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新型束管水床式大产能甲醇反应器研制与成功实践
2018/1/4 9:53:14   作者:admin  查看:0 回复: 0

摘  要:通过对国外先进的甲醇生产及甲醇反应器技术的分析,提出了束管水床式甲醇反应器的设计思路及有关理念,确立甲醇反应器要求“本质安全”的设计思想。介绍了自主开发的束管水床式甲醇反应器结构、性能及成功实践的经验。

关键词:低压甲醇 束管  水床   反应器  成功实践

 

0 概 述

甲醇是一种基础有机化工产品,在化工产品中其产量仅次于乙烯、丙烯和苯,居第四位。甲醇采用煤、天然气等为原料,用H2和CO、CO2进行合成的工业化方法始于上世纪二十年代初。第一套采用合成方式生产的甲醇产品是由1923年BASF公司采用Zn-Cr催化剂生产的,当时合成甲醇装置压力为30MPa,装置的生产规模也只有300t/a。于上世纪六十年代,随着选择性好、活性高、低压操作的铜基催化剂的诞生,合成甲醇工业取得了比较大的突破,低压法的合成甲醇系统占据了主流。进入21世纪,随着煤制油、煤制烯烃、煤制乙二醇等类生产方法的成功,甲醇产品的需求量更加增大,因此,特大型的甲醇装置也随之诞生,目前单套系统甲醇产量已经达到了2000t/d、5500t/d。

我国的甲醇工业也如同我国的合成氨工业一样,近年来也同期进入了大型化的建设阶段。近年来,国外的著名公司如ICI公司旗下的庄信万丰的Davy公司、Casale公司、Topsoe公司等公司均在抢滩中国市场,几乎全部大型甲醇系统均为国外装置所占据。

由于市场之需求,我们团队人员在这样的甲醇大形势下,致力于甲醇反应器及系统研究和新技术的开发和推广,创造了一种称之为“束管水床式反应器”,取得了国家专利,进行了技术推广,取得了颇丰的成果。

本文就这项技术之开发、技术的推广及应用的效果进行分析总结介绍。

1 国外同类技术现状分析                             

近年来,较为大型化的甲醇装置在我国推广较为成功的企业主要有德国Lurgi公司和英国ICI公司、庄信万丰旗下的Davy公司、丹麦Haldor Topsoe公司、瑞士Casale公司。其它如老牌的德国Linde公司、日本三菱******/三菱重工的SPC型超级甲醇转化器、日本东洋公司和三井东压公司开发的MRF(Multi-stageindirect-cooling type Radial Flow)型甲醇反应器等也有较好的表现。

目前来说,在我国推广得最多的要数Lurgi甲醇反应器、Davy甲醇反应器及Casale公司的水冷板式甲醇反应器。

1.1 Lurgi反应器及流程分析

 

Lurgi甲醇反应器也可称之为管壳式反应器。它是在一个固定管板型列管式Betway体育必威奥运会的管子内(一般管径为Φ35~Φ44的双相钢)装入催化剂,Betway体育必威奥运会壳程充满了锅炉饱和水的一种独特的水床反应器。

这种反应器采用了两个大的管板、反应器装催化剂的列管采用了双相钢进行制造。目前这种塔最大直径做到了4.6m,催化剂管最大长度做到了9m。这种塔在我国300Kt/a的甲醇能力以下企业大部分采用了这种塔型及流程进行甲醇生产。

在进行大型化和高产能系统的设计时,Lurgi公司也创造了一种称之为Maga Methanol的气冷床串联水冷床反应器的工艺。它主要采用一个塔内密布了冷却管的气床反应器,将经过了初步预热的循环气体通过气床反应器冷管内,与外装催化剂的反应床逆流换热将反应器的循环气体加热后再进入第二个水冷床的管壳式反应器(有时是两个并联的管壳式水冷型甲醇塔),反应后气体再进入到气冷床的催化剂层进行二次反应,同时将部分反应热传递给第二床的入口气体。

Lurgi反应器及流程最大的优点是管壳式反应器的比冷(冷比)面积(冷却面积与催化剂体积之比)大,相当于将催化剂“泡”在饱和水中,因此,可以取较小的传热温差,达到催化剂反应床温度与蒸汽压力下的饱和温度之差值相对较小。因而,可以产生较高压力的蒸汽(2.2~3.5MPa饱和蒸汽),因而,提高了蒸汽回收的品位。这各情形下,也使得催化剂反应床的温度也较均衡,移热能力强,可以获得较小的循环量、也可得到较高的反应器出口醇含量,催化剂利用率也高、副反应较少;但由于结构原因,“气冷床”和“水冷床”均为轴向流结构,反应器的阻力较大、大型化和大产能化的反应器,由于结构上必须有大的管板,则管板太大、管板太厚,制造难度相当较大;由于催化剂管必须采用双相钢管,制造难度很大、成本也很高。大型管板及多管系组成的管板焊接面,也容易泄漏,使反应器失效。这种现象在已经开车的Lurgi反应器中是出现得比较多的。这也是大型甲醇厂比较“头痛”的事情。

