大型列管式催化氧化反應器研制的技術(shù)難點和解決方案

張敬

（上海華誼集團裝備工程有限公司)

大型列管式催化氧化反應器是丙烯酸、順酐、苯酐等裝置中的關(guān)鍵核心設(shè)備，具有以下特點：直徑大、質(zhì)量重、結(jié)構(gòu)復雜、技術(shù)含量高、制造難度大。此類設(shè)備過去長期依賴進口。為降低企業(yè)成本，填補國內(nèi)大型列管式催化氧化反應器設(shè)計、制造的空白，上海華誼集團裝備工程有限公司承擔了國內(nèi)最大規(guī)模的丙烯酸反應器的研制工作。在研制過程中，對大型列管式催化氧化反應器的結(jié)構(gòu)、化工生產(chǎn)流程進行了研究，優(yōu)化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，在工藝創(chuàng)新、試驗、檢驗等方面做了大量工作，攻克了多項技術(shù)難題，順利地完成了反應器的研制任務(wù)。

1 設(shè)備研制中的技術(shù)難點

此次研制的大型列管式催化氧化反應器，其公稱直徑超過7000 mm，總質(zhì)量超過300 t，反應管數(shù)量多、管壁薄。在整個設(shè)備研制過程中，存在一系列技術(shù)難點需要解決，主要包括以下幾方面內(nèi)容。

（1）大型列管式催化氧化反應器的結(jié)構(gòu)改進，確保裝置獲得理想的反應收率。

（2）大型列管式催化氧化反應器殼程流道的優(yōu)化設(shè)計，保證反應溫度穩(wěn)定地保持在反應所需要的范圍內(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，達到各項工藝技術(shù)要求。

（4）保證反應管和管板連接可靠，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、運輸、安裝和維修時的吊裝問題。

2 技術(shù)難點的解決

2.1 反應器的結(jié)構(gòu)改進

利用丙烯氧化制丙烯酸的過程是一個二步反應過程。第一步反應是丙烯氧化生成丙烯醛，反應溫度在340℃左右；第二步反應是丙烯醛氧化生成丙烯酸，反應溫度在250℃左右。如果丙烯在第一步反應過程中被過度氧化，將影響生成丙烯酸的收率。通過對大型列管式催化氧化反應器的結(jié)構(gòu)進行改進，獲得了滿意的反應收率。

為防止丙烯在第一步反應過程中被過度氧化，需要在第一步反應結(jié)束后，設(shè)置一個急冷段，迅速地將反應溫度降低到第二步反應所需要的溫度。為此在反應器的結(jié)構(gòu)設(shè)計上進行了改進，在上、下兩塊管板之間加設(shè)一塊中間管板，把殼程分割為反應段 （熱區(qū)）和急冷段 （冷區(qū)）兩個區(qū)域，使二步反應在各自適宜的反應環(huán)境中進行，防止了丙烯在第一步反應過程中被過度氧化。

中間管板將反應器分成上、下兩個腔體。根據(jù)反應器的操作工況要求，兩個腔體的溫度相差近100℃。為確保反應管與中間管板的連接可靠性，將中間管板設(shè)計成具有一定柔性的結(jié)構(gòu)，來調(diào)整反應管與設(shè)備筒體之間由于溫度差形成的軸向應力。

2.2 反應器殼程流道的優(yōu)化和設(shè)計

該反應器工作時，在操作條件下反應氣體通進填充有催化劑的管程進行氧化反應，同時釋放出反應熱量。通過反應器殼程的熱媒 （熔鹽或?qū)嵊停┭h(huán)流動進行熱交換，使反應溫度穩(wěn)定保持在反應所需要的范圍中。保持反應溫度的穩(wěn)定、徑向溫度均勻成為了大型列管式催化氧化反應器設(shè)計的關(guān)鍵。在反應器殼程的結(jié)構(gòu)設(shè)計時進行了以下優(yōu)化。

