上浮头管壳式甲醇反应器及基本工艺作业流程设计项目说明.doc

上浮头式管壳式甲醇反应器及系统工艺设计说明王庆新 刘芳 赵勇 孙宏帅 （南京敦先化工科技 邮编：210044）1、南京敦先化工科技企业介绍南京敦先化工科技是以王庆新为首创办高科技股份制企业。企业关键从事合成氨、甲醇、二甲醚、甲醛、甲缩醛、合成氨原料气体净化和甲醇下游产品技术研发和推广工作，现在拥有近二十项专利技术，部分专利技术已经成功转化为工业装置。企业和部分院校有着紧密合作关系。企业下设计研究所、技术经营部、机械设备加工厂，设备加工厂含有10.0MPa以下制造资质，厂房建筑面积10000m2。自企业成立以来已经为湖北鄂西、河南宝马、河南宝发能源、四川汇丰能源集团、安阳贞元集团等单位提供了合成氨、甲醇、二甲醚等技术和专利产品，部分技术已经超越中国同类技术，节能降耗、环境保护等方面处于中国领先地位。企业近两年来关键业绩以下：（1）湖北鄂西化工8万吨/年反应器内件设计及制造；（2）河南宝马化肥厂15万吨/年低压甲醇反应器设计及制造；（3）河南宝发能源15万吨/年二甲醚系统软件包及反应器设计和制造；（4）河南宝马化肥厂科技25万吨/年低压甲醇反应器设计及制造；（5）四川汇丰能源30万吨/年低压甲醇软件包及反应器设计及制造；（6）安阳贞元集团20万吨/年二甲醚装置软件包、工程、反应器及部分非标设备设计和制造。企业关键业务范围：（1）11.O22.0MPa成套氨合成技术、反应器及分离设备内件设计和制作；（2）22.031.4MPa成套氨合成技术、反应器及净化设备内件设计和制作；（3）4.56.0MPa 低压联醇、单醇成套合成技术。并提供低压联醇、单醇反应器及分离设备设计和制作；（4）12.0MPa中压联醇系统成套技术、反应器及分离设备内件设计和制作；（5）合成氨原料气精制成套技术设计，并提供反应器、隶属净化设备反应器及分离设备内件设计和制作；（6）甲醇脱水合成二甲醚技术，并提供甲醇气相脱水合成二甲醚反应器及塔器设计和制作，或对工程进行总包；（7）提供甲醛、甲醛醛全套工艺软件包、工程设计及非标设备设计和制造，或工程总包。2、上浮头式管壳式甲醇反应器说明南京敦先化工科技在日本三菱超转化反应器（SPC）基础上开发出一个 “上浮头式管壳是甲醇反应器”也称“一个多组空心圆柱床层集合体反应器,专利号为:ZL 2 0048465.9。2.1日本三菱甲醇合成超转化率塔（SPC）简明说明日本三菱气体化学企业研制在Lurgi管壳式甲醇反应器基础上进行改善改善，其结构为：上、下管板仍采取筒体焊接方法，下部增设一个气体隔开冷热气体内封头冷气体引入内部气管采取软管联接。单个催化剂床层为双套管结构，催化剂床层外管为855、内管为192，催化剂床层厚度为28mm，催化剂装在内外套管间，冷气经过冷气管和管外催化剂层逆流换热，降低催化剂层底部温度，提升甲醇合成率，管间为沸腾水，副产蒸汽（见上图）。据报道：日产520吨甲醇合成塔，内径2.4米，内有长15米双套管462根，外管为85mm5mm，内管为19mm1.5mm，换热面积2123m2，总重180吨，内外套管间装催化剂28 m3，操作压力11Mpa，进塔气先预热到150，入塔后分布到各双套管内管中，吸收管外套管间反应热，预热至反应温度220后进入套管间催化剂层反应，热点温度250左右，反应热同时被内管中冷气和外管外壳程间沸腾水移走，出催化剂层温度为213左右，在11.2MPa，空速11000Nm3/h下。