DN 1400等温冷管型低压甲醇塔的开发与应用

　　1 前言
　　近年来随着甲醇市场的走俏，国内正新建或在建一批大型甲醇厂，采用的都是低压合成技术。究其原因，低压单醇不仅生产规模大，而且由于合成压力低(～5MPa)，综合能耗低，甲醇质量好，投资也相对较少，经济效益好。
　　目前，国内低压甲醇合成塔多采用管壳式的Lurgi塔，也有ICI的多段冷激等塔型的使用。自从我国自主开发成功均温型低压甲醇塔并取代生产强度较差、引进的多段冷激塔后，在市场中充分显示了较强的竞争力。
　　浙江工业大学自20世纪70年代成功开发了单管折流式合成塔内件后，在氨和甲醇合成领域中得到了大面积推广应用，取得了良好的经济效益和社会效益。
目前，浙江工业大学在单管折流式(即等温型或均温型)内件于中压联醇及高压单醇成功开发与应用的基础上，又研发了新型等温冷管型低压甲醇塔(专利号：20041008453．x)。第一台DN1400合成塔在四川智捷天然气化工有限公司30kt／a甲醇技改项目中得到了成功应用，取得了明显的效益。
　　2 设计方案及特点
　　四川智捷公司采用天然气为原料生产甲醇，原生产能力为15000t／a，采用~1600管壳式合成塔，装填5．5m3催化剂，现生产能力需扩大一倍。经过调研，最后决定采用管壳式和冷管式合成塔，二个合成系统串联生产，即将老系统作为前一级，其醇后气作为后一级的气源，气体经热交预热至～150℃后人塔进催化剂床层，在～230℃反应，出塔气经废锅回收热量，副产0．5MPa蒸汽。出废锅气体经热交降至～70℃ ，再经水冷降温，至醇分分离粗醇后气体部分放空，其余返回循环机。用蒸汽(或电)加热器升温还原。工艺流程见图1。项目工程设计全部由中国成达公司承担。
 
    本合成塔结构见图2，它由外筒加内件二大部件组成。内件采用多重环管(n≥6)的单管折流式冷管胆，塔内不设换热器，内件亦无筒体。冷管胆用井字架支撑在外简壁上。内件上部设有上隔板，主要用于冷管胆引气管的密封，还与外筒法兰进行密封，采取榫槽面结构。使用不锈钢缠绕垫片。外筒上、下采用球形封头，上封头装有新型独特的气体分布器，下封头内装有圆桶形触媒挡板，连接出气管。封头底部还焊有三根卸触媒管。下封头内装填氧化铝球，其上方充满甲醇催化剂，整个床层呈连续相，触媒连同氧化铝球可以连续自卸。
该合成塔具有以下优点：
(1)与冷激式低压甲醇塔相比，床层温差大幅度减小，有利于甲醇合成反应，转化率高，副反应少，催化剂寿命长，空时得率高(可提高～50％)，操作稳定，方便，还可副产蒸汽。
(2)与管壳式低压甲醇塔相比，床层温差还小(△t≤10℃)，结构简单，无特殊材质要求。催化剂装填系数可达～65％，比管壳式提高一倍，冷管型传热面积减少-70％，不需特殊不锈钢，设备投资可大幅度降低。之外，塔阻也比管壳式小。
(3)与U形管低压甲醇塔相比，由于冷管布置更加合理，床层等温性佳，多重环管结构，稳妥可靠，装卸催化剂也更为方便。
 3 催化剂装填与升温还原
     我们采用浙江工业大学研发的等温冷管型低压甲醇塔，其中内件由浙江某机械厂制作。合成塔催化剂容积为7．8m3，实装XNC一98型催化剂11吨，粒度为φ5×5mm (原设计为 ×5mm)。
     本次催化剂采取低氢还原，升温还原方案由西南化工研究设计院催化剂厂制订(见表1)。计划65小时，在实际执行过程中进行了适当调整。从2005年3月24日10时开始升温。由于老系统需继续生产，新系统是在边生产的条件下边还原，因现场只能启用一台13．3m3／min循环机，N2补气压力又受到限制(～1．1MPa)，故还原压力低，还原空速小(<1000h-1)，实际时间比计划延长～30h。还原过程中床层温差较小， 出水旺而均匀(个别时间达70kg／h)，还原出水较为彻底。本期催化剂还原出水1961kg，其中物理水302kg(比理论量少～100kg)， 占理论出水量的93％。还原结束前，床层底部温度达220℃ 。此时床层轴向温差5℃ ，三个平面温差<2℃ ，最后连续出水1．6kg／h，还原视为基本结束。在3月28日8时开始换气提压转入轻负荷生产。在此阶段压力提到～4．0MPa。温差7．2℃ 。平面温差1～1．9℃ ，塔压差18kPa。甲醇流量～1．7m3／h。生产情况正常。这次升温还原过程较为顺利。内件的优良性能及安装到位从而保证了较小的床层温差，催化剂还原彻底且还原后活性较好，尽管还原过程受空速限制，即使在实际还原中水汽曾高达～7g／m ，仍然对其活性影响不大。

　　4 初步使用情况
　　由于申请增加指标的天然气量目前尚未到位，另外考虑到老系统需要检修，故停开老系统，以确保整个新系统的投运与考查。
    在目前转化供气尚未完全满量的工况下。即转化气流量为11458Nm3／h， 组成(％)为：CH45．29、CO 10．88、co2 10．29、H2 73．54；人塔气压力4．9MPa，人塔气温度167．3℃ ，人塔气组成(％)：CH4 16．25、CO 2．32、co2 2．12、H279．31，床层热点温度229．4℃ 。轴向温差10℃ 。平面温差0．5～1．7℃ 。出塔气温223．7℃ ，出塔气量68515Nm ／h，塔阻75．2kPa(如采用φ9 ×5催化剂，则塔阻可降至50kPa以下)，比原管壳式塔阻低得多。系统各节点温度见表2。精甲醇产量～l8．5t俄(最高达l9．7t俄)，副产0．36-0．5MPa蒸汽～2670 ／h，吹扫气量2201Nm3／h，送转化炉燃烧。

　　5 经济效益分析
　　这次30kt／a甲醇技改项目总投资约二千万元(整个系统新建)。粗醇系统与老系统相比减少一台汽包，增加一台废锅和一台蒸汽加热器，由于更新了造价更低的合成塔，该部分投资将近节省～110万元。
     新系统目前生产能力已超过15kt／a的设计要求，现产量比老系统增加～l5％，如果转化供气量再增加，该系统生产能力完全可达20kt／a。
     目前生产天然气单耗1030m3，相应降低了30 ，电耗480kW·h，下降50～60kW·h。另外，副产蒸汽量还能增加～l2％ ，进水冷温度还降低～20℃ ，能使冷却水用量有所减少。总之，这次30kt／a甲醇技改项目完成得比较满意。