大型列管式催化氧化反应器研制的技术难点和解决方案

张敬

（上海华谊集团装备工程有限公司)

大型列管式催化氧化反应器是丙烯酸、顺酐、苯酐等装置中的关键核心设备，具有以下特点：直径大、质量重、结构复杂、技术含量高、制造难度大。此类设备过去长期依赖进口。为降低企业成本，填补国内大型列管式催化氧化反应器设计、制造的空白，上海华谊集团装备工程有限公司承担了国内最大规模的丙烯酸反应器的研制工作。在研制过程中，对大型列管式催化氧化反应器的结构、化工生产流程进行了研究，优化了设备结构，在工艺创新、试验、检验等方面做了大量工作，攻克了多项技术难题，顺利地完成了反应器的研制任务。

1 设备研制中的技术难点

此次研制的大型列管式催化氧化反应器，其公称直径超过7000 mm，总质量超过300 t，反应管数量多、管壁薄。在整个设备研制过程中，存在一系列技术难点需要解决，主要包括以下几方面内容。

（1）大型列管式催化氧化反应器的结构改进，确保装置获得理想的反应收率。

（2）大型列管式催化氧化反应器壳程流道的优化设计，保证反应温度稳定地保持在反应所需要的范围内，并且径向温度均匀。

（3）保证大直径厚管板的拼焊、热处理和管孔加工质量，达到各项工艺技术要求。

（4）保证反应管和管板连接可靠，确保设备关键部位密封性能。

（5）解决大直径重型薄壁设备在制造、运输、安装和维修时的吊装问题。

2 技术难点的解决

2.1 反应器的结构改进

利用丙烯氧化制丙烯酸的过程是一个二步反应过程。第一步反应是丙烯氧化生成丙烯醛，反应温度在340℃左右；第二步反应是丙烯醛氧化生成丙烯酸，反应温度在250℃左右。如果丙烯在第一步反应过程中被过度氧化，将影响生成丙烯酸的收率。通过对大型列管式催化氧化反应器的结构进行改进，获得了满意的反应收率。

为防止丙烯在第一步反应过程中被过度氧化，需要在第一步反应结束后，设置一个急冷段，迅速地将反应温度降低到第二步反应所需要的温度。为此在反应器的结构设计上进行了改进，在上、下两块管板之间加设一块中间管板，把壳程分割为反应段 （热区）和急冷段 （冷区）两个区域，使二步反应在各自适宜的反应环境中进行，防止了丙烯在第一步反应过程中被过度氧化。

中间管板将反应器分成上、下两个腔体。根据反应器的操作工况要求，两个腔体的温度相差近100℃。为确保反应管与中间管板的连接可靠性，将中间管板设计成具有一定柔性的结构，来调整反应管与设备筒体之间由于温度差形成的轴向应力。

2.2 反应器壳程流道的优化和设计

该反应器工作时，在操作条件下反应气体通进填充有催化剂的管程进行氧化反应，同时释放出反应热量。通过反应器壳程的热媒 （熔盐或导热油）循环流动进行热交换，使反应温度稳定保持在反应所需要的范围中。保持反应温度的稳定、径向温度均匀成为了大型列管式催化氧化反应器设计的关键。在反应器壳程的结构设计时进行了以下优化。

反应器热媒环形流道的设计和优化。大型列管式催化氧化反应器的热媒流动通常采用双泵循环，即在反应器壳体上、下两端各设置一道环形通道，供热媒进、出，配合两台周向对称布置的轴流循环泵。热媒经过环形通道，通过沿壳体周向壁面上开设一定数量的分布孔，使热媒均匀地流入和流出壳体内部。为保证热媒流入壳体每个环道的流量、流速基本相同，在设计时根据流体流动的动量矩原理，分析计算热媒通过每个分布孔的压降阻力、流量和速度，确定各个分布孔的尺寸和形状，确保热媒均匀地流进、流出反应器壳程。

反应器折流板分布的设计和优化。为使反应器达到理想的温度分布和良好的换热效果，需要重点研究折流板的分布设计。为得到理想的传热效果，在折流板分布设计优化过程中主要考虑了以下几个方面，以保证热媒在壳程反应管之间均匀传热。

（1）在反应器壳体与折流板之间采用了特殊的密封结构，消除了壳程壳壁的环隙，避免了热媒的短路。 （2）在反应管布管区域进行了适当调整，确保在设定的操作情况下，热媒在壳程各个区域的流量能基本保持一致，为反应器整体操作温度的均匀稳定提供了基本保证。 （3）对折流板的流体折返区域进行了结构优化，使热媒在容易产生流动漩涡和流动死区的部位形成柱状流，大大消除了流动漩涡和流动死区的影响，明显增强了反应器的总体传热系数，提高了壳程内热媒的传热效率，改善了反应管的整体传热效果，达到了均匀传热的目的。

2.3 反应器管板加工工艺的优化改进

大直径厚管板是大型列管式催化氧化反应器中的关键零部件，在研制过程中，需重点解决管板的拼焊、热处理、机加工和管孔加工等难题。通过大量研究和试验，确定了合适的工艺方法和参数，很好地控制了焊接变形，保证了热处理质量、机加工精度、管孔的尺寸精度和表面粗糙度等，为大型列管式催化氧化反应器研制成功打好了基础。