出塔气中甲醇含量8.6%。三菱企业认为SPC有着比Lurgi等温合成塔低循环比和比Lurgi合成塔更高单程转化率，假如采取两种寿命长、活性高和耐热性好铜基催化剂，合成塔出口甲醇可高达12%以上。SPC双套管内径75mm比Lurgi列管合成塔34或40大得多，管数少得多，故装卸催化剂轻易，SPC外管受压壁厚，比列管式机械强度好，内管、软管和隔板为不受压部件。SPC因为上下管板仍然采取和筒体焊接方法，催化剂床层和壳体之间热应力没有消除，伴随塔高度增加一样会出现壳体材料疲惫现象、造价较高等缺点。2.2上浮头式管壳式反应器结构说明2.2.1改善部分说明南京敦先化工科技针对SPC存在缺点进行以下优化设计：（1）上部设置一个内封头，内封头和上关板连接，上管板和外部壳体之间留有一定环隙，使内封头、上管、催化剂床层受热后上下自由活动，很好得消除应力；（2）上部设置一个DN650催化剂装填口，在内封头上设置一个650催化剂装填管，并在个650催化剂装填管内部设置一个盲板，在催化剂装填好后采取焊接密封，确保水和气之间密封安全可靠；（3）在催化剂床层外管下部设一短节，内部19气体管道经过一个900弯头焊接在在下部短节上，很巧妙得处理了冷气体导入192管内问题。2.2.2结构说明上浮头管壳式反应器由上外封头、上内封头、上管板、催化剂床层外管、催化剂床层内管、下管板、下内封头、下外封头、筒体等部件组成。下管板和筒体、催化剂床层外管及下部外封头连接在一起，设备整体、水和催化剂重量全部支撑在下管板及外下封头上。内部上封头和上管板、催化剂床层外管相连接，但和外筒、上部外封头不连接，催化剂床层外管受热后连同上管板、内部上封头一起向上膨胀延伸。催化剂床层内部设有导气管，导气管和催化剂床层外管之间形成空心圆柱形催化剂床层。催化剂外管和筒体之间形成水腔体，水腔体内装满移热水。下封头设有气体进口a12、反应后气体出口b、催化剂自卸口e12，筒体下部设有软水进口c18、筒体上部及外部上封头设有蒸汽出口d1810。上封头上部设有直径为650mm直筒体及能够移动封头，催化剂装填由上部装入。上浮头式甲醇反应器结构示意图及部分部件结构示意图如：单个催化剂床层结构示意图反应器下管板和内封头、催化剂外管和筒体之间结构示意图2.3气体内部工艺步骤图说明内部工艺步骤：气体由下部封头a12口进入，经过下部内封头和外封头之间环隙进入冷气体分布室，在分布室内分别进入催化剂床层内部导气管内，边换热边向上流动，气体由导气管上部出来然后转180进入到空心圆柱形催化剂床层进行反应，反应放出热量由催化剂床层外管水移走，并副产蒸汽。反应后气体进入内封头，然后由下部出气管导出甲醇反应器。2.4上浮头管壳式反应器优点：（1）采取水、气同时移热技术，单程转化率高、循环比小、副产蒸汽量大：本反应器催化剂床层为“空心圆柱形”结构，内部采取气体间接移热、外部全部埋在沸腾水中。一样甲醇生产能力，换热面积是其它水移反应器1.21.38倍，是中国现在移热能力最强反应器。副产蒸汽量能够达成1.38t/tCH3OH，比中国其它低压甲醇反应器多副产0.170.38 t/tCH3OH，循环比控制在3.24.0范围；（2）单程转化率高：催化剂床层下部1/3催化剂床层,外部和不饱和水接触、内部和150160冷气接触，能够是下部1/3部分催化剂床层温度控制在215225之间，利于CO+H2CH3OH+Q放、CO2+H2CH3OH+Q放化学反应向正反应方向进行，利于提升单程转化率，确保醇净值在6.5以上。