180萬t/a甲醇合成系統(tǒng)設(shè)計(jì)思考

謝定中

(湖南安淳高新技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙　410205)

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180萬t/a甲醇合成系統(tǒng)設(shè)計(jì)思考

謝定中

(湖南安淳高新技術(shù)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410205)

摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)甲醇合成裝置大型化趨勢(shì)，以湖南安淳高新技術(shù)有限公司的180萬t/a甲醇合成裝置為例，重點(diǎn)介紹了大型低壓甲醇裝置的工藝流程設(shè)計(jì)思想及其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并對(duì)流程配置中新開發(fā)的氣冷甲醇塔的設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：甲醇合成；大型化；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

甲醇生產(chǎn)技術(shù)主要有低壓甲醇合成和高壓甲醇合成，其中低壓甲醇合成節(jié)能效果更為顯著，在市場(chǎng)上所占份額越來越多。隨著甲醇工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前甲醇工藝的一個(gè)重要發(fā)展方向是大型化、超大型化。1997年，Lurgi公司率先發(fā)布了百萬噸級(jí)大甲醇概念。近年Davy、Casale、MHI/MGC推出不同類型甲醇反應(yīng)器，為國(guó)內(nèi)外甲醇的發(fā)展譜寫了新篇章。2006年9月，國(guó)內(nèi)第1套以天然氣為原料的60萬t/a甲醇裝置在中海石油建滔化工有限公司投產(chǎn)成功。盡管大型化甲醇規(guī)模效應(yīng)明顯，越來越受到市場(chǎng)追捧，但是以高CO煤氣為原料的大型甲醇裝置在工業(yè)化過程中還有一些問題，比如：?jiǎn)误w反應(yīng)器能力低、系統(tǒng)及反應(yīng)器的配置不協(xié)調(diào)、阻力降較大等。如何借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步探索和創(chuàng)新，湖南安淳高新技術(shù)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“安淳”)在現(xiàn)有多套低壓甲醇裝置成功運(yùn)行的基礎(chǔ)上，開發(fā)了百萬噸級(jí)大甲醇裝置，下面以180萬t/a甲醇裝置的設(shè)計(jì)為例進(jìn)行介紹。

1安淳大甲醇裝置設(shè)計(jì)原則

安淳開發(fā)的大甲醇裝置，在結(jié)合安淳現(xiàn)有低壓甲醇合成技術(shù)取得廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上，提出了以下設(shè)計(jì)原則。

(1)等溫低溫反應(yīng)原則。大甲醇裝置中必須選擇合適的反應(yīng)器，使反應(yīng)溫度控制在低溫區(qū)，并且等溫反應(yīng)。其一低溫反應(yīng)溫度，遠(yuǎn)離反應(yīng)平衡線，反應(yīng)推動(dòng)力大；其二反應(yīng)終點(diǎn)醇含量可以達(dá)到13%～15%，反應(yīng)壓力為7.0 MPa左右，循環(huán)氣量少，能耗低；其三甲醇反應(yīng)維持在等溫低溫下進(jìn)行，避免了因超溫引起的催化劑失活，延長(zhǎng)催化劑使用壽命，降低了催化劑的費(fèi)用就相對(duì)減少了系統(tǒng)的投資。

(2)反應(yīng)熱高效利用原則。甲醇反應(yīng)熱很大，每kmol甲醇反應(yīng)熱為96 140～104 500 kJ，大型甲醇裝置優(yōu)化系統(tǒng)流程和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，主反應(yīng)器采用水冷管相變移熱，充分利用反應(yīng)熱產(chǎn)生較高壓力蒸汽，提高反應(yīng)熱利用效率。

(3)大型化適用原則。其一可滿足規(guī)模大的要求，大型甲醇裝置單塔能力達(dá)到50萬～80萬t/a，單套系統(tǒng)達(dá)到180萬t/a；其二反應(yīng)器規(guī)格滿足制造和運(yùn)輸要求，對(duì)于沒有組焊條件的場(chǎng)所確保運(yùn)輸方便。

