甲醇合成塔在大型裝置中的應(yīng)用

　　近代甲醇不論作為化工原料(制二甲醚、丙烯、乙烯)或作為能源(甲醇汽油燃料)，用途和規(guī)模不斷增加。國外裝置規(guī)模已進(jìn)入年產(chǎn)百萬噸級，我國“九五”、“十五”都把開發(fā)低壓甲醇合成技術(shù)列為重大項(xiàng)目，國務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)對發(fā)展甲醇生產(chǎn)作過多次重要批示。2004年4月，國家發(fā)改委召開“關(guān)于甲醇燃料發(fā)展”的座談會，目前還成立了中國石化協(xié)會醇醚燃料及醇醚清潔汽車專業(yè)委員會。甲醇汽油正在山西等省份試點(diǎn)推廣。在這種甲醇生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，向大型化發(fā)展的情況下，中國是否能開發(fā)自主的現(xiàn)代甲醇生產(chǎn)技術(shù)，幾十年來在我們建大化肥當(dāng)中，20多套大型氨合成塔全部從國外引進(jìn)，但現(xiàn)在我們中國可以用自主知識產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)建設(shè)大型甲醇生產(chǎn)裝置。
　　1 國外的大型甲醇合成技術(shù)現(xiàn)狀
　　當(dāng)代甲醇合成生產(chǎn)技術(shù)因低壓法能耗省而成為主要技術(shù)，據(jù)稱英國ICI公司和德國Lurgi公司技術(shù)占據(jù)70％以上的國外生產(chǎn)裝置，代表了國外甲醇合成生產(chǎn)的技術(shù)水平。目前單套最大能力為2004年6月在特立尼達(dá)Atlas投產(chǎn)的5000t／d的由3臺反應(yīng)器組成的Lurgi聯(lián)合反應(yīng)器。ICI甲醇塔結(jié)構(gòu)簡單，催化劑裝填系數(shù)大，易大型化，目前已有單套3000t／d的裝置，但催化劑床層溫差大，氣體返混嚴(yán)重，合成效率低。Lurgi管殼甲醇塔，催化劑床層溫度平穩(wěn)，操作容易，合成效率較高，但反應(yīng)器催化床存在嚴(yán)重壁效應(yīng)，影響時(shí)空產(chǎn)率提高，催化劑裝填系數(shù)小，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單塔能力小，大型化難度大。除以上二者，還有塔間換熱的T0P E徑向流動反應(yīng)器，KBR 的球形反應(yīng)器，段間換熱的CASALE臥式多床反應(yīng)器。這類反應(yīng)器由多臺或多床串聯(lián)組合，塔間或段間設(shè)置外部換熱器移去反應(yīng)熱。這類反應(yīng)器床層壓力減小，大型化容易，但設(shè)備投資大。反應(yīng)器制造復(fù)雜，催化劑床層分布不夠理想。
     上述3種甲醇反應(yīng)器，連續(xù)換熱等溫型催化劑生產(chǎn)強(qiáng)度最高，為0．9～1．0kg／(L．h)；冷激型最低，為0．35～0．40kg／(L·h)；間接換熱絕熱反應(yīng)在二者之間，即0．55～0．6kg／(L·h)。
2 具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的甲醇合成技術(shù)
2．1 林達(dá)低壓均溫甲醇合成塔的創(chuàng)新
     近年來我國低壓甲醇合成技術(shù)取得很大進(jìn)展，中國石化協(xié)會生產(chǎn)力促進(jìn)中心等作了大量工作，杭州林達(dá)公司、華東理工大學(xué)、各設(shè)計(jì)院合作承擔(dān)了一系列甲醇項(xiàng)目。杭州林達(dá)公司在甲醇和氨合成反應(yīng)器上具有一系列成功的創(chuàng)新技術(shù)，申請了包括PCT國際專利、歐洲專利、俄羅斯專利、美國專利等在內(nèi)的國內(nèi)外專利，至今已有13項(xiàng)授權(quán)的國內(nèi)外專利，在經(jīng)成功開發(fā)了用于合成氨廠聯(lián)醇生產(chǎn)的中壓聯(lián)醇塔，并成為目前中國聯(lián)醇生產(chǎn)裝置應(yīng)用最多塔型之后，又成功開發(fā)了大型低壓均溫型甲醇合成塔技術(shù)，經(jīng)在多廠家投產(chǎn)運(yùn)行效果優(yōu)良，并被評為2004年度國家發(fā)明獎(jiǎng)。