JW 甲醇合成塔在大型装置中的应用 -中华塔器网

楼韧，任筱娴，徐荣良，楼寿林
(杭州林达化工技术工程有限公司，杭州310013)
O 前言
     近代甲醇不论作为化工原料(制二甲醚、丙烯、乙烯)或作为能源(甲醇汽油燃料)，用途和规模不断增加。国外装置规模已进入年产百万吨级，我国“九五”、“十五”都把开发低压甲醇合成技术列为重大项目，国务院领导对发展甲醇生产作过多次重要批示。2004年4月，国家发改委召开“关于甲醇燃料发展”的座谈会，目前还成立了中国石化协会醇醚燃料及醇醚清洁汽车专业委员会。甲醇汽油正在山西等省份试点推广。在这种甲醇生产规模不断扩大，向大型化发展的情况下，中国是否能开发自主的现代甲醇生产技术，几十年来在我们建大化肥当中，20多套大型氨合成塔全部从国外引进，但现在我们中国可以用自主知识产权的专利技术建设大型甲醇生产装置。
1 国外的大型甲醇合成技术现状
     当代甲醇合成生产技术因低压法能耗省而成为主要技术，据称英国ICI公司和德国Lurgi公司技术占据70％以上的国外生产装置，代表了国外甲醇合成生产的技术水平。目前单套最大能力为2004年6月在特立尼达Atlas投产的5000t／d的由3台反应器组成的Lurgi联合反应器。ICI甲醇塔结构简单，催化剂装填系数大，易大型化，目前已有单套3000t／d的装置，但催化剂床层温差大，气体返混严重，合成效率低。Lurgi管壳甲醇塔，催化剂床层温度平稳，操作容易，合成效率较高，但反应器催化床存在严重壁效应，影响时空产率提高，催化剂装填系数小，反应器结构复杂，单塔能力小，大型化难度大。除以上二者，还有塔间换热的T0P E径向流动反应器，KBR 的球形反应器，段间换热的CASALE卧式多床反应器。这类反应器由多台或多床串联组合，塔间或段间设置外部换热器移去反应热。这类反应器床层压力减小，大型化容易，但设备投资大。反应器制造复杂，催化剂床层分布不够理想。
     上述3种甲醇反应器，连续换热等温型催化剂生产强度最高，为0．9～1．0kg／(L．h)；冷激型最低，为0．35～0．40kg／(L·h)；间接换热绝热反应在二者之间，即0．55～0．6kg／(L·h)。
2 具有我国自主知识产权的甲醇合成技术
2．1 林达低压均温甲醇合成塔的创新
