甲醇合成塔在大型装置中的应用

　　近代甲醇不论作为化工原料(制二甲醚、丙烯、乙烯)或作为能源(甲醇汽油燃料)，用途和规模不断增加。国外装置规模已进入年产百万吨级，我国“九五”、“十五”都把开发低压甲醇合成技术列为重大项目，国务院领导对发展甲醇生产作过多次重要批示。2004年4月，国家发改委召开“关于甲醇燃料发展”的座谈会，目前还成立了中国石化协会醇醚燃料及醇醚清洁汽车专业委员会。甲醇汽油正在山西等省份试点推广。在这种甲醇生产规模不断扩大，向大型化发展的情况下，中国是否能开发自主的现代甲醇生产技术，几十年来在我们建大化肥当中，20多套大型氨合成塔全部从国外引进，但现在我们中国可以用自主知识产权的专利技术建设大型甲醇生产装置。
　　1 国外的大型甲醇合成技术现状
　　当代甲醇合成生产技术因低压法能耗省而成为主要技术，据称英国ICI公司和德国Lurgi公司技术占据70％以上的国外生产装置，代表了国外甲醇合成生产的技术水平。目前单套最大能力为2004年6月在特立尼达Atlas投产的5000t／d的由3台反应器组成的Lurgi联合反应器。ICI甲醇塔结构简单，催化剂装填系数大，易大型化，目前已有单套3000t／d的装置，但催化剂床层温差大，气体返混严重，合成效率低。Lurgi管壳甲醇塔，催化剂床层温度平稳，操作容易，合成效率较高，但反应器催化床存在严重壁效应，影响时空产率提高，催化剂装填系数小，反应器结构复杂，单塔能力小，大型化难度大。除以上二者，还有塔间换热的T0P E径向流动反应器，KBR 的球形反应器，段间换热的CASALE卧式多床反应器。这类反应器由多台或多床串联组合，塔间或段间设置外部换热器移去反应热。这类反应器床层压力减小，大型化容易，但设备投资大。反应器制造复杂，催化剂床层分布不够理想。
     上述3种甲醇反应器，连续换热等温型催化剂生产强度最高，为0．9～1．0kg／(L．h)；冷激型最低，为0．35～0．40kg／(L·h)；间接换热绝热反应在二者之间，即0．55～0．6kg／(L·h)。
2 具有我国自主知识产权的甲醇合成技术
2．1 林达低压均温甲醇合成塔的创新
     近年来我国低压甲醇合成技术取得很大进展，中国石化协会生产力促进中心等作了大量工作，杭州林达公司、华东理工大学、各设计院合作承担了一系列甲醇项目。杭州林达公司在甲醇和氨合成反应器上具有一系列成功的创新技术，申请了包括PCT国际专利、欧洲专利、俄罗斯专利、美国专利等在内的国内外专利，至今已有13项授权的国内外专利，在经成功开发了用于合成氨厂联醇生产的中压联醇塔，并成为目前中国联醇生产装置应用最多塔型之后，又成功开发了大型低压均温型甲醇合成塔技术，经在多厂家投产运行效果优良，并被评为2004年度国家发明奖。甲醇合成是强放热反应，进入催化剂层的合成原料气需先加热到反应温度(>210℃)才能反应，而低压甲醇合成催化剂(铜基触媒)又易过热失活(>280℃)，又必须将甲醇合成反应热及时移走，本合成塔将原料气加热和反应过程中移热结合，反应器和换热器结合连续移热，同时达到缩小设备体积和减少催化剂层温差的作用，实现达到“均温、高效、易大型化”的目标。
     该低压均温型甲醇塔是不同于现有国外甲醇塔的全新反应器结构，为国内外首创，经PCT国际检索、初步审查和国家实审，授予发明专利权，具多项独特的创新技术。其关键部分是发明了独特的大小2种弯头的双U形管冷管胆结构作为换热元件。小弯头U形管套在大弯头U形管内构成1对双U形管，双U形管中大小弯头U形管反向排列套装，气体在每2根相邻冷管内上下流动，方向均为逆流，达到触媒层等温均温反应目的，温差低达10℃，开发了全自由伸缩复合密封结构，环管位于催化剂上方的自由空间，双U形管位于催化剂层中，冷管没有焊接点，结构可靠。另一种型式为具上下双环管的低压均温型甲醇塔，冷管胆有上环管和下环管，上环管连结进气管和下行冷管，下环管连结下行冷管和上行冷管。
     创造开发成功用于甲醇合成的反应器模拟计算软件一“Reactor Designer”，数学模型经过大量实际生产数据校正，更逼近实际效果。用于均温型单(联)醇反应器、管壳式反应器、ICI冷激型反应器及大型甲醇装置的联合反应器，内含各种甲醇催化剂动力学数据，可方便地对反应器进行优化设计，为开发优化设计高性能甲醇合成反应器提供强有力的技术保障。
2．2 林达甲醇合成塔投运效果和主要技术指标
      新型合成塔已投产6套装置，与上述国外装置比，充分显示出反应器体积小，触媒层温差小，CO转化率高，产量高，原料气耗少等优点。
      哈气化φ2000冷激塔改为Jw 均温型甲醇塔后，触媒层温度差由原30～70℃ 降低为同平面<5℃，轴向<10℃，在原料气量、进塔气量和甲醇合成触媒不增加情况下，甲醇产量提高50％，吨醇原料单耗降低129Nm3，电耗降低120kWh。在5MPa有效合成压力下，甲醇催化剂的生产强度达0．69t／(m3．h)，比冷激塔0．382 t／(m3．h)增加50％多，也比引进和国外达到的Lurgi管壳式(0．58 t／(m3．h)和0．65 t／(m3．h))要高，Jw 塔和冷激式、管壳式甲醇塔主要技术经济指标比较见表1。
 
      实际使用结果显示Jw 低压均温型塔达到了兼具冷激型甲醇塔结构简单、催化剂装填系数大和管壳型甲醇塔床层温差小、合成效率高的优点，在同样生产能力下其直径比上述2种塔型都要小(见表2)。