1、南华大学机械工程学院毕业设计 第 1 页 共 63 页 甲醇合成反应器设计 摘要 ： 甲醇是重要的化工原料 ,甲醇合成反应器是甲醇合成反应的关键设备。 本设计论文主要介绍了 3124平方米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 南华大学机械工程学院毕业设计 第 2 页 共 63 页 Abstract: Methanol is an important chemi
2、cal raw material and the reactor for methanol synthesis is one of the most important equipment. This thesis has introduced a methanol synthesis reactors main technical parameters selected, The methanol synthesis reactor has 3124 square meters heat-exchange area. Meanwhile it has also introduced the
3、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 plate and checking strength of the design、 calculation of opening reinforcement、 manufacturing process of cylinder, head,
4、 tube plate and assembly sequence and the main heat treatment process. Keywords: methanol synthesis reactor; structural design ; strength check 前 言 甲醇作为及其重要的有机化工原料，是碳一化学工业的基础产品，在国民经济中占有重要地位。长期以来，甲醇都是被作为农药，医药，染料等行业的工业原料，但随着科技的进步与发展，甲醇将被应用于越来越多的领域。 总体上说，世界甲醇工业从 90 年代开始经历了 1991-1998 的供需平衡，南华大学机械工程学院毕业设
5、计 第 3 页 共 63 页 1998-1999 的供大于求，从 2000 年初至今的供求基本平衡三个基本阶段。 1据Nexant Chen Systems 公司的最新统计，全球 2004 年甲醇生产能力为 4226.5 万t/a2 目前 , 国外以天然气为原料生产的甲醇占 92% ,以煤为原料生产的甲醇 2. 3% , 因此国外公司的甲醇技术均集中于天然气制甲醇。国际上广泛采用的先进的甲醇生产工艺技术主要有 :DAV Y (原 I. C. I)、 O PSO E、 U hde、 L u rgi 公司甲醇技术等 , 不同甲醇技术的消耗及能耗差异不大 , 其主要的差异在于所采用的主要设备甲醇合成
6、塔的类型不同。 (a) DAV Y 甲醇技术特点 DAV Y 低压甲醇合成技术的优势在于其性能优良的低压甲醇合成催化剂 , 合成压力 : 5. 0 10M Pa, 大规模甲醇生产装置的合成压力为 8 10M Pa。合成塔型式有 : 第一种 , 激冷式合成塔 , 单塔生产能力大 , 出口甲醇浓度约为 4 6%vo l。第二种 , 内换热冷管式甲醇合成塔。最近又开发了水管式合成塔。精馏多数采用二塔 , 有时也用三塔精馏 ,与蒸汽系统设置统一考虑。蒸汽系统 : 分为高压10.5M Pa、中压 2. 8M Pa、低压 0. 45M Pa 三级。转化产生的废热与转化炉烟气废热 , 用于产生 10. 5M
7、 Pa、 510 高压过热蒸汽。高压过热蒸汽用于驱动合成压缩机蒸汽透平 , 抽出中压蒸汽用作装置内使用。 (b) L u rgi 甲醇技术 L u rgi 公司的合成有自己的特色 , 即有自己的合成塔专利。其特点是合成塔为列管式 , 副产蒸汽 ,管内是 L u rgi 合成催化剂 , 管间是锅炉水 , 副产 3. 5 4. 0M Pa 的饱和中压蒸汽。由于大规模装置如 2000M TPD 的合成塔直径太大 , 常采用两个合成塔并联。若规模更大 , 则采用列管 式合成塔后再串一个冷管式或热管式合成塔 , 同时还可采用两个系列的合成塔并联。 L u rgi 工艺的精馏采用三塔精馏或三塔精馏后再串一
8、个回收塔。有时也采用两塔精馏。三塔精馏流程的预精馏塔和加压精馏塔的再沸器热源来自转化气的余热。因此 , 精馏消耗的低压蒸汽很少。 (c) TO PSO E 的甲醇技术特点 TO PSO E 公司为合成氨、甲醇工业主要的专利技术商及催化剂制造商 , 其甲醇技术特点主要表现在甲醇合成上的有 :甲醇合成塔采用 BWR 合成塔 (列管副南华大学机械工程学院毕业设计 第 4 页 共 63 页 产蒸汽 ) , 或采用 CMD 多床绝热式合成塔。其流程特点为 : 采用轴向绝热床层 , 塔间设换热器 , 废热用于预热锅炉给水或饱和系统循环热水。进塔温度为 220 。单程转化率高、催化剂体积少、合成塔结构简单、
9、单系列生产能力大。合成压力5. 0 10. 0M Pa, 根据装置能力优化。日产 2000 吨甲醇装置 , 合成压力约为 8M Pa。采用三塔或四塔 (包括回收塔 ) 工艺技术。 (d) TEC 甲醇技术特点 合成工艺采用 IC I 低压甲醇技术。精馏采用 L u rgi 公司的技术。合成采用IC I 低压甲醇合成催化剂。合成塔 : 采用 TEC 的 MRF- Z 合成塔 (多层径向合成塔 ) , 出口甲醇浓度可达 8%vo l。合成塔阻力降小 , 为 0. 1M Pa。甲醇合成废热用于产生 3. 5 4. 0M Pa 中压蒸汽 , 中压蒸汽可作为工艺蒸汽 , 或过热后用于透平驱动蒸汽。 (e
10、) 三菱重工业公司甲醇技术特点 三菱甲醇技术与 I. C. I 工艺相类似 , 其特点是 : 采用结构独特的超级甲醇合成塔。合成压力与甲醇装置能力有关。日产 2000 吨甲醇装置 , 合成压力约为 8. 0M Pa。 超级甲醇合成塔特点是 : 采用双套管 , 催化剂温度均匀 , 单程转化率高 , 合成塔出口浓度最高可达 14%vo l。副产 3. 5 4. 0M Pa 中压蒸汽的合成塔 , 出口浓度可达 8 10%vo l, 合成系统循环量比传统技术大为减少 , 所消耗补充气最少。采用 2 塔或 3 塔精馏 , 根据蒸汽系统设置而定。 2） 我国甲醇工业发展 我国的甲醇工业经过十几年的发展，生
