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低压恒温甲醇合成系统的设计及应用点击：1779 日期：[ 2014-04-26 21:40:01 ] |
| 低压恒温甲醇合成系统的设计及应用 吴永兰 (湖南安淳高新技术有限公司,湖南长沙 410015) 摘 要：论述了低压恒温甲醇合成系统工艺流程的特点,介绍了水管式甲醇合成塔内件的结构形式和选型方案;通过生产运行数据分析,总结了低压恒温水管式甲醇合成塔的应用效果。 关键词：低压恒温甲醇合成系统;水管式甲醇合成塔;工艺设计;设备选型 中图分类号：TQ223. 121 文献标识码：A 文章编号：1004-8901(2007)03-0027-03 随着甲醇市场的红火,化肥行业又一次掀起建设“联醇”、“单醇”的热潮。我国精甲醇生产企业已有100多家,发展势头是前所未有的。从生产规模来看,联醇生产企业的甲醇产量一般较少,生产能力多在5万t/a以下。目前国内正在兴建的甲醇装置多为10万t/a、20万t/a,甚至50万t/a。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,促进了低压甲醇合成技术的进步。低压法生产甲醇质量好,原料气消耗低,能耗降低,成本低,尤其在合成氨厂建低压甲醇,放空气可直接送入醇烃化工序生产合成氨。因此低压甲醇合成正在逐步替代高压甲醇合成。笔者拟介绍采用水管式甲醇合成塔的低压恒温甲醇合成系统的设计和应用。 1 低压恒温甲醇合成系统工艺流程 1. 1 工艺流程 压力为5. 0 MPa的脱碳气, CO体积分数为23%左右,经预热器加热至190~200℃,进入JJD甲醇塔反应,温度约为235℃。反应后气体CO+CO2体积分数降至0. 7%以下,温度为220~240℃出塔。气体出塔后进入预热器,被冷却至65~80℃,经水冷进一步降温至40℃,甲醇冷凝。在分离器分离甲醇后,部分气体进入循环机返回,与新鲜气混合后进入合成塔,另一部分气体经净醇塔后进入高压机五段。 给水加入汽包,水经下降管进入甲醇塔水室,进入内套管,由上而下,到底部折向,进入外管,由下而上,被管外热气加热,成为汽水混合物上升至塔内汽室,再由此经上升管到达汽包,中压(2. 0~3.9MPa)饱和蒸汽外送蒸汽管网。JJD水管式甲醇工艺流程见图1。 1. 2 流程特点 H2,CO, CO2合成甲醇的反应是一个气固相催化反应,属可逆放热反应。甲醇反应热移出的方法有直接冷激法、内冷法、间冷法等(气气换热法)。用气气换热形式移走反应热,气体吸收热量后温度升高,用循环机将气体移出,离开反应床层后,再用水冷却。由于循环气量大,循环机电耗高,且在冷却过程中只产生少量的低压蒸汽(每吨粗醇产300~500 kg),其余热量用冷水冷却,温升为8~10℃,故消耗的冷却水量很大。例如,产500 kg蒸汽后,反应热气用水冷却,吨醇耗水约64 t。采用气气换热方式,用直接冷激法移走热量的同时也伴随着明显的温度上升和下降。采用相变方式移走反应热,只要压力稳定,温度就能保持恒定。用压力控制反应温度,不仅方便、安全,而且能保护催化剂,对温度区间只有60℃的铜基催化剂更为有利。 用相变法移走反应热的方法,最先采用的是管壳式反应器,即反应器是单程的列管式换热器,管内装催化剂,管外产生蒸汽。管壳式比气气换热方式优点明显,但缺点是装卸催化剂较麻烦。 JJD水管式甲醇塔,同样采用相变法移走热量,塔内有众多悬挂式水管,管外装填催化剂,管内产生饱和蒸汽。预热至190~200℃的未反应气,进入甲醇塔,径向通过催化剂,反应热被床层内的沸腾水(管内)吸热发生相变,产生饱和蒸汽。由于冷却水管内是饱和蒸汽,温度恒定,因此床层反应处于恒温下进行。恒温沸腾的汽化热为1 893. 5~1 712. 96 kJ/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。因为甲醇未反应气比热容小,每kmol反应气温度升高1℃仅吸收热量30 kJ。JJD水管式甲醇合成塔具有如下特点。 (1)合成系统简单, JJD水管式甲醇合成塔既是反应器,又是无需燃料的中压锅炉,系统不另外设置废热锅炉,进入水冷器的热气温度可降至60~80℃。 (2)操作弹性大。设计可控传热温差较大,适用于催化剂在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. 0 MPa,后期操作温度250℃以上。第1套2 800 mm甲醇塔在山东德齐龙化工集团投入使用初期,系统压力为2. 9~3. 3MPa,蒸汽压力1. 6MPa,温度220℃。该塔使用1年后,产量为340~350 t/d,温度为230℃,压力为3. 2~3. 5MPa。 (3) 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床层,反应净值高,出口粗醇可达5. 