臥式甲醇合成反應(yīng)器氣體分布冷模試驗(yàn)

胡亮華，劉 維，楊 遙，黃正梁，馮再南，姚澤龍，任筱嫻

（1．杭州林達(dá)化工技術(shù)工程有限公司，浙江杭州 310012；2．浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)系，浙江杭州 310027）

臥式甲醇合成反應(yīng)器氣體分布冷模試驗(yàn)

胡亮華1，劉 維1，楊 遙2，黃正梁2，馮再南1，姚澤龍1，任筱嫻1

（1．杭州林達(dá)化工技術(shù)工程有限公司，浙江杭州 310012；2．浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)系，浙江杭州 310027）

建立一套臥式甲醇合成反應(yīng)器氣體分布冷模試驗(yàn)裝置，通過測(cè)定反應(yīng)器內(nèi)壓力分布和氣速分布來研究氣體分布的均勻性，試驗(yàn)采用上方進(jìn)氣和側(cè)面進(jìn)氣方式。研究結(jié)果表明，臥式甲醇合成反應(yīng)器內(nèi)氣體均布性良好，而上方進(jìn)氣方式能使反應(yīng)器內(nèi)部氣體分布更均勻。

臥式甲醇合成反應(yīng)器；冷模試驗(yàn)；氣體分布；均勻性

針對(duì)國(guó)內(nèi)臥式甲醇合成反應(yīng)器尚未大型化、規(guī)?；默F(xiàn)狀，杭州林達(dá)化工技術(shù)工程有限公司經(jīng)多年努力，開發(fā)了能適用于大型化、低循環(huán)比工況，并具備強(qiáng)移熱能力的臥式甲醇合成反應(yīng)器技術(shù)［1，2］，該技術(shù)已經(jīng)成功運(yùn)用在180 kt／a年甲醇合成工業(yè)化裝置中［3］。2007年寧夏寶塔石化集團(tuán)有限公司承擔(dān)了“單臺(tái)日合成2 000噸甲醇臥式合成塔研究開發(fā)與示范”——國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題，在此背景下，寧夏寶塔集團(tuán)與杭州林達(dá)公司進(jìn)行合作，在杭州林達(dá)公司已有臥式反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，對(duì)大型臥式甲醇合成反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及工藝進(jìn)行研究。該課題已于2012年10月通過了國(guó)家科技部的鑒定及驗(yàn)收［4］。

臥式甲醇合成反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，反應(yīng)器內(nèi)氣體沿軸向及徑向分布均勻是保證其性能的關(guān)鍵因素，合理的氣體流道設(shè)計(jì)和適宜地控制壓降是保證氣體分布均勻的重要手段［5，6］。本項(xiàng)目依據(jù)杭州林達(dá)公司已有的180 kt／a甲醇合成臥式反應(yīng)器技術(shù)參數(shù)來設(shè)計(jì)冷模試驗(yàn)，對(duì)臥式反應(yīng)器內(nèi)氣體分布的均勻性進(jìn)行深入研究，試驗(yàn)由杭州林達(dá)公司和浙江大學(xué)聯(lián)合化學(xué)反應(yīng)工程研究所共同完成。通過研究臥式反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)分布和氣體流動(dòng)規(guī)律，進(jìn)一步探索提高氣體分布均勻性的方法，期望為臥式甲醇合成反應(yīng)器的大型化提供理論支撐及設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 冷模試驗(yàn)裝置及方法

1.1 冷模試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

冷模試驗(yàn)裝置如圖1所示，由風(fēng)機(jī)、緩沖罐、閥門、流量計(jì)、臥式反應(yīng)器、水槽、水泵、傳感器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器和計(jì)算機(jī)等組成。臥式反應(yīng)器由直徑1 m、長(zhǎng)4 m的圓柱形筒體，兩個(gè)直徑1 m的半球形封頭，換熱管、隔板、氣體分布板、支撐板等組成。試驗(yàn)遵循可視化的原則，反應(yīng)器主體用透明的有機(jī)玻璃制成，筒體、封頭、換熱管、隔板材質(zhì)均為有機(jī)玻璃，氣體分布板和支撐板為不銹鋼孔板。氣體分布板和支撐板的孔徑均為3 mm，正方形排列，孔間距分別為30mm和25mm。

