【文章內容簡介】 0℃，而且反應溫度逐漸下降，因而更有利于反應平衡向生成甲醇的反應移動，使反應氣體的單程轉化率提高了一倍，也使循環(huán)比下降了一半以上，能耗降低了一半，在提高裝置生產強度的同時，大幅降低了生產成本。北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文）12對于超過百萬噸以上產能的單系列甲醇工藝來說，傳統(tǒng)的甲醇合成工藝設計已經無法實現(xiàn)，首先是合成反應器設備過大，塔徑一般都要超過 米以上，在設計、制造和運輸等方面都十分困難，因此大型的單系列甲醇裝置必須考慮反應器相組合的聯(lián)合型甲醇生產工藝，設備可以采用國內外最近開發(fā)的大型甲醇合成設備，通過合理的組合，達到提高產能，節(jié)約投資，增大收益的目的。通過等溫型的管殼式反應器串聯(lián)冷管式的氣冷反應器相組合，形成兩段串級聯(lián)合甲醇生產工藝，可以有效的提高氣體的單程轉化率、大幅增加裝置的生產能力，有效降低能耗，具有優(yōu)越的綜合經濟效益。而且該工藝流程簡單，熱能利用效率較高，投資少，具有很廣的發(fā)展前景。其與傳統(tǒng)工藝對比情況見表 。表 、 采用傳統(tǒng)工藝和兩級回路工藝的甲醇裝置比較項目 傳統(tǒng)工藝 兩級回路工藝生產能力，噸/天天然氣消耗，百萬 BTU/噸甲醇投資費用，%操作成本，%生產成本，%25003010010010050001309779 兩段法串級甲醇合成工藝的物料數據Lurgi（魯奇公司）近幾年較好開發(fā)了組合型甲醇生產工藝，并設計了年產 200萬噸的單系列裝置，在中東地區(qū) Lurgi（魯奇公司）的兩段法串級甲醇裝置已經建成投產，運行情況良好；2022 年，又在我國的內蒙地區(qū)設計建造了年產 160 萬噸的單系列甲醇裝置，目前正在建設，預計 2022 年既可以投產，采用的也是 Lurgi 組合型甲醇工藝技術。根據有關信息資料，Lurgi（魯奇公司）設計的單系列年產 160 萬噸的甲醇裝置工藝物料數據見表 。 北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文）13表 160 萬噸/a 兩段法串級合成工藝物料數據表（1）序號 物料編號 52022 520221 名稱 AE52022 內的合成氣 C52022 輸出的合成氣2 相態(tài) 蒸汽/液體 蒸汽3 總流量/ kmol/h 4 總流量/ kg/h 5 液體 蒸汽 液體 蒸汽6 總流量/ Nm179。/h 7 質量流量/ Kg/h 8 摩爾流量/ kmol/h 9 摩爾重量/ kg/kmol 10 有效密度/ kg/m179。 11 常規(guī)密度/ kg/Nm179。 12 比熱容量/ kJ/kg K 13 粘度/ mPa s 14 導熱性/ W/m K 15 摩爾分數/% 16 質量分數/% 17 溫度/176。C 70 15018 壓力/ MPa(a) 19 組份 摩爾質量 wt % mol%20 CO2 21 CO 22 H2 23 CH3OH 24 H2O 25 Ar 26 N2 27 O2 北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文）1428 CH4 29 C2H6 30 C3H8 31 C4H10 32 C5H12 33 C6H14 34 低沸物 35 高沸物 序號 物料編號 52022 520221 名稱 D52022 內的粗甲醇 C52022 出口循環(huán)氣2 相態(tài) 蒸汽/液體 蒸汽3 總流量/ kmol/h 4 總流量/ kg/h 5 液體 蒸汽 液體 蒸汽6 總流量/ Nm179。/h 7 質量流量/ Kg/h 8 摩爾流量/ kmol/h 9 摩爾重量/ kg/kmol 10 有效密度/ kg/m179。 11 常規(guī)密度/ kg/Nm179。 12 比熱容量/ kJ/kg K 13 粘度/ mPa s 14 導熱性/ W/m K 15 摩爾分數/% 16 質量分數/% 17 溫度/176。C 40 5418 壓力/ MPa(a) 19 組份 摩爾質量 wt % mol% wt % mol%北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文）1520 CO2 21 CO 22 H2 23 CH3OH 24 H2O 25 Ar 26 N2 27 O2 28 CH4 29 C2H6 30 C3H8 31 C4H10 32 C5H12 33 C6H14 34 低沸物 35 高沸物 備注：1) 標準狀況是指 T= K 和 p= 巴 2) 除非另有說明，壓力是表壓。