林達均溫大型低壓甲醇合成塔及數學模型在內蒙天野200 kt/a裝置上的應用
作者/來源:樓韌1，韓秋2，張志功2，崔志杰1（1.杭州林達化工技術工程有限公司；2. 內蒙天野化工集團 ） 日期:2007-02-28 點擊量:2557
20世紀90年代，內蒙古天野化工集團在以減壓渣油為原料的大型合成氨裝置中引進代表國際技術水平的Shell氣化工藝流程，形成年產300 kt合成氨及年產成品顆粒尿素520 kt的生產規模。由于近幾年原油價格持續上漲，天野集團將氨合成原料由油改為天然氣，同時聯產200kt/a甲醇，項目由五環科技股份公司設計。在甲醇合成技術選擇上，公司通過對國內外現有幾種技術的考察比較和分析，最終選定杭州林達公司這一具有國內自主知識產權、且性價比高的均溫型低壓甲醇合成技術。
1 甲醇合成流程
轉化氣與甲醇循環氣經聯合壓縮機提壓至7.9MPa，經入塔氣預熱器提溫至140℃左右，進入甲醇合成塔冷管內，與管外反應氣進一步換熱升溫至240℃，然后出冷管進入管外催化床層反應，出合成塔氣體溫度約250℃，進入廢熱鍋爐副產蒸汽后，經入塔氣預熱器管程加熱入塔氣并使自身進一步降溫，然后依次進入脫鹽水預熱器、甲醇水冷器，使反應氣溫度降至40℃，進入甲醇分離器。分離后的粗甲醇經閃蒸槽減壓閃蒸后送甲醇精餾工段，分離后的氣體大部分經循環機提壓后重新進入甲醇合成塔反應，一小部分作為弛放氣去氫回收。流程示意見圖1。
圖1 低壓甲醇合成流程示意圖
2 甲醇合成主要設備
表1 甲醇合成主要設備
圖2 均溫型甲醇合成塔簡圖
3 均溫型甲醇合成塔結構
均溫型甲醇塔結構簡圖如圖2，入塔氣由氣體進口1進入合成塔，通過引氣管6使氣體均勻分配到各環管8，此結構可保證塔內氣體徑向均勻分布。然后氣體進入下行冷管10與催化床層氣體并流換熱升溫，再進入上行冷管9進一步與催化床層氣體逆流換熱升溫，氣體溫度達到催化劑活性溫度后進入催化床層17進行甲醇反應，反應后氣體由16出甲醇合成塔。
內蒙天野JW3000均溫型甲醇合成塔內設有4組共28個測溫點5，能夠在生產過程中更好地監測催化床層溫度，對甲醇合成反應情況的掌握更加全面。
4 催化劑的升溫還原
甲醇合成催化劑選用四川天一科技股份有限公司XNC-98低壓甲醇催化劑，裝填量74.05t。
升溫還原的好壞將直接影響到催化劑的使用效果。升溫還原基本原則是：嚴格控制水汽濃度不超過3.0g/m3，盡量做到低溫下多出水。由于水汽濃度測定存在一定的滯后性和誤差，因此一般將水汽濃度折成出水量以控制升溫還原速度。低溫出水有利于催化劑活性的發揮。
甲醇合成催化劑的升溫還原受到天野公司甲醇車間的高度重視，為此專門組織催化劑廠家、林達公司及車間技術人員開會討論，并確定如下還原方案。
（1）甲醇合成催化劑在140℃開始配氫還原。
（2）還原前，測試配氫管線流量計FI01412的準確性，并分析合成塔出口氫含量。
（3）氫含量要求<0.2%，采用間斷配氫方式。
（4）每半小時放一次水，并稱量。
（5）根據聯合壓縮機特點，升溫還原壓力確定在1.2MPa。
（6）催化劑還原末期溫度在220～230℃。
（7）把合成塔入口氫濃度、氫耗作為重要參考指標。
（8）催化床層溫差控制：軸向<10℃，徑向<5℃。
（9）小時出水量應<150 kg，水汽濃度<3g/m3。
（10）酒精擦拭催化床層溫度儀表，并經氮氣吹掃后回裝。
（11）升溫還原末期氫含量在10%左右，合成氣置換時床層溫度降至210℃。
（12）合成塔塔壁溫差<60℃，還原末期熱點不超過235℃。
升溫還原自2005年12月1日17：00開始，至2005年12月6日07：00結束，累計耗時110h。升溫還原過程中系統壓力基本維持在1.2～1.4MPa，循環量55000～60000 m3/h。整個升溫還原過程中催化床層溫度分布比較均勻，平面溫差<3℃，軸向溫差<10℃，出水比較均勻，整個升溫還原過程累計出水14076.5kg，180℃之前出水合計12341.5kg ，占總出水量的88.31%，基本上做到了低溫下多出水。
5 甲醇合成塔考核情況
甲醇合成系統于2005-12-07轉入輕負荷生產，由于受天然氣量不足制約，生產負荷一直維持在60％左右，2006年7月中旬，廠方創造條件對全系統進行了考核，甲醇合成工段考核數據整理如下。
5.1 操作運行主要參數和指標（表2）
表2 操作運行主要數據
目前在操作壓力、原料氣量、原料氣中CO含量、入塔氣量均低于設計要求的情況下日產精甲醇650 t，已達到年產200 kt精醇能力，如條件能滿足設計要求，產量完全可超過設計值。
