甲醇合成塔床層超溫原因分析

李雪冰,閆國(guó)富

(中國(guó)神華煤制油化工有限公司包頭煤化工分公司,內(nèi)蒙古包頭 014010)

0 引 言

神華包頭煤制烯烴項(xiàng)目甲醇合成裝置引進(jìn)英國(guó)Johnson Matthey/Davy公司大規(guī)模甲醇合成技術(shù),日產(chǎn)MTO級(jí)甲醇5 500 t(100%甲醇)。該套裝置生產(chǎn)能力居世界首位。自裝置試開(kāi)車以來(lái),甲醇合成塔上部催化劑床層局部熱點(diǎn)一直處于超溫狀態(tài)。本文主要從甲醇合成塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)、催化劑還原沉降、工藝操作等方面對(duì)催化劑上部床層局部熱點(diǎn)超溫現(xiàn)象進(jìn)行探討分析。

1 甲醇合成裝置流程簡(jiǎn)介

甲醇合成系統(tǒng)采用的是串并聯(lián)的流程方式。來(lái)自上游凈化裝置的合格新鮮氣經(jīng)過(guò)蒸汽透平驅(qū)動(dòng)的聯(lián)合式壓縮機(jī)的合成段升壓后進(jìn)入凈化槽。經(jīng)凈化催化劑深度脫硫后分為兩股配入兩個(gè)合成塔的循環(huán)氣中,進(jìn)入各自合成塔的換熱管間進(jìn)行甲醇合成反應(yīng)。反應(yīng)熱被管內(nèi)的水吸收副產(chǎn)中壓蒸汽。出塔氣經(jīng)過(guò)各塔的中間氣氣換熱器后依次經(jīng)過(guò)空冷器、水冷器后,在分離器內(nèi)將粗甲醇分離。1#粗甲醇分離器出口的循環(huán)氣經(jīng)過(guò)循環(huán)氣壓縮機(jī)提壓后進(jìn)入2#合成塔,2#粗甲醇分離器出口的循環(huán)氣直接送入1#甲醇合成塔。兩股循環(huán)氣與新鮮氣混合后重新進(jìn)入兩個(gè)合成塔內(nèi)進(jìn)行甲醇合成反應(yīng)。分離后的粗甲醇經(jīng)過(guò)閃蒸后送入下游單元。流程示意如圖1。

圖1 甲醇合成流程示意圖

2 甲醇合成塔上部床層超溫現(xiàn)象描述

自2010年7月3日甲醇裝置投料試車以來(lái),當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷在70%以上時(shí),甲醇合成塔催化劑上部床層局部熱點(diǎn)經(jīng)常出現(xiàn)超溫現(xiàn)象,1#甲醇合成塔最高溫度達(dá)到303℃,2#甲醇合成塔最高溫度達(dá)到299℃,合成系統(tǒng)曾經(jīng)因床層溫度超高聯(lián)鎖而切氣停車。由于催化劑床層局部熱點(diǎn)溫度的上漲,制約了系統(tǒng)負(fù)荷的提升。兩個(gè)合成塔床層熱點(diǎn)溫度分布見(jiàn)表1及表2。

表1 1#合成塔床層溫度數(shù)據(jù)

表2 2#合成塔床層溫度數(shù)據(jù)

說(shuō)明:表中斜體數(shù)據(jù)為超溫?zé)狳c(diǎn)溫度。每個(gè)合成塔沿軸向分布10層熱偶(A～J點(diǎn)),見(jiàn)圖2,由于合成塔底部的三層(H～J點(diǎn))熱偶溫度正常穩(wěn)定,在表中未列出其數(shù)值。

3 甲醇合成塔局部床層熱點(diǎn)超溫原因分析

3.1 催化劑裝填的密度不一致,導(dǎo)致氣體流速的差異,影響傳熱

該甲醇合成塔是管殼式結(jié)構(gòu),換熱管內(nèi)走水,管外裝填催化劑。由于管間距較小,裝填催化劑時(shí)作業(yè)人員只能站在中心管內(nèi),工作面較小。人不能觸及的地方只有靠催化劑的位差自流裝填,所以存在中心管附近的催化劑裝填密度大,遠(yuǎn)離中心管區(qū)域的催化劑裝填密度小的問(wèn)題。合成塔上部換熱管出口總管周圍作業(yè)空間較大,人工作業(yè)半徑增大,上部催化劑的裝填密度大于軸向相同位置催化劑的裝填密度。由于裝填密度的差異,導(dǎo)致氣體在不同區(qū)域催化劑內(nèi)的流速不一樣,合成塔上部?jī)?nèi)側(cè)催化劑內(nèi)氣體流速會(huì)小于其他區(qū)域催化劑內(nèi)氣體的流速。因此,在同等放熱情況下,流速小的區(qū)域內(nèi)催化劑會(huì)出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。