(4)反應(yīng)器安全可靠原則。大甲醇反應(yīng)器必須十分可靠，確保安全生產(chǎn)。對(duì)于水移熱結(jié)構(gòu)的水管，應(yīng)有可靠的消除溫差應(yīng)力的措施或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。反應(yīng)器的檢修周期至少要三至五年。

(5)節(jié)能降耗，經(jīng)濟(jì)效益原則。設(shè)備上選材盡量避免采用特殊貴重材料，如雙相不銹鋼，降低制造成本；反應(yīng)器結(jié)構(gòu)合理，采用徑向結(jié)構(gòu)，塔內(nèi)阻力低。

2180萬t/a甲醇合成系統(tǒng)流程

根據(jù)甲醇合成反應(yīng)熱大和現(xiàn)有銅基觸媒耐熱性差的特點(diǎn)，安淳大甲醇采用了“徑向等溫水冷式反應(yīng)器+徑向氣冷式反應(yīng)器”兩段等溫甲醇合成技術(shù)方案，其工藝流程見圖1。

圖1　安淳大型甲醇裝置流程示意

2.1流程簡(jiǎn)述

6.5 MPa(g)(甲醇合成壓力在6.5 MPa(g)較8.0 MPa(g)功耗更低)原料氣與來自循環(huán)壓縮機(jī)的循環(huán)氣匯合后，經(jīng)進(jìn)料加熱器E-1換熱后溫度提高到108 ℃，再進(jìn)入氣冷甲醇塔R-2中的冷管內(nèi)，與管外催化劑層的氣體換熱，再經(jīng)氣氣換熱器E-2后溫度提高到約214 ℃后，進(jìn)并聯(lián)的兩水冷甲醇塔R-1-1/R-1-2，分別從底部經(jīng)內(nèi)外筒環(huán)隙進(jìn)入催化床，反應(yīng)氣與垂直懸掛式沸騰水管換熱，徑向流過催化床，進(jìn)行催化反應(yīng)，70%～80%的甲醇在此合成。反應(yīng)后氣體進(jìn)入中心集氣管，自上而下，由水冷甲醇塔R-1-1/R-1-2底部引出，兩塔反應(yīng)氣約250 ℃混合后，經(jīng)氣氣換熱器E-2后進(jìn)入氣冷甲醇塔R-2的催化劑層，繼續(xù)進(jìn)行甲醇合成反應(yīng)，反應(yīng)熱加熱冷管內(nèi)的冷氣，出氣冷甲醇塔R-2的出塔氣溫度為220 ℃。經(jīng)汽包給水預(yù)熱器E-3換熱后溫度降至175 ℃，然后入進(jìn)料加熱器E-1溫度降至125 ℃，再經(jīng)脫鹽水加熱器E-4和水冷器E-5冷卻至40 ℃入甲醇分離器分離出粗甲醇。

甲醇分離器出口的氣體，大部分經(jīng)循環(huán)機(jī)升壓循環(huán)使用，升壓后與原料氣混合去合成甲醇，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)，一小部分放空氣送至下個(gè)工段回收，也可燃燒部分，去過熱汽包產(chǎn)飽和蒸汽。

甲醇分離器底部出來的粗甲醇去粗醇中間槽，釋放出弛放氣后去甲醇精餾。

2.2180萬t/a甲醇裝置反應(yīng)溫度曲線

180萬t/a甲醇裝置反應(yīng)溫度曲線見圖2。

圖2　安淳大型甲醇裝置反應(yīng)溫度曲線

2.3采用三塔流程(兩水冷塔并聯(lián)串一氣冷塔)

