【正文】 125℃，先進冷管式反應器管內(nèi)，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(cè)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。Lurgi 管殼式反應器已經(jīng)在不少甲醇裝置使用，但在大型甲醇裝置中因結(jié)構(gòu)復雜，體積龐大、運輸困難而使用不多。（5）投資大。生產(chǎn)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(chǎn)率高?？梢钥闯?Lurgi 公司正是根據(jù)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。目前在文獻中論述大甲醇的文章雖然較多，但至今已經(jīng)投產(chǎn)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(nèi)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。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(nèi)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(zhuǎn)化率，增加裝置的產(chǎn)能?？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(nèi)床層溫度控制在催化劑耐熱范圍內(nèi)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。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(jù)不同的開發(fā)和設(shè)計思路形成了不同的工藝流程。（10）反應器內(nèi)氣流和溫度均勻，不易造成觸媒過熱失活、粉碎。（8）塔壓降小，壓縮機和循環(huán)機電耗低。（6）結(jié)構(gòu)簡單，運轉(zhuǎn)可靠，裝卸催化劑方便，制造、安裝和維修容易等。（4）充分利用高壓空間，盡可能的多裝催化劑，提高設(shè)備容積利用系數(shù)，單位生產(chǎn)能力設(shè)備投資費用低。（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。C 40 5418 壓力/ MPa(a) 19 組份 摩爾質(zhì)量 wt % mol% wt % mol%北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設(shè)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。 11 常規(guī)密度/ kg/Nm179。C 70 15018 壓力/ MPa(a) 19 組份 摩爾質(zhì)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(shè)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(nèi)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。 11 常規(guī)密度/ kg/Nm179。 北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設(shè)計（論文）13表 160 萬噸/a 兩段法串級合成工藝物料數(shù)據(jù)表（1）序號 物料編號 52022 520221 名稱 AE52022 內(nèi)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。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(chǎn)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(chǎn)成本，%25003010010010050001309779 兩段法串級甲醇合成工藝的物料數(shù)據(jù)Lurgi（魯奇公司）近幾年較好開發(fā)了組合型甲醇生產(chǎn)工藝，并設(shè)計了年產(chǎn) 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(jīng)建成投產(chǎn)，運行情況良好；2022 年，又在我國的內(nèi)蒙地區(qū)設(shè)計建造了年產(chǎn) 160 萬噸的單系列甲醇裝置，目前正在建設(shè)，預計 2022 年既可以投產(chǎn)，采用的也是 Lurgi 組合型甲醇工藝技術(shù)。