合成塔內(nèi)件及熱偶位置示意見(jiàn)圖2。

附圖說(shuō)明 圖2中的兩幅圖為兩個(gè)合成塔共用。

圖2(a)中A～J點(diǎn)為熱偶沿塔軸向分布的測(cè)溫點(diǎn)。

圖2(b)中 T1～T4為熱偶沿塔徑向分布的測(cè)溫點(diǎn)。

1#塔 T1 151TI104/105,T2 151TI106/ 107,T3 151TI108/109,T4 151TI110/111

2#塔 T1 151TI123/124,T2 151TI125/ 126,T3 151TI127/128,T4 151TI129/130

3.2 出口氣體收集器的有孔區(qū)低于中心管的高度

圖2 甲醇合成塔內(nèi)件及熱偶位置示意圖

兩個(gè)甲醇合成塔設(shè)計(jì)催化劑裝填量為94.5 m3,實(shí)際裝填量為 1#塔 96.5 m3,2#塔96.6 m3。從圖2(a)中可以看出,催化劑還原沉降后床層最高平面高于設(shè)計(jì)的還原后平面。甲醇合成塔屬于管殼式徑向流反應(yīng)器,反應(yīng)后的氣體通過(guò)塔內(nèi)壁的氣體收集器后匯集至出口總管。合成塔的出口收集器是多孔結(jié)構(gòu),上部至催化劑A層熱點(diǎn)以上屬于無(wú)孔結(jié)構(gòu)。在A層催化劑以上還有一節(jié)中心管,管內(nèi)的氣體會(huì)沿徑向進(jìn)入A層以上的催化劑區(qū)進(jìn)行反應(yīng)。由于沿徑向沒(méi)有開(kāi)孔收集器,氣體要折流向下經(jīng)過(guò)下部的催化劑后進(jìn)入收集器再匯至出口管出塔。相對(duì)中下部徑向直接流出塔外的氣體而言,此處反應(yīng)熱帶出的速度較慢,容易造成熱量累積,會(huì)出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。

3.3 超溫區(qū)屬于絕熱區(qū)的邊緣

結(jié)合表1、表2及圖2,可以看出兩個(gè)合成塔床層超溫部分主要集中在T1及T2區(qū)域的A、B段催化劑床層。這是因?yàn)?T1區(qū)域處在內(nèi)部絕熱層的外緣,絕熱區(qū)內(nèi)沒(méi)有換熱管,氣體屬于絕熱反應(yīng),熱量全部由反應(yīng)氣自身帶出,所以會(huì)導(dǎo)致T1區(qū)域內(nèi)A、B段各點(diǎn)床層溫度偏高。由于T2區(qū)域處在列管區(qū)的外緣,加之絕熱反應(yīng)區(qū) T1溫升的影響,導(dǎo)致T2區(qū)域內(nèi)A、B段各點(diǎn)床層溫度較外圍溫度偏高。

3.4 工藝操作方面的因素

甲醇合成塔上部床層局部超溫現(xiàn)象是無(wú)法避免的,但不合理的工藝操作會(huì)加劇床層超溫的趨勢(shì)。自從試開(kāi)車以來(lái),甲醇合成裝置多次的開(kāi)停車,系統(tǒng)在提升負(fù)荷的過(guò)程中,往往會(huì)由于氣體組分不合適、導(dǎo)氣速度過(guò)快等人為因素而使床層溫度過(guò)快上漲,加劇了上部床層超溫的速度,使生產(chǎn)受到制約。