1.2 Davy反应器及流程分析

庄信万丰公司的Davy公司的催化剂床层为“离心径向流”的水管式蒸汽上升管型甲醇合成塔是庄信万丰在利用本公司催化剂的条件下创造的一种低阻力、可大直径型的甲醇反应器。这种甲醇反应器引入中国不到5年,就基本占据了我国的1000Kt/a型甲醇厂的大部分市场,为国内招投标会议中标率最高的大型甲醇反应器。

这种甲醇反应器配以Davy公司的“双塔藕联式”流程,配置庄信万丰的Katalco 51-9型催化剂。这种催化剂在使用中可以使催化剂热点温度长期在280℃以上运行,且副反应等还较少。这种塔配置及流程最大产量已经达到了7200t/d的水平。因此,大型化是这种Davy塔及流程的十分显著的优点。

这种反应器及流程的最大优点是反应器没有大型管板,制造相对容易、大型化塔更是安全可靠、副反应少、合成塔调温方便、运行阻力低、蒸汽产量高、不需要贵重材料等;但其缺点是必须采用专供催化剂,否则因床层温度过高,使其副反应和催化剂使用寿命受到影响。另外,反应器采用离心式径向流,使反应器之外壳材料要求较高,提高了购置成本。同时这种塔的比冷面积较小,使其运行循环量较大,出口醇含量相对较低。

1.3 Casale I.M.C水冷板式甲醇反应器及流程分析

I.M.C这种反应器是在继Casale卧式多段横流绝热床式反应器后的一种大型化反应器,它采用中空水板式元件,这种元件采用自动线生产,板由两块薄形板,中冲压很多圆形台,每一个圆形台中有一个点焊位置,板四周由自动焊进行封焊,圆形台中间进行塞焊,组成的曲线流动通道是给饱和水在其中流动而设置,板元件呈扇形布置于反应器中,水板外装催化剂,反应器气体可以轴向流动也可以径向流动,水板中水从双板中间的窄缝隙中通过外加强制循环泵进行水的强制循环,将反应床层的热量及时移出并产生蒸汽。催化剂装填在浸入式的板式Betway体育必威奥运会间,反应热由供给的锅炉给水直接带走并副产中压蒸汽。一般来说,催化剂层的操作温度在240250

I.M.C甲醇合成反应器具有列管式等温反应器的优点,同时,由于其板式Betway体育必威奥运会换热能力高效的结构特点。配置在反应器中,还具有以下的一些优点:具有较高的合成转化率、合成圈的阻力降及“循环倍率”均较小,能耗较低、需要的催化剂装填量较少、同等规模反应器直径较小,适用于大规模及超大规模工业化要求。但由于水板焊接点位实在是太多了,要做到本质安全实在是太难了!而且水板的缝隙太小,水流无法畅通,特别是四角部分与联箱管较远的流道处,将是无法水流均匀的,水流的“死角”也较多,造成部分区域的外部催化剂热量移出困难,使其温度不均衡(这些部分是没有测温点的),同时也使水板下部或水流不畅部分易产生水垢堵塞。综合这些因素,体现出了这种塔型反应后的产品杂醇含量居高不下。反应器易泄漏也是它的致命弱点,同时,长期要用循环水泵也是它功率消耗较大的一个问题。

目前这种塔型如果做成特大型化,要求一点都不泄漏,也是还要经过一段时间来考验的。

1.4 三种型式国外技术之优缺点比较

我们通过对反应器运行过程中的温度、压力、副反应、消耗等主要指标以及产品质量、制造过程难易程度等列表进行定性分析之,三种类型的反应器比较如下表。

国外的主要大型甲醇合成技术比较

比较项目

Lurgi

Casale

Davy

原料要求

氢碳比(H2-CO2/CO+CO2

2.02.15

2.02.15

2.0-2.15

入塔气温度

220

230

250

入塔气压力 MPag

8.0

8.78

7.63

循环比(合成塔入口流量/进装置新鲜气流量)