甲醇合成是強(qiáng)放熱反應(yīng)，進(jìn)入催化劑層的合成原料氣需先加熱到反應(yīng)溫度(>210℃)才能反應(yīng)，而低壓甲醇合成催化劑(銅基觸媒)又易過熱失活(>280℃)，又必須將甲醇合成反應(yīng)熱及時(shí)移走，本合成塔將原料氣加熱和反應(yīng)過程中移熱結(jié)合，反應(yīng)器和換熱器結(jié)合連續(xù)移熱，同時(shí)達(dá)到縮小設(shè)備體積和減少催化劑層溫差的作用，實(shí)現(xiàn)達(dá)到“均溫、高效、易大型化”的目標(biāo)。
     該低壓均溫型甲醇塔是不同于現(xiàn)有國外甲醇塔的全新反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，為國內(nèi)外首創(chuàng)，經(jīng)PCT國際檢索、初步審查和國家實(shí)審，授予發(fā)明專利權(quán)，具多項(xiàng)獨(dú)特的創(chuàng)新技術(shù)。其關(guān)鍵部分是發(fā)明了獨(dú)特的大小2種彎頭的雙U形管冷管膽結(jié)構(gòu)作為換熱元件。小彎頭U形管套在大彎頭U形管內(nèi)構(gòu)成1對雙U形管，雙U形管中大小彎頭U形管反向排列套裝，氣體在每2根相鄰冷管內(nèi)上下流動，方向均為逆流，達(dá)到觸媒層等溫均溫反應(yīng)目的，溫差低達(dá)10℃，開發(fā)了全自由伸縮復(fù)合密封結(jié)構(gòu)，環(huán)管位于催化劑上方的自由空間，雙U形管位于催化劑層中，冷管沒有焊接點(diǎn)，結(jié)構(gòu)可靠。另一種型式為具上下雙環(huán)管的低壓均溫型甲醇塔，冷管膽有上環(huán)管和下環(huán)管，上環(huán)管連結(jié)進(jìn)氣管和下行冷管，下環(huán)管連結(jié)下行冷管和上行冷管。
     創(chuàng)造開發(fā)成功用于甲醇合成的反應(yīng)器模擬計(jì)算軟件一“Reactor Designer”，數(shù)學(xué)模型經(jīng)過大量實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)校正，更逼近實(shí)際效果。用于均溫型單(聯(lián))醇反應(yīng)器、管殼式反應(yīng)器、ICI冷激型反應(yīng)器及大型甲醇裝置的聯(lián)合反應(yīng)器，內(nèi)含各種甲醇催化劑動力學(xué)數(shù)據(jù)，可方便地對反應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為開發(fā)優(yōu)化設(shè)計(jì)高性能甲醇合成反應(yīng)器提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。
2．2 林達(dá)甲醇合成塔投運(yùn)效果和主要技術(shù)指標(biāo)
      新型合成塔已投產(chǎn)6套裝置，與上述國外裝置比，充分顯示出反應(yīng)器體積小，觸媒層溫差小，CO轉(zhuǎn)化率高，產(chǎn)量高，原料氣耗少等優(yōu)點(diǎn)。
      哈氣化φ2000冷激塔改為Jw 均溫型甲醇塔后，觸媒層溫度差由原30～70℃ 降低為同平面<5℃，軸向<10℃，在原料氣量、進(jìn)塔氣量和甲醇合成觸媒不增加情況下，甲醇產(chǎn)量提高50％，噸醇原料單耗降低129Nm3，電耗降低120kWh。在5MPa有效合成壓力下，甲醇催化劑的生產(chǎn)強(qiáng)度達(dá)0．69t／(m3．h)，比冷激塔0．382 t／(m3．h)增加50％多，也比引進(jìn)和國外達(dá)到的Lurgi管殼式(0．58 t／(m3．h)和0．65 t／(m3．h))要高，Jw 塔和冷激式、管殼式甲醇塔主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較見表1。
 
      實(shí)際使用結(jié)果顯示Jw 低壓均溫型塔達(dá)到了兼具冷激型甲醇塔結(jié)構(gòu)簡單、催化劑裝填系數(shù)大和管殼型甲醇塔床層溫差小、合成效率高的優(yōu)點(diǎn)，在同樣生產(chǎn)能力下其直徑比上述2種塔型都要小(見表2)。