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。北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設(shè)計（論文）12對于超過百萬噸以上產(chǎn)能的單系列甲醇工藝來說，傳統(tǒng)的甲醇合成工藝設(shè)計已經(jīng)無法實現(xiàn)，首先是合成反應器設(shè)備過大，塔徑一般都要超過 米以上，在設(shè)計、制造和運輸?shù)确矫娑际掷щy，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(chǎn)工藝，設(shè)備可以采用國內(nèi)外最近開發(fā)的大型甲醇合成設(shè)備，通過合理的組合，達到提高產(chǎn)能，節(jié)約投資，增大收益的目的。該工藝中，調(diào)溫空冷器 AE52022 和調(diào)溫水冷器 E52022，循環(huán)壓縮機組的出口到氣冷反應器 R52022 之間，合成氣管線到中間換熱器 E52022 之間均設(shè)有調(diào)節(jié)近路，即副線，通過這些換熱設(shè)備的副線，則可以調(diào)節(jié)水冷反應器入口以及氣冷反應器管、殼入口和出口的氣體溫度，從而可以使兩段法串級合成工藝操作溫度達到最佳的反應溫度曲線要求。從反應器 R52022 A/B 排出的經(jīng)過初步反應的氣體從反應器的頂部進入殼側(cè)的催化劑床層，并在溫度持續(xù)降低的條件下完成最后的甲醇合成反應，最終反應后的氣體從底部出來。從壓縮工序送來的合成氣，通過氣體分布器經(jīng)反應器管子從反應器的底部流至反應器的頂部。在這里，甲醇合成塔即是反應器又是廢熱鍋爐，由于反應溫度可以通過汽包壓力進行控制，從而可以實現(xiàn)良好的溫度恒定，這有效抑制了副反應的發(fā)生，延長了催化劑的使用壽命，特別在操作條件發(fā)生變化時（如循環(huán)機故障），催化劑也沒有超溫的危險。補給水由界區(qū)外的鍋爐給水泵在液位控制器的控制下經(jīng)鍋爐給水預熱器 E52022 供入。從汽包 D52022 底部流出的鍋爐用水，會通過液體分配器進入水冷甲醇反應器底部的管側(cè)，然后通過熱虹吸作用，上升至頂部出口處進入汽包內(nèi)。在反應器半球形底部，底部管板和多孔錐形筐之間裝填滿惰性小球，這些小球就是支撐催化劑的載體。圖 兩段法串級甲醇合成工藝流程位號說明：CT52022－蒸汽透平機；C52022－新鮮氣壓縮機；C52022－循環(huán)氣壓縮機 AE52022－調(diào)溫空冷器；D－52022甲醇分離器；E52022－調(diào)溫水冷器； E52022－汽包給水預熱器；R52022－氣冷甲醇反應器；R52022A/B－水冷甲醇反應器；E52022－中間換熱器；D52022－水冷反應器汽包；J52022AD－開工蒸汽噴射器AE52022－甲醇空冷器；E52022A/B－甲醇水冷器 在該工藝中，水冷甲醇反應器 R52022 A/B 的結(jié)構(gòu)與有垂直換熱管和固定管板的立式殼管式熱交換器非常相似。兩段法串級合成工藝流程敘述：從新鮮氣壓縮（C52022）來的 、80℃的新鮮氣與從循環(huán)氣壓縮機（循環(huán)氣壓縮機）來的 、40℃的循環(huán)氣混合，混合氣成為合成氣，合成氣總量為105NM3/h，首先經(jīng)過合成氣調(diào)溫空冷器（AE52022）和（E52022）根據(jù)工藝需要調(diào)整到一定的溫度，然后從底部進入氣冷甲醇合成塔 R52022 管程，將殼程催化劑床層的反應熱移出同時提高自身溫度，出來后合成氣體溫度大約為 200℃，然后再經(jīng)合成氣中間換熱器（E52022）最終升溫到 230℃左右，進入到水冷甲醇合成塔（R52022A/B）催化劑床層內(nèi)進行第一級甲醇合成反應，第一級反應后溫度約 260℃的反應氣從水冷反應器合成塔底部出來，首先經(jīng)過中間換熱器 E52022 預熱入水冷塔的合成氣，自身溫度同時被降低到 230℃，然后再進入氣冷甲醇反應器（R52022）管間進行第二級合成甲醇反應反應，最終反應后出來的氣體溫度為200－210℃，進入汽包給水預熱器（E52022）回收熱量，再經(jīng)空冷器 AE5202甲醇水冷器 E52022A/B 冷卻到 40℃進入甲醇分離器 D－52022 分離出粗甲醇，分離后的氣體一部分返回到循環(huán)機加壓后循環(huán)利用，以提高氣體的利用率，另一少部分作為馳放氣送到 PSA 回收氫氣組分。