2.5

3.12

3.77

产品质量

生成副反应情况

较多

合成塔运行过程有关比较

能否需要用泵来进行水循环

不要

不要

是否要配套国外催化剂

不需

不需

运行过程温度均匀情况

不好

较好

是否气体能走径向

不能

甲醇塔制造比较

制造过程焊缝量

很多

焊接难易程度

较难

能否用自动接

部分可

是否有大型管板

是否有多焊缝或接头型环管

是否要用特殊材料

不要

不要

能否将塔径做到大于5m

不能

比冷面积比较

较大

较小

催化剂装填难易程度

较难

2 束管水床式甲醇反应器开发设计理念

我们开发和研究团队在分析和调研国际上各型低压甲醇反应器及流程的设计优点和使用过程的一些具体数据的情况下,对各种流程、各种工况进行了充分地分析,我们着重以下述理念来开发工艺流程及反应器,进行国产化的大型Betway体育必威奥运会的开发和研究及推广工作。

2.1 Betway体育必威奥运会开发的主要理念

在一定的反应条件下,按其工艺理念设计高效的反应器,同时配套较为完善的工艺流程,则可达到比较大的经济效益的运行效果和安全可靠的系统运行。这是每一个设计都追求的理想境界。我们在工艺系统配套上,注重于目前的造气工艺方法及配套的净化精制工艺,使开发和选择的装置及配套工艺与整个系统的工艺协调和谐,这样,则可以达到能量的比较大程度利用及工艺的合理配置无误。

2.1.1 立足于国产催化剂

我国的铜系列的低压甲醇催化剂已经有很多品种,经过了近20年的实践,有相当成熟的产品及制造技术。只不过目前国内的催化剂在较高温下(催化剂床层热点长期在大于280的运行)时,其催化剂的耐用度、抗副反应性能比国外著名品牌还是稍有差距。根据这一特性,我们设计的系统最要紧的是要注重较低温度下的运行,这样,还可以得到较为高的转化率,因而,我们的系统注重采用国产催化剂,在在这个基础上进行反应器的开发和配套系统的研究。

我们将反应器的运行温度定位在225255这个温度区,将反应器进口温度定位在205225,以这各温度来进行系统设计和有关Betway体育必威奥运会的配套,充分发挥国产催化剂整个寿命周期中的效率,达到最大化的催化剂时空产率

2.1.2 注重使反应温度均衡

理论和实践均证明,甲醇反应催化剂床层的温度较为稳定和较均衡有利于抑制副反应的生成。基于此,我们在设计反应器的理念就是要尽量采用水床换热的反应器,利用不同饱和蒸汽压力下的水的温度来调节和托起催化剂床温度,不使催化剂床层有大的温度波动。使其催化剂床层的反应温度达到一个近乎等温的反应效果。这样,方可达到副反应最少,催化剂的利用率最大。

采用水床反应器才能够较好实现和达到前述的均衡温度和高的催化剂利用率的运行效果。因而,我们非常不主张用绝热床层和多段冷激床层来做甲醇反应器。

2.1.3 反应器及系统在低压下运行

CO和H2合成甲醇产品的主甲醇反应是一个体积缩小的反应,提高压力对甲醇反应向正方向反应有利。但甲醇为终级产品,要将原料气压缩到合成压力,压力越高,则压缩功消耗将增加。我们认为要有个经济合理的压力。目前铜系催化剂的在3.5MPa压力以上活性已经很好了,催化剂效率已经相当高了。因此,在一定量催化剂条件下,不要追求反应压力太高。反应压力高,同时副反应速度也会提高,当温度有不均衡时,副反应将增加较多。

同时,我们也讲究与原料气的造气方法配套来确定系统运行压力,如果用水煤浆制气,造气出来的原料气压力已经达到了6.58.0MPa这个压力,我们就可以不要原料气压缩机了,采用5.56.5MPa的甲醇合成压力来配置系统;如果用粉煤制气,追求合适的压缩比,甲醇系统压力尽量在6.0MPa 压力下运行,这样也可以大幅度地节约压缩功耗。

注重采用较低压力下的系统,其主要目的是达到气体成分优良和动力消耗最少。

2.1.4 要使醇产品中的杂醇含量尽量少

甲醇反应中的副反应有很多,目前采用最先进的分析方法检测其杂醇产品达到了近百种之多。副反应的多寡,除催化剂的选择性反应特性外,很大程度上取决于设计的反应器之运行温度、操作方法、运行时的温度的均衡性、系统中的气体是否被铁离子等类物质污染等因素。

