大型列管式催化氧化反應(yīng)器的研制

大型列管式催化氧化反應(yīng)器的研制

大型管束式氧化氧化裝置是學(xué)士、順?biāo)帷⒈交撬岬妊b置的重要核心設(shè)備。直徑大，質(zhì)量重，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)水平高，制造難度大。此類(lèi)設(shè)備過(guò)去長(zhǎng)期依賴進(jìn)口。為降低企業(yè)成本,填補(bǔ)國(guó)內(nèi)大型列管式催化氧化反應(yīng)器設(shè)計(jì)、制造的空白,上海華誼集團(tuán)裝備工程有限公司承擔(dān)了國(guó)內(nèi)最大規(guī)模的丙烯酸反應(yīng)器的研制工作。在研制過(guò)程中,對(duì)大型列管式催化氧化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、化工生產(chǎn)流程進(jìn)行了研究,優(yōu)化了設(shè)備結(jié)構(gòu),在工藝創(chuàng)新、試驗(yàn)、檢驗(yàn)等方面做了大量工作,攻克了多項(xiàng)技術(shù)難題,順利地完成了反應(yīng)器的研制任務(wù)。1列技術(shù)難點(diǎn)需要解決此次研制的大型列管式催化氧化反應(yīng)器,其公稱直徑超過(guò)7000mm,總質(zhì)量超過(guò)300t,反應(yīng)管數(shù)量多、管壁薄。在整個(gè)設(shè)備研制過(guò)程中,存在一系列技術(shù)難點(diǎn)需要解決,主要包括以下幾方面內(nèi)容。(1)大型列管式催化氧化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)改進(jìn),確保裝置獲得理想的反應(yīng)收率。(2)大型列管式催化氧化反應(yīng)器殼程流道的優(yōu)化設(shè)計(jì),保證反應(yīng)溫度穩(wěn)定地保持在反應(yīng)所需要的范圍內(nèi),并且徑向溫度均勻。(3)保證大直徑厚管板的拼焊、熱處理和管孔加工質(zhì)量,達(dá)到各項(xiàng)工藝技術(shù)要求。(4)保證反應(yīng)管和管板連接可靠,確保設(shè)備關(guān)鍵部位密封性能。(5)解決大直徑重型薄壁設(shè)備在制造、運(yùn)輸、安裝和維修時(shí)的吊裝問(wèn)題。2技術(shù)困難的解決2.1反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)利用丙烯氧化制丙烯酸的過(guò)程是一個(gè)二步反應(yīng)過(guò)程。第一步反應(yīng)是丙烯氧化生成丙烯醛,反應(yīng)溫度在340℃左右;第二步反應(yīng)是丙烯醛氧化生成丙烯酸,反應(yīng)溫度在250℃左右。如果丙烯在第一步反應(yīng)過(guò)程中被過(guò)度氧化,將影響生成丙烯酸的收率。通過(guò)對(duì)大型列管式催化氧化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),獲得了滿意的反應(yīng)收率。為防止丙烯在第一步反應(yīng)過(guò)程中被過(guò)度氧化,需要在第一步反應(yīng)結(jié)束后,設(shè)置一個(gè)急冷段,迅速地將反應(yīng)溫度降低到第二步反應(yīng)所需要的溫度。為此在反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了改進(jìn),在上、下兩塊管板之間加設(shè)一塊中間管板,把殼程分割為反應(yīng)段(熱區(qū))和急冷段(冷區(qū))兩個(gè)區(qū)域,使二步反應(yīng)在各自適宜的反應(yīng)環(huán)境中進(jìn)行,防止了丙烯在第一步反應(yīng)過(guò)程中被過(guò)度氧化。中間管板將反應(yīng)器分成上、下兩個(gè)腔體。根據(jù)反應(yīng)器的操作工況要求,兩個(gè)腔體的溫度相差近100℃。