甲醇合成塔的设计

第46卷第1期化工设备与管道Vol. 46 No. 12009年2月PROCESS EQUIPMENT & PIPINGFeb. 2009甲醇合成塔的设计韩滔，聂杰，安丰华，于艳芬.(锦西化工机械(集团)有限责任公司设计院,辽宁葫芦岛125001)摘要:大直径不带法兰的立式列管固定床甲醇合成塔具有能源利用合理,催化剂使用寿命较长,操作方便等特点。通过设计实例,介绍了甲醇合成塔的工作原理结构特点、设计参数及材料选择原则,并对其结构设计、强度计算、设备制造检验的要求等设计要点进行了详细介绍,为同类产品设计提供了参考经验。关键词:甲醇合成塔;工作原理; 结 构设计特点中图分类号:TQ 050.2文献标识码: A文章编号: 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甲醇工业始于20世纪初,到20世纪60年代，MPa,与循环气以1:5比例混合(人塔气) ,经过与出甲醇工业取得了重大进展。1966 年英国ICI公司首塔气换热并升温至230 C后,从顶部的人口进人甲先推出了低压甲醇合成工艺一-ICI 工艺,此为低压醇合成塔,经过装填- -定粒径的( Cu-Zn-AI)催化剂在法生产甲醇的开端。所有中、低压法甲醇装置工艺.换热管内,在催化剂的作用下,CO、CO2加氢合成甲过程类似,在压力为5.0~15.0 MPa、温度205 ~275醇,反应热传给壳程的沸腾水,产生蒸汽进人汽包,反C操作。各种工艺的主要区别在于反应器的设计、应器出口气温度约254C,含甲醇6.2%左右。反应热的移走及回收利用方式的不同,另外所用的2甲醇合成塔的结构催化剂亦有差异。国内低压甲醇装置建设始于20世纪70年代,甲醇合成塔的型式为立式列管固定床，设备直最早引进的是ICI公司的冷激型低压甲醇合成塔装径为φ3 400 mm,反应管为φ 38 mm x2 mm x6000置,数量不多。某公司年产500kt甲醇合成装置采.mm列管,共计4513根,换热面积为3124 m2 ,内装用华东理工大学“绝热一管 壳外冷复合式反应催化剂共26.3 m' ,催化剂床层高度为200 mm。主器”专利技术,甲醇合成塔是此项目的关键设备,其.要由管板简体裙座管箱换热管束等部件组成,其主建成投产后,运行状况一直良好,对兖矿高硫煤能够要结构见图1。甲醇合成塔的上下封头,采用半球封头。上封头得到充分有效利用.减少资源浪费,使煤炭行业向高合成气人口处设置气体分布器,在管板的上部装填一附加值一化工方向转化等方面,具有重要意义。层200mm高的绝热层催化剂.绝热层催化剂上部填现将该设备的主要设计过程进行简单的介绍。1甲醇合 成塔的工作原理收稿日期:2008 10-29作者简介:韩渭(1971一).女.河北邯郸人,工程师。一直从事压力新鲜气在离心式透平压缩机内加压(A)至8.2容器的设计与制造工作。●24●化工设备与管道第46卷第1期装耐火球φ 8 mm。下管板下面装填耐火球φ 25 mm。比较合理,但是由于其直径较大,如果采用法兰连接将存在以下不利因素:(1)大直径法兰的密封性较难保证,若操作失误易造成严重泄漏,且大直径法兰的成本造价高。(2)大直径法兰的密封垫片加工困难。为了防止设备工作过程中的密封泄漏.减少法兰力矩对管板的影响,降低制造成本,采用不兼做法兰的管板结构最为合理。表2材料选择零部件名称材料名称规格/mmδ=46球形封头15CrMoR(正火+回火)(包括冲压减薄量)壳程简体13MnNiMoNbR(正火+回火)δ=42管程简体8=60+5堆焊不锈钢反应管双相不锈钢:瑞典Sandvik公φ38 x2.司的SAF2205上下管板13MnNiMeNbR堆焊不锈钢8=90 +7补强管锻件20MnMoM法兰锻件20MnMo I图1甲醇合成塔3甲醇合成塔的设计3.1设计参数主要设计参数如表1。