目前甲醇生产中最为主要的副反应生成物有二甲醚、乙醇、含多种碳链结构的杂醇、石蜡等物质。在这个反应中,一般来说二甲醚的生成与催化剂关系是最大的,其余与反应温度是有关系的。我们设计反应器的气体流道内,要求每个角落均能进行方便地移热,以达到温度可控和温度均衡之效果,这样,就可以极大程度地抑制副反应的生成。

这也是我们设计流程和设计反应器十分注重的设计理念。

2.2 水床束管式甲醇反应器的主要设计理念

根据上述工艺思维,我们在分析了各型先进的甲醇反应器的基础上,我们认为要尽量用水床来进行反应器的移热,用比较简单和相对造价低的反应器运用于甲醇反应中。设计的束管水床移热式反应器最主要遵循下述以下理念。

2.2.1本质安全是最主要的

所谓本质安全,就是要求设计的反应器从原理、结构及设备构件的材料上,焊接工艺及制造方法等均为最成熟的方法和最保险的措施。这样做出来的产品就可以达到使用过程中最大程度地不出现不可预见的开裂、泄漏、被腐蚀等一些对催化剂有损害,使反应器部分或全部失效的因素。

因而,我们设计时,材料的选择上首先优先选择最为成熟的材料,结构上采用束管式,取消了大管板,焊接位置只有管板焊这个位置,没有任何管子对接焊、环管骑马口焊、环管与水管的全位置焊等难度较大,又不能进行自动焊接的焊口结构。全部设备只有几个小管板上的管子与管板的焊接,采用自动焊接方式达到最为可靠的焊接质量要求。

这种反应器从本质上就具备十分安全的先天条件。因而,相比有大管板的管壳式、MRF型等有着很多焊缝的水板式塔等结构,它的焊接条件是最好的、焊接点数量是最少的、焊接质量控制的难易程度是最容易控制的。

本质安全是我们设计的反应器的一个重要考虑因素,遵循这条原则进行设计,方可以创造出安全运行、长周期运行无误的反应器。

2.2.2 温度均衡和可控度高的反应器为最佳

任何一个反应器均有尽量使催化剂高效地利用之要求。要利用好催化剂,一方面要使催化剂的使用温度在最合适的范围。换言之,在催化剂不同的使用周期中,不同部件的催化剂要求都能达到最为合适的温度;另一方面,要求任何部位的催化剂均能够均匀地通过工艺气体,达到每一粒催化剂均能有效地发挥作用。

因而,要求温度均衡、要求温度可控为反应器之基本要求。我们的水床反应器,在布管上、在蒸汽和饱和水的压力控制、在温度的调节上、在径向筐的气体分布上做了大量的基础工作,其结构及设计已经做了大量的细致工作,结果也效为理想。

2.2.3 回收较高品位的蒸汽是基本要求

采用饱和水进入水系统中进行自然循环,达到既回收了蒸汽,又较好地调节了催化剂反应床的反应温度,又使其整床温度基本处于均衡的状态,这是水床反应器的一个最大特点。因为合成反应的温度是靠饱和水的温度来控制的,因此,设计好传热温差、设计好比冷面积及水的循环倍率,以达到最大程度地回收蒸汽压力较高(大于2.2MPa,尽量达到3.5MPa)是我们考虑的重点。

2.2.4 水系统自然循环有利于节能

这种束管水床移热式的甲醇反应器最大的特点是水流动阻力很低(相对于双套管式、水冷板式、螺旋水管式等)。这样,我们只要设计好高位汽包的位差、设计好水系统的管系、分配好各部分阻力,就完全可以做到高效率地水、高循环倍率地(我们水循环倍率可达到18以上,而一般的强制循环的循环倍率仅10左右,其余自然循环的也只有13左右)水自然循环。这样,完全省去了要用泵来强制循环的电力,当然,就极大程度地节约了能量的消耗。

2.2.5 安装检修方便是现场要求之不二法则

工业系统在使用过程中,不可避免地会遇到各种工况,也会有各种不同的问题需要进行检修。因此,反应器在具备有制造方便、工艺简单、操作容易、简便的条件下,也要具有检修方便、简单、可操作性好、安全性好,这也是我们设计要求的不二法则!