采用三塔流程具有以下特點(diǎn)。

(1)科學(xué)布管。水管能根據(jù)需要在反應(yīng)區(qū)域恰當(dāng)?shù)牟贾?，在反?yīng)曲線的初始階段和中期階段能均勻分布，能將整個(gè)催化劑床層溫差控制在3 ℃～5 ℃以內(nèi)，反應(yīng)溫度控制在240 ℃左右，從圖1可以看到，遠(yuǎn)離平衡線，有利于推動(dòng)反應(yīng)。氣冷塔與水冷塔之間設(shè)置熱交換器，降低氣冷塔進(jìn)口溫度，增加反應(yīng)推動(dòng)力。水、氣兩級(jí)反應(yīng)溫度不相同，有利于反應(yīng)平衡。合成氣轉(zhuǎn)化率高，出口醇含量高可以達(dá)到13%～15%，循環(huán)比低，有利于降低壓縮機(jī)功耗。催化劑使用壽命關(guān)鍵取決于催化劑床層溫差控制效果，甲醇反應(yīng)器較小的催化劑床層溫差能確保催化劑使用周期達(dá)十年以上。

(2)熱能回收效率高。安淳專利技術(shù)——等溫反應(yīng)器(水冷塔)相變移熱產(chǎn)生蒸汽，氣冷塔反應(yīng)熱用于加熱冷管內(nèi)氣體，反應(yīng)熱利用率達(dá)到88%以上；噸精甲醇產(chǎn)中壓飽和蒸汽達(dá)到1.1 t以上，如果用放空燃燒氣過熱，可成為動(dòng)力蒸汽拖動(dòng)汽輪機(jī)。

(3)反應(yīng)器大型化方便。對(duì)于場(chǎng)地不能滿足現(xiàn)場(chǎng)組焊的，單臺(tái)反應(yīng)器規(guī)格滿足運(yùn)輸要求，100%可以在工廠制作完運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)。對(duì)于場(chǎng)地具備現(xiàn)場(chǎng)組焊條件的，可以把內(nèi)件和外筒分開制作并單獨(dú)運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)組焊。系列裝置產(chǎn)能大，單塔能力達(dá)到50萬～80萬t/a，單系列產(chǎn)量180萬t/a。

(4)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)合理，安全可靠，操作簡(jiǎn)單。自主研發(fā)的專利設(shè)備，采用懸掛水管，上端焊接于管板，下端自由，能自由伸縮，完全消除溫度變化對(duì)水管產(chǎn)生的溫差應(yīng)力；兩水冷塔共一個(gè)汽包，一個(gè)調(diào)節(jié)點(diǎn)，兩塔反應(yīng)溫度相同，操作簡(jiǎn)單。

(5)系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保，經(jīng)濟(jì)效益明顯。從設(shè)備方面來看，反應(yīng)器均為徑向反應(yīng)器，塔內(nèi)阻力小；反應(yīng)器氣冷塔為兩合一設(shè)備(既是反應(yīng)器，又是水冷塔的塔前預(yù)熱器)，減少了設(shè)備臺(tái)數(shù)、連接管道和占地面積。

2.4裝置的性能指標(biāo)

大甲醇裝置性能見表1。

表1　大甲醇裝置性能

3反應(yīng)器設(shè)計(jì)原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

3.1JJD水管式甲醇合成塔

180萬t/a甲醇系統(tǒng)流程中的水冷塔為JJD低壓恒溫水管式甲醇塔。JJD甲醇合成塔由3部分2個(gè)系統(tǒng)組成，包括催化劑反應(yīng)系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生和水汽循環(huán)系統(tǒng)以及受壓外殼，設(shè)備示意見圖3。

圖3　JJD水管式甲醇塔

JJD水管式甲醇合成塔，是總結(jié)了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有3大類甲醇合成塔的基礎(chǔ)上，去其缺點(diǎn)，取其精華，創(chuàng)新開發(fā)的甲醇合成塔，它是用沸騰水汽化，副產(chǎn)中壓蒸汽，移出甲醇合成反應(yīng)熱。沸騰水在管內(nèi)，催化劑在管外；沸騰水管為懸掛式，水、水汽為自然循環(huán)；反應(yīng)氣體在催化床內(nèi)是垂直于水管徑向流動(dòng)；其反應(yīng)溫度曲線是一條由多個(gè)連續(xù)鋸齒形組成的控制線。多套裝置多年的運(yùn)行結(jié)果表明，其有容積利用系數(shù)高、單塔能力大、無需昂貴的雙相不銹鋼管材、阻力小、副產(chǎn)中壓蒸汽多、循環(huán)電耗小、冷卻水耗小、升溫還原容易、操作控制簡(jiǎn)單、運(yùn)行彈性大、適用性強(qiáng)、裝卸催化劑容易等優(yōu)點(diǎn)。

