林達(dá)水冷型低壓甲醇合成反應(yīng)器

    國(guó)外甲醇合成裝置現(xiàn)采用ICI和Lurgi公司技術(shù)的約占據(jù)70%以上，代表了國(guó)外甲醇合成的技術(shù)水平。除此之外，甲醇合成技術(shù)還有l(wèi)inde螺旋管反應(yīng)器、TEC公司MRF-Z反應(yīng)器、三菱的SPC反應(yīng)器、TOPSφE和Casale段間換熱的徑向流動(dòng)反應(yīng)器等。國(guó)內(nèi)甲醇合成裝置以管殼式反應(yīng)器居多，除此之外主要還有我公司的JW均溫型反應(yīng)器及部分從國(guó)外引進(jìn)的裝置。

    目前，國(guó)外甲醇技術(shù)專(zhuān)利商在甲醇反應(yīng)器開(kāi)發(fā)上也在不斷尋求發(fā)展，總體說(shuō)來(lái)主要方向?yàn)椋汗?jié)能降耗、易于大型化。��

    ICI公司最先開(kāi)發(fā)了低壓甲醇合成技術(shù)（LPM），以冷激式反應(yīng)器為代表塔型。由于該反應(yīng)器具有催化劑空時(shí)產(chǎn)率低，熱量回收少等缺點(diǎn)，因此ICI公司即現(xiàn)DAVY.P.T公司開(kāi)發(fā)了單管逆流的冷管型反應(yīng)器（TCC），用進(jìn)塔氣移去反應(yīng)熱，該塔型至今仍是DAVY.P.T 2000t/d低壓甲醇的主要塔型，并已成功改造冷激反應(yīng)器6套，甲醇產(chǎn)量增加30%。現(xiàn)又開(kāi)發(fā)了改進(jìn)低壓甲醇合成技術(shù)（ILPM），采用管內(nèi)水冷（產(chǎn)汽），氣體徑向流經(jīng)合成塔，此技術(shù)已在特立尼達(dá)5400t/d大甲醇上使用，計(jì)劃2005年投產(chǎn)。該塔與Lurgi管殼式一樣，采用塔內(nèi)水冷，具有催化劑裝填系數(shù)大的特點(diǎn)。��

    Lurgi公司開(kāi)發(fā)的等溫型管殼式甲醇反應(yīng)器，旨在通過(guò)縮小催化劑床層溫差來(lái)提高空時(shí)產(chǎn)率，該技術(shù)的開(kāi)發(fā)成功是繼ICI公司開(kāi)發(fā)LPM后，在甲醇合成方面取得的又一重大突破，兩者為當(dāng)代甲醇合成技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。Lurgi管殼式甲醇塔是一種先進(jìn)塔型，國(guó)內(nèi)同類(lèi)管殼式投產(chǎn)和在建的也較多，其優(yōu)點(diǎn)是：溫差小，空時(shí)產(chǎn)率高，副產(chǎn)蒸汽壓力較高，操作易控制。但存在的問(wèn)題也不少，具體如下。��

    （1）管內(nèi)裝催化劑，容積率低，同樣能力設(shè)備體積和投資大，不易大型化；��

    （2）因?yàn)闅こ虨樗�產(chǎn)汽移熱，殼程壓力決定汽化溫度，為2～4MPa，在采用提高甲醇合成壓力提高生產(chǎn)能力時(shí)，管板兩側(cè)壓差增加。��

    （3）采用雙固定管板結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)可靠性差，管子必需采用雙相特殊不銹鋼，制造難度和要求高。��

    （4）催化劑裝填復(fù)雜。��

    由于存在以上情況，Lurgi技術(shù)在大型化時(shí)，上世紀(jì)90年代采用雙塔并聯(lián)方法，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在建的500kt/a以上規(guī)模裝置也有采用該技術(shù)的，或采用Lurgi水冷－氣冷聯(lián)合反應(yīng)器技術(shù)，使用該技術(shù)的有Atlas日產(chǎn)5000t大甲醇裝置，采用一臺(tái)氣冷與二臺(tái)并聯(lián)管殼式串聯(lián)。二塔串聯(lián)后催化劑床總高達(dá)10m以上，采用降低循環(huán)比來(lái)降低塔壓降，且降低了合成回路其他設(shè)備費(fèi)用，投資比上述二塔并聯(lián)要省，但要求催化劑溫區(qū)要寬（220～280℃），該技術(shù)采用德國(guó)南方公司專(zhuān)用的C79-7GL催化劑，南方公司稱(chēng)C79-7GL是使該技術(shù)得以成功應(yīng)用的重要條件。

