1、南华大学机械工程学院毕业设计第 1 页 共 66 页3124 平方甲醇合成反应器的设计与制造摘要：本设计论文主要介绍了 3124 平方甲醇合成反应器的主要技术参数选定反应管、管板、壳体材料及焊接材料的选用，主体结构设计，管箱筒体、壳程筒体、球形封头、管板的强度设计及校核，开孔补强计算以及设备制造过程中筒体、封头、管板的成形和设备制造、主要热处理工艺等。关键词：甲醇合成反应器、结构设计、强度校核、制造工艺流程、无损检测、热处理Abstract:This thesis has introduced a methanol synthesis reactors main technical param
2、eters selected, The methanol synthesis has 3124 square meters heat-exchange area. Meanwhile it has also introduced the selection of reaction tubes, tube sheet, shell material and welding materials 、the theme of structural design、the design and control box shell, shell-shell, spherical head, tube pla
3、te and checking strength of the design、 calculation of opening reinforcement、manufacturing process of cylinder, head, tube plate and assembly sequence and the main heat treatment process.Keywords: methanol synthesis reactor、 Structural design 、strength check;、Manufacturing Process、Nondestructive Tes
4、ting、heat treatment craft前言甲醇是结构最为简单的饱和一元醇，化学式 又称“木醇”或“ 木精”，是无色有酒精气味易挥发的液体，有毒，误饮 510 毫升能双目失明，大量饮用会导致死亡，是基本有机原料之一。它被广泛应用于精细化工、塑料、医药、林产品加工等领域。它与现实中使用的液体燃料具有极为相似的燃烧性能，它既具有燃烧性能好、辛烷值高、抗爆性能好等特点，又具有生产原料非常广泛的优势,预期深加工后作为一种新型洁净燃料和加入汽油掺烧，其燃烧热的值及燃烧方程式为： 3CHO南华大学机械工程学院毕业设计第 2 页 共 66 页3222CHOl/gCOHl,725.6kJ/molA中
5、国甲醇产量及消费量持续快速增长，甲醇技术发展很快，主要趋势为： 1. 煤炭是我国甲醇生产最重要的原料，以煤炭为原料生产甲醇的比 例在逐步上升；2. 生产规模大型化，可降低单位产品的投资成本；3. 充分回收系统的热量。实现了热能的综合利用；4. 采用新型副产中压蒸汽的合成塔，降低能耗；5. 采用节能技术，如氢回收技术、预转化、工艺冷凝液饱和技术等降低甲醇的消耗。甲醇反应器是甲醇生产的重要设备，历经多年发展，其设计制造技术日臻成熟且趋于大型化。国内甲醇合成反应器历经引进、模仿、改进到自主研发取得了较大成就，同时在反应器内件改进与研制方面也得到了较快发展，产生了一批有较强研发实力的科研单位。在琳琅满
6、目的设备面前，如何选择一种合适的反应器成为甲醇装置投资建设必须面对解决的首要问题。国外主要反应器1.主流反应器(1)ICI 冷激型反应器ICI 冷激型甲醇合成塔是针对 51-1 型铜基催化剂的时空产率低、催化剂用量大、床层控温困难，催化剂易失活等缺陷而开发的一种绝热型轴向流动的低压合成反应器，由塔体、喷头、菱形分布器等组成。合成气预热到 230-250，进入反应器，段间用菱形分布器将冷激气喷入床层中间降温。根据规模大小，一般有 3-6 个床层，典型的是 4 个，上面 3 个为分开的轴向流床，最下面 1 个为轴-径向流床。在 5MPa、230-270条件下合成甲醇。ICI 低压反应器与高压反应器