     近年来我国低压甲醇合成技术取得很大进展，中国石化协会生产力促进中心等作了大量工作，杭州林达公司、华东理工大学、各设计院合作承担了一系列甲醇项目。杭州林达公司在甲醇和氨合成反应器上具有一系列成功的创新技术，申请了包括PCT国际专利、欧洲专利、俄罗斯专利、美国专利等在内的国内外专利，至今已有13项授权的国内外专利，在经成功开发了用于合成氨厂联醇生产的中压联醇塔，并成为目前中国联醇生产装置应用最多塔型之后，又成功开发了大型低压均温型甲醇合成塔技术，经在多厂家投产运行效果优良，并被评为2004年度国家发明奖。甲醇合成是强放热反应，进入催化剂层的合成原料气需先加热到反应温度(>210℃)才能反应，而低压甲醇合成催化剂(铜基触媒)又易过热失活(>280℃)，又必须将甲醇合成反应热及时移走，本合成塔将原料气加热和反应过程中移热结合，反应器和换热器结合连续移热，同时达到缩小设备体积和减少催化剂层温差的作用，实现达到“均温、高效、易大型化”的目标。
     该低压均温型甲醇塔是不同于现有国外甲醇塔的全新反应器结构，为国内外首创，经PCT国际检索、初步审查和国家实审，授予发明专利权，具多项独特的创新技术。其关键部分是发明了独特的大小2种弯头的双U形管冷管胆结构作为换热元件。小弯头U形管套在大弯头U形管内构成1对双U形管，双U形管中大小弯头U形管反向排列套装，气体在每2根相邻冷管内上下流动，方向均为逆流，达到触媒层等温均温反应目的，温差低达10℃，开发了全自由伸缩复合密封结构，环管位于催化剂上方的自由空间，双U形管位于催化剂层中，冷管没有焊接点，结构可靠。另一种型式为具上下双环管的低压均温型甲醇塔，冷管胆有上环管和下环管，上环管连结进气管和下行冷管，下环管连结下行冷管和上行冷管。
     创造开发成功用于甲醇合成的反应器模拟计算软件一“Reactor Designer”，数学模型经过大量实际生产数据校正，更逼近实际效果。用于均温型单(联)醇反应器、管壳式反应器、ICI冷激型反应器及大型甲醇装置的联合反应器，内含各种甲醇催化剂动力学数据，可方便地对反应器进行优化设计，为开发优化设计高性能甲醇合成反应器提供强有力的技术保障。
2．2 林达甲醇合成塔投运效果和主要技术指标
      新型合成塔已投产6套装置，与上述国外装置比，充分显示出反应器体积小，触媒层温差小，CO转化率高，产量高，原料气耗少等优点。
      哈气化φ2000冷激塔改为Jw 均温型甲醇塔后，触媒层温度差由原30～70℃ 降低为同平面<5℃，轴向<10℃，在原料气量、进塔气量和甲醇合成触媒不增加情况下，甲醇产量提高50％，吨醇原料单耗降低129Nm3，电耗降低120kWh。在5MPa有效合成压力下，甲醇催化剂的生产强度达0．69t／(m3．h)，比冷激塔0．382 t／(m3．h)增加50％多，也比引进和国外达到的Lurgi管壳式(0．58 t／(m3．h)和0．65 t／(m3．h))要高，Jw 塔和冷激式、管壳式甲醇塔主要技术经济指标比较见表1。

