第46卷第1期化工設(shè)與管道Vol 46 No. 1009年2月PROCESS EQUIPMENT PIPINGFeb.2009甲醇合成塔的設(shè)計(jì)韓滔,聶杰,安豐華,于艷芬(錦西化工機(jī)械(集團(tuán))有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)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,操作方便等特點(diǎn)。通過設(shè)計(jì)實(shí)例,介紹了甲醇合成塔的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)參數(shù)及材料選擇原則,并對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算、設(shè)備制造檢驗(yàn)的要求等設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹,為同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了參考經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞:甲醇合成塔;工作原理;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)中圖分類號:TQ050.2文獻(xiàn)標(biāo)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-fenResearch Development Institute, Jinni Chemical Machinery Group Co., Ltd., huludao 125001, China)Abstract: Large diameter 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 featuresdesign parameters and material selection principle were introduced in this article. Moreover, the structural design, strength calculationand requirements of fabrication and inspection for this equipment were described in detail. What presented herein can be referenced forKeywords: methanol synthesis tower; operating mechanism; feature of structural design甲醇工業(yè)始于20世紀(jì)初,到20世紀(jì)60年代,MPa,與循環(huán)氣以1:5比例混合(人塔氣),經(jīng)過與出甲醇工業(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℃后,從頂部的入口進(jìn)入甲先推出了低壓甲醇合成工藝—CI工藝,此為低壓醇合成塔,經(jīng)過裝填一定粒徑的(CuZn-A)催化劑在法生產(chǎn)甲醇的開端。所有中、低壓法甲醇裝置工藝換熱管內(nèi)在催化劑的作用下,CO、CO2加氫合成甲過程類似,在壓力為5.0~15.0MPa、溫度205~275醇,反應(yīng)熱傳給殼程的沸騰水,產(chǎn)生蒸汽進(jìn)入汽包反℃操作。各種工藝的主要區(qū)別在于反應(yīng)器的設(shè)計(jì)應(yīng)器出口氣溫度約254℃,含甲醇6.2%左右。反應(yīng)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(jié)構(gòu)催化劑亦有差異國內(nèi)低壓甲醇裝置建設(shè)始于20世紀(jì)70年代,甲醇合成塔的型式為立式列管固定床,設(shè)備直最早引進(jìn)的是C公司的冷激型低壓甲醇合成塔裝徑為d3400m,反應(yīng)管為38mmx2mm×6000置數(shù)量不多。某公司年產(chǎn)500k甲醇合成裝置采mm列管共計(jì)4513根換熱面積為3124m2,內(nèi)裝用華東理工大學(xué)“絕熱—管殼外冷復(fù)合式反應(yīng)催化劑共263m催化劑床層高度為200mn。主器”專利技術(shù)甲醇合成塔是此項(xiàng)目的關(guān)鍵設(shè)備,其要由管板筒體裙座管箱換熱管束等部件組成其主建成投產(chǎn)后,運(yùn)行狀況一直良好,對兗礦高硫煤能夠要結(jié)構(gòu)見圖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(fèi)使煤炭行業(yè)向高合成氣入口處設(shè)置氣體分布器在管板的上部裝填附加值——化工方向轉(zhuǎn)化等方面,具有重要意義。層將該設(shè)備的主要設(shè)計(jì)過程進(jìn)行簡單的介紹。LLI中國煤化工層催化劑上部填CNMHG甲醇合成塔的工作原理收稿日作者簡介:韓滔(1971-)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(jī)內(nèi)加壓(A)至8.2容器的設(shè)計(jì)與制造工作。化工設(shè)備與管道第46卷第1期裝耐火球φ8mm。下管板下面裝填耐火球φ25mm。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(yán)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(shè)備工作過程中的密封泄漏,減少法蘭力矩對管板的影響降低制造成本,釆用不兼做法蘭的管板結(jié)構(gòu)最為合理。