5% ~6%。 (4) JJD水管式甲醇合成塔通过调整沸腾水管布局,适用于高CO%含量的变化,也适应惰性气含量高的变化(联醇或副产氨的工况)。 (5)设计工况温和,实现恒温低阻,催化剂使用寿命长、成本低。 (6) JJD水管式甲醇合成塔升温还原采用蒸汽加热,无需外设电炉,采用惰性气还原,快速而安全。 (7)控制简单,操作方便。因为水的相变温度只受压力影响,压力恒定,温度则恒定,控制了压力也就是控制了温度。 2·主要运行参数 JJD水管式甲醇合成系统运行数据见表1。 从表1可以看出:①在同一时期,催化剂床层同平面温差与轴向温差都很小,运行1年后,相应各点的温度基本没有发生改变,保持在236℃左右,说明系统运行非常稳定;②进水冷的热气温度仅为66~75℃,而进塔的热气温度却达到190~193℃,说明热交换器的换热效率很高,大幅降低了冷却水的消耗;反应层最高温度237~239℃,而出塔温度为220℃,即反应放出的热量副产中压蒸汽,吨醇产汽量1. 2 t以上,热回收效率高;③塔壁温度为190~201℃,塔压差为0. 2MPa,说明径向流程合理;④目前全系统的压差仅为0. 24MPa,甲醇反应器的压差仅为0. 15 MPa,系统阻力和塔阻力均很小,循环机电耗很低;⑤循环机进口压力为3. 25 MPa,出口压力为3. 49 MPa,系统压力低,而设计压力为5. 0MPa,说明系统还有潜力,如果造气系统气量充足,产量还可大幅增加。 3·设备结构特点 JJD水管式甲醇合成塔内件见图2。 JJD水管式甲醇合成塔内件结构特点如下。 (1)沸腾水管形如刺刀和刀鞘,为悬挂式,只焊接一端,另一端有自由伸缩空间。由于管子受热伸缩时没有约束力,无须采用线膨胀系数较小且昂贵的SAF2205双相不锈钢,普通不锈钢管即可。壳体不受管子伸缩力的影响,壳体材质要求不高,无须设置加强筒体,不采用高强度20MnNimoNbR等特型钢材,筒体材质采用复合钢板即可。 (2)容积系数大。管壳式甲醇反应器的容积利用系数约为35%, JJD水管式甲醇塔可以达到50%以上,亦即同样的压力容器空间,水管式反应器比管壳式反应器装填的催化剂更多。 (3) JJD水管式甲醇塔单位容积传热面积大,从而适应了甲醇合成反应热多、冷却负荷高、要求换热面积大的特征。 (4) JJD水管式甲醇合成塔为全径向塔,塔阻力非常小,仅为<0. 2MPa。 (5) JJD水管式甲醇合成塔催化剂装填容易。例如, JJD2 800 mm甲醇塔,装填58 t催化剂, 24 h即可装填完毕,比管壳式塔装填速度快得多。 (6) JJD水管式甲醇塔不受高径比限制,能力大,直径不一定大,即单塔能力增大。 (7)设备更新时,只更换内件的部分部件,外壳可以继续使用,且能够自卸触媒。 4 设备方案及选型此项目包含反应器、换热器、分离器和储存器4类静置设备以及压缩机、泵等动设备,主要设备规格型号见表2。 (1)醇化预热器列管采用的是螺旋槽管或横纹管型,以利于增强热效率。管壳程的分隔采用小密封填料函结构,加强柔性石墨填料,以使管、壳程的气体不易串气。 (2)水冷器采用卧式U型管形式,占地少,投资省。冷却水封闭循环,可改善生产现场操作环境,节约循环水量。 (3)分离器结构采用高效旋风凝聚型,采用小密封结构密封,以确保气体不走短路。 (4)由于是老系统改造,受场地限制,循环机选用透平压缩机,其运行平稳、操作简单,无须经常维护。 5·生产应用效果 (1)湖南安淳高新技术有限公司开发的具有自主知识产权的JJD低压恒温水管式甲醇合成塔,技术先进,结构新颖,其中12万t/a低压甲醇工程的2 800 mm甲醇塔在山东德齐龙化工集团有限公司已运行1年,系统阻力和塔阻力小,运行平稳,节约循环机电耗,冷却水量少,节能效果明显,吨醇副产中压蒸汽达到1. 2 t以上。 (2)通过调节蒸汽压力使温度调节操作更加容易,与其他形式的低压甲醇合成系统比较,升温还原操作简单、容易、安全,装卸催化剂容易;醇后气所含CO,CO2,H2和N2等组分可送往醇烃化氨合成系统,作为原料气全部利用。 (3)该装置投产运行1年后,各项指标基本没有变化,催化剂层温度仅提升了2~3℃,催化剂使用寿命长。 (4)由于第1套系统的运行成功以及所创造的显著经济效益,德齐龙公司紧接着又上了第2套2 800 mm甲醇系统,于2007年1月投产运行。目前山东明水化工有限公司12万t/a低压甲醇工程、福建省顺昌富宝实业有限公司6万t/a低压甲醇工程、云南云维集团有限公司沾化分公司24万t/a低压甲醇工程,正由安淳公司负责开发设计,预计2007年底开车投产。此外,湖北第一化肥厂、柳化、新沂恒盛化肥厂、晋城天脊集团、福建邵武化肥厂等企业正在与安淳公司进行低压甲醇项目的洽谈。 |
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