催化剂床层反应温度和床层高度曲线图以下图：（3）工程投资低：中国“反Lurgi”反应器因为管或板内走水、管或板外装填催化剂，反应器由内件和壳体组成，造成整台反应器造价高，还需要设置能够起吊反应器内件框架；因为水侧流动通径小、阻力大，需要将气包设置较高位置；另外，催化剂装填量大、生产费用高。而本企业开发上浮头管壳式反应器和“Lurgi”式类似，但在用材上选择中国一般材质：如壳体部分为Q345R、催化剂管为0Cr18Ni9，同规模设备仅为“Lurgi”式价格2/34/5。 （4）很好处理了热应力问题、提升设备使用寿命：上管板、上部内封头是能够向上移动整体，在催化剂外管受热后向上膨胀时，上管板、内封头也向上移动，产生应力在上部DN650催化剂装填口处自由向上移动。避免了管壳式反应器造成筒体裂或管板裂现象；（5）结构简单、不存在技术难题：本反应器催化剂床层是由数个“空心圆柱形”催化剂床组成，如同管壳式反应器采取38、42管子装填催化剂一样，单根成熟，由数根组成集合体也是成熟，根本不存在技术难题，很轻易实现装置放大。而本反应器“空心圆柱形”催化剂床厚度2628mm之间，从计算、设计等方面要比“反Lurgi”简单得多，而且很成熟；（6）水和气之间密封最安全：如上部结构示意图，水和气之间采取焊接密封，在催化剂装填好后，将盲板放上，采取焊接密封，确保水和气之间密封安全；下部气和气之间压差仅有0.2MPa压差，冷热气体之间采取填料密封，很安全。（7）气体分布均匀、有效提升催化剂利用率：气体出换热管后和其它换热管过来气体充足混合，在上部较大空间内，气体流速降低，然后返折180。所以，对气体分布而言是最好；（8）热水采取自然循环、降低运行费用：热水为自然循环，比现有“反Lurgi”反应器分别节省12.93kwh/tHO3OH、15.61kwh/tHO3OH动力消耗；（9）设备为一整体结构、使用寿命长，降低维修费用：设备结构合理、热应力消除好，材料优于同类型产品，设备为三类压力容器厂家整体制造，便于整台设备质量控制，确保设备在20年内免维修！杜绝了“反Lurgi”单位8年就需要更换一次甲醇反应器内件现象！关键技术参数以下表 （10）易于实现装置大型化：我们采取一样4100设备内径，分别根据38、44、80（内部采取18导气管）管径来布管：分别得出参数以下表：序号关键参数名称布382催化剂管布442催化剂管布803催化剂管(中心放置181.5管)1布管数6325478316462催化剂床层截面积m25.7396.0076.6573催化剂床层有效高度m6.57.08.54一样阻力状态下催化剂装填量m341.2646.00765.665床层换热面积m24905.544625.734600.87625万吨床层阻力MPa0.120.120.12我们从上表能够显著看出：（a） 一样布管圆，选择大管子作为催化剂管，换热面积下降，但催化剂床层通径截面积增大，能够增加催化剂床层高度来满足换热面积。在一样阻力情况下，催化剂装量大，能够提升单套生产装置能力，便于装置大型化：（b） 先择大管径催化剂床层，催化剂装填量大、气体和催化剂床层接触时间长，利于单程转化率提升，便于深入提升出口甲醇含量，降低运行能耗。（c） 对于一样换热面积，假如想提升水侧移热能力能够经过将气泡位置提升，加大水侧循环比。