我们束管水床式甲醇塔做到了可在不卸催化剂的条件下,对管系的管板焊缝部分进行检查和完全安全地现场修理,这也是其它塔型做不到的方便的条件,这更是我们先进务实的设计理念的具体表现。

3 束管水床式甲醇反应器介绍

运用上述理念,采用我公司的核心技术——径向分布技术及有关径向分气与收气的专有构件设计的出来甲醇反应器,我们称之为“JTM型束管式水移热、向心径向催化剂床甲醇反应器

3.1 水床束管式甲醇反应器基本结构介绍

水床束管式反应器分为压力壳体和水管系及汽包几个大的部件组成。承压壳体承担反应器工艺气体的压力,它的选材要求是达到工艺况条件下能够安全应对各种操作条件,强度足够、材料的抗氢蚀能力达到安全的选材要求;水管系主要承担饱和水的自然循环,吸收甲醇反应热后,并产生蒸汽而移出合成催化剂床的反应热;汽包主要是将吸收反应热后的饱和水在汽包内进行蒸汽闪蒸,进而达到管系中的饱和水通过下降管、换热管及上升管进入汽包这一水循环路线使之畅通,饱和水高速地、自然地循环吸热、闪蒸、回流,使这个过程能安全、顺畅地实现。

本塔主要结构示意图见下图。


3.2 水床束管式甲醇反应器内部流程叙述

塔内气体流程介绍:循环气经过顶部的球封中心接管中进入后通过催化剂筐四周经径向环隙、经充满了在均布的水管周围(壳程)的催化剂,气体与水管内的饱和水呈横流方式接触进行换热,甲醇的反应热通过饱和水进行调节和换热而上升到汽包,在汽包处进行闪蒸面产生中压蒸汽;经过催化剂床层反应和换热后的反应气体,再经过设置在中心的收气管收气后从下部出甲醇反应器;

水管系的流程介绍:水管的上、下部有46个小管板(视塔直径大小设置管板数,塔直径大,管板数量多),通过46根上升管进入设置在高位的蒸汽汽包,汽包将上升管来的汽水混合液中的蒸汽进行闪蒸送入管网,闪蒸完成后的贫汽的、比重较大的饱和水通过汽包底部下降管,进入到反应器下部的几根回水管后进入床层,再进入布置在催化剂床层中的换热列管,进行与催化剂反应床的换热。水系统由于上升管和回水管之密度差(温度不一样、蒸汽含量不一样)产生自然循环,使热量源源不断地带出反应器在汽包处通过闪蒸出来的蒸汽送入管网。

3.3 水床束管式甲醇反应器特点介绍

3.3.1移热能力强,循环热水不需要消耗动力

由于在催化剂床层中均匀地密布了内含高速流动的饱和水移热的换热管,管内水具有较强的蓄热和移热能力。管外为催化剂反应床层,每立方米催化剂配置的水管换热面积较大,管内热水利用上水和下水密度差,在重力的作用下自然循环,很方便地带走了甲醇反应热。它完全可以实现自然循环、方便高效地移热和对床层温度的精准控制。

这也是这种塔型相对于其它任何非Lurgi塔型无可比拟的优点。所以这种塔型同时具有阻力低、水循环倍率高、无需强制循环、移热能力强,产生的蒸汽品位高之优势。

3.3.2 反应器床层阻力小

束管水床式甲醇反应器中的甲醇反应气体流过催化剂层是采用向心径向流方式,气体径向过催化剂床同时,也横扫过水管换热层,由于路径短、径向面积大,因而阻力很小。运行时阻力降只有0.05MPa,与Lurgi等轴向床的运行阻力动辄达到0.5MPa这个数据要小很多,因而节能效果也是十分显著的。

3.3.3 反应气体采用向心流径向

束管水床式甲醇反应器采用称之为向心流径向的气体流动路线,它与国外Davy公司的甲醇反应器采用离心流气体流的方式相反。这种向心径向流的最主要的好处在于:一是由于向心流,外径向分气筒所分配的气体的温度为反应前的气体之温度,这处温度比反应后的温度要低,对筒体的材料要求与离心径向流要求就不一样了,因而节约了外压力壳体的材料投资;另一方面,向心流之气体流动过程中之流速是逐渐增加的,有利于进行流速和流量的定向和定量控制,使其径向气体分布更为均匀;其三向心流在我们合成氨反应器用得最多,这种向心径向流的分气和布气的计算数学模型和计算经验数据取舍,以及构件制造等均有十分成功的经验,因而把握性也大很多。

3.3.4 粗醇副产物少

反应器由于能够保证及时将反应热移出塔外,较好地控制了催化剂层温度、且温度较均衡、温差也较小,因而生成的产品中的副产物就少。这样,对甲醇精馏消耗也降低了很多。同时,对后续的利用甲醇作为原料生产后续产品的质量也有较好的保证。

3.3.5 径向流的气体分布均匀

采用获得国家专利的气体分布构件——侧向喷射技术,多气室气体返混等径向分布技术,这些技术在我们各型号的合成氨反应器中取得了十分好的效果,沿用到甲醇反应器也能达到气体分布均匀,从而使触媒利用率大幅度地提高。