表2材料選擇零部件名稱料名稱球形封頭15 ArMoR(正火+回火)(包括沖壓減薄量)殼程筒體13 MnNiMoNbR(正火+回火)6=42管程筒體13 MnNiMoNbR(正火+回火)8=60+5堆焊不銹鋼反應(yīng)管雙相不銹鋼:瑞典 Sandvik公司的SAF2205上下管板13 MnNiMoNbr堆焊不銹鋼補(bǔ)強(qiáng)管鍛件MnMⅢ法蘭鍛件20MnMoⅢ圖1甲醇合成塔3甲醇合成塔的設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)參數(shù)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表表1甲醇合成塔技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)項(xiàng)目管程設(shè)計(jì)壓力/MPa設(shè)計(jì)溫度/℃93400操作介質(zhì)合成氣(易燃易爆)沸騰水圖2管板與筒體焊接腐蝕裕度0焊接接頭系數(shù)1.03.4填料支撐彈簧的設(shè)計(jì)換熱面積/由于甲醇合成塔的反應(yīng)過程在裝填催化劑的換容器類別三類(A2)熱管中進(jìn)行,因此對換熱管中催化劑支承設(shè)計(jì)是相催化劑裝填量/m3當(dāng)重要的。錐形彈簧結(jié)構(gòu)裝拆容易,加工方便,阻力氧化鋁球裝填域/m320.9降較小,穩(wěn)定性好,能夠承受較大載荷,可以防止共設(shè)計(jì)使用壽命/a振現(xiàn)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1Cr13來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(shè)備制造過程中材料的彈簧的脫落并設(shè)計(jì)了簡單專用的催化劑支承彈簧焊接性、工藝性和經(jīng)濟(jì)性(表2)。裝拆工具(圖3)3.3筒體與管板的焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.5管板與筒體的焊接結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)甲醇中國煤化工人孔并適當(dāng)增大管合成塔工作程序,在操作反應(yīng)前先要將催化劑顆粒箱空CNMH彡人員進(jìn)入合成塔裝填在每根換熱管內(nèi)催化劑需要定期更換,從操作內(nèi)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筒體與管板之間采用法蘭連接時(shí)也節(jié)省了設(shè)備制造費(fèi)用。韓滔,等,甲醇合成塔的設(shè)計(jì)在脹管時(shí)采用液壓脹管方式,以避免管子內(nèi)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、刮傷和過度硬化等現(xiàn)象發(fā)生。38殼體上的接管開孔形式圖3換熱管內(nèi)填料下端彈簧支撐殼體上的接管開孔均采用整體補(bǔ)強(qiáng)形式,為降3.6提高傳熱膜系數(shù)低焊接接頭處的應(yīng)力集中,接管(補(bǔ)強(qiáng)管)插入筒體為使進(jìn)入殼程時(shí)均勻且穩(wěn)定地分布,脫鹽水人并與其內(nèi)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(shè)計(jì);同時(shí),在反應(yīng)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(shè)置安裝了防膜撣性擋圈以破壞沸頭應(yīng)圓滑過渡保證圓角R,接管(補(bǔ)強(qiáng)管)內(nèi)壁根騰液膜,提高傳熱膜系數(shù)以利于傳熱。部應(yīng)保證倒圓角R。3.7反應(yīng)管與管板的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)反應(yīng)管與管板的焊接接頭(圖4)的強(qiáng)度和密封3.9管法蘭的選用由于管程介質(zhì)為易燃易爆的中度危害氣體,且管性是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)之一。對于復(fù)合管板的場合、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合承受振動(dòng)和疲勞載荷的場程和殼程的管法蘭均選用凹凸面長頸對焊法蘭。合有間隙腐蝕的場合,一般采用強(qiáng)度焊加貼脹或者3.10塔體不設(shè)置安全附件強(qiáng)度脹加密封焊。由于本設(shè)備的工作溫度255℃本設(shè)備殼程與汽包連通使用,汽包上已設(shè)置了對于管板與換熱管的拉脫強(qiáng)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(yīng)管與管板采用強(qiáng)度焊加貼脹的連接方式,管路上已設(shè)置了安全泄放裝置和壓力表,所以,甲醇既滿足溫度要求,也滿足強(qiáng)度及密封性要求,也避免合成塔本身在設(shè)計(jì)中不再設(shè)置安全附件。設(shè)備在工作中出現(xiàn)振動(dòng)間隙腐蝕等影響反應(yīng)管與3.11強(qiáng)度計(jì)算管板焊接接頭強(qiáng)度及密封性的情況。甲醇合成塔的公稱直徑為DN3400mm,超出現(xiàn)行國內(nèi)和國外原換熱器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。各國換熱器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的最大公稱直徑見表3。表3國內(nèi)外換熱器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的最大公稱直徑TEMA-1999標(biāo)準(zhǔn)GB151-1999(現(xiàn)并入 ASME VII-)最大公稱直徑/mm3.11.1零部件的強(qiáng)度計(jì)算管箱封頭、筒節(jié)、殼程筒體以及開孔補(bǔ)強(qiáng)等強(qiáng)度圖4反應(yīng)管與管板焊接計(jì)算依據(jù)CB150-1998進(jìn)行,根據(jù)SW698《壓力容為了保證制造過程中的焊接和密封性能,從設(shè)器強(qiáng)度設(shè)計(jì)軟件包》計(jì)算結(jié)果,確定各零部件的計(jì)計(jì)角度對反應(yīng)管與管板的焊接和脹接過程提出以下算厚度和名義厚度。