7、 与高压反应器相比，该类反应器的特点是：结构简单，塔内未设置电加热器或换热器，催化剂利用效率较高。由于采用菱形分布器，保证了反应气体和冷激气体的均匀混合；适于大型化甲醇装置，易于安装维修；高活性、高选择性催化剂选择余地大，国内外生产的催化剂如美国的 UCI C79-2、G106 催化剂、ICI 生产的 ICI51-1、51-2、51-3 催化剂、西南化工研究院开发的 C302 和兰化院生产的 NC 系列催化剂等均能应用。南华大学机械工程学院毕业设计第 3 页 共 66 页缺点是：床层温度随其高度的变化而不同，不同高度的催化剂活性不同，整体活性不能有效发挥，也容易因温度控制不好，导致催化剂局部过
8、热而影响催化剂的使用寿命；反应器结构松散，出口的甲醇浓度低，导致大部分原料气不能参与合成反应，必须保持 10 倍左右的循环气量，压缩能耗高(约占总能耗的 24%)，同时相同产能的反应器体积比鲁奇反应器大，其一次性投资也较鲁奇的多；能源利用不合理，不能回收反应热，产品综合能耗较高；催化剂时空产率不高，用量大。迄今为止，有 50 多套装置采用该反应器，其中最大的是 1999 年在智利投产的 2850t/d 甲醇装置。四川维尼纶厂在上世纪 70 年代初引进该反应器，经过10 多年的运行，始终难以达到设计生产能力。1997 年技术改造时，将该反应器改为 MRF-Z 反应器。(2)鲁奇管壳型甲醇合成塔该
9、反应器也是一种轴向流动的低压反应器，采用管壳式结构。操作条件是：5.2-7MPa、230-255，列管内装催化剂，管外为沸腾水。反应热被沸水移走。两种气体分别呈轴向流动，合成塔壳程的锅炉水是自然循环的，通过控制沸腾水的蒸汽压力，可以保持恒定的反应温度。该塔使用高含量铜催化剂时，可得到较高的单程转化率，其最大生产能力为 1500t/d。根据国内应用的情况来看，大部分催化剂均可使用，对生产影响不大。与 ICI 反应器相比，该反应器的优点是：热量利用合理，每吨甲醇副产4MPa 蒸汽 1.4t，副产的蒸汽可用于驱动离心式压缩机，也可用于天然气蒸汽转化，装置正常运行时不需外供蒸汽；合成反应几乎是在等温条
10、件下进行，副反应少，粗甲醇杂质少，用双塔精馏即可达到国家标准；催化剂床层温度易控制，床层的温差较小，操作平稳；出口甲醇浓度较高(甲醇含量约 7%)，总循环气量比 ICI 几乎少一半；相同产能下，催化剂用量较少。缺点是：壳体和管板、反应管之间用焊接结构，为消除热应力，对塔体的制造、材料的要求均比较高，结构复杂，制造难度大，维护成本高；列管占用了反应器大量的空间，催化剂的装填量仅占反应器的 30%；由于管内外传热温差较小，所需传热面积大，比冷面达 125m2/m3；因用副产蒸汽从催化剂床层移热，受蒸汽压力限制，在催化剂寿命后期难以提高反应温度；限于南华大学机械工程学院毕业设计第 4 页 共 66
11、页列管长度，扩大生产时，只能增加列管数量，扩大反应器的尺寸，生产操作弹性小。一般认为该反应器不适用于大型甲醇装置，鲁奇经过改进，将合成压力提高到 7-10MPa，第一套 2000t/d 的甲醇装置在马来西亚建成，2003 年以来采用该反应器建成的甲醇装置多达 21 套，产能在 1000-2500t/d。即将在伊朗建成的 5000t/d 甲醇装置则采用两套反应器串联，该反应器可适用于石油和天然气原料。山东齐鲁第二化肥厂及河南安阳甲醇厂(原料为煤)、四川维尼纶厂、陕西榆林及河南濮阳三化的天然气甲醇装置均采用该类反应器。国内已能设计，产能可达 30 万 t/a，应用效果也不错。(3)日本东洋公司 M
