第46卷第1期化工設(shè)備與管道Vol. 46 No. 12009年2月PROCESS EQUIPMENT & PIPINGFeb. 2009甲醇合成塔的設(shè)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(shè)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,操作方便等特點。通過設(shè)計實例,介紹了甲醇合成塔的工作原理結(jié)構(gòu)特點、設(shè)計參數(shù)及材料選擇原則,并對其結(jié)構(gòu)設(shè)計、強度計算、設(shè)備制造檢驗的要求等設(shè)計要點進行了詳細介紹,為同類產(chǎn)品設(shè)計提供了參考經(jīng)驗。關(guān)鍵詞:甲醇合成塔;工作原理; 結(jié) 構(gòu)設(shè)計特點中圖分類號: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)過與出甲醇工業(yè)取得了重大進展。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)過裝填- -定粒徑的( Cu-Zn-AI)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5.0~15.0 MPa、溫度205 ~275醇,反應(yīng)熱傳給殼程的沸騰水,產(chǎn)生蒸汽進人汽包,反C操作。各種工藝的主要區(qū)別在于反應(yīng)器的設(shè)計、應(yīng)器出口氣溫度約254C,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)備直最早引進的是ICI公司的冷激型低壓甲醇合成塔裝徑為φ3 400 mm,反應(yīng)管為φ 38 mm x2 mm x6000置,數(shù)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(nèi)裝用華東理工大學(xué)“絕熱一管 殼外冷復(fù)合式反應(yīng)催化劑共26.3 m' ,催化劑床層高度為200 mm。主器”專利技術(shù),甲醇合成塔是此項目的關(guān)鍵設(shè)備,其.要由管板簡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(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,使煤炭行業(yè)向高合成氣人口處設(shè)置氣體分布器,在管板的上部裝填一附加值一化工方向轉(zhuǎn)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(xiàn)將該設(shè)備的主要設(shè)計過程進行簡單的介紹。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(nèi)加壓(A)至8.2容器的設(shè)計與制造工作?！?4●化工設(shè)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,采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材料名稱規(guī)格/mmδ=46球形封頭15CrMoR(正火+回火)(包括沖壓減薄量)殼程簡體13MnNiMoNbR(正火+回火)δ=42管程簡體8=60+5堆焊不銹鋼反應(yīng)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(shè)計3.1設(shè)計參數(shù)主要設(shè)計參數(shù)如表1。表1甲醇合成塔技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)項目殼程設(shè)計壓力/MPa6.34.3設(shè)計溫度/C280256更3400操作介質(zhì)合成氣(易燃易爆)沸騰水圖2管板與簡體焊接 :腐蝕裕度3.02.0焊接接頭:系數(shù)1.0.03.4填料支撐彈簧的設(shè)計換熱面積/m'3124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)熱管中進行,因此對換熱管中催化劑支承設(shè)計是相催化劑裝填量/m'26.3當重要的。錐形彈簧結(jié)構(gòu)裝拆容易.加工方便,阻力氧化鋁球裝填/m'20.9降較小,穩(wěn)定性好、能夠承受較大載荷,可以防止共設(shè)計使用壽命/a15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1Crl3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)計了簡單專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(jié)構(gòu)的設(shè)計3.5 增大管箱空間管板與簡體的焊接結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)甲醇在設(shè)計時在管箱封頭處開設(shè)人孔并適當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間結(jié)構(gòu)形式，以方便安裝維修人員進人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,管箱簡體與管板之間采用法蘭連接時也節(jié)省了設(shè)備制造費用。2009年2月韓滔,等，甲醇合成塔的設(shè)計在脹管時采用液壓脹管方式,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: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。