反應器熱媒環(huán)形流道的設(shè)計和優(yōu)化。大型列管式催化氧化反應器的熱媒流動通常采用雙泵循環(huán)，即在反應器殼體上、下兩端各設(shè)置一道環(huán)形通道，供熱媒進、出，配合兩臺周向?qū)ΨQ布置的軸流循環(huán)泵。熱媒經(jīng)過環(huán)形通道，通過沿殼體周向壁面上開設(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環(huán)道的流量、流速基本相同，在設(shè)計時根據(jù)流體流動的動量矩原理，分析計算熱媒通過每個分布孔的壓降阻力、流量和速度，確定各個分布孔的尺寸和形狀，確保熱媒均勻地流進、流出反應器殼程。

反應器折流板分布的設(shè)計和優(yōu)化。為使反應器達到理想的溫度分布和良好的換熱效果，需要重點研究折流板的分布設(shè)計。為得到理想的傳熱效果，在折流板分布設(shè)計優(yōu)化過程中主要考慮了以下幾個方面，以保證熱媒在殼程反應管之間均勻傳熱。

（1）在反應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）在反應管布管區(qū)域進行了適當調(diào)整，確保在設(shè)定的操作情況下，熱媒在殼程各個區(qū)域的流量能基本保持一致，為反應器整體操作溫度的均勻穩(wěn)定提供了基本保證。 （3）對折流板的流體折返區(qū)域進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使熱媒在容易產(chǎn)生流動漩渦和流動死區(qū)的部位形成柱狀流，大大消除了流動漩渦和流動死區(qū)的影響，明顯增強了反應器的總體傳熱系數(shù)，提高了殼程內(nèi)熱媒的傳熱效率，改善了反應管的整體傳熱效果，達到了均勻傳熱的目的。

2.3 反應器管板加工工藝的優(yōu)化改進

大直徑厚管板是大型列管式催化氧化反應器中的關(guān)鍵零部件，在研制過程中，需重點解決管板的拼焊、熱處理、機加工和管孔加工等難題。通過大量研究和試驗，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器研制成功打好了基礎(chǔ)。

大型列管式催化氧化反應器的管板直徑超過7000 mm、厚度在150 mm以上，在管板坯料的拼焊過程中，焊接熔池部位溫度高達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，甚至造成管板報廢。通過分析、試驗，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力，需要通過消除應力熱處理來降低焊接結(jié)構(gòu)中的殘余應力。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出熱處理爐的操作安全，充分消除管板坯料的焊接殘余應力，并防止其在熱處理過程中發(fā)生變形，保證管板焊后熱處理的質(zhì)量和過程安全，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，通過工裝等措施防止熱處理過程中工件產(chǎn)生變形，在管板坯料上布置多點熱電偶，實時反映熱處理過程中工件的溫度情況，確保工件加熱均勻。在實際操作過程中，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，達到了預期設(shè)想，為管板機加工創(chuàng)造了穩(wěn)定可靠的條件。

大型列管式催化氧化反應器反應管數(shù)量多，管板鉆孔工作量大，對管孔加工技術(shù)要求高。我們通過多次試驗，反復進行比較，對大型管板的鉆孔工藝進行優(yōu)化，利用先進的數(shù)控鉆床進行管孔加工，調(diào)整了多項工藝加工參數(shù)和切削走刀步驟等。實際加工出的管孔直徑偏差小于0.1 mm，中心距偏差小于0.15 mm，各項形狀和尺寸精度均達到了技術(shù)要求，為后續(xù)的反應管定位工作打好了基礎(chǔ)。

2.4 反應器反應管和管板連接可靠性的探索

大型列管式催化氧化反應器的反應管數(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，會導致觸媒中毒，造成裝置停車。如何確保反應器反應管與管板的連接可靠性是一個技術(shù)難點。為此，在研制過程中進行了大量試驗和研究。通過試驗，采用專門的固定方法對反應管與管板進行定位。使反應管與管板組裝后焊接坡口均勻，施焊過程中反應管不發(fā)生位移，各項焊接參數(shù)穩(wěn)定一致，為保證反應管與管板焊接質(zhì)量做好基礎(chǔ)準備。

