大型列管式催化氧化反應器研制的技術難點和解決方案

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、苯酐等裝置中的關鍵核心設備，具有以下特點：直徑大、質量重、結構復雜、技術含量高、制造難度大。此類設備過去長期依賴進口。為降低企業成本，填補國內大型列管式催化氧化反應器設計、制造的空白，上海華誼集團裝備工程有限公司承擔了國內最大規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構、化工生產流程進行了研究，優化了設備結構，在工藝創新、試驗、檢驗等方面做了大量工作，攻克了多項技術難題，順利地完成了反應器的研制任務。

1 設備研制中的技術難點

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，總質量超過300 t，反應管數量多、管壁薄。在整個設備研制過程中，存在一系列技術難點需要解決，主要包括以下幾方面內容。

（1）大型列管式催化氧化反應器的結構改進，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化設計，保證反應溫度穩定地保持在反應所需要的范圍內，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量，達到各項工藝技術要求。

（4）保證反應管和管板連接可靠，確保設備關鍵部位密封性能。

（5）解決大直徑重型薄壁設備在制造、運輸、安裝和維修時的吊裝問題。

2 技術難點的解決

2.1 反應器的結構改進

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構進行改進，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束后，設置一個急冷段，迅速地將反應溫度降低到第二步反應所需要的溫度。為此在反應器的結構設計上進行了改進，在上、下兩塊管板之間加設一塊中間管板，把殼程分割為反應段 （熱區）和急冷段 （冷區）兩個區域，使二步反應在各自適宜的反應環境中進行，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，將中間管板設計成具有一定柔性的結構，來調整反應管與設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化和設計

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 （熔鹽或導熱油）循環流動進行熱交換，使反應溫度穩定保持在反應所需要的范圍中。保持反應溫度的穩定、徑向溫度均勻成為了大型列管式催化氧化反應器設計的關鍵。在反應器殼程的結構設計時進行了以下優化。

反應器熱媒環形流道的設計和優化。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，即在反應器殼體上、下兩端各設置一道環形通道，供熱媒進、出，配合兩臺周向對稱布置的軸流循環泵。熱媒經過環形通道，通過沿殼體周向壁面上開設一定數量的分布孔，使熱媒均勻地流入和流出殼體內部。為保證熱媒流入殼體每個環道的流量、流速基本相同，在設計時根據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計和優化。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計。為得到理想的傳熱效果，在折流板分布設計優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構，消除了殼程殼壁的環隙，避免了熱媒的短路。 （2）在反應管布管區域進行了適當調整，確保在設定的操作情況下，熱媒在殼程各個區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定提供了基本保證。 （3）對折流板的流體折返區域進行了結構優化，使熱媒在容易產生流動漩渦和流動死區的部位形成柱狀流，大大消除了流動漩渦和流動死區的影響，明顯增強了反應器的總體傳熱系數，提高了殼程內熱媒的傳熱效率，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，很好地控制了焊接變形，保證了熱處理質量、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。

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，使拼焊后的管板坯料產生很大的焊接變形，控制不好會影響管板坯料厚度的選擇和后續平面加工，甚至造成管板報廢。通過分析、試驗，優化了焊接坡口形式、焊接規范、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定范圍以內，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平面加工創造了有利條件。

管板坯料拼焊后，焊縫內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構中的殘余應力。由于管板坯料體積大、質量重、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生變形，保證管板焊后熱處理的質量和過程安全，也是需要解決的難題。為此，根據管板坯料的尺寸和材質確定了熱處理工藝，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，熱處理溫度均勻，達到了預期設想，為管板機加工創造了穩定可靠的條件。

大型列管式催化氧化反應器反應管數量多，管板鉆孔工作量大，對管孔加工技術要求高。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化，利用先進的數控鉆床進行管孔加工，調整了多項工藝加工參數和切削走刀步驟等。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要求，為后續的反應管定位工作打好了基礎。

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量多、管壁薄，管程內裝填觸媒，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生位移，各項焊接參數穩定一致，為保證反應管與管板焊接質量做好基礎準備。

針對大型列管式催化氧化反應器反應管數量多、焊接工作量大的特點，選擇了具有焊接參數穩定可靠、焊縫質量好、成形美觀、施工效率高、人為干擾少等優點的自動旋轉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范、焊接坡口形式和反應管伸出管板的高度等參數。經拉脫力試驗驗證，反應管與管板角焊縫的強度滿足設計要求。

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備的熱循環試驗等。通過試驗和檢測，綜合考驗了反應管與管板的焊接、脹接質量和連接接頭可靠性。

2.5 反應器吊裝結構的優化設計

大型列管式催化氧化反應器屬于大直徑重型薄壁設備，設備直徑超過7000 mm，設備吊裝質量超過350 t，而設備筒體厚度僅為20 mm左右。此外，在設備筒體外壁還有換熱環道，使得設備結構非常復雜。最常用的設計方法是采用大型軸式吊耳，此種結構形式體積龐大，安裝位置也受到裝置系統的限制，有時為安裝反應器單元系統其他相關設備，必須在完成反應器吊裝后將吊裝結構割除，這就給設備的安裝和維修帶來不便，也造成了人力、物力的浪費。在設備制造、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，是在進行設備整體結構設計時需要攻克的一個技術難點。為此，從以下幾方面對吊裝結構進行了優化設計。

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結構進行了剖析，對設備吊裝時的受載情況進行了分析和研究，充分考慮了設備吊裝結構所承受的載荷性質和實際要求。

采用加強筋板、連接板與吊軸的組合結構設計，通過合理的組合，使吊裝結構的受力情況得到改善，同時提高了吊裝結構的承載能力。

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

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

3 結束語

目前，該大型列管式催化氧化反應器已經通過驗收。經實際使用證明，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構設計、控制大型管板拼接和熱處理防變形技術、反應管與管板焊接和脹接技術等方面的技術水平有了突破性提高，為制造類似設備積累了經驗，也為大型列管式催化氧化反應器國產化、大型化、系列化奠定了基礎。