3.8 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強形式,為降3.6 提高傳熱膜系數(shù)為使進入殼程時均勻且穩(wěn)定地分布,脫鹽水入低焊接接頭處的應(yīng)力集中,接管(補強管)插入筒體并與其內(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;同時,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)置安裝了防膜彈性擋圈以破壞沸頭應(yīng)圓滑過渡,保證圓角R,接管(補強管)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3.9管法蘭的選用反應(yīng)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(shè)計的關(guān)鍵點之一。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,-般采用強度焊加貼脹或者3.10塔體不設(shè) 置安全附件強度脹加密封焊。由于本設(shè)備的工作溫度255 C,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;在管程進氣口因此反應(yīng)管與管板采用強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,也滿足強度及密封性要求,也避免合成塔本身在設(shè)計中不再設(shè)置安全附件。設(shè)備在工作中出現(xiàn)振動、間隙腐蝕等影響反應(yīng)管與3.11 強度計算管板焊接接頭強度及密封性的情況。甲醇合成塔的公稱直徑為DN3 400 mm,超出現(xiàn)行國內(nèi)和國外原換熱器標準規(guī)范。各國換熱器標準規(guī)范規(guī)定的最大公稱直徑見表3。表3國內(nèi)外換熱器標準規(guī)范規(guī)定的最大公稱直徑&TEMA- -1999標準GB 151-19999(現(xiàn)井人ASME V1I1)最大公稱 肖徑/mm260025403.11.1零 部件的強度計算管箱封頭筒節(jié)、殼程簡體以及開孔補強等強度圄4反應(yīng)管 與管板焊接計算依據(jù)GB 150- -1998進行,根據(jù)SW6-98《壓力容為了保證制造過程中的焊接和密封性能,從設(shè)器強度設(shè)計軟件包》計算結(jié)果,確定各零部件的計計角度對反應(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?？刂埔?3.11.2管板的強度計算(1)反應(yīng)管與管板的焊接選用氬弧焊。先將反管板的計算首先根據(jù)同類型設(shè)備的使用經(jīng)驗,應(yīng)管與管板點焊,然后分區(qū)焊接.管束在焊完第- -道參照文獻對管板進行初步設(shè)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與第一道焊縫起弧點交錯承下的平板,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(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行強度校核;再對管板.而獲得滿足工藝要求的計算結(jié)果。進行有限元分析驗證。依據(jù)有限元分析結(jié)果對初步3.12設(shè) 備制造檢驗的基本要求設(shè)計結(jié)果進行調(diào)整并再次進行有限元分析驗證,從設(shè)備制造檢驗的基本要求見表4。表4設(shè)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(見注)1+1級合格(見注)傷要求磁粉C.D類焊縫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行100% PT.按JB/T4730.s- 2005 I級合格。為了進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(wěn)定,在管程和殼程分別進行水壓試驗合格用壽命較長。后,對殼程氣密性試驗特別提出采用靈敏度高的內(nèi)部(4)當入塔氣中含有毒物時,中毒的是絕熱層充氦法進行檢漏,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(qū)的床高不會很高。4甲醇合成塔的優(yōu)點和特色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,運行情況- -直良好，汽1t,提高了能源再利用效率。說明其選材、設(shè)計強度和結(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(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,得到了廣“大讀者、作者的踴躍參與和大力支持。參加活動的部分征文結(jié)合全國化工設(shè)備設(shè)計技術(shù)中心站設(shè)備年會、機泵年會分別出版了增刊,共評選出13篇獲獎?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)過專家認真評選,從全年發(fā)表的文章中評選出6篇優(yōu)秀論文進行獎勵(獎金2000元/篇),現(xiàn)將評選結(jié)果公布如下(按發(fā)表時間排序)。論文題名作者姓名作者單位膨脹節(jié)設(shè)計標準的對比分析岑鵬,錢才富.北京化工大學(xué)陳朝暉全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會密封產(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(shè)備腐蝕挖制中的教訓(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)動設(shè)備中的應(yīng)用張景安,楊立民中國石化集團洛陽石化工程公司局部應(yīng)力計算方法的對比研究秦叔經(jīng)全國化工設(shè)備設(shè)計技術(shù)中心站王琦