    除上述外，國(guó)外其他公司如Casale公司最早提出的立式多段絕熱反應(yīng)器，現(xiàn)開(kāi)發(fā)的臥式多段絕熱中間冷卻的甲醇合成塔技術(shù)已在俄羅斯陶里亞地1350t/d甲醇裝置上應(yīng)用，國(guó)內(nèi)一套300kt/a裝置也采用該技術(shù)，今年即將投產(chǎn)。最近Casale公司又提出I.M.C合成技術(shù)，催化劑層采用板式換熱器連續(xù)移熱，板內(nèi)走冷氣。該技術(shù)在俄羅斯年產(chǎn)100kt甲醇廠使用，裝填催化劑43m³，在4.6MPa壓力下日產(chǎn)甲醇357t。板內(nèi)設(shè)計(jì)走水的甲醇反應(yīng)器將在催化劑裝量為30m³、上部設(shè)絕熱層的合成塔上使用，可副產(chǎn)中壓蒸汽，反應(yīng)器技術(shù)水平需待投產(chǎn)后的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)。��

    綜上所述，在甲醇合成技術(shù)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，催化劑床層的連續(xù)移熱、副產(chǎn)高品位蒸汽、提高醇凈值、降低循環(huán)機(jī)能耗及設(shè)備的大型化將成為主要發(fā)展方向。��

2.1  水冷反應(yīng)器開(kāi)發(fā)背景��

    林達(dá)低壓JW氣冷均溫型甲醇反應(yīng)器自2000年成功實(shí)現(xiàn)對(duì)原冷激型塔改造后，在短短5年內(nèi)已有7套裝置成功投運(yùn)，今年年底將達(dá)10套，其中包括陜西渭化和內(nèi)蒙天野的2臺(tái)200kt/a大塔。JW均溫型反應(yīng)器的成功開(kāi)發(fā)和應(yīng)用一改過(guò)去大型反應(yīng)器技術(shù)長(zhǎng)期依賴國(guó)外的狀況，其既有ICI冷激式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、催化劑裝填系數(shù)大，又具Lurgi管殼式催化劑床層溫差小等特點(diǎn)，技術(shù)性能達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平，投資省，在性價(jià)比上與國(guó)內(nèi)外其他反應(yīng)器相比具有突出優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)獲得2004年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)，這是迄今為止我國(guó)合成反應(yīng)器技術(shù)獲得的最高級(jí)別國(guó)家大獎(jiǎng)。��

    JW均溫型氣冷反應(yīng)器采用進(jìn)塔氣在管內(nèi)連續(xù)移熱吸收管外反應(yīng)熱，外部副產(chǎn)的0.6～1.0MPa低壓蒸汽主要作為精餾系統(tǒng)的熱源，蒸汽壓力較低，對(duì)動(dòng)力設(shè)備采用蒸汽驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)廠家，中壓蒸汽顯得不足。為此，林達(dá)公司開(kāi)發(fā)了副產(chǎn)中壓蒸汽的水冷甲醇反應(yīng)器，并在結(jié)構(gòu)上吸收了氣冷型反應(yīng)器的成功經(jīng)驗(yàn)。

2.2  流程簡(jiǎn)述��

    甲醇合成回路包括合成氣加熱、反應(yīng)、甲醇分離及反應(yīng)移熱。與管殼式流程相比，不同之處：①開(kāi)車(chē)及催化劑的升溫還原，通過(guò)蒸汽補(bǔ)入開(kāi)工加熱器加熱入塔氣；②反應(yīng)移熱采用熱水強(qiáng)制循環(huán)。��

2.3  反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)��

    水冷反應(yīng)器在設(shè)計(jì)時(shí)，吸收了均溫型氣冷型反應(yīng)器眾多優(yōu)點(diǎn)。��

    (1)多層冷管膽同軸套裝，化整為零，易于大型化。��

    (2)填料密封結(jié)構(gòu)，下部進(jìn)水總管、上部導(dǎo)水管均采用填料密封，反應(yīng)器的密封通過(guò)9.5MPa水壓試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)安全可靠。��

    (3)內(nèi)件與外筒分體制作，可單獨(dú)更換內(nèi)件，延長(zhǎng)外筒使用壽命。��

    (4)管外裝填催化劑，裝填系數(shù)大，裝卸方便，小時(shí)催化劑卸量約30～40m³。��

水冷反應(yīng)器還具有以下新特點(diǎn)。��

    (1)采用水冷連續(xù)移熱，傳熱效果比氣冷更好。��

    (2)及時(shí)移走反應(yīng)熱，催化劑床層溫度穩(wěn)定。催化劑裝在管外，比冷面積比管殼式稍小，反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)提高傳熱溫差△t和傳熱系數(shù)K來(lái)增加傳熱量。即采用熱水強(qiáng)制循環(huán)提高傳熱系數(shù)K，控制產(chǎn)汽壓力在2.5～3.0MPa(溫度225～235℃,比管殼式稍低)來(lái)增大傳熱溫差△t。��

