甲醇合成塔的设计

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5.0Mpa~15.0Mpa、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
8.2Mpa(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6.2%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
4.1 设计参数
主要设计参数如下：
4.2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。

4.3 筒体与管板的焊接结构的设计
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。

4.4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。

4.5 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。

4.6 反应管与管板的连接结构设计
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。

4.7 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。

4.8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。

4.9 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。

4.10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。

4.11 设备制造检验的基本要求
注：1）焊接完成24小时后和水压试验后，对焊缝外表面进行100%MT,按JB/T4730.4-2005 I级合格。

2）堆焊表面及堆焊后表面分别进行100%PT,按JB/T4730.5-2005 I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地内部充氦法进行检漏，要求泄漏不大于10-5Pa.m3/s。

5.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1t,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。

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。

6.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。

参考文献
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