3.3.6 束管式无大管板结构 、少焊接结构达到了本质安全

束管式的技术是这种反应器之特色,它没有诸如Lurgi甲醇反应器、MRF套管式甲醇反应器那样的大管板;也没有象Casale板式塔、多层环管水管式甲醇塔、Linde的螺旋绕管式塔那样有多层环管和全位置的焊接结构,也没有象Casale板式塔那样有那么多的封板焊缝。因而使其设备本质安全、可靠程度增加。

采用分散的小管板结构,使反应器的绝对密封容易实现。相比其它类型的塔,焊缝量是最少的,仅只有管板与管子焊,完全可实现自动焊接,焊接质量十分有保证。采用比较合适的材料,节省大量的低合金钢和不锈钢等材料,从而节省了投资。

3.3.7 整管无对接焊缝的无缝管结构杜绝了水管泄漏失效

换热部件采用较小的无缝钢管,整根管系无对接焊缝,质量控制容易,从结构上杜绝了甲醇合成塔的泄漏。

3.4 水床束管式甲醇反应器的催化剂装填

采用水床式反应器,管内充水、管外装催化剂相对来说比管壳式反应器之管中间装催化剂相对要好装得多。但比绝热式的反应器来比,其装催化剂又要难一些。我们设计时考虑了装催化剂这个因素,设计了活动式的收气中心管和设计了一套管系装催化剂时的振动装置。在分段进行催化剂装填时,我们同对将管系也让其振动起来,这样装的催化剂达到了很高和密实度。如在江苏某厂装填时,最后装填后的计算堆比重比催化剂生厂家提供的堆比重还增加了约10%,说明装填得很均匀和密实。这对提高催化剂利用率提高、提高气体分布效率是相当有好处的。

3.5 水床束管式甲醇反应器的催化剂升温还原

反应器内催化剂的还原好坏,决定了产量及生产效率和节能效果。束管水床式甲醇反应器有利于还原,这种反应器不要设置开工加热器等类设备,只需要有温度在大于280的过热蒸汽就可以了。我们设计时在4个小管板的下部设置4个升温蒸汽阀,通过通入蒸汽就可以非常方便地将反应床层的全部催化剂均匀地加热并进行彻底还原,调节十分方便有效。

 

4  束管水床式甲醇反应器配套流程介绍

结合束管水床式甲醇反应器之特点,我们配置的流程是以反应器为中心的流程。这个流程主要特点是保证热平衡的条件下,尽量使流程简化、醇分离效果好。

4.1基本流程图


4.2 甲醇系统工艺气流程叙述

来自变换和脱碳及精脱硫后的气体进入压缩机压缩段,与氢回收来的氢气等一道进行压缩,入口气体的压力约3.0MPaG。经压缩机压缩段加压至反应系统之要求压力级(一般为5.58.0MPaG)和循环段来的循环气混合进热交Betway体育必威奥运会壳程提温至210230,然后进入甲醇合成塔与在管外触媒层进行合成反应。反应初期触媒热点控制在235±5,甲醇塔内的催化剂床层反应热是通过密布于催化剂床层的管束中的水介质进行移出,并产生蒸汽。蒸汽是由管束内的水、汽混合物通过重度不一致而自然循环,在置于合成塔上面的汽包中的上部空间将蒸汽闪蒸而出,实现了即移走壳程催化剂的甲醇合成反应热,又产生蒸汽,同时稳定了催化剂床层温度之作用。这样处于甲醇反应器壳程之催化剂床层的所有甲醇合成放出的热量均通过管束中的水介质均匀地移出而生成蒸汽,反应后的甲醇塔出塔气温度在235245左右,气体再进入塔外热交换器管程,用反应气来加热循环机来的未反应气体;经过热交换器降温后,再经水冷器冷却至38进甲醇分离器分离甲醇,再进甲醇洗涤塔,用少量的软水进行洗涤,进一步洗涤掉工艺气中的甲醇。分离后的循环气体一部分放空(提氢后),大部分经压缩机循环段提压后和压缩机压缩段来的补充气进入热交换器加热,如此循环往复运行。

分离后的粗甲醇经粗甲醇中间槽减压后送粗甲醇储罐。

甲醇洗涤塔出来的稀甲醇,经稀醇中间槽减压后送稀醇储罐作为甲醇精馏的补水。

粗甲醇中间槽出来的闪蒸气进稀醇中间槽通过稀醇的洗涤降低甲醇含量后送出界区。

5 束管水床式甲醇反应器之应用实践

通过近三年对系统技术及束管水床式甲醇反应器的技术研发,通过精心地制造产品,本技术及产品目前已经成功地运行了二套系统,正在制造和建设中的系统已经有四套之多,单系统最大产量达到了720Kt/a。

