大型甲醇合成塔發(fā)展趨勢(shì)及林達(dá)均溫塔的特點(diǎn)

    1   大甲醇的發(fā)展趨勢(shì)

     目前論述大甲醇的文獻(xiàn)雖不少見(jiàn)，但至今已投產(chǎn)的單系列百萬(wàn)噸級(jí)裝置并不多見(jiàn)，可選擇塔型主要有以下幾種。

    （1）ICI冷激型

    據(jù)文獻(xiàn)介紹，ICI四段冷激型塔年產(chǎn)達(dá)到百萬(wàn)噸。此種合成塔內(nèi)徑6.1m，床高12.2m，內(nèi)裝甲醇催化劑283m³，采用煤制原料氣。在10.34MPa下，出塔氣中甲醇含量5.7％，日產(chǎn)甲醇3600t，催化劑空時(shí)產(chǎn)率0.53t/（m³·h），折成無(wú)惰性氣（有效合成壓力5MPa）的基本空時(shí)產(chǎn)率0.327t/（m³·h）。一般認(rèn)為單臺(tái)甲醇合成塔的直徑最大為6m，否則加工制造運(yùn)輸?shù)入y度更大。

    （2）Topsφe甲醇塔

    文獻(xiàn)報(bào)道Topsφe公司2500t/d甲醇合成方案采用內(nèi)徑3m的絕熱塔串聯(lián)，在合成塔之間用水移走反應(yīng)熱，一塔進(jìn)口182℃，末塔出口271℃，裝催化劑136m³，在7.83MPa壓力下，日產(chǎn)甲醇2500t，三塔均采用徑向流動(dòng)形式。若采用軸向，按上述塔徑，三塔串聯(lián)阻力很大，難以運(yùn)行。

    （3）TEC公司MRF反應(yīng)器

    Lurgi管殼式反應(yīng)器已在不少甲醇廠使用，但在大型化甲醇裝置中因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，需多套塔。近幾年Lurgi提出用于百萬(wàn)噸級(jí)甲醇的聯(lián)合反應(yīng)器，即用管殼式反應(yīng)器和冷管式反應(yīng)器（各一臺(tái)）串聯(lián)組合。冷氣（125℃左右）先進(jìn)反應(yīng)器冷管內(nèi)，與管外催化劑逆流換熱，加熱到250℃，然后在管殼反應(yīng)器反應(yīng)，溫度265℃出塔，再進(jìn)冷管反應(yīng)器管外反應(yīng)。對(duì)2500t/d裝置，需高度為12.19m、內(nèi)徑4.572m管殼反應(yīng)器和內(nèi)徑3.048m冷管反應(yīng)器各一臺(tái)，合成壓力9.14MPa，循環(huán)比為甲醇塔現(xiàn)用的一半，以避免合成塔阻力過(guò)大。國(guó)內(nèi)四川建峰年產(chǎn)600kt甲醇合成塔，經(jīng)專(zhuān)家評(píng)審，決定采用國(guó)內(nèi)華東理工大學(xué)的絕熱管殼反應(yīng)器和林達(dá)冷管型塔串聯(lián)。

    （5）林德（Linde）螺旋管反應(yīng)器

    采用螺旋管內(nèi)走水移去管外催化床反應(yīng)熱，優(yōu)點(diǎn)是床層溫差小，催化劑空時(shí)產(chǎn)率高，和Lurgi直管相比，螺旋管較好地解決了熱應(yīng)力問(wèn)題。目前已投用最大裝置能力為日產(chǎn)520t，內(nèi)徑φ_內(nèi)3.78m，總高13.5m，裝BASF的S3-85催化劑，缺點(diǎn)是設(shè)備加工難度大，不利于進(jìn)一步放大。

    （6）卡薩里（Casale）合成塔

    Casale開(kāi)發(fā)了2500t/d以上的軸徑向甲醇合成塔，為立式三床層，有三個(gè)塔外換熱器，采用絕熱反應(yīng)，段間換熱，但未見(jiàn)工廠應(yīng)用報(bào)道，而已有工廠使用的是一個(gè)日產(chǎn)1350t的臥式甲醇塔（由俄羅斯一臺(tái)kellogg臥式合成塔改造而來(lái)）。該結(jié)構(gòu)形式作為利用閑置臥式塔改造有一定價(jià)值，但作為新建裝置未必合適。臥式氨塔因床層阻力低，可采用細(xì)粒度催化劑以增加反應(yīng)速度，但用于甲醇則無(wú)此優(yōu)點(diǎn)。