5.2 催化床層溫度分布
合成塔內徑Ф3000 mm，催化床層高度約7600mm，在不同半徑處布置了四組共28個測溫點，考核時測溫數據如表3。
表3 催化床層溫度分布
分析上述溫度分布數據，其中帶刪除線的數據既低于上部又低于下部，顯然不合理，應為測溫誤差引起，根據其他所有數據得到最大平面溫差10.1℃，平均平面溫差6.5℃，最大軸向溫差12.3℃，平均軸向溫差6.7℃，考核數據均優于設計值。
5.3 天然氣消耗
摘錄7月16日三個班次天然氣和產量數據列于表4。
表4 天然氣消耗和產量情況
上述數據表明日產精甲醇651t，噸醇天然氣消耗（含燃料天然氣）為998m3，符合設計值，待轉化氣成分進一步優化后，氣耗還可進一步降低。
6 數學模型在大型甲醇裝置中的校核驗證
6.1 數學模型及模擬軟件介紹
現代工業反應器已越來越多地運用計算機模擬手段進行前期開發和實際設計工作，林達公司自1999年起一直把開發反應器數學模型及模擬軟件作為研發工作重點，目前完成的反應器模擬軟件—－Reactor Designer中包含了JW氣冷、JW立式水冷、JW臥式水冷、管殼式、冷激式、聯合式等多種甲醇反應器及甲醇脫水制二甲醚和甲胺反應器等計算模塊。
JW甲醇反應器計算模塊的模擬效果在哈氣化等8套已投產的100 kt/a以下裝置中已得到驗證，同時已為陜西渭化、內蒙天野、大連大化、云南云維、陜西榆林、山西天浩等多套100～300 kt/a甲醇項目的反應器設計提供了最終參數。天野Ф3000 mm塔是第一套投運的年產200 kt大型均溫型甲醇塔，用實際數據對數學模型進行校核是非常有必要的，我們可通過二者的偏差來分析并校正數學模型在大型裝置設計中的計算結果，縮小工業放大效應帶來的誤差，使之適用于大型乃至超大型甲醇反應器的模擬計算。
6.2 數學模擬與校核結果
根據現場傳回的參數，我們摘錄了7月16日具有代表性的實際操作數據及該塔的結構參數輸入計算模型，進行實際與模擬的對比，見表5、表6。
表5 輸入參數
注：①廠方提供的入塔氣流量為496000 m3/h，但這是根據循環壓縮機在入口設計壓力（7.3MPa）下計算得到的，而實際入口壓力僅為（6.3MPa）左右，實際氣量顯然沒有那么大，否則系統的溫度/產量/氣量三者將無法平衡，表中數據“413000”系根據壓力校正后得到的修正值。
表6 計算值與實際數據對比
注：②精醇產量中實際值為實際甲醇產量，模擬值為粗甲醇中凈醇流量，未計入精餾損失，實際值與模擬值應更為接近些。
詳細計算報告略。
6.3 模擬結果分析
從計算結果可以看出，模擬值和實際值非常接近，計算結果中的進出塔溫差小于操作值4℃，說明實際生成的反應熱更大一些，轉化率也稍高，這與計算的弛放氣流量略大于實際值也是吻合的，說明實際催化劑活性略高于模擬值。而計算甲醇產量略高于實際值主要是計算中未計精餾損失的緣故。
計算中選用的是XNC-98的宏觀動力學數據，校核計算中只需對活性進行很小程度的校正便與實際值吻合，這說明XNC-98的宏觀動力學模型可信度較高，在催化劑使用溫度相對較低的動力學控制區完全可用于模擬計算。
計算反應速率時一般需計入隨著操作時間的增加而引起的催化劑活性衰退因素，雖然內蒙天野裝置已投產半年多，但計算中反饋得到的時間因子卻僅為30天，分析其原因，一方面是JW塔的均溫性能使升溫還原過程中溫度控制一直平穩均衡，催化劑還原徹底，低溫活性得到充分發揮，而生產時的均溫性也保證了催化劑活性得到充分發揮；另一方面是因為裝置運行半年中負荷一直較低，期間因壓縮機維修等問題降低了開工率，催化劑活性衰退慢；同時也說明了國內的催化劑水平和凈化技術等在不斷進步，我們也將根據計算結果對相關模型進行修正。
6.4 核算設計滿負荷工況
根據經過校核后的模型，重新對設計工況進行模擬，結果如表7。
表7 校核過的模擬值
當氣量、壓力、氣體組成等條件滿足設計要求后，實際精甲醇產量可達到710 t/d以上。
7 結 語
近日來(9月15日前后)，這套裝置能力進一步提高，在原料氣量78000m3/h、CO 12%、CO2 14%、合成壓力7MPa工況下，日產精甲醇達673～678 t，已超過設計能力。
內蒙天野投運的甲醇合成塔為投產的林達首套大型化甲醇塔，從甲醇塔開車投產及運行情況顯示出催化床層溫差小、有效氣轉化率高，催化劑活性發揮好，操作控制容易、生產彈性較大，催化劑裝填系數大等優點，充分證明了林達開發的大型均溫甲醇合成塔技術無論從軟硬件方面都具備了較強的水平，完全適用于大型甲醇合成裝置。