【文章內容簡介】 步由低壓法取代。對甲醇合成工藝來講，甲醇合成反應器是其核心設備，甲醇合成反應器的形式基本決定了甲醇合成工藝的系統設置，在選擇甲醇合成工藝中，要考慮合成反應器的操作靈活性、操作靈敏性、催化劑的生產強度、操作維修的方便性、反應熱的回收利用等因素，對于大型的單系列甲醇裝置，還必須要考慮運輸的方便性和可能性。國外的合成甲醇反應器主要有以下幾種形式：ICI多段冷激型甲醇合成反應器ICI甲醇合成塔(反應器)為多段冷激型，其主要優(yōu)點有：單塔操作，生產能力大；控溫方便；冷激采用菱形分布器專利技術，催化劑層上下貫通，催化劑裝卸方便，因此得到普遍使用。其主要缺點是：反應器因有部分氣體與未反應氣體之間的返混，催化劑空時產率不高，用量較大；僅能回收低品位熱能。該技術在我國首先引進的廠家是四川維尼倫廠。Lurgi低壓甲醇合成工藝及反應器Lurgi低壓甲醇合成工藝采用列管式反應器，CuO／ZnO基催化劑裝填在列管式固定床中，反應熱供給殼程中的飽和鍋爐水產生中壓蒸汽，反應溫度通過控制反應器殼程中飽和水的壓力來調節(jié)，操作溫度和壓力分別為250～260℃和5～10MPa。合成氣由天然氣、石腦油用蒸汽轉化法或部分氧化法以及煤氣化制取，它與循環(huán)氣一起壓縮，預熱后進入反應器。Lurgi工藝可以利用反應熱副產壓力較高的中壓蒸汽。Lurgi低壓合成甲醇反應器的優(yōu)點主要有：合成甲醇反應器催化劑床層內溫度較為均勻，大部分床層溫度在250255℃之間，溫度變化小，催化劑使用壽命長，并允許原料氣中含有較高的CO；能準確、靈敏地控制反應溫度，催化劑床層的溫度可以通過調節(jié)蒸汽壓力控制；回收的反應熱位能高，熱量利用合理；反應器出口甲醇含量較高，催化劑利用率高；設備緊湊，開停車方便；合成反應過程中副反應少，故粗甲醇中雜質含量少，質量高。其缺點是反應器結構較復雜。國內齊魯公司第二化肥廠首先引進該工藝。TEC的新型反應器合成甲醇工藝該工藝及反應器由日本TEC（東洋工程公司）開發(fā)成功，由外筒、催化劑筐和許多垂直的沸水管組成，沸水管埋于催化床中。合成氣由中心管進入，徑向流過催化床，反應后氣體匯集于催化劑筐與外筒之間的環(huán)形集流流道中，向上流動，由上部引出。反應熱傳給冷管內沸水使其蒸發(fā)成蒸汽。該反應器床層壓降小，氣體循環(huán)所需動力大幅度減少，床層溫度分布均勻，甲醇生成的濃度和速度可大幅度提高，反應溫度容易控制，催化劑用量減少，反應器結構緊湊。我國瀘州天然氣化工廠年產40萬噸的甲醇裝置引進了此項技術。MHI/MGC管殼冷管復合型甲醇合成反應器該反應器為Lurgi反應器的改進型，由日本三菱公司開發(fā)，該反應器是在管殼反應器的催化管內加一根冷管，用于預熱原料氣，其主要特點是：一次通過的轉化率高；可以高位能回收熱量；在反應器中預熱原料氣，可以省去一個換熱器。TOPSOL徑向流甲醇合成反應器合成系統由三臺絕熱操作的徑向流反應器組成，反應器之間設置外部換熱器移走熱量，氣體在床層中向心流動，該反應器特點是：徑向流動，壓降較小，可增大空速，提高產量；可使用小粒徑催化劑，提高粒內效率因子，提高宏觀反應速度；可方便地增大生產規(guī)模，在直徑不變的情況下，增加反應器高度，即可增大生產規(guī)模，單系列能力可達2000噸/天以上。Linde等溫型甲醇合成反應器Linde等溫型甲醇合成反應器，其結構與高效螺旋盤管換熱器相似，盤管內為沸水，盤管外放置催化劑，反應熱通過盤管內沸水移走，其反應器特點是：基本上在等溫下操作，可防止催化劑過熱；控制蒸汽壓力調節(jié)床層溫度冷卻盤管與氣流間為錯流，傳熱系數較大。