圖1 臥式反應(yīng)器冷模試驗(yàn)裝置示意圖

反應(yīng)器上36個(gè)取樣口分布在上、中和下三個(gè)平面上，如圖2所示。上平面、中平面和下平面在同一側(cè)分別軸向均布12個(gè)取樣口；從遠(yuǎn)離進(jìn)氣口端到靠近進(jìn)氣口端依次編號(hào)為1～12；兩端兩個(gè)取樣口距筒體邊緣的距離為240 mm，相鄰兩個(gè)取樣口的間距320 mm。

圖2 取樣口分布示意圖（主視圖）

三個(gè)平面中，每個(gè)取樣口沿徑向各有五個(gè)測(cè)點(diǎn)，其分布如圖3所示。在上平面和下平面上，第一個(gè)測(cè)點(diǎn)伸入深度為180 mm；在中平面上，第一個(gè)測(cè)點(diǎn)伸入深度為100 mm；各平面上后四個(gè)測(cè)點(diǎn)的伸入深度以100 mm依次遞增。

1.2 試驗(yàn)條件及方法

試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，以空氣模擬反應(yīng)氣體，使用外形尺寸與工業(yè)甲醇催化劑相近的填料模擬催化劑。該填料由湖州雙林四星光整機(jī)械材料廠制造，形狀為直切面圓柱體，規(guī)格為φ5×5 mm，堆積密度約為1．32 g／ml。風(fēng)機(jī)選用羅茨鼓風(fēng)機(jī)，風(fēng)量≤45 m3／min，升壓≤90 kPa；帶水冷系統(tǒng)。流量計(jì)選用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，量程分別為600 m3／h和1000 m3／h。

圖3 各取樣口徑向測(cè)點(diǎn)分布示意圖（側(cè)視圖）

試驗(yàn)過程中，空氣經(jīng)風(fēng)機(jī)壓縮升壓后進(jìn)入緩沖罐，由閥門調(diào)節(jié)流量和流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入臥式反應(yīng)器，再經(jīng)氣體分布板、催化劑床層、多孔支撐板后，從臥式反應(yīng)器右下側(cè)的氣體出口排出。試驗(yàn)風(fēng)量為1700m3／h，試驗(yàn)裝置中填料床層的最大截面積為4 m2，最小表觀氣速約為0．118 m／s。試驗(yàn)采用兩種進(jìn)氣方式，分別為上方進(jìn)氣和側(cè)面進(jìn)氣。上方進(jìn)氣，從筒體頂部四個(gè)進(jìn)氣口進(jìn)氣，四個(gè)進(jìn)氣口的風(fēng)量相同；側(cè)面進(jìn)氣，從右側(cè)封頭處的一個(gè)進(jìn)氣口進(jìn)氣。試驗(yàn)中，使用U形管壓差計(jì)分別測(cè)量上平面、中平面、下平面的壓力分布；使用熱線風(fēng)速儀（TSI9515）測(cè)量氣速，其量程為0～20 m／s，精度為±0．025 m／s，分辨率為0．01 m／s。用熱線風(fēng)速儀測(cè)量中平面的氣速分布，與壓力分布測(cè)量所使用的位置相同。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)考察了上方進(jìn)氣和側(cè)面進(jìn)氣這兩種進(jìn)氣方式對(duì)氣體分布均勻性的影響，通過測(cè)定上平面、中平面和下平面上的壓力分布和氣速分布來判斷反應(yīng)器內(nèi)氣體分布的均勻性。

2.1 壓力分布

圖4為上方進(jìn)氣時(shí)上平面、中平面和下平面的壓力分布。圖中，取筒體遠(yuǎn)離出氣口一側(cè)的端面作為x軸的零點(diǎn)，筒體外壁面作為y軸的零點(diǎn)，壓力作為Z軸（下同）。