兩段法串級合成工藝是將兩個甲醇反應器串聯(lián)連接起來，使氣體逐級反應，并從工藝設(shè)計上使床層的溫度分布盡可能的沿最佳反應溫度曲線分布，這樣在提高反應速率的同時使反應平衡盡可能向生成甲醇的方向移動，從而使有效氣體的單程轉(zhuǎn)化率得到較大提高，在同樣設(shè)備的條件下較好克服了單級反應工藝流程的缺點，能夠大幅增加裝置的產(chǎn)能。 兩段法串級甲醇合成工藝流程很明顯，傳統(tǒng)的甲醇合成工藝流程中，由于氣體只經(jīng)過一級反應，其單程轉(zhuǎn)化率很低。循環(huán)壓縮機新鮮氣壓縮機熱交換器甲醇合成塔甲醇水冷卻器甲醇分離器排放氣粗甲醇新鮮氣循環(huán)氣圖 甲醇合成工藝流程示意圖從第一章中的甲醇合成原理可知，由于 CO、CO 2和 H2受平衡和速率的限制，該流程中氣體的單程轉(zhuǎn)化率很低，在 低壓銅基催化劑作用下，一般經(jīng)過單級反北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設(shè)計（論文）9應的氣體轉(zhuǎn)化率僅為 6－8％（體積比） ，因此需要將大量的未反應氣體經(jīng)過循化壓縮機升壓后循環(huán)使用，以提高氣體的總轉(zhuǎn)化率。隨著甲醇裝置規(guī)模的不斷增加，低壓甲醇合成技術(shù)由于操作壓力低，導致設(shè)備體積相當?shù)凝嫶?，因此發(fā)展了 10MPa 的中壓流程，但是受中壓流程能耗高及粗甲醇的品質(zhì)不好等因素制約，10MPa 的中壓工藝并沒有得到大規(guī)模的應用，又開發(fā)了介于中壓和低壓之間的 － 的甲醇工藝流程，目前 25 萬噸以上的大型甲醇裝置均普遍采用 的工藝流程。甲醇合成是甲醇生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，工藝流程有多種，其發(fā)展與新催化劑的應用，以及凈化技術(shù)的進展分不開。同時兩段法甲醇合成工藝中，合成氣在第一級較高溫度的反應器中 CO 的反應速率遠大于 CO2，初步反應后的氣體中 CO2含量會少有增加，而第二級反應器的床層溫度分布為逐漸下降，這樣的溫度特點能較好符合溫度較低時，可以允許有較高的二氧化碳含量的條件，因此采用兩段法串級甲醇合成工藝能夠很好的適合這一原理。由數(shù)據(jù)表也可以看出，加壓下甲醇合成的平衡常數(shù)，不僅與溫度、壓力有關(guān)，而且與組成有關(guān)。因此在溫度較高情況下，原料氣中的二氧化碳含量不宜過高，以避免一氧化碳的利用率不高，而且多消耗氫氣，在溫度較低時，則可以允許有較高的二氧化碳含量。根據(jù)表 繪制成圖 、從圖上可以明顯看出在一定的原料汽組成下，溫度低、壓力高對生成甲醇的平衡有利，這是由于兩個合成甲醇的反應都是可逆的放熱反應，反應時分子數(shù)減少的緣故。表 不同溫度下的 K 值 溫度，℃Kt,atm2225 250 275 300 325 350 375 400Kt1，10 3 Kt2， 105 表 不同溫度、壓力下甲醇合成的平衡組成和平衡常數(shù)值平衡組成（Y l） ，摩爾分率 平衡常數(shù)壓力MPa atm溫度℃H2 CO CH3OH N2 CH4 CO2 H2O KP1103KP2103北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設(shè)計（論文）6225 250 204824275 200 325 350 375 400 225 8250 275 200 325 350 375 400 備注：表 所用的原料氣組成為：Y H2 ；Y CO ；Y M 0；Y N2 ；Y 成 YCO2 ；Y H2O 表 不同原料汽組成于 下甲醇的平衡濃度及平衡常數(shù) KP1值一 二 三 組成溫度， ℃KP1103，atm －2YM KP1103，atm －2 YMKP1103，atm －2YM225 250 275 200 325 北京化工大學繼續(xù)教育學院畢業(yè)設(shè)計（論文）7350 375