國外已有數套裝置采用此種塔型。反應器的結構較復雜，制造費用高。液相法甲醇合成反應器技術1985年，Air Product ＆ Chemical公司開發(fā)了以液相熱載體和漿態(tài)床反應器為基礎的液相甲醇合成新技術，即LPMEOH技術。銅催化劑顆粒懸浮在惰性液體中，比傳統固定床反應器溫度更易控制?，F已在美國田納西州建成72kt／a工業(yè)實驗裝置。由于液相合成中使用了熱容高，導熱系數大的惰性液體，可以使甲醇的合成反應在等溫條件下進行，同時，由于分散在液相介質中的催化劑的比表面積非常大，加速了反應過程，反應溫度和壓力也下降很多，該技術尚需要大型工程化的驗證。國外低壓甲醇合成反應器發(fā)展趨勢適應單系列、大型化的要求（如Lurgi、ICI反應器等）；以較高位能回收反應熱，副產蒸汽（如Lurgi、MHI/MGC、Linde反應器）；催化劑床層溫度易于控制，可靈活調節(jié)溫度（如Lurgi、ICI反應器）；床層內溫度盡可能均溫，以延長催化劑壽命（如Lurgi、MHI/MGC、Linde反應器）；催化劑生產強度大，反應中CO轉化率高（如Lurgi、MHI/MGC反應器）；采用徑向或軸徑向流動，壓降低（如TOPSOL、TEC、Casale反應器）；結構簡單緊湊，催化劑裝卸方便（如ICI反應器）；所選用的材料具有抗羰基化物生成的能力及抗氫脆的能力（如Lurgi、ICI反應器）。b) 國內工藝技術概況國內在甲醇技術的開發(fā)和實現工業(yè)化的歷史也有幾十年，在甲醇合成催化劑的開發(fā)中，有多家單位開發(fā)成功，并用于工業(yè)化生產。在甲醇合成反應器的開發(fā)中，開發(fā)成功單套管及雙套管反應器。在甲醇新型反應器的開發(fā)中，也有較大的技術突破，尤其是九十年代以后，有最大規(guī)模達到5~8萬噸/年的國內自主開發(fā)的甲醇新型反應器應用于工業(yè)化。在甲醇合成整體工藝開發(fā)中，聯醇工藝是我國甲醇合成工藝的富有特色的工藝，為解決當時國內甲醇需求作出了較大貢獻，一大批聯醇廠紛紛建成投產，從造氣、脫硫脫碳、甲醇合成到精餾等，解決了一大批技術難題。近幾年，在低壓合成甲醇技術國產化方面取得了很大進展，南化、西南化工研究院已成功地開發(fā)了Lurgi型低壓甲醇合成催化劑，15～20萬噸/年大型反應器國內已有制造經驗。華東理工大學開發(fā)并取得專利的低壓甲醇反應器即“絕熱—管殼外冷復合型”氣固相催化反應器。它充分發(fā)揮了魯奇管殼式反應器的優(yōu)點又克服了其缺點，節(jié)省了投資，可節(jié)約大量的外匯投資，但國內目前運行的最大裝置為約10萬噸/年。采用“絕熱—管殼外冷復合型”氣固相催化反應器的20萬噸/年裝置正在設計安裝階段。國內杭州林達化工技術工程公司開發(fā)的低壓均溫合成甲醇反應器，在全部觸媒床層中采用可自由伸縮活動的冷管，用管內冷氣吸收管外催化劑床層中的甲醇反應熱，管內冷氣與觸媒層中反應氣先后進行并流換熱和逆流間接換熱，觸媒裝填系數從30%提高到70%，因而相同直徑反應器產能高，軸向溫度差小，溫度均勻，延長了觸媒壽命，提高甲醇產量。本技術已用于哈爾濱氣化廠8萬噸/年甲醇裝置中，效果良好。但目前采用該反應器的最大裝置20萬噸/年的渭河化肥廠甲醇裝置尚處于設計階段。c) 甲醇合成工藝的比較與選擇本項目180萬噸/年甲醇裝置是國內最大的甲醇生產裝置，雖然有20萬噸/年的煤制甲醇裝置在運行，但解決180萬噸/年甲醇合成塔的放大問題目前還無先例，存在較大的技術風險。目前國外的甲醇裝置（單系列）生產能力一般在40~170萬噸/年，整體效益明顯。