表1甲醇合成塔技术参数技术参数项目壳程设计压力/MPa6.34.3设计温度/C280256更3400操作介质合成气(易燃易爆)沸腾水图2管板与简体焊接 :腐蚀裕度3.02.0焊接接头:系数1.0.03.4填料支撑弹簧的设计换热面积/m'3124由于甲醇合成塔的反应过程在装填催化剂的换容器类别三类(A2)热管中进行,因此对换热管中催化剂支承设计是相催化剂装填量/m'26.3当重要的。锥形弹簧结构装拆容易.加工方便,阻力氧化铝球装填/m'20.9降较小,稳定性好、能够承受较大载荷,可以防止共设计使用寿命/a15振现象发生。选用高温下具有抗腐蚀好且保持弹性3.2材料的选择性能的1Crl3来制作催化剂支承弹簧,以增加锥形材料的选择主要考虑甲醇合成塔工作过程中的弹簧的弹性,加大弹簧与换热管管壁的摩擦力,避免介质特性和工艺条件,以及设备制造过程中材料的弹簧的脱落,并设计了简单专用的催化剂支承弹簧焊接性.工艺性和经济性(表2)。装拆工具(图3)。3.3筒体 与管板的焊接结构的设计3.5 增大管箱空间管板与简体的焊接结构如图2所示。根据甲醇在设计时在管箱封头处开设人孔并适当增大管合成塔工作程序.在操作反应前先要将催化剂颗粒箱空间结构形式，以方便安装维修人员进人合成塔装填在每根换热管内.催化剂需要定期更換.从操作内进行催化剂的装填和对合成塔的检查与维修,同工艺条件上讲,管箱简体与管板之间采用法兰连接时也节省了设备制造费用。2009年2月韩滔,等，甲醇合成塔的设计在胀管时采用液压胀管方式,以避免管子内壁产生冷作裂纹.且控制贴胀量小于6%。为了确保贴胀的质量,对换热管与管板的贴胀要求做胀接工艺评定。工艺评定时:①测定胀管输入压力;②检查换热管贴胀部分:不允许有剥离、皱折、刮伤和过度硬化等现象发生。3.8 壳体上的接管开孔形式.图3換热管内填料下端弹簧支撑壳体上的接管开孔均采用整体补强形式,为降3.6 提高传热膜系数为使进入壳程时均匀且稳定地分布,脱盐水入低焊接接头处的应力集中,接管(补强管)插入筒体并与其内壁齐平,除图4所示外,焊接接头采用双面口采用了环形管路和圆扁管入口设计;同时,在反应焊的全焊透形式,不允许有明显的凹坑存在;焊角接管的指定位置上设置安装了防膜弹性挡圈以破坏沸头应圆滑过渡,保证圆角R,接管(补强管)内壁根.腾液膜,提高传热膜系数以利于传热。部应保证倒圆角R。3.7反应管 与管板的连接结构设计3.9管法兰的选用反应管与管板的焊接接头(图4)的强度和密封由于管程介质为易燃易爆的中度危害气体,且管性是设计的关键点之一。对于复合管板的场合.密程和壳程的操作压力均较高,为保证介质不泄漏，管封性能要求较高的场合、承受振动和疲劳载荷的场程和壳程的管法兰均选用凹凸面长颈对焊法兰。合有间隙腐蚀的场合,-般采用强度焊加贴胀或者3.10塔体不设 置安全附件强度胀加密封焊。由于本设备的工作温度255 C,本设备壳程与汽包连通使用,汽包上已设置了对于管板与换热管的拉脱强度和密封性要求较高,安全泄放装置和压力表等安全附件;在管程进气口因此反应管与管板采用强度焊加贴胀的连接方式，管路上已设置了安全泄放装置和压力表,所以,甲醇既满足温度要求,也满足强度及密封性要求,也避免合成塔本身在设计中不再设置安全附件。设备在工作中出现振动、间隙腐蚀等影响反应管与3.11 强度计算管板焊接接头强度及密封性的情况。甲醇合成塔的公称直径为DN3 400 mm,超出现行国内和国外原换热器标准规范。各国换热器标准规范规定的最大公称直径见表3。表3国内外换热器标准规范规定的最大公称直径&TEMA- -1999标准GB 151-19999(现井人ASME V1I1)最大公称 肖径/mm260025403.11.1零 部件的强度计算管箱封头筒节、壳程简体以及开孔补强等强度圄4反应管 与管板焊接计算依据GB 150- -1998进行,根据SW6-98《压力容为了保证制造过程中的焊接和密封性能,从设器强度设计软件包》计算结果,确定各零部件的计计角度对反应管与管板的焊接和胀接过程提出以下算厚度和名义厚度。