实际使用结果显示Jw 低压均温型塔达到了兼具冷激型甲醇塔结构简单、催化剂装填系数大和管壳型甲醇塔床层温差小、合成效率高的优点，在同样生产能力下其直径比上述2种塔型都要小(见表2)。

2．3 林达甲醇合成塔应用推广应用情况
本技术已成功投产6套装置，总生产能力超过30万t／a，企业取得显著的经济效益和社会效益。哈尔滨气化厂2000年前甲醇产能仅为4万t／a，采用Jw 低压甲醇塔改造扩大能力，现产能达15万t／a。目前总共已签订了12套转让合同，分别为煤气联产甲醇、天然气转化气为原料和煤制气为原料等各种原料气生产甲醇，详见表3。

     本技术的成功开发和应用改变了以往现代化反应器技术长期依赖国外的状况，在现有氨合成塔采用国外技术的渭化、天野、大化3家大型化工厂中，本技术在与国内外技术竞争中取得了成功，替代了引进，节省了大量外汇资金。本技术装置全部投产后总产能将超过100万t／a。此外在国内还有多套煤气甲醇、焦炉气制甲醇项目拟使用该项技术，如山西交城60万t／a大型甲醇项目中采用了本技术，已通过专家评审。其中除上述冷管型低压甲醇塔外，林达公司还开发了副产中压蒸汽的水冷型(管内进水)的甲醇合成反应器和水冷气冷组合型甲醇合成工艺，并申请了PCT国际专利。内蒙、四川等多套国外购置直径超过4m的ICI冷激型大塔要求用本技术改造，提高生产能力。本技术有较强的国际竞争力，多家国外公司与我们进行了技术交流。
3 大型甲醇合成反应器结构问题的解决
     由于单系列大型化甲醇生产装置可显著降低投资和生产成本，故甲醇装置大型化成为甲醇生产技术发展的重要方向。在这一问题上管壳式反应器由于实际上是一台管板和壳体成一整体而不可分的大型列管换热器，在大型化上遇到难题。如在5MPa合成压力下20万t／a单台管壳反应器直径已达4m，这已达到我国公路运输限宽，超过4m不仅加工难度大，且整体难以运输。故超过20万t／a需要采用多台管壳式反应器并联，而这将带来增加设备投资等问题。减小直径的一个办法是提高合成塔高径比，国内有冷激塔提出高径比达10，如此大的高径比不仅采用轴向塔阻力很大，即使采用了径向塔，如为连续催化剂床则对用压制成型、强度低的甲醇催化剂来说难保不被压研粉化。虽然提高合成压力也可使一定直径上反应器生产能力提高，但这一使反应管内外和管板上下反应气和壳程水汽压差增加，同样增加设备投资和制造加工技术难度。Jw 均温型塔却在大型化上具备多方面有利条件：
(1)首先Jw塔触媒装填系数大，同样生产能力和催化剂装量下，反应器体积大幅减小(见表2)，故在5MPa下直径4m以内合成塔单台能力可达到30万t／a。
(2)Jw 塔提高合成压力时，内件中管内外压差并不相应增加，因此除了壳体设计压力相应增加外并不增加合成塔内件加工制造的技术难度，可以十分方便地用提高合成压力提高一定直径下的生产能力，合成压力9MPa左右单台生产能力达到60万t／a。
(3)Jw 塔内件采用化整为零冷管胆多重同轴套装，因此即使直径超过4m，也可以采用内件分开运输到现场组装，外壳到现场组焊和热处理，林达公司已在进行国外购置多套塔径超过4m、4．3m、4．5m、4．8m合成塔改造设计，这样单台能力可达到100万t／a。
(4)用多台组合。国外在大型化甲醇合成装置的合成塔方案中，ICI为增大塔径单台塔，Tops~ 采用3台径向绝热塔串联，Lurgi过去提出2台管壳式并联共用1个汽包，现在则大力提倡水冷一气冷联合反应器，即由1台气冷的冷管合成塔和外冷副产蒸汽的水冷反应器串联组合，原料气先进气冷反应器，这种联合则需直径4m多1台气冷反应器和直径6m多1台水冷反应器，如果水冷反应器直径与气冷反应器一样大，则因气体走反应管内，通气截面只有气冷一半，故阻力很大。但直径6m管壳式反应器制造难度大，故现在Lurgi采用2台水冷反应器并联再和一台气冷反应器组合。而林达开发的水冷一气冷组合反应器则为管内走水副产蒸汽，管外装催化剂。通气截面与气冷反应器一样大，故只需水冷、气冷各一台反应器，比Lurgi法少了1台水冷反应器，配置更为合理，投资大为节省，对特大型5000t／d以上可采用这种型式。本技术已申请国际PCT专利。
     林达Jw低压合成反应器除用于甲醇合成外，还非常适合甲醇脱水制二甲醚等反应过程，据设计计算，60万t／a二甲醚塔径3．6m，比管壳式4．6m和绝热型反应器4．4m要小得多。
4 结语
     我国煤炭和天然气资源丰富，发展甲醇(二甲醚)生产具有十分有利的条件，同时甲醇无论作为化工原料还是清洁燃料在我国都拥有巨大的市场前景。甲醇生产大型化，降低生产成本，是其用作替代燃料和替代石油路线生产乙烯、丙烯等大宗石化产品的必然要求。
     国外多家公司在甲醇生产大型化方面已取得许多重大进展，近来国内以林达公司等为代表的企业在甲醇大型化方面也开发出了具有中国特色的具有自主知识产权的新技术。国内甲醇大型化技术的突破必将促进我国甲醇生产的快速发展。

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