另一方面，采用國外甲醇合成技術投資較大，設備制造周期長。同時考慮大件設備運輸困難，無論采用何種技術，單臺反應器均難以實現。目前無論國內國外建設甲醇裝置，大多采用低壓法技術。低壓法與中高壓法相比，具有消耗定額低、能耗低、成本低、產品質量高等優(yōu)點。在反應器方面有TEC的MRF多段徑向流動反應器，托普索三個并聯激冷絕熱徑向流合成塔，三菱重工的管殼冷管復合反應器等，這些反應器比傳統的低壓合成法反應器具有轉化率高、反應器體積小、反應熱移出更方便、床層壓降小等優(yōu)點。美國空氣及化學制品公司（APCI）的液相合成甲醇技術，尚需要大型工程裝置的實踐驗證。ICI合成反應器采用激冷式，設備結構簡單、單系列生產能力大、投資小，其缺點是用原料氣激冷控制溫度，床層溫度有波動時，循環(huán)比較大，操作費用高，需專設開工加熱爐。ICI工藝的能量回收系統最近也作了一系列改進，如利用低位能反應熱預熱鍋爐給水，采用冷凝式蒸汽透平代替背壓式透平機等。Lurgi合成反應器，反應氣轉化率高，副反應少，系統對于反應熱的回收和利用已經比較完善，操作費用低，開工時不用設開工加熱爐。但缺點是反應器結構較復雜，體積較大，運輸困難。Lurgi公司為了實現甲醇裝置的超大型化，還推出了兩臺反應器串聯的流程，即氣冷管殼反應器串聯及熱量偶合的流程，單系列甲醇能力可達5000噸/天。就目前應用最廣、采用最多的合成甲醇技術是Lurgi和ICI技術，這兩種技術發(fā)展歷史最長，積累的實踐經驗最多，在世界建廠也最多，擁有不同規(guī)模的甲醇合成裝置，并且目前達到的單系列合成甲醇裝置能力也最大。這兩種工藝技術特點比較見下表：甲醇生產方法比較表項 目Lurgi法ICI法合成壓力bar50～10050～118合成溫度℃225～250230～270催化劑組成CuZnAlVCuZnAl時空收率t/m3h進塔氣CO含量%～12～9出塔氣CH3OH含量%6～75～6循環(huán)氣/合成氣4:14:1合成塔形式管束式激冷式設備尺寸設備緊湊設備較大合成開工設備不設開工加熱爐要設開工加熱爐甲醇精制三塔流程兩塔、三塔和四塔流程Lurgi工藝甲醇合成塔，反應溫度均勻，轉化率較高，反應副產物少，原料消耗低，副產物少，加上國外目前建設的大型/超大型甲醇裝置多采用Lurgi工藝，大型裝置工業(yè)化經驗多，工藝成熟。其次，就一臺反應器和兩臺反應器來說，Lurgi公司都可以提供。單按設備造價，一臺反應器比兩臺反應器省，但其直徑接近5米，要采取特殊的運輸方案，需要增加一筆可觀的大件運輸費，且建設時間延長。根據以上分析，考慮到合成塔的運輸問題，本項目暫按Lurgi雙合成塔（氣冷和管殼水冷）生產180萬噸/年甲醇，采用雙系統設計。至于兩臺反應器串聯，即Lurgi雙合成塔（氣冷和管殼水冷）還是兩臺管殼式反應器并聯，兩者投資相差不多，因壓縮機和控制方面的因素，前者略低。d) 甲醇精餾工藝的選擇甲醇精餾工藝有三塔流程和兩塔、4+1塔流程，其中三塔流程能耗是兩塔流程的60～70%。投資比兩塔流程高15%左右，產品純度高；大型甲醇裝置近年來多采用三塔流程。本項目采用節(jié)能型三塔精餾工藝，雙系列配置。5) 空分裝置a) 國內外工藝技術概況209。 采用帶增壓膨脹機的分子篩流程及規(guī)整填料塔與全精餾制氬技術。八十年代國內開發(fā)出了帶增壓膨脹機的分子篩流程空分設備（第五代），九十年代中期開發(fā)成功了采用規(guī)整填料塔與全精餾制氬技術的新一代空分設備（第六代）。