合成塔的檢查與維修,同工藝條件上講,管箱簡(jiǎn)體與管板之間采用法蘭連接時(shí)也節省了設備制造費用。2009年2月韓滔,等，甲醇合成塔的設計在脹管時(shí)采用液壓脹管方式,以避免管子內壁產(chǎn)生冷作裂紋.且控制貼脹量小于6%。為了確保貼脹的質(zhì)量,對換熱管與管板的貼脹要求做脹接工藝評定。工藝評定時(shí):①測定脹管輸入壓力;②檢查換熱管貼脹部分:不允許有剝離、皺折、刮傷和過(guò)度硬化等現象發(fā)生。3.8 殼體上的接管開(kāi)孔形式.圖3換熱管內填料下端彈簧支撐殼體上的接管開(kāi)孔均采用整體補強形式,為降3.6 提高傳熱膜系數為使進(jìn)入殼程時(shí)均勻且穩定地分布,脫鹽水入低焊接接頭處的應力集中,接管(補強管)插入筒體并與其內壁齊平,除圖4所示外,焊接接頭采用雙面口采用了環(huán)形管路和圓扁管入口設計;同時(shí),在反應焊的全焊透形式,不允許有明顯的凹坑存在;焊角接管的指定位置上設置安裝了防膜彈性擋圈以破壞沸頭應圓滑過(guò)渡,保證圓角R,接管(補強管)內壁根.騰液膜,提高傳熱膜系數以利于傳熱。部應保證倒圓角R。3.7反應管 與管板的連接結構設計3.9管法蘭的選用反應管與管板的焊接接頭(圖4)的強度和密封由于管程介質(zhì)為易燃易爆的中度危害氣體,且管性是設計的關(guān)鍵點(diǎn)之一。對于復合管板的場(chǎng)合.密程和殼程的操作壓力均較高,為保證介質(zhì)不泄漏，管封性能要求較高的場(chǎng)合、承受振動(dòng)和疲勞載荷的場(chǎng)程和殼程的管法蘭均選用凹凸面長(cháng)頸對焊法蘭。合有間隙腐蝕的場(chǎng)合,-般采用強度焊加貼脹或者3.10塔體不設 置安全附件強度脹加密封焊。由于本設備的工作溫度255 C,本設備殼程與汽包連通使用,汽包上已設置了對于管板與換熱管的拉脫強度和密封性要求較高,安全泄放裝置和壓力表等安全附件;在管程進(jìn)氣口因此反應管與管板采用強度焊加貼脹的連接方式，管路上已設置了安全泄放裝置和壓力表,所以,甲醇既滿(mǎn)足溫度要求,也滿(mǎn)足強度及密封性要求,也避免合成塔本身在設計中不再設置安全附件。設備在工作中出現振動(dòng)、間隙腐蝕等影響反應管與3.11 強度計算管板焊接接頭強度及密封性的情況。甲醇合成塔的公稱(chēng)直徑為DN3 400 mm,超出現行國內和國外原換熱器標準規范。各國換熱器標準規范規定的最大公稱(chēng)直徑見(jiàn)表3。表3國內外換熱器標準規范規定的最大公稱(chēng)直徑&TEMA- -1999標準GB 151-19999(現井人ASME V1I1)最大公稱(chēng) 肖徑/mm260025403.11.1零 部件的強度計算管箱封頭筒節、殼程簡(jiǎn)體以及開(kāi)孔補強等強度圄4反應管 與管板焊接計算依據GB 150- -1998進(jìn)行,根據SW6-98《壓力容為了保證制造過(guò)程中的焊接和密封性能,從設器強度設計軟件包》計算結果,確定各零部件的計計角度對反應管與管板的焊接和脹接過(guò)程提出以下算厚度和名義厚度?？刂埔?3.11.2管板的強度計算(1)反應管與管板的焊接選用氬弧焊。先將反管板的計算首先根據同類(lèi)型設備的使用經(jīng)驗,應管與管板點(diǎn)焊,然后分區焊接.管束在焊完第- -道參照文獻對管板進(jìn)行初步設計:建立力學(xué)模型,認為.焊縫并經(jīng)氨滲透試驗合格后再焊接第二道焊縫.并換熱管對管板是固定支承,管板是在換熱管固定支要求第二道焊縫起弧點(diǎn)與第一道焊縫起弧點(diǎn)交錯承下的平板,換熱管在操作中保持剛性;計算管板抗180° ,且第二道焊縫要全部覆蓋第~道焊縫。