下面分别从成功运用的业绩入手分析其使用特点,节能性能及有待更进一步改进之地方。

5.1 成功地应用于300Kt/a的联醇系统

于2014年底,我们设计和精心制造的用于江苏恒盛化工的束管水床式DN3000低压甲醇合成塔正式投入使用。这也是这种产品的“首秀”!创造了十分好的运行效果。

本系统甲醇反应器之主要参数如下表。

序号

项目

单位

参数

备注

壳程

管程

1

设计压力

MPa

5.5

4.0

 

2

反应器规格

DN

3000

 

 

3

设计温度

280

250

 

4

催化剂体积

m3

49

 

 

5

催化剂粒度

mm

3.5x3.5

 

 

6

水管规格

mm

 

φ19x2

 

7

传热面积

m2

 

2860

 

8

设计传热温差

15

 

 

9

小管板数量

 

 

上、下各4块

 

 

这套系统是采用固定床制气、一级甲醇为低压甲醇净化并联产醇、二级净化精制采用醇烃化精制的工艺,全厂总氨醇能力达到了800Kt/a能力。

这套系统安装和升温还原过程中是在我们服务人员指导下,非常顺利地进行了安装。升温还原也十分顺利。只经过了不到一周的摸索运行,就尝试了联醇和单醇的各种开车方式,按市场需求来确定开车方法,为工厂创造了十分好的效益。

系统配套流程如前述,采用了一个水洗净醇塔,保证醇塔入口醇含量小于0.1%这个指标。

本装置原设计能力是作为单醇运行时能力在300Kt/a,当作联醇运行时,系统通过气量为300Kt/a氨醇的原料气量,生产醇量达到400t/d的水平。

经过几个月对各种工况进行运行,在下述较好的运行指标:

当入口CO含量在8%以下时,采用无循环机、一次通过的联醇运行方式,醇烃化的二级醇系统停用了一个醇塔和完全停了高压循环机,运行节电效果十分明显;

当入口CO含量在10%以上运行时,稍开或适当开循环机,高压醇化仍只开一个醇塔和不用高压循环机,醇产量大于400t/d;

当与另一套单醇系统联合开作为单醇系统开时,这套系统可达到日醇产量900吨以上,全厂总氨醇增加100t以上,每吨合成氨的电耗下降100Kwh。

反应器实际运行中有些参数见下表。

序号

项目

单位

指标

设计值

运行值

1

运行压力

MPa

5.5

5.1

2

催化剂床层入口温度

205

195

3

催化剂床层热点温度

235

228

4

径向层柱面温差

5

2

5

循环气入水冷前温度

75

63

6

蒸汽压力

MPa

2.5

1.95

7

蒸汽温度

 

216.6

8

蒸汽温度与热点温度差值

15

11

9

合成塔压差

MPa

0.15

0.05

10

系统压差

MPa

0.5

0.3

 

5.2 成功地应用于250Kt/a的单醇系统

于2015年5月初,这种束管水床式的另一个低压单系列甲醇反应器及系统也投用于河北深州化工,工艺路线为:粉煤制气、低温甲醇洗净化工艺流程,为了配合乙二醇生产需要提供甲醇,同时,也生产了部分商品甲醇,这套装置的甲醇反应器直径为DN2800。

配置的甲醇反应器及有关参数下。

序号

项目

单位

参数

备注

壳程

管程

1

设计压力

MPa

5.5

4.0

 

2

反应器规格

DN

2800

 

管系为束管式

3

设计温度

280

250

 

4

催化剂体积

m3

41

 

不含下部惰性球体积

5

催化剂粒度

mm

3.5x3.5

 

 

6

水管规格

mm

 

φ19x2

 

7

传热面积

m2

 

3100

直管部分

8

设计传热温差

15

 

饱和蒸汽温度与床层温度之差值

9

小管板数量

 

 

上、下各4块

 

 

由于其它化工产品用气量较大,目前醇系统开车负荷不是很满,但系统运行起来达到了很稳定、各指标节能效果十分明显等效果。基本运行数据如下表

序号

项目

单位

指标

备注及说明

设计值

运行值

 

1

运行压力

MPa

5.5

4.2

 

2

催化剂床层入口温度

205

204

 

3

催化剂床层热点温度

235

227.05

 

4

径向层柱面温差

5

2.15

 

5

反应器出口温度与反应床平均温度差值

 

