甲醇合成塔的设计
第46卷第1期2009年2月化 工 设 备 与 管 道PROCESS EQU IPM ENT &P I P I NG Vo l 46 N o 1
F eb 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 04
Desi gn ofM ethanol Synthesis Tower
HAN Tao , N IE Jie , AN Feng hua , YU Y an fen
(Research&D evelopm ent Instit ute , J i nx i Che m icalM achinery Group Co . , L t d. , huludao 125001, China )
Abstrac t : L arge d i a m e ter ve rti ca l tubu l a r fi xed bed m e t hano l synthesi s t ow er w ithout flange has the advantag es o f su itab le usag e of energy ,
l ong using life o f ca talyst and convenient opera ti on . W ith the prac ti ca l exa m ple , t he operati ng m echanis m , structural features ,
desi gn para m e ters and m ater i a l se l ection pri nc i p l e w ere i ntroduced i n th i s arti c l e . M oreover , t he structural des i gn , strength ca lcu l a ti on and requ irem ents of fabr i ca tion and inspecti on for this equ i p m en tw ere descr i bed in de ta i . l W hat presented here i n can be referenced f o r the desi gn of t he sa m e equip m ent . K eywords : me t hano l synthesis tower ;
operati ng m echan i s m;
feature o f structural des i gn
甲醇工业始于20世纪初, 到20世纪60年代, 甲醇工业取得了重大进展。1966年英国I C I 公司首先推出了低压甲醇合成工艺 I C I 工艺, 此为低压法生产甲醇的开端。所有中、低压法甲醇装置工艺过程类似, 在压力为5. 0~15. 0M Pa 、温度205~275 操作。各种工艺的主要区别在于反应器的设计、反应热的移走及回收利用方式的不同, 另外所用的催化剂亦有差异。
国内低压甲醇装置建设始于20世纪70年代, 最早引进的是I C I 公司的冷激型低压甲醇合成塔装置, 数量不多。某公司年产500kt 甲醇合成装置采用华东理工大学 绝热 管壳外冷复合式反应器 专利技术, 甲醇合成塔是此项目的关键设备, 其建成投产后, 运行状况一直良好, 对兖矿高硫煤能够得到充分有效利用, 减少资源浪费, 使煤炭行业向高附加值 化工方向转化等方面, 具有重要意义。现将该设备的主要设计过程进行简单的介绍。
M Pa , 与循环气以1 5比例混合(入塔气), 经过与出
塔气换热并升温至230 后, 从顶部的入口进入甲醇合成塔, 经过装填一定粒径的(Cu Zn A l) 催化剂在换热管内, 在催化剂的作用下, C O 、CO 2加氢合成甲醇, 反应热传给壳程的沸腾水, 产生蒸汽进入汽包, 反应器出口气温度约254 , 含甲醇6. 2%左右。
2 甲醇合成塔的结构
甲醇合成塔的型式为立式列管固定床, 设备直径为 3400mm, 反应管为 38mm 2mm 6000mm 列管, 共计4513根, 换热面积为3124m , 内装催化剂共26. 3m , 催化剂床层高度为200mm 。主要由管板筒体裙座管箱换热管束等部件组成, 其主要结构见图1。
甲醇合成塔的上下封头, 采用半球封头。上封头合成气入口处设置气体分布器, 在管板的上部装填一层200mm 高的绝热层催化剂, 绝热层催化剂上部填
收稿日期:2008 10 29