（11）最适宜合成氨低压联醇装置:作为合成氨联醇装置不仅需要经过生产甲醇气量，同时还需要经过生产合成氨气量，即使在低压联醇装置之前设有精脱硫装置，但从现在低压联醇运行结果看，假如催化剂装填料少，低压联醇运行周期较短，而南京敦先化工科技开发上浮头式管壳是反应器，在同时4100管壳式甲醇反应器来看，催化剂装填量在65m3以上，比Lurgi式催化剂多装20m3方以上催化剂，在一样硫含量条件下，运行周期最少能够延长1年以上。再者低压联醇装置需要气、水两侧压差在4.0MPa以上，而上浮头式管壳是反应器催化剂床层为圆管，上部水和气之间内部上封头完全能够依据不一样压力要求来选择封头壁厚。所以南京敦先化工科技开发上浮头式管壳是反应器最适宜低压联醇装置。3、配套工艺步骤设置3.1工艺步骤设计几点新理念（1）对循环气体进行全气量洗涤，能够将现有运行装置入塔气体中甲醇含量由0.450.59将到0.09以下，醇净值能够高0.20.5。（2）合适增加气气换热器换热面积及热气通道，关键热气体经过气气换热器时，由220降到75，因为热气体中甲醇浓度高，在温度改变过程中，已经有气态甲醇变成液态甲醇，热气体在气气换热器内已经出现双相流，而且有大量冷凝热放出。依据计算合适增加气气换热器换热面积及热气通道不仅能够降低系统阻力，更关键是能够将热量回收到甲醇甲醇塔内部，经过多副产蒸汽量方法带出甲醇系统，同时能够降低水冷器负荷，降低吨醇冷却水量。（3）甲醇分离洗涤塔是分离器和吸收塔组合体，下部采取旋流、重力、过滤三结合分离方法，确保液滴状甲醇被分离掉。上部洗涤段采取复合板结构，每一层复合板分别由除沫丝网、气体分布板、规整填料组成。水从上向下流动、气体由下往上流动。除沫丝网关键除去上升气体夹带液滴和气泡，预防甲醇浓度高水带到上部去，影响上一块塔板洗涤效果，气体分布板关键使气、液分布均匀，规整填料关键增加气、液传质面积，提升水对甲醇吸收效果，确保用水量小。（4）在水路自然循环管上设计蒸汽喷射枪装置，开车时，能够经过蒸汽喷射动力及静压能完全实现水循环，不仅简化了水路步骤，同时也降低了工程投资。工艺步骤简图以下：（5）反应器和热交之间设置一个软水加热器，出反应器温度由225降到186，而除氧104软水由104加热到215直接进入气包，将反应后气体显热尽可能带进反应器内部，确保副产蒸汽达成1.38t/tCH3OH以上。工艺步骤示意图以下：3.2配套工艺步骤简述新鲜气和循环气进入油分离器(V7002)分离油水后气体进入塔前换热器(E7002)，出塔前换热器气体150180，进入甲醇合成塔内(R7001)催化剂床层反应，反应热由反应器内换热器中热水移去，同时副产2.03.8MPa蒸汽(1.361.400t/ t CH3OH),，出甲醇反应器220气体进入软水加热器（E7001），然后进入塔前换热器(E7002)预热进塔气体，出塔前换热器气体（65）进入水冷器(E7003)，出水冷器气体40进入甲醇分离器(V7003)下段分离，分离出甲醇送入甲醇闪蒸槽(V7004)，分离后气体进入上部洗涤段，和上部过来水逆向接触，将气体中夹带甲醇洗涤掉，出洗涤段气体经循环机加压和新鲜气混合将入反应器气体甲醇含量降到0.05以下，然后进入下一循环，在系统惰性气含量达成一定值后，放空气回1系统压缩五段入口。软水首优异入软水加热器（E7001），软水由104加热至210进入汽包(V7001)，来自汽包(V7001)水进入下降管，然后进入甲醇反应器壳体内和催化剂床层反应气体换热，由反应器外上升管进入汽包，汽水分离后进入下一循环。