控制要求:3.112管板的強(qiáng)度計(jì)算(1)反應(yīng)管與管板的焊接選用氬弧焊。先將反管板的計(jì)算首先根據(jù)同類型設(shè)備的使用經(jīng)驗(yàn),應(yīng)管與管板點(diǎn)焊,然后分區(qū)焊接,管束在焊完第一道參進(jìn)行扭出沒汁建立力學(xué)模型,認(rèn)為焊縫并經(jīng)氨滲透試驗(yàn)合格后再焊接第二道焊縫,并換中國煤化工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(cuò)承ˉCNMHG剛性;計(jì)算管板抗80°,且第二道焊縫要全部覆蓋第一道焊縫。彎剛度并分別對換熱管中心布管區(qū)周邊、管板邊緣(2)由于管板厚度較厚,有冷作硬化傾向規(guī)定的徑向應(yīng)力各種工況下的換熱管軸向應(yīng)力以及換26·化工設(shè)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(qiáng)度校核;再對管板而獲得滿足工藝要求的計(jì)算結(jié)果。進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證。依據(jù)有限元分析結(jié)果對初步3.12設(shè)備制造檢驗(yàn)的基本要求設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整并再次進(jìn)行有限元分析驗(yàn)證,從設(shè)備制造檢驗(yàn)的基本要求見表4。表4設(shè)備制造檢驗(yàn)的基本要求殼程水壓試驗(yàn)壓力/MPa壓力試驗(yàn)氣密性試驗(yàn)壓力/MPa探傷方法100%RT+20%UT100%RT+20%UT探傷標(biāo)準(zhǔn)JBT4730.2JB/T4730.3-2005JBT4730.2、JB/T4730.3-2005焊縫探合格級別Ⅱl+1級合格(見注)+l級合格(見注傷要求探傷方法磁粉C、D類焊縫探傷標(biāo)準(zhǔn)JB/T4730.4-2005JB/T4730.4-2005合格級別I級合格l級合格焊后消烈處理注:1)焊接完成24h后和水壓試驗(yàn)后,對焊縫外表面進(jìn)行100%MT按JB/T4730.4-20051級合格。2)堆焊衣面及堆焊后表面分別進(jìn)行100%FT按JBT4730.5-2005I級合格。為了進(jìn)一步確認(rèn)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(wěn)定,在管程和殼程分別進(jìn)行水壓試驗(yàn)合格用壽命較長。后,對殼程氣密性試驗(yàn)特別提出采用靈敏度高的內(nèi)部(4)當(dāng)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103Pa·m3s催化劑,因絕熱層直徑大,中毒區(qū)的床高不會很高。甲醇合成塔的優(yōu)點(diǎn)和特色5結(jié)束語(1)反應(yīng)熱利用合理,每噸甲醇可副產(chǎn)中壓蒸甲醇合成塔自設(shè)備投產(chǎn)后,運(yùn)行情況一直良好,汽1t,提高了能源再利用效率說明其選材、設(shè)計(jì)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)完全滿足產(chǎn)品的工藝(2)全塔幾乎處在等溫反應(yīng)條件下操作,其溫要求和生產(chǎn)能力,為同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了參考經(jīng)驗(yàn)度由汽包壓力控制,操作方便,操作彈性大oooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooOoooooOoooOoOoOoOoooOOOoeoooooooOoooO2008年度《化工設(shè)備與管道》優(yōu)秀論文評選結(jié)果《化工設(shè)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(jié)合全國化工設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站設(shè)備年會機(jī)泵年會分別出版了增刊,共評選出13篇獲獎(jiǎng)?wù)撐?結(jié)果公布在本刊2008年第6期?！痘ぴO(shè)備與管道》全年6期出版后,經(jīng)過專家認(rèn)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(jiǎng)勵(lì)(獎(jiǎng)金2000元/篇),現(xiàn)將評選結(jié)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(jié)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的對比分析岑鵬,錢才富北京化工大學(xué)陳朝暉全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會密封產(chǎn)品生命周期費(fèi)用分析蔡仁良華東理工大學(xué)對壓力容器有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的一些看法丁伯民華東理工大學(xué)石化設(shè)備腐蝕控制中的教訓(xùn)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(shè)備中的應(yīng)用張景安,楊立民中國煤化工公司局部應(yīng)力計(jì)算方法的對比研究秦叔經(jīng)CNMHGA王琦千樂埋工大字