大型列管式催化氧化反应器的管板直径超过7000 mm、厚度在150 mm以上，在管板坯料的拼焊过程中，焊接熔池部位温度高达1300～1700℃，而焊缝四周的金属又处于冷态，使拼焊后的管板坯料产生很大的焊接变形，控制不好会影响管板坯料厚度的选择和后续平面加工，甚至造成管板报废。通过分析、试验，优化了焊接坡口形式、焊接规范、焊接施工方法，并采取了工装固定等防止焊接变形的措施，将管板拼焊后的平面度控制在设定范围以内，最大程度地减少了管板拼焊后的变形，为合理选择管板坯料厚度和后续平面加工创造了有利条件。

管板坯料拼焊后，焊缝内存在很高的焊接残余应力，需要通过消除应力热处理来降低焊接结构中的残余应力。由于管板坯料体积大、质量重、刚度小，如何保证管板坯料进出热处理炉的操作安全，充分消除管板坯料的焊接残余应力，并防止其在热处理过程中发生变形，保证管板焊后热处理的质量和过程安全，也是需要解决的难题。为此，根据管板坯料的尺寸和材质确定了热处理工艺，通过工装等措施防止热处理过程中工件产生变形，在管板坯料上布置多点热电偶，实时反映热处理过程中工件的温度情况，确保工件加热均匀。在实际操作过程中，管板坯料的最大变形量控制在最小范围内，热处理温度均匀，达到了预期设想，为管板机加工创造了稳定可靠的条件。

大型列管式催化氧化反应器反应管数量多，管板钻孔工作量大，对管孔加工技术要求高。我们通过多次试验，反复进行比较，对大型管板的钻孔工艺进行优化，利用先进的数控钻床进行管孔加工，调整了多项工艺加工参数和切削走刀步骤等。实际加工出的管孔直径偏差小于0.1 mm，中心距偏差小于0.15 mm，各项形状和尺寸精度均达到了技术要求，为后续的反应管定位工作打好了基础。

2.4 反应器反应管和管板连接可靠性的探索

大型列管式催化氧化反应器的反应管数量多、管壁薄，管程内装填触媒，壳程中的热媒是温度高且极具渗透性的熔盐，一旦发生泄漏，熔盐渗入管程，会导致触媒中毒，造成装置停车。如何确保反应器反应管与管板的连接可靠性是一个技术难点。为此，在研制过程中进行了大量试验和研究。通过试验，采用专门的固定方法对反应管与管板进行定位。使反应管与管板组装后焊接坡口均匀，施焊过程中反应管不发生位移，各项焊接参数稳定一致，为保证反应管与管板焊接质量做好基础准备。

针对大型列管式催化氧化反应器反应管数量多、焊接工作量大的特点，选择了具有焊接参数稳定可靠、焊缝质量好、成形美观、施工效率高、人为干扰少等优点的自动旋转氩弧焊进行管板和反应管的焊接。通过反应管与管板的焊接工艺试验，确定合适的反应管与管板焊接规范、焊接坡口形式和反应管伸出管板的高度等参数。经拉脱力试验验证，反应管与管板角焊缝的强度满足设计要求。

为确保反应管与管板连接可靠，制定了详细严格的检验、试验方案。在研制过程中采取了反应管的耐压性和致密性试验、反应管与管板连接焊缝的无损检测和致密性试验及设备的热循环试验等。通过试验和检测，综合考验了反应管与管板的焊接、胀接质量和连接接头可靠性。

2.5 反应器吊装结构的优化设计

大型列管式催化氧化反应器属于大直径重型薄壁设备，设备直径超过7000 mm，设备吊装质量超过350 t，而设备筒体厚度仅为20 mm左右。此外，在设备筒体外壁还有换热环道，使得设备结构非常复杂。最常用的设计方法是采用大型轴式吊耳，此种结构形式体积庞大，安装位置也受到装置系统的限制，有时为安装反应器单元系统其他相关设备，必须在完成反应器吊装后将吊装结构割除，这就给设备的安装和维修带来不便，也造成了人力、物力的浪费。在设备制造、运输、安装和维修过程中，怎样保证吊装操作安全可靠、简单便利，是在进行设备整体结构设计时需要攻克的一个技术难点。为此，从以下几方面对吊装结构进行了优化设计。

通过有限元计算、三维实体建模等方法，对该催化氧化反应器的相关结构进行了剖析，对设备吊装时的受载情况进行了分析和研究，充分考虑了设备吊装结构所承受的载荷性质和实际要求。

采用加强筋板、连接板与吊轴的组合结构设计，通过合理的组合，使吊装结构的受力情况得到改善，同时提高了吊装结构的承载能力。

充分利用设备筒体、换热环道的加强作用，对设备筒体、换热环道和吊耳进行了整体设计，将应力水平控制在许可范围之内，克服了应力的过度集中，使设备筒体受力情况比较均匀，避免了设备筒体因承受过大载荷而导致的变形。

通过优化设计吊轴的结构形式，在满足承载能力的前提下，将整个吊装结构的几何尺寸大幅度缩小，解除了对反应器单元系统其他相关设备安装的影响。通过丙烯酸反应器项目的实际操作检验表明，该吊装结构安全可靠、运行平稳，且外形小巧，完全达到设计、使用要求。

3 结束语

目前，该大型列管式催化氧化反应器已经通过验收。经实际使用证明，其各项性能指标均达到了相应标准和工艺技术条件要求。通过大量有效的试验、计算、分析，使我们在大型列管式催化氧化反应器的结构设计、控制大型管板拼接和热处理防变形技术、反应管与管板焊接和胀接技术等方面的技术水平有了突破性提高，为制造类似设备积累了经验，也为大型列管式催化氧化反应器国产化、大型化、系列化奠定了基础。