    (3)副產(chǎn)蒸汽品位高，可用作轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的工藝蒸汽或送蒸汽過(guò)熱器。��

    (4)能耗低，采用熱水強(qiáng)制循環(huán)雖稍增加熱水泵的動(dòng)力消耗，但傳熱系數(shù)K的提高可降低合成氣的循環(huán)比，因此無(wú)論甲醇合成總電耗還是水冷負(fù)荷都有所降低。��

    (5)設(shè)備投資省。反應(yīng)器本身由于催化劑裝填系數(shù)大，設(shè)備緊湊，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料及制造完全立足于國(guó)內(nèi)，因而建設(shè)費(fèi)用低。另外，合成氣循環(huán)比的降低，也使合成回路配套設(shè)備規(guī)格減小，因而投資費(fèi)用也相應(yīng)降低。��

    (6)林達(dá)成功開(kāi)發(fā)了管式水冷甲醇合成反應(yīng)器數(shù)學(xué)模型軟件，用于對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.4  反應(yīng)器工藝及結(jié)構(gòu)可靠性分析��

    反應(yīng)器工藝性能保證的關(guān)鍵在于能否將反應(yīng)熱及時(shí)移出，保持催化劑床層穩(wěn)定。林達(dá)水冷型反應(yīng)器通過(guò)提高傳熱系數(shù)K和增大傳熱溫差來(lái)補(bǔ)償比冷面積的不足，因而反應(yīng)移熱能夠得到保證，同時(shí)循環(huán)比可降至3，出塔醇凈值可提高到10%。��

    反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題是解決換熱管熱膨脹溫度應(yīng)力問(wèn)題，DAVY.P.T.在ILPM中采用管內(nèi)水管的上下環(huán)管結(jié)構(gòu)，進(jìn)出水管連接結(jié)構(gòu)嚴(yán)格保密，ICI的一個(gè)方案采用帶膨脹圈的浮頭結(jié)構(gòu)，解決列管膨脹問(wèn)題，林達(dá)公司專(zhuān)利則采用填料解決水管熱膨脹問(wèn)題，已通過(guò)9.5MPa的結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)。我們?cè)谝延写笮��?shù)百臺(tái)使用業(yè)績(jī)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了成功的改進(jìn)創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)更合理可靠。DAVY水冷管膽為一個(gè)整體，林達(dá)專(zhuān)利水管冷膽化整為零，內(nèi)件與外筒分體制作，既解決制造加工難題，更保證了制造質(zhì)量。��

    近期，我們對(duì)國(guó)內(nèi)一家年產(chǎn)600kt甲醇裝置進(jìn)行了技術(shù)報(bào)價(jià)和技術(shù)交流，就采用這種水冷型甲醇塔型式。與國(guó)外公司相比，我們感到這項(xiàng)技術(shù)完全可以與國(guó)外知名甲醇專(zhuān)利商技術(shù)進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。��

    根據(jù)溫總理在2005年國(guó)家科技獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上的“我們要引進(jìn)和學(xué)習(xí)世界上先進(jìn)的科技成果，但更重要的是要立足自主創(chuàng)新，真正的核心技術(shù)是買(mǎi)不來(lái)的”這一講話精神，我們認(rèn)真了解、吸取和借鑒國(guó)外最先進(jìn)的甲醇合成技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，并立足于建立在自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和我國(guó)工程經(jīng)驗(yàn)上的自主創(chuàng)新，發(fā)展甲醇合成技術(shù)，降低運(yùn)行費(fèi)用，通過(guò)采用國(guó)產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備，節(jié)省投資，參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。��

    林達(dá)水冷型反應(yīng)器正是吸取國(guó)外最先進(jìn)的甲醇合成技術(shù)，在公司現(xiàn)氣冷型反應(yīng)器技術(shù)基礎(chǔ)上的又一次技術(shù)創(chuàng)新，該技術(shù)的成功開(kāi)發(fā)彌補(bǔ)了我公司氣冷型低壓甲醇技術(shù)無(wú)法副產(chǎn)中壓蒸汽的不足，提高了我公司低壓甲醇合成技術(shù)在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。目前，我公司已與河南駿馬集團(tuán)簽訂了80kt/a水冷甲醇反應(yīng)器，直徑φ2000mm設(shè)備正在制造中。