大型甲醇合成塔在煤化工项目中的应用

大型甲醇合成塔在煤化工项目中的应用

乔利军

关键词：甲醇合成塔;工艺性能;结构;对比分析

引言

大型甲醇合成塔是甲醇合成装置核心设备，该设备性能将直接影响甲醇合成过程的效率、能耗，同时也会影响到项目的投资以及甲醇合成装置长期稳定运行。这3套甲醇装置自投产以来总体运行良好，保证了甲醇下游装置原料供应。

1甲醇合成塔内结构及在生产系统中的作用

甲醇合成塔采用成都通用工程技术公司专利设备———螺旋管－直管复合串联水冷式甲醇合成塔，该塔分为上、下两段，上段为一列管固定床层器，管内填满甲醇合成触媒，壳侧充满水，反应气体由上向下流经管内床层进行反应，冷却介质（沸腾水）自下而上流经管间移走反应热从而副产蒸汽；下段为螺旋管水冷式触媒床层，螺旋管外充满甲醇合成触媒，管内为沸腾水，反应气体由上向下流经管间床层进行反应，冷却介质（沸腾水）自下而上流经管内移走反应热从而副产蒸汽。甲醇合成塔是甲醇生产装置的关键核心设备，粗甲醇的生成是在塔内反应进行的，催化剂的活性直接影响产品产量及质量，在生产系统中发挥着关键作用。甲醇合成塔工艺性能和结构设计应满足下列要求。(1)结构简单，运行可靠，易于制造、安装和维护，避免产生热应力。(2)能保证气体均匀地通过催化剂层，阻力小，气体处理量大，甲醇单程转化率高，循环比低，确保甲醇产量高。(3)充分利用合成塔内部空间，多装催化剂，容积利用系数高，且便于催化剂装卸。(4)有效移除反应热，合理控制反应温度，提高反应效率，延长催化剂使用寿命。(5)操作稳定，调节方便，满足各种操作工况。(6)设备尺寸应充分考虑道路运输条件的限制以降低制造成本。

2大型甲醇合成塔在煤化工项目中的应用

2.1戴维甲醇合成塔的应用

戴维甲醇合成塔的结构形式主要是以径向结构为主，因该结构的甲醇合成塔主要是通过更换热管内的冷却水来将反应热移除，加之催化剂的装填是在管外进行，故相较于其他两种技术，戴维甲醇合成塔不仅装填系数较高，且因甲醇的合成反映与绝热的温度曲线最为接近，故在催化剂初期至末期均不会对甲醇生产造成过多影响，继而可确保甲醇的产量稳定。不仅如此，由于径向塔的设置，使得床层在正常操作的情况下亦不会产生较大阻力，而其压力则通常小于0.05MPa，故能在极大程度上确保操作的稳定性。至于该甲醇合成塔所运用的材料方面，因其壳体主要是用铬钼钢打造，故相较于其他技术，戴维甲醇合成塔的设备制造成本相对较低，但也因此而使得该塔的内部构件显得更为复杂，这便在一定程度上增添了设备的制造难度2甲醇合成塔的最高温度分别可以达到303与299℃。受合成塔超高温的影响，致使联锁停机情况亦时常发生。虽然，为缓解此一状况，项目组采取了各种措施，诸如加大甲醇合成塔的换热面积等，但应热反应仍未得到及时的移除，加之局部超温而致使副反应增添，反而使得管内的结蜡现象变得更加严重。对此，为维护生产过程稳定，则需采取以下措施：首先是将合成塔的汽包压力控制在1.6MPa来降低床层的热点温度。其次是对原料气的入塔问题予以有效控制，以达到降低床层温度的目的。再次是要通过降低氢碳比来对合成气的组分予适当调整，继而实现对热反映的有效控制；最后则是需锁定温度设置值，并将原本的设计值温度提高到295℃。至于在实际运用过程中，诸如神华新疆新建某煤化工项目合成塔的设计便在如下三方面予以了相应的改进，分别为：增加换热管根数，增大换热面积；使原料气合成塔拿给能上下同时均匀入气；于合成塔顶部增设排气口。

2.2鲁奇甲醇合成塔

新鲜合成气经升压、脱硫后，与来自循环气压缩机的循环气混合后进入气冷塔的管程，被壳程的甲醇合成反应热预热，然后分别进入2台并联的水冷塔的管程，管内填满催化剂，底部由惰性瓷球支撑，甲醇合成反应热由管外沸水带走，副产2～4MPa的饱和蒸汽。产品气从水冷塔底部出来后先混合，然后进入气冷塔的壳程，气冷塔壳程装填催化剂，此股气体在壳程进一步发生甲醇合成反应。最终产品气经冷却、甲醇分离器分离后，将粗甲醇送入膨胀罐，未反应的原料气继续循环。3台甲醇合成塔均采用应力分析法进行设计和制造，其中气冷塔内件拥有鲁奇专有技术，该塔外壳为压力容器，由业主委托国内压力容器制造厂制造，其内件由专利商指定厂商供货，在专利商的指导下在项目现场设备组装和催化剂填装。壳程和管程设计压力均为9.5MPa，设计温度为300℃(壳程)和270℃(管程)，设备直径约为4.3m，筒体切线长度约为9.7m，结构形式为立式，采用裙座支撑。管程的合成气入口设置在底部，经气冷塔内件气体轴向流动，在顶部封头上设置2个预热合成气出口。从水冷塔返回的反应气，其入口设置在气冷塔顶部封头上，数量为2个，在壳程催化剂作用下，未反应的合成气进一步发生甲醇合成反应，其反应热用于预热管程进料，产品气出口位于底部封头上。壳体材料为SA387Gr．11Cl．2，内件材料为不锈钢，设备重量约为280t。

2.3托普索甲醇合成塔的应用

托普索是采用3台并联式的甲醇合成塔，且因甲醇合成塔的出口温度较高，故使得该技术的甲醇合成反应更为迅速。据神华陕西某煤化工项目所给出的实际运行效率数据显示，此工艺无论是在出口甲醇的体积分数、设计值或是循环比等诸多方面均明显高于设计要求，因而该工艺也同时有着极高的单程转化率，继而在极大程度上节省了循环器压缩机功率。不仅如此，因该工艺与合成塔的管板上额外设置了一层角色床层，因而使得合成塔尺寸有了明显减小，而在催化剂装满换热管的情况下，还能对换热管的长度予以充分利用，继而可确保催化剂初期至末期的产量温度。至于该工艺的缺陷亦十分突出，那便是在副产蒸汽压力方面，此工艺所产生的副产蒸起压力虽比之戴维还要高出许多，但因床层的阻力过大而不利于蒸汽利用。甲醇合成塔壳体材料为碳钢，管程材料为铬钼钢，换热管材料为双向钢，管板材料为铬钼钢+堆焊双向钢，管板加工难度大，设备费用较高。专利商已对几家国内设备制造厂授权，合成塔已实现国产。迄今为止，托普索60万t/a及以上煤制甲醇技术在国内应用业绩还不是很多。

结束语

综上所述，甲醇合成塔工艺各自具有不一样的特色及优势。当然，它们的缺陷亦十分明显，故在实际运用方面，相关企业务必结合装置的规模、建设地点以及运输条件等状况来合理选择甲醇合成技术，以此方能在降低设备造价的同时争取更高的经济效益。

参考文献

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