12、RF 反应器MRF(Multi-stage-indirect-cooling Type Radial Folw)反应器是日本东洋公司与三井化学公司联合开发的一种多段、间接冷却的径向反应器，由壳体、催化剂床层、催化剂筐、列管及集气盒组成。反应器内装有一直径较小的内胆，以改变物料流向，在其中心轴向安装一个带外壳的集束管，用于收集反应后的气体，外壳开有直径小于催化剂颗粒的小孔，收集的反应气沿径向从外壳上的小孔流入，管束内通过反应后的高温气体。反应器内还有冷却管束和催化剂托架，沿轴心均匀布置。冷却管束为双层同心管，沸水从内管导入内外管间的环隙，吸收反应热后生成高压蒸汽驱动蒸汽透平。催化剂填装在冷却管束
13、外面，垂直地安装在催化剂床层，与水平径向流动的合成气垂直。锅炉给水从炉底通入冷却管，产生的蒸汽汇集在蒸汽室内。冷却管的排列是 MRF 反应器的专利。其外型为圆筒状，有上下两个端盖，下端盖可以拆卸，便于将中心集气管抽出，以方便催化剂装填和内部设施检修。该反应器于 1988 年最初应用在特立尼达-多巴哥的 1200t/d 甲醇装置的改造上。该装置采用 ICI 冷激反应器。TEC 为验证该反应器，在该装置合成工序改造时，安装了一个 260t/d 的小型 MRF 反应器并于 1990 年 6 月投运，完全达到预期目标。据 TEC 称，该装置易于从现在的 2500-2800 t/d 放大到 5000 t
14、/d，国内有四川维尼纶厂的两套甲醇装置及四川泸州天然气化工厂的 40 万t/a 甲醇装置采用该反应器。南华大学机械工程学院毕业设计第 5 页 共 66 页国内装置采用 ICI51-7/8 催化剂，目前还没有针对 MRF 反应器开发新的催化剂，从运行的情况来看，产能未受影响，基本能达到设计能力，但杂质含量较偏高，且有甲胺和石蜡生成。冷却管是 MRF 反应器的核心部件，表 2 是 MRF 反应器与普通反应器对比。该反应器的优点是：气体径向流动，流道短，空速小，因此压降小，约为轴向反应器的1/10；合成气垂直流经冷却列管，床层与冷管之间的传热效率较高；单程转化率较高，循环气量较小；由于降低了压降和循
15、环气量，循环系统的能耗从冷激反应器 111.6MJ/t降到 57.6MJ/t。其缺点是：催化剂床层的温度难控制，沿径向位于冷却管远端的催化剂容易出现局部过热而产生石蜡、氨、甲胺等，使粗甲醇的杂质含量增高。2.其他反应器(1)托普索(Topsoe)管壳式反应器该反应器是一种径向复合式反应器，一组 3 个。在反应器之间移去反应热。由于使用了高活性、小粒度催化剂，床层压降为 0.2-0.3MPa，反应器直径和壁厚均比其他反应器小，反应器的空速和甲醇出口浓度得到提高，造价较低。1997 年在挪威投产的 2400t/d 甲醇装置采用该反应器。其特点是：利用平衡曲线限制绝热升温，控制各段出口温度，增大循环
16、比，使各段出口温度控制在催化剂耐热温度以内；允许使用小颗粒催化剂。其缺点是：循环气量大，能耗和循环回路的设备费用增加；床层内气体呈轴向流动，压降较大；由于气体分布不均匀，反应气体的线速度与接触时间不断变化，造成床层各部分催化剂的利用程度不同，催化剂性能得不到充分发挥；因采用多个反应器，设计、制造复杂。国内还未有使用该反应器的报道。南华大学机械工程学院毕业设计第 6 页 共 66 页第一章 主体材料选取及相关要求甲醇合成反应是甲醇合成气（ 、CO、 ）在催化剂的作用下，反应2H2CO生成甲醇，其主要反应如下：CO+2 +23+3 +CO2本甲醇合成反应器是立式管壳式固定管板换热器。管板顶部装有绝
17、热催化南华大学机械工程学院毕业设计第 7 页 共 66 页剂层，管内装催化剂，管外充满带走反应热的中压沸腾水蒸气。本甲醇合成反应器是近年来国内外使用比较多的先进塔型。其主要性能特点是：该塔反应时触媒层温差小，合成反应几乎在等温条件下进行，反应器能有效地除去热量，采用低循环气流并限制最高反应温度，使反应在等温的条件下进行，单程转化率高，杂质生成少，循环压缩功能消耗低，而且合成反应中产生的热副产物中压蒸汽，便于废热综合利用。甲醇合成反应器为三类压力容器，根据甲醇合成反应器的工艺原理及特点，甲 醇 合 成 反 应 器 塔 的 筒 体 、 封 头 板 料 用 中 厚 板 ， 管程及壳程圆筒材 料可 选