從九七年以后國內設計生產的1000 m3（標）/h O2以上的空分設備均采用了規(guī)整填料塔與全精餾制氬技術，采用這項技術后，對外壓縮流程而言氧的提取率可達到98～%，氬提取率可達65～85%，能耗下降10～13%以上，而且整個流程簡單，操作方便、安全可靠、占地面積小，優(yōu)勢顯而易見。209。 產品規(guī)格多樣化，尤其是內壓縮國內外已是一種發(fā)展趨勢九十年代中期以后，隨著化工裝置對空分產品的品種的要求，大中型空分的高壓內壓縮流程已逐步占領市場，使用情況良好。內壓縮流程安全可靠，投資成本及運行成本相對較低，占地面積小。209。 采用計算機集散型自動化控制（DCS）對空分裝置的整個工藝流程采用DCS控制，具有合理調節(jié)產量，穩(wěn)定操作，降低消耗，提高裝置可靠性和降低運行費用的功能。使用計算機能檢測瞬間大量工藝數據，并能自動調節(jié)設備工況，使產品產量、純度、壓力保持在設定的范圍及指標內。209。 空分設備趨向大型化隨著大化肥、煤化工、石化、鋼鐵等大型工程項目的興建和擴建，從降低投資費用，運行費用和方便管理等方面著眼，要求工程配套的空分設備也趨于大型化，國外最大的空分單機制氧能力已達100000 Nm3/h 以上。目前國內已投運的寶鋼5 空分單機制氧能力已達70000Nm3/h等級。209。 優(yōu)化成套設備配置方案，提高綜合性能指標空分設備系統復雜，配套機組多，為保證裝置具有最優(yōu)性價比，目前國際上一些著名的氣體公司均采用擇優(yōu)選擇，在全球范圍進行大配套的做法。國內空分制造廠目前在這方面也已具有大量的實際操作經驗，因而可以通過國內外眾多渠道，擇優(yōu)選擇配套設備，保證裝置具有最優(yōu)性價比。b) 空分裝置的選擇209。 空分裝置規(guī)模本項目設計能力為年產甲醇180萬噸，相應的氧氣需要量為204421Nm3/h?？紤]煤種供應的變化和生產能力改變引起氧氣消耗的波動，擬選擇供氧能力在56000 Nm3/h的空分裝置四套。209。 空分裝置流程的選擇空分裝置的工藝流程采用分子篩預凈化、增壓透平膨脹機、全精餾提氬、氧氮產品內壓縮等先進技術。內壓縮流程是現今國內外空分裝置普遍采用的先進的工藝流程，內壓縮流程具有以下幾個主要優(yōu)點：由于用液氧泵取代了價格昂貴的氧氣透平壓縮機，可使投資降低；液氧泵備品配件比氧壓機的備品配件價格低，且運行安全可靠，易于操作，因而可使維護保養(yǎng)成本降低；使用液氧泵內壓縮后，可防止烴類在冷凝蒸發(fā)器內聚集，因此安全性更好，裝置也更可靠；增壓機可以和原料空壓機合拼成為一個機組，因而占地減少、安裝費用省、操作方便、控制簡化。內壓縮空分流程分為空氣循環(huán)（又稱雙泵流程）和氮氣循環(huán)（又稱單泵流程）。空氣循環(huán)是用高壓空氣來復熱高壓液氧和高壓液氮產品（根據需要），液氧、液氮根據需要用泵加壓到所需壓力；氮氣循環(huán)流程是用高壓氮氣來復熱高壓液氧，用液氧泵壓縮液氧達到所需壓力，用氮壓機壓縮氮氣達到所需壓力。單泵流程利用高壓氮來使加壓液氧汽化復熱并回收其低溫冷量的缺點是：由于氮氣的冷凝溫度比空氣低，氮氣的潛熱比空氣小，這意味著為汽化同樣數量的加壓液氧，需要被壓縮的氮氣量要比空氣量更多，而且氮氣的壓力要高于空氣的壓力。由于被壓縮的氮氣來自冷箱。在冷箱里的氮氣流路有壓力損失，因此循環(huán)氮壓機的吸入壓力要低于相應的增壓空氣壓縮機的吸入壓力，這意味著氮壓機的壓縮比要大于增壓空氣壓縮機的壓縮比。因此，在同樣規(guī)模的內壓縮流程中，氮壓機的尺寸要比增壓空氣壓縮機的尺寸大，耗功也要高一些。另外循環(huán)氮氣主