φ1 400 mm ZFJ冷管型甲醇合成塔内件的设计与应用 -中华塔器网

平惠强黄晖
(浙江工业大学机械厂杭州 310014)
浙江工业大学机械厂自1989年开始进行zFJ冷管型甲醇合成塔内件的研发工作(内件规格从φ5OO mm～φ1 400 mm)，至今共生产各种型号的甲醇塔内件400余台。2001年成功开发了01 200 mm、φ1 000 mm ZFJ冷管型甲醇合成塔内件，先后在安徽、河南、山东等地投入运行；2003年开始φ1 400 mm ZFJ型甲醇塔内件的研发工作，2004年顺利完成制作并于同年3月25日在安徽投人运行，运行情况良好。
1 φ1 400 mm ZFJ冷管型甲醇合成塔内件的设计思路
1．1 触媒层移热方式的确定
甲醇合成反应的特点是强放热，而且联醇触媒活性温度低。以C207触媒为例，在15 MPa、260 ℃仅有CO参与甲醇合成反应时，其反应热为1 734、53 kJ／mol(414．96 kcaL／mo1)，且活化能为94．98 kJ／mol，后。为7．734×10 S～。根据中压联醇合成反应的平衡温度曲线和最适宜温度曲线，
在设计内件触媒筐的移热方式时充分考虑了以下几点：
(1)从甲醇合成反应动力学来看，要求气体人塔后迅速达到较高的温度，并随着反应的进行逐步降低床层反应温度来提高合成效率。但由于C207等常用甲醇触媒的活性温度范围为220～290℃，最高操作温度要求低于290 oC，从延长触媒的使用寿命考虑，床层轴向温差应小于20℃较为合适。
(2)由于甲醇触媒活性范围较窄，合成塔高径比较小，若要利用整塔触媒的活性还必须保证较小的同平面温差，所以在冷管型移热方式中必须保证冷管分布的绝对均匀。
(3)随着反应的进行，在完成气体量80％的反应后，要求床层温度略有下降，以利于甲醇的合成，使操作线更逼近最适宜温度曲线。而且在触媒使用后期，可利用底部反应温度较低的部分触媒进行强化生产，提高整塔触媒的利用率。因此绝对的均温并不利于合成率的提高。采用单管折流冷管连续换热方式能较好地达到上述要求，通过详实计算，确定冷管面积和上、下行冷管数量的配比，使整塔轴向温差控制在较小的范围，同时采取措施降低触媒层底部温度。为设置尽可能多而均匀分布冷管并确保结构可靠性，冷管胆应采用多环结构。
1．2 内件底部换热器的设计
对甲醇合成塔来说，底部换热器的设计较为关键。换热面积的大小直接影响床层温度的分布：换热面积太大，使进入触媒层0 m的气体温度太高，需要较大的循环量，且出口甲醇含量降低，虽然生产能力增加，但床层阻力也随之增大，电耗增加，且易造成触媒粉化而使其寿命缩短；如果设计面积太小，进入触媒层的气体温度太低，达不到反应起活温度，则需要牺牲一段触媒先提温，触媒利用率较低，也缩短了触媒的使用周期。为节省用户投资，采用了高效螺旋板换热器，具有换热系数大、换热效果好的特点，与列管换热器相比可以提高触媒筐的容积利用系数，但阻力相对较大。
因此在设计时应尽可能减小螺旋板换热器的阻力，并选取合适的换热面积。螺旋板换热面积的确定不是孤立的，与冷管胆的换热面积有一定的配比，必须通过多次反复计算优化选取。在确定螺旋板换热器的换热面积后，可以通过增加通道数量和板间通道截面的办法来减小换热器阻力，在正常生产前提下，多通道螺旋板的计算阻力不大于0．176 MPa(1．8 kg／cm2)。
2 φ1 400 mm ZFJ冷管型甲醇合成塔内件的结构特点
(1)冷管胆采用双环管结构，内、外冷管胆无刚性连接，可各自自由热胀冷缩。考虑冷管的强度补偿，在冷管的焊接结构上作了相应改进。通过内、外冷管胆的进气管和分气盒内气体分布器的双重控制，使气体按比例进入内、外冷管胆，保证床层轴径向的温差控制在指标内。
(2)考虑人塔气量较大的情况下，气体通过触媒筐的阻力较大，在不改变现有结构的前提下，底部可设置径向筐，通过压差改变气体流动方向，减小阻力，增加反应气体与触媒接触时间，提高出口甲醇浓度。
(3)底部螺旋板换热器结构紧凑牢靠，并可根据用户需要设置触媒自卸结构。
(4)内件的现场安装全部采用独立的柔性膨胀石墨或不锈钢缠绕垫片，可靠性好，安装方便，适应甲醇触媒使用周期短、更换频繁的特点。
3 φ1 400 mm ZFJ冷管型甲醇合成塔内件的应用
由我厂设计开发的φ1 400 mm zFJ型甲醇合成塔内件于2004年3月制作完成，并于2004年3月22日进行现场安装。内件装填C207甲醇触媒，装填方案见图1。2004年3月25日18：00左右开始触媒的升温还原，至3月29日12：00降温还原结束，共历时90 h。还原过程中温度控制正常，共出水4．5 t。还原主期共开5．5 m ／min的循环机3台，出水速率控制在每半小时小于4Okg。整个还原过程轴向温差小于lO℃ ，径向温差小于3℃ 。

内件正常运行时，甲醇合成操作压力为lO．5～ 11．0 MPa，床层温度分布非常理想，热点在床层中上部，随着反应进行，床层温度逐渐下降。全塔轴向温差小于l8℃，平面温差小于5℃ ，进口CO体积分数为3．O％～3．5％，出口基本测不出其含量，开1台5．5 m ／min循环机，副线开启较大，人塔气量～1 10 000 m ／h。内件操控性很好，调节简单方便，部分操作数据见表1、表2。实际应用表明：该内件的床层温度分布较好地吻合了最适宜温度曲线，有利于整塔触媒活性的发挥，并随着时间的推移，热点逐渐下降，可利用床层下部原反应温度较低的部分触媒强化生产，延长了触媒的使用周期，提高甲醇的单塔得率；CO转化率高，操作简单方便，一般只需通过循环机近路和塔
副线调控塔内温度；内件结构简单可靠，维修较为方便。

4 应用中存在的问题
φ1 400 mm甲醇塔内件在应用中达到了设计目的，但还存在如下问题：
(1)由于生产能力不足，出塔温度偏低，在触媒使用前期反应热量不能及时移出塔外，致使循环量偏大，空速较高。
(2)对甲醇塔来说，由于触媒强度较差，容易粉化，因此有必要在甲醇塔的中下部设置径向筐以增加甲醇塔的操作弹性。另外，外筒设计时净空高可以适当降低，高径比应控制在10为宜。
(3)流程的设置上应该加大冷副线的通径副线的气体应该是人塔气(新鲜气与循环气的混合气)而不是新鲜气，这样可以较好地通过人塔气体调配增加调节手段，提高出塔温度，将塔内反应热及时移出塔外。

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