180萬t/a甲醇合成系統設計思考

謝定中

(湖南安淳高新技術有限公司，湖南 長沙　410205)

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180萬t/a甲醇合成系統設計思考

謝定中

(湖南安淳高新技術有限公司，湖南 長沙410205)

摘要：針對國內甲醇合成裝置大型化趨勢，以湖南安淳高新技術有限公司的180萬t/a甲醇合成裝置為例，重點介紹了大型低壓甲醇裝置的工藝流程設計思想及其技術優勢，并對流程配置中新開發的氣冷甲醇塔的設計原理和結構特點進行了闡述。

關鍵詞：甲醇合成；大型化；結構特點

甲醇生產技術主要有低壓甲醇合成和高壓甲醇合成，其中低壓甲醇合成節能效果更為顯著，在市場上所占份額越來越多。隨著甲醇工業技術的發展，當前甲醇工藝的一個重要發展方向是大型化、超大型化。1997年，Lurgi公司率先發布了百萬噸級大甲醇概念。近年Davy、Casale、MHI/MGC推出不同類型甲醇反應器，為國內外甲醇的發展譜寫了新篇章。2006年9月，國內第1套以天然氣為原料的60萬t/a甲醇裝置在中海石油建滔化工有限公司投產成功。盡管大型化甲醇規模效應明顯，越來越受到市場追捧，但是以高CO煤氣為原料的大型甲醇裝置在工業化過程中還有一些問題，比如：單體反應器能力低、系統及反應器的配置不協調、阻力降較大等。如何借鑒前人的經驗，進一步探索和創新，湖南安淳高新技術有限公司(以下簡稱“安淳”)在現有多套低壓甲醇裝置成功運行的基礎上，開發了百萬噸級大甲醇裝置，下面以180萬t/a甲醇裝置的設計為例進行介紹。

1安淳大甲醇裝置設計原則

安淳開發的大甲醇裝置，在結合安淳現有低壓甲醇合成技術取得廣泛應用的基礎上，提出了以下設計原則。

(1)等溫低溫反應原則。大甲醇裝置中必須選擇合適的反應器，使反應溫度控制在低溫區，并且等溫反應。其一低溫反應溫度，遠離反應平衡線，反應推動力大；其二反應終點醇含量可以達到13%～15%，反應壓力為7.0 MPa左右，循環氣量少，能耗低；其三甲醇反應維持在等溫低溫下進行，避免了因超溫引起的催化劑失活，延長催化劑使用壽命，降低了催化劑的費用就相對減少了系統的投資。

(2)反應熱高效利用原則。甲醇反應熱很大，每kmol甲醇反應熱為96 140～104 500 kJ，大型甲醇裝置優化系統流程和反應器結構，主反應器采用水冷管相變移熱，充分利用反應熱產生較高壓力蒸汽，提高反應熱利用效率。

(3)大型化適用原則。其一可滿足規模大的要求，大型甲醇裝置單塔能力達到50萬～80萬t/a，單套系統達到180萬t/a；其二反應器規格滿足制造和運輸要求，對于沒有組焊條件的場所確保運輸方便。