dam 北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文）16第 3 章 甲醇合成設備第 節(jié) 甲醇合成設備概述甲醇合成塔內件的形式繁多，內件的核心是催化劑筐，他的設計好壞直接影響常量和消耗定額，一個好的反應器設計應具備以下的條件：（1）工藝性能優(yōu)良，能保證催化劑在升溫、還原過程中操作正常、還原充分，盡可能的提高催化劑的活性，合成率高，噸醇原料氣耗少，產品質量好，雜質少，系統(tǒng)能達到最大的生產強度。（2）能有效的移出反應熱，合理的控制催化劑床層的溫度分布，使其逼近最佳操作溫度曲線，提高甲醇凈值和催化劑的使用壽命。（3）能保證氣體均勻的通過催化劑層，阻力小，氣體的處理量大，甲醇常量高。（4）充分利用高壓空間，盡可能的多裝催化劑，提高設備容積利用系數，單位生產能力設備投資費用低。（5）操作穩(wěn)定，調節(jié)方便，能適應各種操作條件的變化。（6）結構簡單，運轉可靠，裝卸催化劑方便，制造、安裝和維修容易等。（7）妥善處理各個內件的連接和保溫，避免產生熱應力，使內件在塔內能自由的漲縮等。（8）塔壓降小，壓縮機和循環(huán)機電耗低。（9）反應熱回收好，噸醇總能耗低。（10）反應器內氣流和溫度均勻，不易造成觸媒過熱失活、粉碎。根據合成塔內件設計結構的不同和移熱形式不同，甲醇合成反應器又不同的類型，目前國內外大型的甲醇裝置采用 ICI 和 Lurgi 公司技術的約占 70％以上，此外還有 linde（林德）公司開發(fā)的螺旋管反應器、TEC 公司的 MRFZ 反應器、三菱的 SPC 反應器、TOPSOE 和 CASALE 公司的段間換熱的徑向流動反應器等。我國的大型甲醇合成反應器主要有林達公司的 JW 均溫型反應器，南京國昌開發(fā)的GC 型冷激式軸徑向甲醇合成反應器，華東理工大學開發(fā)的仿魯奇管殼式甲醇合成塔等，各家依據不同的開發(fā)和設計思路形成了不同的工藝流程。北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文）17第 節(jié) 大型甲醇塔的可選形式及工藝特點在兩段法串級甲醇合成工藝中，第一級反應要求采用較高的操作溫度，提高反應率，以使合成氣快速進行反應?？紤]銅基催化劑對高溫敏感的特點，必須保證第一級反應器內床層溫度控制在催化劑耐熱范圍內的較高的溫度水平， 并盡可能的保持穩(wěn)定，不能在操作條件發(fā)生變化時引起催化劑床層溫度的較大波動，否則容易造成催化劑的損壞?？紤]該工藝的這些特點，選用國外 Lurgi（魯奇）公司的管殼式甲醇反應器，或者華東理工大學開發(fā)的管殼式等溫型甲醇反應器以及杭州林達化工技術有限公司自行開發(fā)的 JW 均溫型低壓甲醇合成塔技術都可以較好的滿足工藝需求。兩段法串級合成工藝的第二級反應要求催化劑的裝填量必須要大，以利于氣體盡可能的反應完全，同時操作要使床層溫度逼近最佳反應溫度曲線，氣體從進入催化劑床層到出口要分布成逐漸下降的趨勢，從而使反應器內甲醇含量不斷增加的反應氣體平衡更進一步的向生成甲醇的方向移動，以提高單程轉化率，增加裝置的產能。從該工藝的這一點考慮，選用逆流換熱的管殼式反應器較好。目前在文獻中論述大甲醇的文章雖然較多，但至今已經投產的單系列百萬噸甲醇裝置不多見，可選的塔型及其工藝特點論述如下： Lurgi（魯奇）公司的管殼式甲醇反應器 Lurgi 塔是近年來國內外認為的一種先進塔型，其主要性能特點是：該塔反應時觸媒層溫差小。合成反應幾乎是在等溫條件下進行，反應器有效的除去反應生成的熱量，可允許較高 CO 含量氣體，采用低循環(huán)氣流限制了最高反應溫度，使反應等溫進行，可將甲醇合成副產品降到極低?？梢钥闯?Lurgi 公司正是根據甲醇合成反應熱大和現(xiàn)有銅基觸媒耐熱性差的特點而采用列管式反應器。該設備管內裝觸媒，管間用循環(huán)沸水，用很大的換熱面積來移去反應熱，達到接近等溫反應的目的，故其出塔氣中甲醇含量和空時產率均比 ICI 冷激塔高，觸媒使用壽命也較長。生產中 Lurgi 等溫塔床層溫差約為 30℃，適合于銅基催化劑，其催化劑裝量雖只占反應器總體積的 30%，但空時產率高。