甲醇合成塔的设计

甲醇合成塔的设计 The manuscript was revised on the evening of 2021

甲醇合成塔的设计

Design of carbinol Synthetic Tower

摘要：本文针对设备DN3400甲醇合成塔的设计要点进行了详细论述。详细介绍了大直径不带法兰的立式列管固定床甲醇合成塔材料和加热方式的选择，以及各主要部件结构的设计特点。

Abstract: This text introduces the main point of designing de DN3400 carbinol synthetic tower, describes the section of material and heating method used to fabricate large diameter- non-flange, vertical pipe line carbinol synthetic tower. This text also explains the structure design character of the main components and parts.

关键词：甲醇合成塔；工作原理；结构设计特点

Key Words: Carbinol synthetic tower working theory structure design character

1．引言

甲醇工业始20世纪初，到20世纪60年代，甲醇工业取得重大进展。1966年英国ICI公司首先推出了低压甲醇合成工艺—ICI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~、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ICI公司的冷激型低压甲醇合成塔装置，数量不多。某公司年产50万吨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，我公司设计、制造的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。

2．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至(A),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-AL)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%左右。

3.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φ3400，反应管为φ38x2x6000列管，共计4513根，换热面积为3124m2，内装催化剂共26.3m3，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装耐火球φ8mm。下管板下面装填耐火球φ25mm。

4.甲醇合成塔的设计

设计参数

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。

筒体与管板的焊接结构的设计

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。

在设计时将管箱封头处开设人孔并适当增大管

箱空间结构形式, 为了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。

为使壳程进入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。

反应管与管板的连接结构设计Array反应管与管板的焊接接头的强度和密封性是

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。

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。(2)由于管板厚度较厚，有冷作硬化向，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：（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。

壳体上的接管开孔均采用整体补强型式，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。

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。

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。

强度计算:

甲醇合成塔的公称直径为DN3400mm,超出现行国内外换热器标准规范，没有合适的标准规范遵循。各国换热器标准规范规定的最大公称直径见表

4.10.1零部件的强度计算

管箱封头、筒节、壳程筒体以及开孔补强等强度计算依据GB150-1998进行，根据SW6-98《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。

4.10.2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、管板边缘的径向应力，各种工况下的换热管轴向应力以及换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，从而获得满足工艺要求的计算结果。