上浮頭管殼式甲醇反應(yīng)器及工藝流程設(shè)計(jì)說明

1、上浮頭式管殼式甲醇反應(yīng)器及系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)說明王慶新 劉芳 趙勇 孫宏帥（南京敦先化工科技有限公司 郵編： 210044 ）1 、南京敦先化工科技有限公司公司簡(jiǎn)介南京敦先化工科技有限公司是以王慶新為首創(chuàng)辦的高科技股份制企業(yè)。 公司主要從事合成氨、甲醇、二甲醚、甲醛、甲縮醛、合成氨原料氣體凈化以及甲醇下游產(chǎn)品的技術(shù)研發(fā)和推廣工作， 目前擁有近二十項(xiàng)專利技術(shù)，部分專利技術(shù)已經(jīng)成功轉(zhuǎn)化為工業(yè)裝置。 公司與部分院校有著緊密的合作關(guān)系。公司下設(shè)計(jì)研究所、技術(shù)經(jīng)營(yíng)部、機(jī)械設(shè)備加工廠，設(shè)備加工廠具有10.0mpa 以下制造資質(zhì)， 廠房建筑面積10000m 2。 自公司成立以來已經(jīng)為湖北鄂西、河南寶馬、河南寶發(fā)能

2、源、四川匯豐能源集團(tuán)、安陽貞元集團(tuán)等單位提供了合成氨、甲醇、二甲醚等技術(shù)和專利產(chǎn)品，部分技術(shù)已經(jīng)超越國(guó)內(nèi)同類技術(shù)，節(jié)能降耗、環(huán)保等方面處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。公司近兩年來主要業(yè)績(jī)?nèi)缦拢海?1 ）湖北鄂西化工有限公司 8 萬噸 / 年反應(yīng)器內(nèi)件設(shè)計(jì)及制造；（ 2 ）河南寶馬化肥廠15 萬噸 / 年低壓甲醇反應(yīng)器設(shè)計(jì)及制造；（ 3 ）河南寶發(fā)能源有限公司 15 萬噸 / 年二甲醚系統(tǒng)軟件包及反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和制造；（4 ）河南寶馬化肥廠科技有限公司 25 萬噸 / 年低壓甲醇反應(yīng)器設(shè)計(jì)及制造；（5 ）四川匯豐能源有限公司 30 萬噸 / 年低壓甲醇軟件包及反應(yīng)器的設(shè)計(jì)及制造；（6 ）安陽貞元集團(tuán) 20 萬噸

3、 / 年二甲醚裝置的軟件包、工程、反應(yīng)器及部分非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造。公司主要的業(yè)務(wù)范圍：（1） 11.o22.0mpa的成套氨合成技術(shù)、反應(yīng)器及分離設(shè)備內(nèi)件的設(shè)計(jì)和制作；（2） 22.031.4mpa的成套氨合成技術(shù)、反應(yīng)器及凈化設(shè)備內(nèi)件的設(shè)計(jì)與制作；（3） 4.56.0mpa的低壓聯(lián)醇、單醇成套合成技術(shù)。并提供低壓聯(lián)醇、單醇反應(yīng)器及分離設(shè)備的設(shè)計(jì)與制作；（4） 12.0mpa 中壓聯(lián)醇系統(tǒng)的成套技術(shù)、反應(yīng)器及分離設(shè)備內(nèi)件的設(shè)計(jì)與制作；（5） 5 ）合成氨原料氣精制的成套技術(shù)設(shè)計(jì)，并提供反應(yīng)器、附屬凈化設(shè)備反應(yīng)器及分離設(shè)備內(nèi)件的設(shè)計(jì)與制作；（6） 6 ）甲醇脫水合成二甲醚技術(shù)，并提供甲醇?xì)庀嗝?/p>

4、水合成二甲醚反應(yīng)器及塔器的設(shè)計(jì)與制作，或?qū)こ踢M(jìn)行總包；（7） 7 ）提供甲醛、甲醛醛全套工藝軟件包、工程設(shè)計(jì)及非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造，或工程總包。2、上浮頭式管殼式甲醇反應(yīng)器說明南京敦先化工科技有限公司在日本三菱超轉(zhuǎn)化反應(yīng)器（spc）基礎(chǔ)上開發(fā)出一種 “上 浮頭式管殼是甲醇反應(yīng)器”也稱“一種多組空心圓柱床層集合體的反應(yīng)器，專利號(hào)為：zl2009 2 0048465.9。2.1 日本三菱甲醇合成超轉(zhuǎn)化率塔（spc）簡(jiǎn)要說明日本三菱氣體化學(xué)公司研制在 lurgi管殼式甲醇反應(yīng)器基礎(chǔ)上進(jìn) 行改進(jìn)改進(jìn)，其結(jié)構(gòu)為：上、下管 板仍采用筒體焊接方式，下部增設(shè) 一個(gè)氣體隔開冷熱氣體的內(nèi)封頭 冷氣體引入內(nèi)部氣管