由圖4可以看出，在三個(gè)平面上，軸向壓力分布（x軸）均呈現(xiàn)從左到右（排氣口在右側(cè)）逐漸降低的趨勢(shì)；同一取樣點(diǎn)的徑向壓力分布（y軸）較為均勻；同一水平位置的壓力（z軸）隨著高度的降低逐漸變小。由于臥式反應(yīng)器的氣體出口設(shè)置在右側(cè)封頭的下部，使得臥式反應(yīng)器內(nèi)的氣體流動(dòng)方向?yàn)閺纳贤潞蛷淖笸遥ㄕw上），這必然導(dǎo)致左側(cè)和上方的壓力較高。

圖5 側(cè)面進(jìn)氣時(shí)三個(gè)平面上的壓力分布圖

由圖5可以看出，側(cè)面進(jìn)氣時(shí)三個(gè)平面上的壓力變化規(guī)律與上方進(jìn)氣時(shí)變化規(guī)律一致。

對(duì)36個(gè)取樣點(diǎn)測(cè)出的所有壓力數(shù)據(jù)，用極差來表征壓力的變化范圍。極差定義為壓力數(shù)據(jù)中最大值和最小值之間的差值。兩種進(jìn)氣方式下三個(gè)平面上壓力的最大值、最小值和極差如表1所示。

表1 兩種進(jìn)氣方式下三個(gè)平面上壓力分布統(tǒng)計(jì)Pa

由表1可知，在兩種進(jìn)氣方式下，中平面上壓力的極差均小于上平面和下平面上壓力的極差，表明中平面上的壓力分布更為均勻。上平面和下平面分別受到右側(cè)進(jìn)氣口和排氣口的影響，導(dǎo)致壓力波動(dòng)更大；而經(jīng)過催化劑床層對(duì)氣體的再分布，中平面受到的影響相對(duì)較小，因此中平面上的壓力分布相對(duì)均勻。對(duì)比兩種進(jìn)氣方式壓力的極差，側(cè)面進(jìn)氣時(shí)三個(gè)平面上壓力的極差顯著增大。這可能是由于側(cè)面進(jìn)氣時(shí)，右側(cè)進(jìn)氣和右側(cè)出氣兩種效應(yīng)的疊加，使得反應(yīng)器內(nèi)左側(cè)的壓力更高，整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)壓力分布均勻性變差。

取三個(gè)平面上同一取樣口5個(gè)徑向位置壓力，以其平均相對(duì)偏差對(duì)徑向壓力分布進(jìn)行評(píng)價(jià)。兩種進(jìn)氣方式下，徑向壓力的平均相對(duì)偏差沿軸向的分布如圖6所示。上方進(jìn)氣時(shí)，上平面、中平面和下平面上徑向壓力平均相對(duì)偏差的最大值分別為0．63%、0．68%和0．35%；側(cè)面進(jìn)氣時(shí)，上平面、中平面和下平面上徑向壓力平均相對(duì)偏差的最大值分別為1．19%、0．81%和0．33%?？傮w而言，兩種進(jìn)氣方式下三個(gè)平面上徑向壓力的平均相對(duì)偏差都小于1．20%，表明氣體分布較為均勻。與側(cè)面進(jìn)氣相比，上方進(jìn)氣時(shí)上平面和中平面的徑向壓力分布更為均勻。

圖6 徑向壓力平均相對(duì)偏差沿軸向的分布曲線

2.2 氣速分布

試驗(yàn)測(cè)定了兩種進(jìn)氣方式下中平面的氣速，氣速分布如圖7所示。中平面上的氣速在平均值上下小幅波動(dòng)，整個(gè)平面上的氣速分布都較為均勻；與上方進(jìn)氣相比，側(cè)面進(jìn)氣時(shí)的波動(dòng)略大。

圖7 兩種進(jìn)氣方式下中平面上的氣速分布圖

由表2可以看出，上方進(jìn)氣時(shí)中平面上氣速的波動(dòng)范圍為0．35～1．15 m／s，側(cè)面進(jìn)氣時(shí)中平面上氣速的波動(dòng)范圍為0．39～1．14 m／s，上方進(jìn)氣時(shí)波動(dòng)范圍略大；上方進(jìn)氣時(shí)平均氣速為0．78 m／s，側(cè)面進(jìn)氣時(shí)平均氣速0．72 m／s，上方進(jìn)氣時(shí)平均氣速略大；上方進(jìn)氣時(shí)氣速的平均相對(duì)偏差和方差分別為0．153和0．021，側(cè)面進(jìn)氣時(shí)氣速的平均相對(duì)偏差和方差分別為0．188和0．031，氣速的平均相對(duì)偏差和方差均反映了中平面上氣速分布的均勻性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與側(cè)面進(jìn)氣相比，上方進(jìn)氣時(shí)中平面上的氣速分布更加均勻。