為確保反應(yīng)管與中間管板的連接可靠性,將中間管板設(shè)計(jì)成具有一定柔性的結(jié)構(gòu),來(lái)調(diào)整反應(yīng)管與設(shè)備筒體之間由于溫度差形成的軸向應(yīng)力。2.2折流板分布的設(shè)計(jì)和優(yōu)化該反應(yīng)器工作時(shí),在操作條件下反應(yīng)氣體通進(jìn)填充有催化劑的管程進(jìn)行氧化反應(yīng),同時(shí)釋放出反應(yīng)熱量。通過(guò)反應(yīng)器殼程的熱媒(熔鹽或?qū)嵊?循環(huán)流動(dòng)進(jìn)行熱交換,使反應(yīng)溫度穩(wěn)定保持在反應(yīng)所需要的范圍中。保持反應(yīng)溫度的穩(wěn)定、徑向溫度均勻成為了大型列管式催化氧化反應(yīng)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在反應(yīng)器殼程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了以下優(yōu)化。反應(yīng)器熱媒環(huán)形流道的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。大型列管式催化氧化反應(yīng)器的熱媒流動(dòng)通常采用雙泵循環(huán),即在反應(yīng)器殼體上、下兩端各設(shè)置一道環(huán)形通道,供熱媒進(jìn)、出,配合兩臺(tái)周向?qū)ΨQ布置的軸流循環(huán)泵。熱媒經(jīng)過(guò)環(huán)形通道,通過(guò)沿殼體周向壁面上開(kāi)設(shè)一定數(shù)量的分布孔,使熱媒均勻地流入和流出殼體內(nèi)部。為保證熱媒流入殼體每個(gè)環(huán)道的流量、流速基本相同,在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)流體流動(dòng)的動(dòng)量矩原理,分析計(jì)算熱媒通過(guò)每個(gè)分布孔的壓降阻力、流量和速度,確定各個(gè)分布孔的尺寸和形狀,確保熱媒均勻地流進(jìn)、流出反應(yīng)器殼程。反應(yīng)器折流板分布的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。為使反應(yīng)器達(dá)到理想的溫度分布和良好的換熱效果,需要重點(diǎn)研究折流板的分布設(shè)計(jì)。為得到理想的傳熱效果,在折流板分布設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中主要考慮了以下幾個(gè)方面,以保證熱媒在殼程反應(yīng)管之間均勻傳熱。(1)在反應(yīng)器殼體與折流板之間采用了特殊的密封結(jié)構(gòu),消除了殼程殼壁的環(huán)隙,避免了熱媒的短路。(2)在反應(yīng)管布管區(qū)域進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整,確保在設(shè)定的操作情況下,熱媒在殼程各個(gè)區(qū)域的流量能基本保持一致,為反應(yīng)器整體操作溫度的均勻穩(wěn)定提供了基本保證。(3)對(duì)折流板的流體折返區(qū)域進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使熱媒在容易產(chǎn)生流動(dòng)漩渦和流動(dòng)死區(qū)的部位形成柱狀流,大大消除了流動(dòng)漩渦和流動(dòng)死區(qū)的影響,明顯增強(qiáng)了反應(yīng)器的總體傳熱系數(shù),提高了殼程內(nèi)熱媒的傳熱效率,改善了反應(yīng)管的整體傳熱效果,達(dá)到了均勻傳熱的目的。2.3試驗(yàn)結(jié)果和討論大直徑厚管板是大型列管式催化氧化反應(yīng)器中的關(guān)鍵零部件,在研制過(guò)程中,需重點(diǎn)解決管板的拼焊、熱處理、機(jī)加工和管孔加工等難題。通過(guò)大量研究和試驗(yàn),確定了合適的工藝方法和參數(shù),很好地控制了焊接變形,保證了熱處理質(zhì)量、機(jī)加工精度、管孔的尺寸精度和表面粗糙度等,為大型列管式催化氧化反應(yīng)器研制成功打好了基礎(chǔ)。