針對大型列管式催化氧化反應器反應管數(shù)量多、焊接工作量大的特點，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)點的自動旋轉(zhuǎn)氬弧焊進行管板和反應管的焊接。通過反應管與管板的焊接工藝試驗，確定合適的反應管與管板焊接規(guī)范、焊接坡口形式和反應管伸出管板的高度等參數(shù)。經(jīng)拉脫力試驗驗證，反應管與管板角焊縫的強度滿足設(shè)計要求。

為確保反應管與管板連接可靠，制定了詳細嚴格的檢驗、試驗方案。在研制過程中采取了反應管的耐壓性和致密性試驗、反應管與管板連接焊縫的無損檢測和致密性試驗及設(shè)備的熱循環(huán)試驗等。通過試驗和檢測，綜合考驗了反應管與管板的焊接、脹接質(zhì)量和連接接頭可靠性。

2.5 反應器吊裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

大型列管式催化氧化反應器屬于大直徑重型薄壁設(shè)備，設(shè)備直徑超過7000 mm，設(shè)備吊裝質(zhì)量超過350 t，而設(shè)備筒體厚度僅為20 mm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)非常復雜。最常用的設(shè)計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，有時為安裝反應器單元系統(tǒng)其他相關(guān)設(shè)備，必須在完成反應器吊裝后將吊裝結(jié)構(gòu)割除，這就給設(shè)備的安裝和維修帶來不便，也造成了人力、物力的浪費。在設(shè)備制造、運輸、安裝和維修過程中，怎樣保證吊裝操作安全可靠、簡單便利，是在進行設(shè)備整體結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要攻克的一個技術(shù)難點。為此，從以下幾方面對吊裝結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。

通過有限元計算、三維實體建模等方法，對該催化氧化反應器的相關(guān)結(jié)構(gòu)進行了剖析，對設(shè)備吊裝時的受載情況進行了分析和研究，充分考慮了設(shè)備吊裝結(jié)構(gòu)所承受的載荷性質(zhì)和實際要求。

采用加強筋板、連接板與吊軸的組合結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過合理的組合，使吊裝結(jié)構(gòu)的受力情況得到改善，同時提高了吊裝結(jié)構(gòu)的承載能力。

充分利用設(shè)備筒體、換熱環(huán)道的加強作用，對設(shè)備筒體、換熱環(huán)道和吊耳進行了整體設(shè)計，將應力水平控制在許可范圍之內(nèi)，克服了應力的過度集中，使設(shè)備筒體受力情況比較均勻，避免了設(shè)備筒體因承受過大載荷而導致的變形。

通過優(yōu)化設(shè)計吊軸的結(jié)構(gòu)形式，在滿足承載能力的前提下，將整個吊裝結(jié)構(gòu)的幾何尺寸大幅度縮小，解除了對反應器單元系統(tǒng)其他相關(guān)設(shè)備安裝的影響。通過丙烯酸反應器項目的實際操作檢驗表明，該吊裝結(jié)構(gòu)安全可靠、運行平穩(wěn)，且外形小巧，完全達到設(shè)計、使用要求。

3 結(jié)束語

目前，該大型列管式催化氧化反應器已經(jīng)通過驗收。經(jīng)實際使用證明，其各項性能指標均達到了相應標準和工藝技術(shù)條件要求。通過大量有效的試驗、計算、分析，使我們在大型列管式催化氧化反應器的結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制大型管板拼接和熱處理防變形技術(shù)、反應管與管板焊接和脹接技術(shù)等方面的技術(shù)水平有了突破性提高，為制造類似設(shè)備積累了經(jīng)驗，也為大型列管式催化氧化反應器國產(chǎn)化、大型化、系列化奠定了基礎(chǔ)。