作者简介:韩滔(1971 ), 女, 河北邯郸人, 工程师。一直从事压力
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1 甲醇合成塔的工作原理
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化 工 设 备 与 管 道第46卷第1期
装耐火球 8mm 。下管板下面装填耐火球 25mm
。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
零部件名称球形封头壳程筒体管程筒体反应管上下管板补强管锻件法兰锻件
材料名称
15C r M oR(正火+回火) 13M nNM i oNbR(正火+回火) 13M nNM i oNbR(正火+回火) 堆焊不锈钢
双相不锈钢:瑞典Sandv i k 公司的SAF2205
13M nNM i oNbR 堆焊不锈钢20M n M o 20M n M o
规格/mm =46(包括冲压减薄量)
=42 =60+5 38 2 =90+7
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
项目
管程
设计压力/M Pa 设计温度/ 操作介质腐蚀裕度焊接接头系数换热面积/m2容器类别催化剂装填量/m3氧化铝球装填量/m设计使用寿命/a
3
技术参数
壳程4. 3256沸腾水2. 01. 0
6. 3280
合成气(易燃易爆)
3. 01. 03124
三类(A2) 26. 320. 915
图2 管板与筒体焊接
3. 4 填料支撑弹簧的设计
由于甲醇合成塔的反应过程在装填催化剂的换
热管中进行, 因此对换热管中催化剂支承设计是相当重要的。锥形弹簧结构装拆容易, 加工方便, 阻力降较小, 稳定性好, 能够承受较大载荷, 可以防止共振现象发生。选用高温下具有抗腐蚀好且保持弹性性能的1Cr13来制作催化剂支承弹簧, 以增加锥形弹簧的弹性, 加大弹簧与换热管管壁的摩擦力, 避免弹簧的脱落, 并设计了简单专用的催化剂支承弹簧装拆工具(图3) 。3. 5 增大管箱空间
在设计时在管箱封头处开设人孔并适当增大管箱空间结构形式, 以方便安装维修人员进入合成塔内进行催化剂的装填和对合成塔的检查与维修, 同3. 2 材料的选择
材料的选择主要考虑甲醇合成塔工作过程中的介质特性和工艺条件, 以及设备制造过程中材料的焊接性、工艺性和经济性(表2) 。3. 3 筒体与管板的焊接结构的设计
管板与筒体的焊接结构如图2所示。根据甲醇合成塔工作程序, 在操作反应前先要将催化剂颗粒装填在每根换热管内, 催化剂需要定期更换, 从操作,
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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:
测定胀管输入压力;
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。
图3 换热管内填料下端弹簧支撑
3. 8 壳体上的接管开孔形式
壳体上的接管开孔均采用整体补强形式, 为降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, 焊接接头采用双面焊的全焊透形式, 不允许有明显的凹坑存在; 焊角接头应圆滑过渡, 保证圆角R , 接管(补强管) 内壁根部应保证倒圆角R 。
3. 9 管法兰的选用
由于管程介质为易燃易爆的中度危害气体, 且管程和壳程的操作压力均较高, 为保证介质不泄漏, 管程和壳程的管法兰均选用凹凸面长颈对焊法兰。3. 10 塔体不设置安全附件
本设备壳程与汽包连通使用, 汽包上已设置了安全泄放装置和压力表等安全附件; 在管程进气口管路上已设置了安全泄放装置和压力表, 所以, 甲醇合成塔本身在设计中不再设置安全附件。
3. 11 强度计算
甲醇合成塔的公称直径为DN 3400mm , 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
标准最大公称直径/mm
GB 151 1999
2600
TEM A 1999(现并入AS M E V III 1)
2540
3. 6 提高传热膜系数
为使进入壳程时均匀且稳定地分布, 脱盐水入口采用了环形管路和圆扁管入口设计; 同时, 在反应管的指定位置上设置安装了防膜弹性挡圈以破坏沸腾液膜, 提高传热膜系数以利于传热。3. 7 反应管与管板的连接结构设计