大型列管式催化氧化反應(yīng)器的管板直徑超過(guò)7000mm、厚度在150mm以上,在管板坯料的拼焊過(guò)程中,焊接熔池部位溫度高達(dá)1300~1700℃,而焊縫四周的金屬又處于冷態(tài),使拼焊后的管板坯料產(chǎn)生很大的焊接變形,控制不好會(huì)影響管板坯料厚度的選擇和后續(xù)平面加工,甚至造成管板報(bào)廢。通過(guò)分析、試驗(yàn),優(yōu)化了焊接坡口形式、焊接規(guī)范、焊接施工方法,并采取了工裝固定等防止焊接變形的措施,將管板拼焊后的平面度控制在設(shè)定范圍以內(nèi),最大程度地減少了管板拼焊后的變形,為合理選擇管板坯料厚度和后續(xù)平面加工創(chuàng)造了有利條件。管板坯料拼焊后,焊縫內(nèi)存在很高的焊接殘余應(yīng)力,需要通過(guò)消除應(yīng)力熱處理來(lái)降低焊接結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力。由于管板坯料體積大、質(zhì)量重、剛度小,如何保證管板坯料進(jìn)出熱處理爐的操作安全,充分消除管板坯料的焊接殘余應(yīng)力,并防止其在熱處理過(guò)程中發(fā)生變形,保證管板焊后熱處理的質(zhì)量和過(guò)程安全,也是需要解決的難題。為此,根據(jù)管板坯料的尺寸和材質(zhì)確定了熱處理工藝,通過(guò)工裝等措施防止熱處理過(guò)程中工件產(chǎn)生變形,在管板坯料上布置多點(diǎn)熱電偶,實(shí)時(shí)反映熱處理過(guò)程中工件的溫度情況,確保工件加熱均勻。在實(shí)際操作過(guò)程中,管板坯料的最大變形量控制在最小范圍內(nèi),熱處理溫度均勻,達(dá)到了預(yù)期設(shè)想,為管板機(jī)加工創(chuàng)造了穩(wěn)定可靠的條件。大型列管式催化氧化反應(yīng)器反應(yīng)管數(shù)量多,管板鉆孔工作量大,對(duì)管孔加工技術(shù)要求高。我們通過(guò)多次試驗(yàn),反復(fù)進(jìn)行比較,對(duì)大型管板的鉆孔工藝進(jìn)行優(yōu)化,利用先進(jìn)的數(shù)控鉆床進(jìn)行管孔加工,調(diào)整了多項(xiàng)工藝加工參數(shù)和切削走刀步驟等。實(shí)際加工出的管孔直徑偏差小于0.1mm,中心距偏差小于0.15mm,各項(xiàng)形狀和尺寸精度均達(dá)到了技術(shù)要求,為后續(xù)的反應(yīng)管定位工作打好了基礎(chǔ)。2.4反應(yīng)管與管板焊接工藝試驗(yàn)研究大型列管式催化氧化反應(yīng)器的反應(yīng)管數(shù)量多、管壁薄,管程內(nèi)裝填觸媒,殼程中的熱媒是溫度高且極具滲透性的熔鹽,一旦發(fā)生泄漏,熔鹽滲入管程,會(huì)導(dǎo)致觸媒中毒,造成裝置停車(chē)。如何確保反應(yīng)器反應(yīng)管與管板的連接可靠性是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。為此,在研制過(guò)程中進(jìn)行了大量試驗(yàn)和研究。通過(guò)試驗(yàn),采用專(zhuān)門(mén)的固定方法對(duì)反應(yīng)管與管板進(jìn)行定位。使反應(yīng)管與管板組裝后焊接坡口均勻,施焊過(guò)程中反應(yīng)管不發(fā)生位移,各項(xiàng)焊接參數(shù)穩(wěn)定一致,為保證反應(yīng)管與管板焊接質(zhì)量做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備。針對(duì)大型列管式催化氧化反應(yīng)器反應(yīng)管數(shù)量多、焊接工作量大的特點(diǎn),選擇了具有焊接參數(shù)穩(wěn)定可靠、焊縫質(zhì)量好、成形美觀、施工效率高、人為干擾少等優(yōu)點(diǎn)的自動(dòng)旋轉(zhuǎn)氬弧焊進(jìn)行管板和反應(yīng)管的焊接。通過(guò)反應(yīng)管與管板的焊接工藝試驗(yàn),確定合適的反應(yīng)管與管板焊接規(guī)范、焊接坡口形式和反應(yīng)管伸出管板的高度等參數(shù)。