3.2氣冷式甲醇合成塔

180萬t/a甲醇系統(tǒng)流程中的氣冷塔由外殼、徑向觸媒筐以及多組對(duì)稱的上行冷管束組成。每組U形冷管束包括進(jìn)氣環(huán)、出氣環(huán)，一對(duì)環(huán)上有多對(duì)上行U形管，進(jìn)氣環(huán)有一進(jìn)氣管、一出氣管。進(jìn)氣管與下分氣總管相連，出氣管與上集氣總管相連，結(jié)構(gòu)示意見圖4。

圖4　氣冷式甲醇塔

3.2.1氣冷甲醇塔內(nèi)部流程

未反應(yīng)冷氣從下部三通外套管環(huán)隙進(jìn)入，經(jīng)下升氣管到分氣環(huán)，氣體分別進(jìn)入上、下U形管，被管外反應(yīng)氣加熱后，進(jìn)入集氣環(huán)，經(jīng)上升到集氣筒，出反應(yīng)器。從水冷反應(yīng)器來的70%～80%已反應(yīng)氣從上部進(jìn)入氣冷反應(yīng)器的內(nèi)外筒環(huán)隙，由上而下，分別進(jìn)入徑向反應(yīng)器觸媒層反應(yīng)。反應(yīng)后熱氣經(jīng)中心集氣筒出反應(yīng)器。

3.2.2氣冷甲醇塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1)全徑向結(jié)構(gòu)，塔內(nèi)阻力小。

(2)換熱管采用對(duì)稱U形冷管束。預(yù)熱氣體流動(dòng)路程短，阻力?。粚?duì)稱U形冷管束，中間受約束，上下兩端自由，承受熱應(yīng)力強(qiáng)，可靠性好。

(3)每組U形冷管束溫度上下對(duì)稱相同(a-a、b-b)，每組U形冷管束對(duì)稱點(diǎn)溫度相同。

(4)U形冷管束組數(shù)較多，上下溫差、徑向溫差小，屬準(zhǔn)等溫反應(yīng)器。

4結(jié)語(yǔ)

百萬噸級(jí)甲醇合成技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是采用低壓法合成技術(shù)降低能耗，以較高位能回收反應(yīng)熱，副產(chǎn)蒸汽，催化劑床層溫度易于控制，可靈活調(diào)節(jié)，催化劑生產(chǎn)強(qiáng)度大，有低的循環(huán)比和高的單程轉(zhuǎn)化率。湖南安淳高新技術(shù)有限公司的180萬t/a甲醇合成系統(tǒng)技術(shù)符合大甲醇發(fā)展概念和技術(shù)要求，是具有眾多優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用前景廣闊的國(guó)產(chǎn)化百萬噸級(jí)甲醇合成技術(shù)。

Design Considerations on 1 800 kt/a Methanol Synthesis System

XIE Ding-zhong

(HunanAnchunAdvancedTechnologyCo.,Ltd.,ChangshaHunan410205China)

Abstract：In view of the large-scale development trend of domestic methanol synthesis plant, taking 1 800 kt/a methanol synthesis plant of Hunan Anchun Advanced Technology Co., Ltd. as an example, this paper focuses on introduction of process design philosophy and its technical advantages of large scale low pressure methanol plant, the design principles and structure features of the newly developed gas-cooled methanol synthesis reactor.

Keywords：methanol synthesis; large scale; structure features

收稿日期：2015-12-09

中圖分類號(hào)：TQ 223.121

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-8901(2016)01-0024-03

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.007 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.007

作者簡(jiǎn)介：謝定中(1938年-)，男，湖南冷水江人，1961年畢業(yè)于天津大學(xué)化工無機(jī)物專業(yè)，大學(xué)本科，教授級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)任湖南安淳高新技術(shù)有限公司董事長(zhǎng)、總工程師、首席發(fā)明人。