甲醇合成塔的设计

= 42 = 60 + 5
双相不 锈钢: 瑞典 Sandv ik 公 司的 SA F2205
38 2
13M nN Mi oN bR 堆焊不锈钢
= 90 + 7
20M nM o
20M nM o
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
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 /m3 设计使用寿命 /a
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 /mm
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
15C rM oR ( 正火 + 回火 )
= 46 (包括冲压减薄量 )
13M nN Mi oN bR ( 正火 + 回火 ) 13M nN Mi oN bR ( 正火 + 回 火 ) 堆焊不锈钢
国内低压甲醇装置建设始于 20世纪 70年代, 最早引进的是 IC 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 500 kt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。
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 IC I公司首 先推出了低压甲醇合成工艺 IC 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. 0 M 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。
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 3 400 mm, 反应管为 38 mm 2 mm 6 000 mm 列管, 共计 4 513根, 换热面积为 3 124 m2, 内装 催化剂共 26. 3 m3, 催化剂床层高度为 200 mm。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 200 mm 高的绝热层催化剂, 绝热层催化剂上部填
1 甲醇合成塔的工作原理
新鲜气在离心式透平压缩机内加压 ( A ) 至 8. 2
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
容器的设计与制造工作。
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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。
图 1 甲醇合成塔
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
中图分类号: TQ 050. 2
文献标识码: A
文章编号: 1009 3281( 2009) 01 0023 04
Design ofM ethanol Synthesis Tower
HAN Tao, N IE Jie, AN Feng hua, YU Y an fen
(R esearch& D evelopm ent Institute, J inx i Chem icalM achinery Group Co. , L td. , huludao 125001, China )
( 2) 由于管板厚度较厚, 有冷作硬化倾向, 规定
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。 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 3 400 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。
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 的径向应力, 各种工况下的换热管轴向应力以及换
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化工设备与管道
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 工艺条件上讲, 管箱筒体与管板之间采用法兰连接
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
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
TEM A 1999 G B 151 1999 ( 现并入 A SM E V III 1 )
2600
2540
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
计算依据 GB 150 1998进行, 根据 SW 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
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。
第 46卷第 1期 2009年 2月
化工设 备与管道 PROCESS EQU IPM ENT & P IP ING
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
图 4 反应管与管板焊接
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。
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。
Abstrac t: L arge d iam e ter ve rtica l tubu la r fixed bed m e thano l synthesis tow er w ithout flange has the advantag es o f su itab le usag e of energy, long using life o f ca talyst and convenient opera tion. W ith the prac tica l exam ple, the operating m echanism, structural features, design param e ters and m ater ia l se lection princ ip le w ere introduced in th is artic le. M oreover, the structural des ign, strength ca lcu la tion and requ irem ents of fabr ica tion and inspection for this equ ipm en tw ere descr ibed in de ta i.l W hat presented here in can be referenced fo r the design of the sam e equipm ent. K eywords: me thano l synthesis tower; operating m echan ism; feature o f structural des ign
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, CO、CO2 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。
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 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
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图 3 换热管内填料下端弹簧支撑
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
技术参数
管程
壳程
3
4. 3
280 合成气 (易燃易爆 )
256 沸腾水
3. 0
2. 0
1. 0
1. 0
3124 三类 (A2 )
26. 3
20. 9 15
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