5、采用軟管聯(lián) 接。單個(gè)催化劑床層為雙套管結(jié) 構(gòu)，催化劑床層外管為小85x5、內(nèi) 管為小19 x2 ,催化劑床層厚度為 28mm，催化劑裝在內(nèi)外套管間，冷氣通過冷氣管與管外催化劑層逆流換熱，降低催化 劑層底部溫度，提高甲醇合成率，管間為沸騰水，副產(chǎn)蒸汽（見上圖） 。據(jù)報(bào)道：日產(chǎn)520噸的甲醇合成塔，內(nèi)徑2.4米，內(nèi)有長(zhǎng)15米的雙套管462根， 外管為 85mm x5mm ,內(nèi)管為 19mm x1.5mm ,換熱面積2123m 2,總重180噸，內(nèi) 外套管間裝催化劑28 m3,操作壓力11mpa ,進(jìn)塔氣先預(yù)熱到150 c,入塔后分布到各 雙套管的內(nèi)管中，吸收管外套管間的反應(yīng)熱，預(yù)熱至反應(yīng)溫度220

6、 c后進(jìn)入套管間的催化劑層反應(yīng)，熱點(diǎn)溫度 250 c左右，反應(yīng)熱同時(shí)被內(nèi)管中冷氣和外管外殼程間的沸騰水 移走，出催化劑層溫度為213 c左右，在11.2mpa ,空速11000nm 3/h下。出塔氣中甲 醇含量8.6%。三菱公司認(rèn)為spc有著比lurgi等溫合成塔低的循環(huán)比和比lurgi合成塔 更高的單程轉(zhuǎn)化率，如果采用兩種壽命長(zhǎng)、活性高和耐熱性好的銅基催化劑， 合成塔出口 甲醇可高達(dá)12%以上。spc雙套管內(nèi)徑75mm比lurgi列管合成塔 34或40大得多, 管數(shù)少得多，故裝卸催化劑容易，spc外管受壓壁厚，比列管式機(jī)械強(qiáng)度好，內(nèi)管、軟 管和隔板為不受壓部件。spc由于上下管板仍然采用與筒

7、體焊接方式，催化劑床層與殼體之間的熱應(yīng)力沒有 消除，隨著塔高度的增加同樣會(huì)出現(xiàn)殼體材料疲勞現(xiàn)象、造價(jià)較高等缺陷。2.2 上浮頭式管殼式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)說明2.2.1 改進(jìn)部分說明2南京敦先化工科技有限公司針對(duì) spc存在的缺陷進(jìn)行以下優(yōu)化設(shè)計(jì)：(1)上部設(shè)置一個(gè)內(nèi)封頭，內(nèi)封頭與上關(guān)板連接，上管板與外部殼體之間留有一定 環(huán)隙，使內(nèi)封頭、上管、催化劑床層受熱后上下自由活動(dòng)，很好得消除應(yīng)力；(2)上部設(shè)置一個(gè)dn650的催化劑裝填口，在內(nèi)封頭上設(shè)置一個(gè)小650 x6催化劑 裝填管，并在個(gè)小650 x 6催化劑裝填管內(nèi)部設(shè)置一個(gè)盲板，在催化劑裝填好后采取焊接密 封，確保水與氣之間密封安全可靠；(3)在催化劑

