JJD低压恒温水管式甲醇塔合成系统.doc

JJD低压恒温水管式甲醇塔合成系统
李春阳(湖南安淳高新技术有限公司 410007) 2007-03-19
1  概述
    自1661年波义耳(Boyle)在木材干馏中发现了甲醇，1834年杜马(Dlimas)、波利角(P'eligot)制成纯甲醇，至1923年BASF公司首次用锌铬催化剂在高压高温下用CO、H2合成甲醇实现工业化。近年来，由于脱硫技术的进步，低压低温铜系甲醇合成催化剂开发成功，甲醇合成的技术进步是显而易见的。甲醇质量好，原料气消耗低，能耗降低，成本低，且投资少。低压甲醇合成在逐步替代高压甲醇合成。在已成功使用高铜、锌铝催化剂基础上，合成塔的结构是关键的问题。目前使用的低压甲醇合成塔，以移出反应热的形式分类，有冷激式、冷管式和副产高、中压蒸汽的管壳式三大类，其代表塔型有ICI冷激式合成塔、ICI冷管式合成塔、Casale绝热间冷型、Lurp管壳式合成塔。四种塔型各有优点，也有缺陷。如何设计一种集三者的优点，弃其缺点的新型低压甲醇塔，则是甲醇行业共同追求的目标。为此，我们设计开发了一种低压、恒温水管式甲醇合成塔(简称JJD水管式甲醇塔)，已在山东德齐龙化工集团使用，效果很好。
2  低压甲醇合成塔设计原则
    H2、CO、CO2合成甲醇反应是一个气固相催化反应，是可逆放热反应，与氨合成反应属于同一类型，反应器设计原则有着相似之处。但两个反应的热力学性质、催化剂又有很大区别，因此两种反应器必然有许多特殊之处。基于这些情况，低压甲醇塔设计时，我们遵从了如下原则。
    (1)反应实际温度控制线，接近反应最适宜温度曲线，以保证单位催化剂生成物最多。
    (2)容积系数大，一定容积反应器，催化剂装填多。
    (3)反应温度在最适宜温度范围内，要保持其稳定性，即波动不大，或叫恒温反应。低温铜系甲醇合成催化剂，其活性温度在210～280℃，说明催化剂活性温度低，活性区间狭窄，温度一旦波动，很容易超温烧坏催化剂或者低温“熄火”。反应器结构如能够满足这三项要求，就可使反应器生产能力增大，催化剂使用寿命长，单位催化剂总产醇量最多。
    (4)充分利用反应热。合成甲醇反应热比氨
合成反应热大得多，在10MPa以下每kmol甲醇反应热为96140～104500kJ，且随压力提高而提高，直至30MPa逐渐变缓。而氨合成在20～30MPa范围内，反应热仅为49440～54 340kJ。因此设计合成甲醇反应器，必须优化其移去反应热的方法，并充分利用反应热，以减少冷却水量和减少气体循环量。
    (5)降低塔阻力和系统阻力，以减少原料气体压缩功和循环气压缩功。
    (6)催化剂升温还原容易，安全可靠。
    (7)结构简单。尽量避免采用特殊贵重材料，减少制造、组装难度，降低制造成本。
    (8)装填催化剂容易，更换催化剂容易。
3 JJD低压恒温水管式甲醇合成塔
    根据上述8点原则，设计JJD低压恒温水管式甲醇合成塔，顾名思义，其基本特征是3.0～8.0MPa低压；利用产生蒸汽的方式移出反应热，以保持反应恒温性，且管内产生蒸汽，管外装填催化剂。即反应器移出热量的方式既非气气换热冷管式，亦非冷激式，也不是管壳式。
    JJD甲醇合成塔由三部分、两个系统组成，包括催化剂反应系统，蒸汽发生和水汽循环系统。受压外壳见图1。

    未反应气体从a进入，经内外筒环隙进入催化床，垂直沸腾水管，径向流过催化床，反应后进入中心集气管(3)，自上而下，由下部c口出塔。
    由汽包下来的水，经b口进入水室，均匀流入各内管，由上而下出内管，折向由下而上，被外套管外的反应气加热汽化，蒸汽集于汽室，由4-6根上升管进入汽包。
4  JJD低压甲醇系统流程
    JJD水管式甲醇塔系统流程见图2。