   2   林達(dá)均溫型甲醇塔在大型化裝置中的優(yōu)勢(shì)

2.1  均溫型甲醇塔生產(chǎn)能力比同樣大小的冷激塔和管殼式高

    林達(dá)均溫型塔催化劑裝填系數(shù)和冷激塔一樣，均在70％以上，但因接近等溫反應(yīng)，反應(yīng)中間不用冷激氣降溫，避免了降低反應(yīng)器中甲醇濃度。據(jù)哈氣化均溫型和冷激型比較，在同樣原料氣量、進(jìn)塔氣量、合成壓力和催化劑裝量下，提高產(chǎn)量50％。若在同樣入塔氣有效壓力下，將增產(chǎn)更多。故達(dá)到同樣能力，其反應(yīng)器尺寸可比冷激塔減小1/3以上。

    林達(dá)均溫型塔比管殼式溫差還小，Lurgi管殼反應(yīng)器原設(shè)計(jì)反應(yīng)器內(nèi)不設(shè)測(cè)溫點(diǎn)，現(xiàn)我國(guó)有的管殼反應(yīng)器設(shè)了3～5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)（測(cè)軸向溫差），但均不測(cè)同平面溫差。二者在同樣合成效率，即催化劑生產(chǎn)強(qiáng)度一樣的情況下，因催化劑裝管外，裝填系數(shù)比管殼式多一倍，故外形尺寸可減小一半。表1為同樣床層高度(7m下)的比較：

 

    表2是各種低壓甲醇塔的比較。由表可見(jiàn)，林達(dá)均溫型塔溫差小，在相同有效壓力下催化劑空時(shí)產(chǎn)率高。

2.2  林達(dá)新開(kāi)發(fā)大型甲醇合成塔新技術(shù)

    由于林達(dá)低壓均溫型甲醇塔取得的良好業(yè)績(jī)，特別在大型化裝置中的優(yōu)勢(shì)，一些用戶(hù)和設(shè)計(jì)單位要求林達(dá)提供年產(chǎn)300kt以上大型甲醇合成技術(shù)。為滿(mǎn)足廣大用戶(hù)的要求，林達(dá)公司于2001年開(kāi)發(fā)了新的甲醇工藝，并申請(qǐng)了PCT國(guó)際專(zhuān)利，該工藝采用自熱式內(nèi)冷式反應(yīng)器和外冷反應(yīng)器前后串聯(lián)組成（見(jiàn)圖1）。

 

圖1

    經(jīng)壓縮機(jī)壓縮到5～15MPa的含有氫和一氧化碳的原料氣7進(jìn)入甲醇合成裝置，與來(lái)自循環(huán)機(jī)6的循環(huán)氣12匯合，經(jīng)氣-氣換熱器3與反應(yīng)出塔氣換熱，加熱到100℃左右進(jìn)入反應(yīng)器1A，反應(yīng)器1A可采用我公司已獲專(zhuān)利的低壓均溫型甲醇塔，也可采用其他自熱冷管型結(jié)構(gòu)。進(jìn)合成塔氣體在冷管內(nèi)吸收管外催化劑層中的反應(yīng)熱，溫度升到200℃左右，出冷管，進(jìn)入管外催化劑層中反應(yīng)。由于被冷管內(nèi)氣體連續(xù)移熱，故能保持催化劑層較低的溫差，出反應(yīng)器1A的反應(yīng)氣中CH₃OH達(dá)到6%，溫度250℃左右，再進(jìn)入反應(yīng)器1B（外冷式反應(yīng)器），進(jìn)一步進(jìn)行甲醇合成反應(yīng)。反應(yīng)熱被冷卻水通過(guò)管壁連續(xù)移走，此反應(yīng)熱可用于產(chǎn)生壓力4MPa左右的中壓蒸汽，通過(guò)副產(chǎn)蒸汽的壓力來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度，因此可使反應(yīng)器1B的反應(yīng)溫度低于反應(yīng)器1A，例如在210℃左右，這樣以?xún)?yōu)化工藝條件，提高合成率，使出反應(yīng)器甲醇濃度提高到10%左右。出反應(yīng)器1B的反應(yīng)氣經(jīng)塔外熱回收器2回收反應(yīng)熱（副產(chǎn)低壓蒸汽），再在氣-氣換熱器3中加熱進(jìn)反應(yīng)器氣體8，然后再進(jìn)入水冷卻器4中，進(jìn)一步冷卻到30℃左右，其中的絕大部分甲醇被冷凝。

