JJD 低压恒温水管式甲醇塔合成系统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) 2007-03-191 1 概述概述自 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(Peligot)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 2 低压甲醇合成塔设计原则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 210280，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 96140104500kJ，且随压力提高而提高，直至30MPa 逐渐变缓。而氨合成在 2030MPa 范围内，反应热仅为 4944054 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 3 JJDJJD 低压恒温水管式甲醇合成塔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 3.08.0MPa 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 4 JJDJJD 低压甲醇系统流程低压甲醇系统流程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 6070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 5 JJDJJD 水管式甲醇合成反应器优点分析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 2.04.0MPa 蒸汽，恒温沸腾的汽化热 1 893.51712.96kJkg，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 300500kg)，其余的热量用冷水冷却，其温升为 810，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 7129601.2=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。JJD2 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 56，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。2 800 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220230、合成压力 3.0MPa 至 4.0MPa 的工况，后期操作温度 260280、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 2.93.3MPa，蒸汽压力1.8MPa,温度 220运行，使用八个月后，日产量 340350t,温度为 230，压力 3.23.5MPa。(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 5060。(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 6 结论结论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。