控制要求:3.11.2管板的强度计算(1)反应管与管板的焊接选用氩弧焊。先将反管板的计算首先根据同类型设备的使用经验,应管与管板点焊,然后分区焊接.管束在焊完第- -道参照文献对管板进行初步设计:建立力学模型,认为.焊缝并经氨渗透试验合格后再焊接第二道焊缝.并换热管对管板是固定支承,管板是在换热管固定支要求第二道焊缝起弧点与第一道焊缝起弧点交错承下的平板,换热管在操作中保持刚性;计算管板抗180° ,且第二道焊缝要全部覆盖第~道焊缝。弯刚度并分别对换热管中心、布管区周边、管板边缘(2)由于管板厚度较厚,有冷作硬化倾向,规定的径向应力,各种工况下的换热管轴向应力以及换化工设备与管道第46卷第1期热管与管板连接的拉脱力进行强度校核;再对管板.而获得满足工艺要求的计算结果。进行有限元分析验证。依据有限元分析结果对初步3.12设 备制造检验的基本要求设计结果进行调整并再次进行有限元分析验证,从设备制造检验的基本要求见表4。表4设备制造检验的基本要求项目壳程管程水压试验压力/MPa5.47.98压力试验气密性试验压力/MPa探伤方法100%RT+20%UT.100% RT + 20% UTA.B类焊缝探伤标准JB/T. 4730.2 JB/T 4730.3- 2005 JB/T 4730.2 .JB/T 4730.3- 2005焊缝探合格级别1I+1级合格(见注)1+1级合格(见注)伤要求磁粉C.D类焊缝JB/T 4730.4-2005JB/T4730.4- 20051级合格焊后消氨处理注:|)焊接完成24 h后和水压试验后。对焊缝外表面进行100% MT,按JB/T 4730.4-2005 I级合格。2)堆烨表面及堆焊后表面分别进行100% PT.按JB/T4730.s- 2005 I级合格。为了进一步确认保证换热管与管板连接处密封(3)适用于低温活性较高的催化剂,催化剂使的可靠稳定,在管程和壳程分别进行水压试验合格用寿命较长。后,对壳程气密性试验特别提出采用灵敏度高的内部(4)当入塔气中含有毒物时,中毒的是绝热层充氦法进行检漏,要求泄漏不大于10~5 Pa●m'/s。催化剂,因绝热层直径大,中毒区的床高不会很高。4甲醇合成塔的优点和特色5结束语(1)反应热利用合理,每吨甲醇可副产中压蒸甲醇合成塔自设备投产后,运行情况- -直良好，汽1t,提高了能源再利用效率。说明其选材、设计强度和结构完全满足产品的工艺(2)全塔几乎处在等温反应条件下操作,其温要求和生产能力,为同类产品设计提供了参考经验。度由汽包压力控制,操作方便,操作弹性大。2008年度《化工设备与管道》优秀论文评选结果《化工设备与管道>2008年征文及年度优秀论文评选活动,得到了广“大读者、作者的踊跃参与和大力支持。参加活动的部分征文结合全国化工设备设计技术中心站设备年会、机泵年会分别出版了增刊,共评选出13篇获奖论文.结果公布在本刊2008年第6期。《化工设备与管道》全年6期出版后,经过专家认真评选,从全年发表的文章中评选出6篇优秀论文进行奖励(奖金2000元/篇),现将评选结果公布如下(按发表时间排序)。论文题名作者姓名作者单位膨胀节设计标准的对比分析岑鹏,钱才富.北京化工大学陈朝晖全国锅炉压力容器标准化技术委员会密封产品生命周期费用分析蔡仁良华东理工大学对压力容器有关标准的-些看法丁伯民石化设备腐蚀挖制中的教训与反思余存烨中国石化上海石化股份有限公司柔性联轴器在石化工业动设备中的应用张景安,杨立民中国石化集团洛阳石化工程公司局部应力计算方法的对比研究秦叔经全国化工设备设计技术中心站王琦