11、产能力得到了很大提高。 1991 年，我国的生产能力仅为 70 万吨，截止 2004 年底，我国甲醇产能已达 740 万吨， 117家生产企业共生产甲醇 440.65 万吨， 2005 年甲醇产量达到 500 万吨，比 2004年增长 22.2%，进口量 99.1 万吨，因此下降 3.1%。 我国 以天然气为原料合成甲醇技术主要有 : 一段蒸汽转化工艺和中国成达公司的纯氧两段转化工艺。我国以煤为原料合成甲醇技术主要有 : 固定床气化 (包括 L u rgi 炉、恩德炉和间歇式气化炉 )、流化床气化 (灰熔聚气化 )、气流床气化炉 , 近几年引进的 Texaco 水煤浆气化和 Shell 粉煤气
12、化 , 其中 Texaco 的气化引进较早 , 使用的经验较多 , 国产化率高 , 投资较省。 Shell 气化还没有使用南华大学机械工程学院毕业设计 第 5 页 共 63 页 经验。 1.常用的合成方法 当今甲醇生产技术主要采用中压法和低压法两种工艺，并且以低压法为主，这两种方法生产的甲醇约 占世界甲醇产量的 80%以上。 高压法： (19.6-29.4Mpa)是最初生产甲醇的方法，采用锌铬催化剂，反应温度360-400，压力 19.6-29.4Mpa。高压法由于原料和动力消耗大，反应温度高，生成粗甲醇中有机杂质含量高，而且投资大，其发展长期以来处于停顿状态。 低压法： (5.0-8.0 M
13、pa)是 20 世纪 60年代后期发展起来的甲醇合成技术，低压法基于高活性的铜基催化剂，其活性明显高于锌铬催化剂，反应温度低(240-270 )。在较低压力下可获得较高的甲醇收率，且选择性好，减少了副反应，改善了甲醇质量 ，降低了原料消耗。此外，由于压力低，动力消耗降低很多，工艺设备制造容易。 中压法： (9.8-12.0 Mpa)随着甲醇工业的大型化，如采用低压法势必导致工艺管道和设备较大，因此在低压法的基础上适当提高合成压力，即发展成为中压法。中压法仍采用高活性的铜基催化剂，反应温度与低压法相同，但由于提高了压力，相应的动力消耗略有增加。 目前，甲醇的生产方法还主要有甲烷直接氧化法： 2C
14、H4+O2 2CH3OH.由一氧化碳和氢气合成甲醇，液化石油气氧化法 2.本设计所采用的合成方法 比较以上三者的优缺点，以投资成本 ，生产成本，产品收率为依据，选择中压法为生产甲醇的工艺，用 CO 和 H2在加热压力下，在催化剂作用下合成甲醇，其主要反应式为： CO+2 2H 2HO+ 3CHOH 2CO +3 2H 3CHOH + 2HO 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（ 2H 、 CO、 2CO ）在催化剂的作用下，反应生南华大学机械工程学院毕业设计 第 6 页 共 63 页 成甲醇，其主要反应如下： CO+2 2H 2HO+ 3CHOH 2CO +3 2H
15、3CHOH + 2HO 本甲醇合成反应器是立式管壳式固定管板换热器。管板顶部装有绝热催化剂层，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
16、 中厚板 ， 管程及壳程 圆筒 材料 可选取 低合金高强度钢 13MnN iMoNbR； ，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 Si max Mn max P max S max Cr Ni Mo N 南华大学机械
17、工程学院毕业设计 第 7 页 共 63 页 标准 成分 0.03 1.0 2.0 0.02 0.02 21.023.0 4.5 6.5 2.5 3.5 0.08 0.20 (2) 常温机械性能（保证值） 表 1.2 SAF2205 换热管常温机械性能 b MPa 620 s MPa 450 5 MPa 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 20 100 20 200 203 00 a10-6 mm/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
18、20 100 200 300 弹性模量 MPa 1.99105 1.93105 1.86105 1.79105 (5) 高温强度（保证值） 表 1.5 SAF2205 换热管高温强度 温差 100 200 300 南华大学机械工程学院毕业设计 第 8 页 共 63 页 b 385 354 334 5 617 578 558 对于 反应管 材料 的其他 要求 : (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
19、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/T4730-2005 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；
20、(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. 20 100 11.53 南华大学机械工程学院毕业设计 第 9 页 共 63 页 20 200 12.25 20 300 12.90 1.4 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 A
21、5.4、 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 +15CrMoR J507RH H10Mn2+J431 / 封头与 筒体 13MnNiMoNbR +20MnMo J507RH / / 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 +15CrMo R307 E5515-B2 封头与 接管 南华大学机械工程学院毕业设计 第 10 页 共 63 页 SAF2205 +20MnMo / / ER00Cr22NiMo3N 管子 管板 第 二 章 结构设计及强度计算