彎剛度并分別對換熱管中心、布管區周邊、管板邊緣(2)由于管板厚度較厚,有冷作硬化傾向,規定的徑向應力,各種工況下的換熱管軸向應力以及換化工設備與管道第46卷第1期熱管與管板連接的拉脫力進(jìn)行強度校核;再對管板.而獲得滿(mǎn)足工藝要求的計算結果。進(jìn)行有限元分析驗證。依據有限元分析結果對初步3.12設 備制造檢驗的基本要求設計結果進(jìn)行調整并再次進(jìn)行有限元分析驗證,從設備制造檢驗的基本要求見(jiàn)表4。表4設備制造檢驗的基本要求項目殼程管程水壓試驗壓力/MPa5.47.98壓力試驗氣密性試驗壓力/MPa探傷方法100%RT+20%UT.100% RT + 20% UTA.B類(lèi)焊縫探傷標準JB/T. 4730.2 JB/T 4730.3- 2005 JB/T 4730.2 .JB/T 4730.3- 2005焊縫探合格級別1I+1級合格(見(jiàn)注)1+1級合格(見(jiàn)注)傷要求磁粉C.D類(lèi)焊縫JB/T 4730.4-2005JB/T4730.4- 20051級合格焊后消氨處理注:|)焊接完成24 h后和水壓試驗后。對焊縫外表面進(jìn)行100% MT,按JB/T 4730.4-2005 I級合格。2)堆燁表面及堆焊后表面分別進(jìn)行100% PT.按JB/T4730.s- 2005 I級合格。為了進(jìn)一步確認保證換熱管與管板連接處密封(3)適用于低溫活性較高的催化劑,催化劑使的可靠穩定,在管程和殼程分別進(jìn)行水壓試驗合格用壽命較長(cháng)。后,對殼程氣密性試驗特別提出采用靈敏度高的內部(4)當入塔氣中含有毒物時(shí),中毒的是絕熱層充氦法進(jìn)行檢漏,要求泄漏不大于10~5 Pa●m'/s。催化劑,因絕熱層直徑大,中毒區的床高不會(huì )很高。4甲醇合成塔的優(yōu)點(diǎn)和特色5結束語(yǔ)(1)反應熱利用合理,每噸甲醇可副產(chǎn)中壓蒸甲醇合成塔自設備投產(chǎn)后,運行情況- -直良好，汽1t,提高了能源再利用效率。說(shuō)明其選材、設計強度和結構完全滿(mǎn)足產(chǎn)品的工藝(2)全塔幾乎處在等溫反應條件下操作,其溫要求和生產(chǎn)能力,為同類(lèi)產(chǎn)品設計提供了參考經(jīng)驗。度由汽包壓力控制,操作方便,操作彈性大。2008年度《化工設備與管道》優(yōu)秀論文評選結果《化工設備與管道>2008年征文及年度優(yōu)秀論文評選活動(dòng),得到了廣“大讀者、作者的踴躍參與和大力支持。參加活動(dòng)的部分征文結合全國化工設備設計技術(shù)中心站設備年會(huì )、機泵年會(huì )分別出版了增刊,共評選出13篇獲獎?wù)撐?結果公布在本刊2008年第6期?！痘ぴO備與管道》全年6期出版后,經(jīng)過(guò)專(zhuān)家認真評選,從全年發(fā)表的文章中評選出6篇優(yōu)秀論文進(jìn)行獎勵(獎金2000元/篇),現將評選結果公布如下(按發(fā)表時(shí)間排序)。論文題名作者姓名作者單位膨脹節設計標準的對比分析岑鵬,錢(qián)才富.北京化工大學(xué)陳朝暉全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會(huì )密封產(chǎn)品生命周期費用分析蔡仁良華東理工大學(xué)對壓力容器有關(guān)標準的-些看法丁伯民石化設備腐蝕挖制中的教訓與反思余存燁中國石化上海石化股份有限公司柔性聯(lián)軸器在石化工業(yè)動(dòng)設備中的應用張景安,楊立民中國石化集團洛陽(yáng)石化工程公司局部應力計算方法的對比研究秦叔經(jīng)全國化工設備設計技術(shù)中心站王琦