    外熱反應(yīng)器的受壓外殼中裝有換熱管組，外殼與換熱管組間裝有催化劑，圖中換熱管組由多組冷管膽組成，每組冷管膽由分流管（下環(huán)管）、多排冷管、集流管（上環(huán)管）連接構(gòu)成。在反應(yīng)器內(nèi)匯合后由出口出。出口的位置可以在側(cè)面，也可以在上封頭頂部中間，而將進(jìn)氣口設(shè)置在側(cè)面。反應(yīng)器頂部有進(jìn)氣口，底部有出氣口。出氣口設(shè)有多孔錐形罩，用以支承反應(yīng)器內(nèi)的催化劑，頂部還設(shè)有人孔，用于裝催化劑和檢修用。反應(yīng)器合成甲醇副產(chǎn)蒸汽時(shí)，經(jīng)預(yù)熱到200℃左右的鍋爐水由進(jìn)口管引入下部分流管，再均勻分流到各冷管中。冷管中的水一邊向上流一邊吸收管外反應(yīng)熱，受熱汽化，產(chǎn)生蒸汽，再由上部集流管匯合，由出口管引出，溫度為200℃以上的進(jìn)塔氣，進(jìn)入甲醇催化層反應(yīng)。反應(yīng)熱被管內(nèi)水吸收，因此催化床層溫差小。

    本專(zhuān)利技術(shù)中自熱反應(yīng)器——林達(dá)低壓均溫型反應(yīng)器已有多臺(tái)成功運(yùn)行，首臺(tái)外冷反應(yīng)器已在加工中，不久將在河南駿馬集團(tuán)投運(yùn)。

3   小結(jié)

    （1）在已投產(chǎn)的大型甲醇合成塔中以ICI冷激塔為多，該型塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造加工，但冷激塔合成率較低，故ICI也推出逆流冷管塔，即用冷管連續(xù)移熱，代替加入冷激氣間斷冷卻。工廠使用表明，在同樣合成壓力8.5MPa下，采用冷激塔裝100m3催化劑日產(chǎn)1200t，而用逆流冷管塔裝120m³催化劑，日產(chǎn)可達(dá)1650t。

    （2）Lurgi管殼合成塔因其溫差小，目前在低壓甲醇廠得到很多應(yīng)用，但因催化劑裝管內(nèi)，用于大甲醇則反應(yīng)器體積大，且因限于軸向流，若加高催化劑床層則增大阻力，以上因素制約該型塔在大甲醇的應(yīng)用。故在大甲醇裝置中，Lurgi合成塔由單臺(tái)管殼塔發(fā)展到管殼塔與冷管塔結(jié)合，且在Lurgi聯(lián)合反應(yīng)器中，大部分催化劑裝在冷管塔中。

    （3）林達(dá)均溫型甲醇塔的催化劑裝填系數(shù)大，催化床層溫差小，CO轉(zhuǎn)化率高，且可軸向也可徑向，并已開(kāi)發(fā)可副產(chǎn)中壓蒸汽的甲醇塔（即將投入實(shí)際使用），可減小反應(yīng)器直徑，在今后的大甲醇中更顯示出優(yōu)勢(shì)。

    （4）Lurgi管殼式雖溫差小、生產(chǎn)強(qiáng)度大，但加工難度大，大型化難度增加，故Lurgi公司開(kāi)發(fā)冷管反應(yīng)器和管殼反應(yīng)器結(jié)合的大型、超大型反應(yīng)器。ICI除冷激反應(yīng)器外，還開(kāi)發(fā)了逆流冷管甲醇反應(yīng)器，并已有多臺(tái)日產(chǎn)千噸以上裝置運(yùn)行的業(yè)績(jī)。林達(dá)公司均溫型低壓甲醇合成塔采用U型冷管，溫差比ICI冷管塔小，性能好，生產(chǎn)強(qiáng)度更高。