18、 取 低 合 金 高 强 度 钢 13MnNiMoNbR； ， 反 应 管 材 料 可 选 取ANDVIK SAF2205 双相不锈钢管， 管板材料可选取 20MnMo级锻件、封头材料可选用 15CrMoR 板材。1.1 反应管选材换热管材质采用 SANDVIK SAF2205 双相不锈钢管，其制造、检验及验收应按 ASTM 的 A-789M 的规定。制造前应按下列指标按批复验化学成分和力学性能。(1) 化学成分（%）表 1.1 SAF2205 换热管化学成份C SimaxMnmaxPmaxSmaxCr Ni Mo N标准成分0.031.0 2.0 0.02 0.02 21.023.04.56
19、.52.53.50.080.20南华大学机械工程学院毕业设计第 8 页 共 66 页(2) 常温机械性能（保证值）表 1.2 SAF2205 换热管常温机械性能MPab620MPas 450MPa5 25布氏硬度 max 290(3) 线膨胀系数（保证值）表 1.3 SAF2205 换热管常线膨胀系数温差 20100 20200 20300a10-6mm/mm.13.0 13.5 14.0(4) 弹性模量（保证值）表 1.4 SAF2205 换热管弹性模量温差 20 100 200 300弹性模量 MPa1.99105 1.93105 1.86105 1.79105(5) 高温强度（保证值）表
20、 1.5 SAF2205 换热管高温强度温差 100 200 300b385 354 3345617 578 558对于反应管材料的其他要求: 南华大学机械工程学院毕业设计第 9 页 共 66 页(1)反应管必须采用整根钢管，不允许拼接；(2)反应管应每一批做一根钢管的扩口试验；(3)反应管金相组织：应具有铁素体奥氏体两相组织，其中铁素体含量范围：40%55%，组织中不允许有 相出现；(4)反应管的尺寸允许偏差：外径偏差10%。1.2 管板的选材管板所用 20MnMo 锻件除严格按 JB4726-2000级锻件要求。对于管板材料的其他要求:管板加工后全表面及焊接坡口，经磁粉检测，符合 JB/T
21、4730-2005级；进行 300下的高温拉伸试验且高温屈服强度应符合 JB/4726-2000A1 要求。1.3 壳体选材管程及壳程壳体所选用的 13MnNiMoNbR、15CrMoR 板材须满足 GB713-2008 及第 1，2 号修改单的要求。对于壳体材料的其他要求：(1)板材逐张超声波检测满足 JB/T4730.3-2005级要求；(2)13MnNiMoNbR 钢板测定其线膨胀系数，线膨胀系数要求见表 1.6表表 1.6 13MnNiMoNbR 钢板线性膨胀系数温差 线膨胀系数 a10-6mm/mm. 20100 11.5320200 12.25南华大学机械工程学院毕业设计第 10
22、页 共 66 页20300 12.901.4 焊接材料的选用甲醇反应器制造埋弧自动焊时，选用 H08Mn2MoA+SJ101 焊丝、焊剂，带极堆焊时选用 ER309L、ER308L、10SW 焊条、焊丝、焊带和焊剂；管子管板焊接时，选用 ER00Cr22NiMo3N 焊丝。焊材质量应符合 AWS A5.4、AWS A5.9、JB4747-2002， 压力容器用钢焊条订货技术条件等标准的相应规定。各种材料选用的焊接材料见表 1.7：表 1.7 焊接材料选用表材料种类或接头部位药皮电弧焊焊条埋弧焊焊丝（带）+ 焊剂氩弧焊焊丝 备注13MnNiMoNbR钢板对接焊J607RH H08Mn2MoA+SJ101/ 筒体13MnNiMoNbR+15CrMoRJ507RH H10Mn2+J431 / 封头与筒体13MnNiMoNbR+20MnMoJ507RH / / 筒体与接管20MnMo+堆焊过渡层：E309L面层：E308L过渡层：ER309L面层：ER308L焊剂：10SW/管板堆焊15CrMoR R307 E5515-B2 封头拼接15CrMoR+15CrMoR307 E5515-B2 封头与接管SAF2205 / / ER00Cr22N 管子