0.95

这个温度差越小,表示径向气体分布越均匀

6

循环气入水冷前温度

75

69.5

入水冷温度低表示热回收好

7

蒸汽压力

MPa

2.5

2.085

 

8

蒸汽温度

 

214.5

 

9

蒸汽温度与催化剂热点温度差值

15

12.55

这个温度差值小,表示水床的换热效果好

10

合成塔压差

MPa

0.15

0.06

 

11

系统压差

MPa

0.5

0.4

 

12

新鲜气流量

Nm3/h

68000

33000

 

13

醇产量

t/h

31.25

15.5

 

14

循环气量

Nm3/h

204000

166000

 

15

吨醇蒸汽产量

t/tCH3OH

1.2

1.22

 

这套系统目前正在准备再调节气量,新开一台粉煤炉后和各其它化工产品岗位用气进行统筹安排,争取完全达到设计要求之产量。

5.3应用于720Kt/a的低压醇系统介绍

我们为山东烟台万华化学的720Kt/a以粉煤为原料生产甲醇和装置,这套设计采用蒸汽透平机提供动力驱动气体压缩和气体循环一体机式的透平机,系统采用设计压力6.0MPa,采用单塔、单系列的系统实现产量要求。设计的基本要求及有关指标如下。

序号

项目

单位

数据

备注

一、工艺系统消耗项等指标

1.1

补充气氢碳比

H2-CO2/CO+CO2

2.0

 

1.2

循环比

循环气/新鲜气

3.47

计算配置按较大配置

1.3

吨醇新鲜气消耗量

Nm3/h

2278.25

 

1.4

吨醇放空量

Nm3/tCH3OH

107.95

 

1.5

吨醇溶解气量

Nm3/tCH3OH

6.36

 

1.6

循环机流量

Nm3/h

778819

 

1.7

出口醇含量

%

8.63

 

1.8

入塔总惰性气含量

%

12

CH4+Ar+N2组分之总和

1.9

每天精甲醇产量

t精醇/d

2239

 

1.10

副产蒸汽量

Kg/tCH3OH

1220

 

1.11

新鲜气CO总转化率

%

96.27

 

1.12

压缩功耗

Kwh/h

4621

 

1.13

循环功耗

Kwh/h

2858

 

1.14

吨醇循环水耗量

t/tCH3OH

42.5

 

1.15

系统运行阻力降

MPa

0.45

 

二、甲醇反应器有关参数

2.1

反应器催化剂量

m3

102

 

2.2

反应器水管换热面积

m2

6800

 

2.3

反应器的比冷面积

m2/m3.Cat

67

 

2.4

反床层温度与蒸汽温度差值

15

设计按此数据

2.5

运行系统压力

MPa

5.5

 

2.6

副产蒸汽压力

MPa

2.5

 

2.7

反应器水床中的水循环倍率

 

≥18

 

2.8

催化剂使用寿命

≥3

 

2.9

反应器催化剂床层阻力降

MPa

≤0.15

 

三、甲醇产品质量有关项参数

3.1

粗甲醇醇浓度

%

95.34

 

3.2

产品中的二甲醚含量

%

0.15

本指标与催化剂关系最大

3.3

产品中的乙醇含量

ppm

600

 

3.4

产品中的杂醇含量

ppm

500

 

 

这套装置目前正在加紧建设,将于明年初开车,这套装置开车后,我们束管水床式甲醇反应器单套大产能工作就向前推进了一大步。

 

6 结 语

束管水床式甲醇反应器是在对国内外的各型甲醇反应器进行充分研究的基础上,采用按“本质安全”的理念和设计要求,对甲醇反应器进行优化设计而成的产品。它成功地应用于生产企业,达到了十分优良的运行效果。它对大型化的甲醇系统技术开发,有着十分重要的意义。通过实践运用,进一步优化系统,在实现大型化、单系列、本质安全的甲醇系统方面,必威betway体育赛事积累了十分宝贵的经验,这对我国的大型甲醇系统的开发和改造具有重要战略意义。该技术不仅适用于低压甲醇,也适用于等温变换、乙二醇生产。

7 参考文献

[1]  刘鸿生,朱德林.国内外低压甲醇合成塔简介[J].化肥设计,2004,42(6):29-32

[2]  闫常群.一种新型甲醇反应器的开发和应用[J].工业安全与环保,2013,(7):70-72

[3]  唐宏青,相宏伟.煤化工工艺技术评述与展望.合成甲醇装置大型化与国产化[J],燃料化学学报,2001,29(3):193-200

[4] 侯瑞生,新奥集团与上海焦化厂卡萨利装置的运行对比[J].科技情报开发与经济,2011,21(9):182-185

 

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