經(jīng)拉脫力試驗(yàn)驗(yàn)證,反應(yīng)管與管板角焊縫的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。為確保反應(yīng)管與管板連接可靠,制定了詳細(xì)嚴(yán)格的檢驗(yàn)、試驗(yàn)方案。在研制過(guò)程中采取了反應(yīng)管的耐壓性和致密性試驗(yàn)、反應(yīng)管與管板連接焊縫的無(wú)損檢測(cè)和致密性試驗(yàn)及設(shè)備的熱循環(huán)試驗(yàn)等。通過(guò)試驗(yàn)和檢測(cè),綜合考驗(yàn)了反應(yīng)管與管板的焊接、脹接質(zhì)量和連接接頭可靠性。2.5吊裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)大型列管式催化氧化反應(yīng)器屬于大直徑重型薄壁設(shè)備,設(shè)備直徑超過(guò)7000mm,設(shè)備吊裝質(zhì)量超過(guò)350t,而設(shè)備筒體厚度僅為20mm左右。此外,在設(shè)備筒體外壁還有換熱環(huán)道,使得設(shè)備結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。最常用的設(shè)計(jì)方法是采用大型軸式吊耳,此種結(jié)構(gòu)形式體積龐大,安裝位置也受到裝置系統(tǒng)的限制,有時(shí)為安裝反應(yīng)器單元系統(tǒng)其他相關(guān)設(shè)備,必須在完成反應(yīng)器吊裝后將吊裝結(jié)構(gòu)割除,這就給設(shè)備的安裝和維修帶來(lái)不便,也造成了人力、物力的浪費(fèi)。在設(shè)備制造、運(yùn)輸、安裝和維修過(guò)程中,怎樣保證吊裝操作安全可靠、簡(jiǎn)單便利,是在進(jìn)行設(shè)備整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要攻克的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。為此,從以下幾方面對(duì)吊裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)有限元計(jì)算、三維實(shí)體建模等方法,對(duì)該催化氧化反應(yīng)器的相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剖析,對(duì)設(shè)備吊裝時(shí)的受載情況進(jìn)行了分析和研究,充分考慮了設(shè)備吊裝結(jié)構(gòu)所承受的載荷性質(zhì)和實(shí)際要求。采用加強(qiáng)筋板、連接板與吊軸的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通過(guò)合理的組合,使吊裝結(jié)構(gòu)的受力情況得到改善,同時(shí)提高了吊裝結(jié)構(gòu)的承載能力。充分利用設(shè)備筒體、換熱環(huán)道的加強(qiáng)作用,對(duì)設(shè)備筒體、換熱環(huán)道和吊耳進(jìn)行了整體設(shè)計(jì),將應(yīng)力水平控制在許可范圍之內(nèi),克服了應(yīng)力的過(guò)度集中,使設(shè)備筒體受力情況比較均勻,避免了設(shè)備筒體因承受過(guò)大載荷而導(dǎo)致的變形。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)吊軸的結(jié)構(gòu)形式,在滿足承載能力的前提下,將整個(gè)吊裝結(jié)構(gòu)的幾何尺寸大幅度縮小,解除了對(duì)反應(yīng)器單元系統(tǒng)其他相關(guān)設(shè)備安裝的影響。通過(guò)丙烯酸反應(yīng)器項(xiàng)目的實(shí)際操作檢驗(yàn)表明,該吊裝結(jié)構(gòu)安全可靠、運(yùn)行平穩(wěn),且外形小巧,完全達(dá)到設(shè)