表2 兩種進(jìn)氣方式下中平面上氣速分布統(tǒng)計(jì)

3 結(jié) 論

通過測(cè)定反應(yīng)器上、中、下三個(gè)平面上的壓力分布和氣速分布，驗(yàn)證了臥式甲醇合成反應(yīng)器內(nèi)良好的氣體分布。采用上方進(jìn)氣的方式，反應(yīng)器內(nèi)氣體分布更均勻。

在填料床層上方放置有均布開孔的氣體分布板，這對(duì)氣體流向及控制床層壓降有很大的調(diào)節(jié)作用。后續(xù)的研究中可以考慮采用非均布開孔的分布板，孔徑和孔間距根據(jù)氣速來調(diào)整，即高氣速區(qū)域減小孔徑，增大孔間距，從而增加流動(dòng)阻力，限制氣體通過；而在低氣速區(qū)域增大孔徑，減小孔間距，使流動(dòng)阻力減小，利于氣體通過。通過優(yōu)化氣體分布板的結(jié)構(gòu)，以期反應(yīng)器內(nèi)氣體更加均布。

［1］樓韌，馮再南，粟楊，等．臥式水冷反應(yīng)器技術(shù)開發(fā)及其在現(xiàn)代煤化工領(lǐng)域應(yīng)用分析［J］．煤化工，2011，39（2）：9～12．

［2］杭州林達(dá)化工技術(shù)工程有限公司．橫向管式換熱反應(yīng)設(shè)備：CN200420116978．6［P］．2006-12-13．

［3］樓韌，馮再南，姚澤龍，等．林達(dá)大型臥式水冷甲醇合成塔開發(fā)應(yīng)用及前景展望［J］．天然氣化工，2008，33（6）：43～46．

［4］大型煤基甲醇生產(chǎn)裝備及技術(shù)研究開發(fā)項(xiàng)目通過驗(yàn)收［EB／OL］．http：／／www．nxmy．com／snyw／15265．htm．2012-10-15．

［5］李瑞江，陳春燕，吳永強(qiáng)，等．大型徑向流反應(yīng)器中流體均布參數(shù)的研究［J］．化學(xué)工程，2009，38（10）：28～31．

［6］張成芳，朱子杉，徐懋生，等．徑向反應(yīng)器流體均布設(shè)計(jì)的研究［J］．化工學(xué)報(bào)，1979，28（1）：67～90．

Gas Distribution Cold-Flow Model Experiment in Horizontal Methanol Synthesis Reactor

HU Liang-hua1,LIU Wei1,YANG Yao2,HUANG Zheng-liang2, FENG Zai-nan1,YAO Ze-long1,REN Xiao-xian1
（1．Hangzhou Linda Chemical Technology Engineering Ltd．，Hangzhou Zhejiang 310012，China；2．Joint Institute for Chemical Reaction Engineering of Zhejiang University，Hangzhou Zhejiang 310027，China）

Construct a set of gas distribution cold-flow model experiment unit for the horizontal methanol synthesis reactor，to study the gas distribution uniformity by measuring the pressure distribution and gas velocity distribution in the reactor．Both ways of air inlet are used，which are top inlet and side inlet in the experiment．The results show that gas distribution uniformity is good in horizontal methanol synthesis reactor，and the gas top inlet way could make gas distribution more evenly within the reactor．

horizontal methanol synthesis reactor；cold-flow model experiment；gas distribution；uniformity

TQ223．12＋1

A

1003-6490（2014）01-0075-04

2013-05-29

胡亮華（1986－），男，江西新余人，助理工程師，主要從事煤化工工藝設(shè)計(jì)及技術(shù)開發(fā)工作。