4 局部熱點(diǎn)超溫對(duì)催化劑整體活性的影響

經(jīng)過(guò)DAV Y公司技術(shù)人員計(jì)算,兩個(gè)合成塔各區(qū)域內(nèi)催化劑的裝填量占催化劑總裝填量的百分比大致為,T1區(qū)域?yàn)?16%,T2區(qū)域?yàn)?5%,T3區(qū)域?yàn)?0%,T4區(qū)域?yàn)?7%。兩個(gè)合成塔內(nèi)超溫部分催化劑分別占各塔催化劑總裝填量的12%左右。

DAV Y公司技術(shù)人員通過(guò)CFD(Computational Fluid Dynamics,流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型)模型進(jìn)行了模擬計(jì)算。以催化劑設(shè)計(jì)活性為100%計(jì),運(yùn)行中催化劑操作溫度高于設(shè)計(jì)溫度30℃時(shí),催化劑活性為設(shè)計(jì)活性的65%;催化劑操作溫度低于設(shè)計(jì)溫度5℃時(shí),催化劑活性為設(shè)計(jì)活性的105%。兩個(gè)合成塔超溫區(qū)域內(nèi)的催化劑約占各塔裝填總量的12%左右,則運(yùn)行催化劑的實(shí)際活性為12%×65%+85%×105%= 96.7%,僅比設(shè)計(jì)活性低3.3%。

從表1和表2的數(shù)據(jù)可以看出,每個(gè)合成塔的催化劑床層軸向平均溫度均在250～260℃之間,尤其是主反應(yīng)區(qū)(T2～T3)內(nèi)各熱偶的軸向平均溫度低于該區(qū)域內(nèi)熱偶的設(shè)計(jì)平均溫度(270～280℃)。

從以上兩個(gè)方面可以說(shuō)明,合成塔催化劑上部床層局部熱點(diǎn)超溫對(duì)催化劑的整體活性不會(huì)造成大的影響。

5 控制甲醇合成塔床層超溫的對(duì)策及建議

經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的開(kāi)車觀察,以及和專利商技術(shù)專家的共同討論,一致認(rèn)同甲醇合成塔上部床層局部超溫現(xiàn)象是無(wú)法徹底解決的。但為了達(dá)到高負(fù)荷穩(wěn)定生產(chǎn),在生產(chǎn)操作上可以采取以下措施。

(1)控制合成塔汽包蒸汽壓力在1.6 MPa左右(設(shè)計(jì)值1.8～2.2 MPa),從而降低床層熱點(diǎn)溫度。

(2)根據(jù)合成塔床層上下部的溫差及熱點(diǎn)溫升趨勢(shì),控制塔入口溫度在210℃左右(設(shè)計(jì)溫度215～220℃),降低入塔氣體溫度,控制床層內(nèi)部絕熱區(qū)的反應(yīng)熱,進(jìn)而控制全塔的反應(yīng)熱。

(3)調(diào)整新鮮氣氣體組分。提高新鮮氣中CO2氣體的含量至3.0%左右(摩爾分率,設(shè)計(jì)值為1.95%),降低新鮮氣的氫碳比,從而控制甲醇的反應(yīng)熱。

(4)將甲醇合成塔床層熱點(diǎn)溫度聯(lián)鎖值由設(shè)計(jì)值290℃提高至295℃。

甲醇合成塔設(shè)有兩級(jí)床層溫度超溫聯(lián)鎖,一級(jí)為DCS系統(tǒng)聯(lián)鎖,聯(lián)鎖值為290℃,二級(jí)為SIS系統(tǒng)聯(lián)鎖,聯(lián)鎖值為300℃。因?yàn)橛袃杉?jí)聯(lián)鎖的保護(hù),所以經(jīng)過(guò)與專利商專家的協(xié)商,將DCS系統(tǒng)超溫聯(lián)鎖值由290℃提高至295℃,這樣增加操作余度,在不危害催化劑及設(shè)備的同時(shí)更有利于生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。

生產(chǎn)調(diào)節(jié)手段是有限的,如果要徹底解決這種塔型催化劑床層超溫現(xiàn)象,還要從設(shè)計(jì)上改進(jìn)才能解決根本問(wèn)題。此種塔型是DAV Y公司在煤制甲醇裝置上的第一套投產(chǎn)設(shè)備,相信經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐與戴維技術(shù)人員智慧的結(jié)合,以后的甲醇合成塔會(huì)得到進(jìn)一步的優(yōu)化。