    自压缩机来的5.0MPa原料气与循环气汇合，经热交(5)，被反应热气加热至220℃左右，进反应器(7)，反应后的热气经热交(5)冷至60～70℃进水冷，经分离器(2)，醇分后经循环机加压与原料气混合，循环进行反应。
5 JJD水管式甲醇合成反应器优点分析
    甲醇合成反应热移出的方法有未反应气直接冷激法、内冷法、间冷法等。JJD是用催化剂床内的沸腾水管将反应热量移走。沸腾水产生2.0～4.0MPa蒸汽，恒温沸腾的汽化热1 893.5～1712.96kJ／kg，比用未反应冷气直接冷激、间冷的气相移走热量的能力大得多。因为甲醇合成未反应气比热容小，为每kmol反应气每升高1℃只吸热30kJ左右。而且相变温度只受压力影响，压力恒定，温度恒定。因此控制压力就控制了温度。用气气换热形式移走反应热，气体吸收热后，最终体现在气体温度升高，用循环机将气体带出来，离开反应床后，用水来冷却，这样循环气量大，循环电耗大，在冷却过程只能产生不多的低压蒸汽(每吨粗醇300～500kg)，其余的热量用冷水冷却，其温升为8～10℃，冷却水量很大，如产500kg蒸汽后，反应热气用水冷却，吨醇最少多耗水64t左右。
    用气气换热，特别是直接冷激移走反应热，伴随着明显(大幅度的)温度上升、下降，而用相变方式移走反应热，只要压力稳定，温度就保持恒定。用压力来控制反应温度，方便、安全，对保护催化剂，特别是对温度区间只有60℃的铜催化剂更加有利。
    用相变法移走热量的方法，最先是管壳式反应器，即反应器是单程的列管式换热器，管内装催化剂，管外产生中压蒸汽，管壳式比气气换热方式优点明显，然而存在一些问题，为了克服其缺点，JJD甲醇塔作了较大改进。
    (1)管内是沸腾水，管外是催化剂床，水沸腾汽化产生中压蒸汽，每吨粗醇产蒸汽最高达1.2t，反应温度恒定下，每生产一吨醇被移走的热量为1 712960×1.2=2055552kJ。
    (2)沸腾水管为悬挂式，即只焊一端，另一端有自由伸缩空间。管子受热伸缩没有约束力，无需用线膨胀系数小的昂贵SAF2205双相不锈钢，只需普通不锈钢。壳体不受管子伸缩力的影响，壳体材料要求不高，筒体上下厚度相同，无需设置加强简体，无需用进口的高强度20MnNiMoNbR，筒体材质只用复合钢板即可。   
    (3)容积系数大。管壳式约为35％左右，JJD水管式甲醇塔为55％左右，意味着装填催化剂多。JJDφ2 800低压水管式甲醇塔催化剂装填为58t(38m3)。
    (4)JJD水管式甲醇塔为全径向流程，即反应气垂直通过沸腾水管和被水管包围的催化剂柱，从操作原理上讲，曲线由多个反应“放热——冷却”锯齿形成阶梯组成的“肚形”曲线(见图3)，热点与起点、终点温度小于5℃，反应净值高，出口粗醇可达5％～6％，单位催化剂产醇最高。

    (5)JJD水管式甲醇塔单位容积传热面积大。φ2 800塔传热面积比管壳式塔传热面积大23％，这就适应了甲醇合成反应热大、要求换热面积大的特征。
    (6)JJD水管式甲醇合成塔升温还原用蒸汽加热，惰性气还原，快速而安全。
    (7)JJD水管式甲醇合成塔为全径向塔，塔阻力非常小，为0.1MPa左右。
    (8)JJD水管式甲醇合成塔催化剂装填容易。58t催化剂，24h即装填完毕，比管壳式塔装填速度快得多。   
    (9)操作弹陛大：设计可控传热温差较大，适用催化剂不同活性阶段的不同工况，例如初期操作温度220～230℃、合成压力3.0MPa至4.0MPa的工况，后期操作温度260～280℃、合成压力4.0MPa至6.0MPa的工况。第—个中2800塔在山东德齐龙化工集团投入使用初期：系统压力2.9～3.3MPa，蒸汽压力1.8MPa,温度220℃运行，使用八个月后，日产量340～350t,温度为230℃，压力3.2～3.5MPa。
    (10)JJD水管式甲醇合成系统简单，合成塔既是反应器，又是一个无需燃料的中压锅炉，在系统中不另外设置废热锅炉，进水冷的热气温度降至50～60℃。
    (11)JJD水管式甲醇合成塔通过调整沸腾水管布局，适用于CO％含量高的工况，也适应惰性气含量高的工况(联醇或副产氨的工况)。
    (12)JJD水管式甲醇塔基本上不受高径比限制：能力大，直径不一定很大，即单塔能力大。
    (13)设备更新时，只需更换内件部分部件，外壳继续使用。
    (14)设计工况温和一叵温、等温、低阻，催化剂使用寿命长，催化剂成本低。
6 结论
    JJD水管式甲醇合成塔及其系统，是总结了国内外现有的三大类甲醇合成塔特点的基础上，去其缺点，取其精华，创新开发的甲醇合成塔，它是用沸腾水汽化，副产中压蒸汽，移出甲醇合成反应热。沸腾水在管内，催化剂在管外；沸腾水管为悬挂式，水、水汽为自然对流循环；反应气体在催化床内是垂直于水管径向流动；其反应温度曲线是一条由12个连续锯齿形组成的控制线。经过第一套中2 800JJD水管式甲醇合成塔运行表明，它有容积利用系数高、单塔能力大、无需昂贵的双相不锈钢管材、阻力小、副产中压蒸汽多、循环电耗小、冷却水耗小、升温还原容易、操作控制简单、运行弹性大、适用性强、装卸催化剂容易等特点。JJD甲醇合成塔是一个具有众多优势和应用前景很好的塔型。