(4)反應器安全可靠原則。大甲醇反應器必須十分可靠，確保安全生產。對于水移熱結構的水管，應有可靠的消除溫差應力的措施或結構設計。反應器的檢修周期至少要三至五年。

(5)節能降耗，經濟效益原則。設備上選材盡量避免采用特殊貴重材料，如雙相不銹鋼，降低制造成本；反應器結構合理，采用徑向結構，塔內阻力低。

2180萬t/a甲醇合成系統流程

根據甲醇合成反應熱大和現有銅基觸媒耐熱性差的特點，安淳大甲醇采用了“徑向等溫水冷式反應器+徑向氣冷式反應器”兩段等溫甲醇合成技術方案，其工藝流程見圖1。

圖1　安淳大型甲醇裝置流程示意

2.1流程簡述

6.5 MPa(g)(甲醇合成壓力在6.5 MPa(g)較8.0 MPa(g)功耗更低)原料氣與來自循環壓縮機的循環氣匯合后，經進料加熱器E-1換熱后溫度提高到108 ℃，再進入氣冷甲醇塔R-2中的冷管內，與管外催化劑層的氣體換熱，再經氣氣換熱器E-2后溫度提高到約214 ℃后，進并聯的兩水冷甲醇塔R-1-1/R-1-2，分別從底部經內外筒環隙進入催化床，反應氣與垂直懸掛式沸騰水管換熱，徑向流過催化床，進行催化反應，70%～80%的甲醇在此合成。反應后氣體進入中心集氣管，自上而下，由水冷甲醇塔R-1-1/R-1-2底部引出，兩塔反應氣約250 ℃混合后，經氣氣換熱器E-2后進入氣冷甲醇塔R-2的催化劑層，繼續進行甲醇合成反應，反應熱加熱冷管內的冷氣，出氣冷甲醇塔R-2的出塔氣溫度為220 ℃。經汽包給水預熱器E-3換熱后溫度降至175 ℃，然后入進料加熱器E-1溫度降至125 ℃，再經脫鹽水加熱器E-4和水冷器E-5冷卻至40 ℃入甲醇分離器分離出粗甲醇。

甲醇分離器出口的氣體，大部分經循環機升壓循環使用，升壓后與原料氣混合去合成甲醇，進行下一個循環，一小部分放空氣送至下個工段回收，也可燃燒部分，去過熱汽包產飽和蒸汽。

甲醇分離器底部出來的粗甲醇去粗醇中間槽，釋放出弛放氣后去甲醇精餾。

2.2180萬t/a甲醇裝置反應溫度曲線

180萬t/a甲醇裝置反應溫度曲線見圖2。

圖2　安淳大型甲醇裝置反應溫度曲線

2.3采用三塔流程(兩水冷塔并聯串一氣冷塔)

采用三塔流程具有以下特點。

(1)科學布管。水管能根據需要在反應區域恰當的布置，在反應曲線的初始階段和中期階段能均勻分布，能將整個催化劑床層溫差控制在3 ℃～5 ℃以內，反應溫度控制在240 ℃左右，從圖1可以看到，遠離平衡線，有利于推動反應。氣冷塔與水冷塔之間設置熱交換器，降低氣冷塔進口溫度，增加反應推動力。水、氣兩級反應溫度不相同，有利于反應平衡。合成氣轉化率高，出口醇含量高可以達到13%～15%，循環比低，有利于降低壓縮機功耗。催化劑使用壽命關鍵取決于催化劑床層溫差控制效果，甲醇反應器較小的催化劑床層溫差能確保催化劑使用周期達十年以上。

(2)熱能回收效率高。安淳專利技術——等溫反應器(水冷塔)相變移熱產生蒸汽，氣冷塔反應熱用于加熱冷管內氣體，反應熱利用率達到88%以上；噸精甲醇產中壓飽和蒸汽達到1.1 t以上，如果用放空燃燒氣過熱，可成為動力蒸汽拖動汽輪機。

(3)反應器大型化方便。對于場地不能滿足現場組焊的，單臺反應器規格滿足運輸要求，100%可以在工廠制作完運往現場。對于場地具備現場組焊條件的，可以把內件和外筒分開制作并單獨運往現場組焊。系列裝置產能大，單塔能力達到50萬～80萬t/a，單系列產量180萬t/a。

(4)反應器結構合理，安全可靠，操作簡單。自主研發的專利設備，采用懸掛水管，上端焊接于管板，下端自由，能自由伸縮，完全消除溫度變化對水管產生的溫差應力；兩水冷塔共一個汽包，一個調節點，兩塔反應溫度相同，操作簡單。

(5)系統節能環保，經濟效益明顯。從設備方面來看，反應器均為徑向反應器，塔內阻力??；反應器氣冷塔為兩合一設備(既是反應器，又是水冷塔的塔前預熱器)，減少了設備臺數、連接管道和占地面積。