反应管与管板的焊接接头(图4) 的强度和密封性是设计的关键点之一。对于复合管板的场合、密封性能要求较高的场合、承受振动和疲劳载荷的场合、有间隙腐蚀的场合, 一般采用强度焊加贴胀或者强度胀加密封焊。由于本设备的工作温度255 , 对于管板与换热管的拉脱强度和密封性要求较高, 因此反应管与管板采用强度焊加贴胀的连接方式, 既满足温度要求, 也满足强度及密封性要求, 也避免设备在工作中出现振动、间隙腐蚀等影响反应管与
管板焊接接头强度及密封性的情况。
3. 11. 1 零部件的强度计算
管箱封头、筒节、壳程筒体以及开孔补强等强度
图4 反应管与管板焊接
计算依据GB 150 1998进行, 根据S W 6 98 压力容器强度设计软件包 计算结果, 确定各零部件的计
算厚度和名义厚度。3. 11. 2 管板的强度计算
管板的计算首先根据同类型设备的使用经验, 参照文献对管板进行初步设计:建立力学模型, 认为换热管对管板是固定支承, 管板是在换热管固定支承下的平板, 换热管在操作中保持刚性; 计算管板抗弯刚度并分别对换热管中心、布管区周边、管板边缘, 为了保证制造过程中的焊接和密封性能, 从设计角度对反应管与管板的焊接和胀接过程提出以下控制要求:
(1) 反应管与管板的焊接选用氩弧焊。先将反应管与管板点焊, 然后分区焊接, 管束在焊完第一道焊缝并经氨渗透试验合格后再焊接第二道焊缝, 并要求第二道焊缝起弧点与第一道焊缝起弧点交错180 , 且第二道焊缝要全部覆盖第一道焊缝。
(,
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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; 再对管板进行有限元分析验证。依据有限元分析结果对初步设计结果进行调整并再次进行有限元分析验证, 从
项目
压力试验
水压试验压力/M Pa 气密性试验压力/M Pa
探伤方法
A 、B 类焊缝
焊缝探伤要求
C 、D 类焊缝
热处理
探伤标准合格级别探伤方法探伤标准合格级别
而获得满足工艺要求的计算结果。3. 12 设备制造检验的基本要求
设备制造检验的基本要求见表4。
壳程5. 44. 3
100%RT +20%UT
J B /T4730. 2、J B /T4730. 3 2005
II+I 级合格(见注)
磁粉J B /T4730. 4 2005
I 级合格
焊后消氢处理
管程7. 986. 3
100%RT+20%UT
J B /T4730. 2、J B /T4730. 3 2005
II+I 级合格(见注)
磁粉J B /T4730. 4 2005
I 级合格
表4 设备制造检验的基本要求
注:1) 焊接完成24h 后和水压试验后, 对焊缝外表面进行100%MT, 按J B /T4730. 4 2005I 级合格。
2) 堆焊表面及堆焊后表面分别进行100%PT , 按J B /T4730. 5 2005I 级合格。
为了进一步确认保证换热管与管板连接处密封的可靠稳定, 在管程和壳程分别进行水压试验合格后, 对壳程气密性试验特别提出采用灵敏度高的内部充氦法进行检漏, 要求泄漏不大于10
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(3) 适用于低温活性较高的催化剂, 催化剂使用寿命较长。
(4) 当入塔气中含有毒物时, 中毒的是绝热层催化剂, 因绝热层直径大, 中毒区的床高不会很高。
Pa m /s 。
3
4 甲醇合成塔的优点和特色
(1) 反应热利用合理, 每吨甲醇可副产中压蒸
汽1, t 提高了能源再利用效率。
(2) 全塔几乎处在等温反应条件下操作, 其温度由汽包压力控制, 操作方便, 操作弹性大。
5 结束语
甲醇合成塔自设备投产后, 运行情况一直良好,
说明其选材、设计强度和结构完全满足产品的工艺要求和生产能力, 为同类产品设计提供了参考经验。
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
密封产品生命周期费用分析 对压力容器有关标准的一些看法 石化设备腐蚀控制中的教训与反思 柔性联轴器在石化工业动设备中的应用 局部应力计算方法的对比研究
岑鹏, 钱才富 陈朝晖 蔡仁良 丁伯民 余存烨 秦叔经 王琦
北京化工大学
全国锅炉压力容器标准化技术委员会华东理工大学华东理工大学
中国石化上海石化股份有限公司全国化工设备设计技术中心站华东理工大学
张景安, 杨立民 中国石化集团洛阳石化工程公司