但該類反應器也存在著不足，主要有以下幾點：（1）催化劑裝在數千根管內，觸媒裝填量只占反應器總體積的 30%；北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文）18（2）由于管內外傳熱溫差小，所需傳熱面大，比冷面高達 125m2/m3；（3）列管反應器的殼體和管板、反應管之間用焊接結構，為免受熱應力損失，對塔體設計制造、材料的要求均較高；（4）該類塔用副產蒸汽直接從催化劑層移熱，由于受副產蒸汽壓力的限制，在催化劑使用后期難以提高使用溫度。（5）投資大。據報導陜西榆林年產 3 萬噸甲醇裝置，實際總投資為 9600 萬元。Lurgi 管殼式反應器已經在不少甲醇裝置使用，但在大型甲醇裝置中因結構復雜，體積龐大、運輸困難而使用不多。為此 Lurgi 公司開發(fā)了用于百萬噸級以上甲醇裝置的聯(lián)合反應器，即用管殼式反應器和冷管式反應器串聯(lián)組合，以此增加裝置的生產規(guī)模。合成氣溫度 125℃，先進冷管式反應器管內，與管外催化劑逆流加熱到 230－250℃，然后進入管殼式反應器在 240－250℃的溫度下反應，出塔氣溫 260℃，然后進入冷管反應器殼側進行反應，一般操作壓力 ，循環(huán)比較單級反應器降低一半，以避免合成系統(tǒng)阻力過大，節(jié)約能耗。根據 Lurgi 公司聯(lián)合反應器的這一原理，國內四川建峰年產 60 萬噸的甲醇合成塔，經過專家評審決定采用華東理工大學開發(fā)的絕熱管殼反應器來代替Lurgi（魯奇）公司的管殼式反應器，用林達公司開發(fā)的均溫型冷管甲醇合成反應器來代替 Lurgi 的冷管型反應器，這一組合方案，大大降低了項目建設的投資費用。 三菱公司的超轉化率塔（SPC）這是近年來引起人們注意的甲醇合成塔。由日本三菱氣體化學公司研制。該塔為雙套管式。日產 520 噸的甲醇反應器，內徑 米，內有長 15 米的雙套管462 根，外管為 Ф85mm5mm，內管為 Ф19mm，換熱面積 2123m2，總重180 噸，內外套管間裝催化劑 28 m3，操作壓力 11MPa，進塔氣先預熱到 150℃，入塔后分布到各雙套管的內管中，吸收管外套管間的反應熱，預熱至反應溫度240℃后進入套管間的催化劑層反應，熱點溫度 250℃左右，反應熱同時被內管中冷氣和外管外殼程間的沸騰水移走，出觸媒層溫度為 213℃左右，在，空速 11000Nm3/h 下。出塔氣中甲醇含量 %，甲醇產量 520 噸/日。三菱公司認為 SPC 有著比 Lurgi 等溫反應器低的循環(huán)比和比 Lurgi 反應器更高的單程轉化率，SPC 雙套管內徑 75mm 比 Lurgi 列管反應器 Ф24 大得多，管數少北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設計（論文）19得多，故裝卸觸媒容易，SPC 外管受壓壁厚，比列管式機械強度好，內管、撓管和隔板為不受壓部件,作用在這些部分的觸媒層壓降最多為 23kg。 ICI 公司冷激塔冷管式英國 ICI 公司冷激型甲醇塔，為國外甲醇裝置使用最多的塔型。該塔內設四層催化劑，各層間有噴頭噴入冷激氣以降低溫度，在壓力為 和12022h1 空速下，當出塔氣甲醇濃度為 4%時，一、二兩段升溫約 50℃。我國四川維尼綸廠引進一套能力為 95kt/a 甲醇的 ICI 冷激塔，反應器內徑 米，總高 米，四層催化劑裝填總高度 米，催化劑裝量 45m3，在設計壓力為5Mpa、空速 6222 h1，入塔氣量 280000 Nm3/h 下，設計能力為 ?？諘r產率 h。 ICI 冷激塔結構簡單、用材省且要求不高、并易于大型化。但由于冷激塔靠用冷原料氣噴入各段觸媒之間以降低反應氣溫度。因此在降溫的同時稀釋了反應氣中的甲醇含量，影響了觸媒利用率。為了防止觸媒過熱，采用較大的空速，出塔氣中甲醇含量不到 4%，ICI 近年來提出冷管式甲醇合成塔。該塔內觸媒層中設有逆流冷管膽，原料氣通過催化劑層中的冷管被預熱，使部分反應熱移出。ICI 認為冷管式合成塔投資低，操作簡便，設計彈性大，因為沒有冷氣噴入，效率高，能耗低，可以成為高效率的世界一流工廠。 杭州林達的 JW 均溫型甲醇反應器該公司研究開發(fā)的新型冷管型均溫型甲醇塔（JW），其主要技術是在全部觸媒床層中采用可自由伸縮活動裝配的冷管束，用管內冷氣及時吸收管外反應熱，管內冷氣與觸媒層中反應氣有并流換熱和逆流間接換熱，該公司宣稱，該反應器通過計算機優(yōu)化設計冷管結構和參數，達到觸媒層溫差小于 Lurgi 等溫塔，而結構比 Lurgi 塔和 SPC 塔更簡單可靠，在國內有近 200 多家廠使用，該公司介紹其特點如下：（1）工藝操作十分穩(wěn)定，生產中操作平面溫差在 10℃以內，軸向溫差在15~20℃左右，