2.4裝置的性能指標

大甲醇裝置性能見表1。

表1　大甲醇裝置性能

3反應器設計原理與結構特點

3.1JJD水管式甲醇合成塔

180萬t/a甲醇系統流程中的水冷塔為JJD低壓恒溫水管式甲醇塔。JJD甲醇合成塔由3部分2個系統組成，包括催化劑反應系統、蒸汽發生和水汽循環系統以及受壓外殼，設備示意見圖3。

圖3　JJD水管式甲醇塔

JJD水管式甲醇合成塔，是總結了國內外現有3大類甲醇合成塔的基礎上，去其缺點，取其精華，創新開發的甲醇合成塔，它是用沸騰水汽化，副產中壓蒸汽，移出甲醇合成反應熱。沸騰水在管內，催化劑在管外；沸騰水管為懸掛式，水、水汽為自然循環；反應氣體在催化床內是垂直于水管徑向流動；其反應溫度曲線是一條由多個連續鋸齒形組成的控制線。多套裝置多年的運行結果表明，其有容積利用系數高、單塔能力大、無需昂貴的雙相不銹鋼管材、阻力小、副產中壓蒸汽多、循環電耗小、冷卻水耗小、升溫還原容易、操作控制簡單、運行彈性大、適用性強、裝卸催化劑容易等優點。

3.2氣冷式甲醇合成塔

180萬t/a甲醇系統流程中的氣冷塔由外殼、徑向觸媒筐以及多組對稱的上行冷管束組成。每組U形冷管束包括進氣環、出氣環，一對環上有多對上行U形管，進氣環有一進氣管、一出氣管。進氣管與下分氣總管相連，出氣管與上集氣總管相連，結構示意見圖4。

圖4　氣冷式甲醇塔

3.2.1氣冷甲醇塔內部流程

未反應冷氣從下部三通外套管環隙進入，經下升氣管到分氣環，氣體分別進入上、下U形管，被管外反應氣加熱后，進入集氣環，經上升到集氣筒，出反應器。從水冷反應器來的70%～80%已反應氣從上部進入氣冷反應器的內外筒環隙，由上而下，分別進入徑向反應器觸媒層反應。反應后熱氣經中心集氣筒出反應器。

3.2.2氣冷甲醇塔結構特點

(1)全徑向結構，塔內阻力小。

(2)換熱管采用對稱U形冷管束。預熱氣體流動路程短，阻力??；對稱U形冷管束，中間受約束，上下兩端自由，承受熱應力強，可靠性好。

(3)每組U形冷管束溫度上下對稱相同(a-a、b-b)，每組U形冷管束對稱點溫度相同。

(4)U形冷管束組數較多，上下溫差、徑向溫差小，屬準等溫反應器。

4結語

百萬噸級甲醇合成技術發展趨勢是采用低壓法合成技術降低能耗，以較高位能回收反應熱，副產蒸汽，催化劑床層溫度易于控制，可靈活調節，催化劑生產強度大，有低的循環比和高的單程轉化率。湖南安淳高新技術有限公司的180萬t/a甲醇合成系統技術符合大甲醇發展概念和技術要求，是具有眾多優勢、應用前景廣闊的國產化百萬噸級甲醇合成技術。

Design Considerations on 1 800 kt/a Methanol Synthesis System

XIE Ding-zhong

(HunanAnchunAdvancedTechnologyCo.,Ltd.,ChangshaHunan410205China)

Abstract：In view of the large-scale development trend of domestic methanol synthesis plant, taking 1 800 kt/a methanol synthesis plant of Hunan Anchun Advanced Technology Co., Ltd. as an example, this paper focuses on introduction of process design philosophy and its technical advantages of large scale low pressure methanol plant, the design principles and structure features of the newly developed gas-cooled methanol synthesis reactor.

Keywords：methanol synthesis; large scale; structure features

收稿日期：2015-12-09

中圖分類號：TQ 223.121

文獻標識碼：B

文章編號：1004-8901(2016)01-0024-03

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.007 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.007

作者簡介：謝定中(1938年-)，男，湖南冷水江人，1961年畢業于天津大學化工無機物專業，大學本科，教授級高級工程師，現任湖南安淳高新技術有限公司董事長、總工程師、首席發明人。