8、床層外管下部設(shè)一短節(jié)，內(nèi)部小19氣體管道通過一個(gè)900彎頭焊接在 在下部短節(jié)上，很巧妙得解決了冷氣體導(dǎo)入小19 x2管內(nèi)的問題。2.2.2 結(jié)構(gòu)說明上浮頭管殼式反應(yīng)器由上外封頭、上內(nèi)封頭、上管板、催化劑床層外管、催化劑床層 內(nèi)管、下管板、下內(nèi)封頭、下外封頭、筒體等部件組成。下管板與筒體、催化劑床層外管 及下部外封頭連接在一起，設(shè)備整體、水和催化劑的重量全部支撐在下管板及外下封頭上。 內(nèi)部上封頭與上管板、催化劑床層外管相連接，但與外筒、上部外封頭不連接，催化劑床層外管受熱后連同上管板、內(nèi)部上封頭一起向上膨脹延伸。催化劑床層內(nèi)部設(shè)有導(dǎo)氣管， 導(dǎo)氣管與催化劑床層外管之間形成空心圓柱形催化劑床層。催化

9、劑外管與筒體之間形成水 腔體，水腔體內(nèi)裝滿移熱的水。下封頭設(shè)有氣體進(jìn)口 al2、反應(yīng)后氣體出口 b、催化劑 自卸口 el2,筒體下部設(shè)有軟水進(jìn)口 cl8、筒體上部及外部上封頭設(shè)有蒸汽出口 di 810。上封頭的上部設(shè)有直徑為650mm的直筒體及可以移動(dòng)的封頭，催化劑裝填由上部 裝入。上浮頭式甲醇反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖及部分部件結(jié)構(gòu)示意圖如：6088單個(gè)催化劑床層結(jié)構(gòu)示意圖13反應(yīng)器下管板與內(nèi)封頭、催化劑外管和筒體之間結(jié)構(gòu)示意圖2.3 氣體內(nèi)部工藝流程圖說明內(nèi)部工藝流程：氣體由下部封頭 al2 口進(jìn)入，經(jīng)過下部?jī)?nèi)封頭與外封頭之間環(huán)隙進(jìn) 入冷氣體分布室，在分布室內(nèi)分別進(jìn)入催化劑床層內(nèi)部導(dǎo)氣管內(nèi)，邊換熱邊

10、向上流動(dòng)，氣體由導(dǎo)氣管上部出來然后轉(zhuǎn)180o進(jìn)入到空心圓柱形催化劑床層進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)放出的熱 量由催化劑床層外管的水移走，并副產(chǎn)蒸汽。反應(yīng)后的氣體進(jìn)入內(nèi)封頭，然后由下部出氣 管導(dǎo)出甲醇反應(yīng)器。2.4 上浮頭管殼式反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn)：(1)采用水、氣同時(shí)移熱技術(shù)，單程轉(zhuǎn)化率高、循環(huán)比小、副產(chǎn)蒸汽量大：本反應(yīng)器催化劑床層為“空心圓柱形”結(jié)構(gòu)，內(nèi)部采用氣體間接移熱、外部全部埋在沸騰水中。同 樣甲醇生產(chǎn)能力，換熱面積是其它水移反應(yīng)器的1.21.38倍，是國(guó)內(nèi)目前移熱能力最強(qiáng) 的反應(yīng)器。副產(chǎn)蒸汽量可以達(dá)到1.38t/tch30h ，比國(guó)內(nèi)其它低壓甲醇反應(yīng)器多副產(chǎn)0.170.38 t/tch30h ,循環(huán)比控制在

11、3.24.0范圍；(2)單程轉(zhuǎn)化率高：催化劑床層下部 1/3的催化劑床層，外部與不飽和水接觸、內(nèi)部 與150160 c的冷氣接觸，可以是下部1/3部分的催化劑床層溫度控制在 215225 c 之間，利于c0+h2 -ch30h+q 放、co2+h2 -ch30h+q 放的化學(xué)反應(yīng)向正反應(yīng)方 向進(jìn)行，利于提高單程轉(zhuǎn)化率，確保醇凈值在 6.5 %以上。催化劑床層反應(yīng)溫度與床層高度曲線圖如下圖:200(0.5m1.0m1.5m0m.5m3.0m345fmm4.5e0m5.56i0m.5mom7.5m8805iti(3)工程投資低：國(guó)內(nèi)“反lurgi”反應(yīng)器由于管或板內(nèi)走水、管或板外裝填催化劑，反應(yīng)器

12、由內(nèi)件和殼體組成，造成整臺(tái)反應(yīng)器造價(jià)高，還需要設(shè)置可以起吊反應(yīng)器內(nèi)件的框架；由于水側(cè)流動(dòng)通徑小、阻力大，需要將氣包設(shè)置較高位置；另外，催化劑裝填量大、生產(chǎn)費(fèi)用高。而本公司開發(fā)的上浮頭管殼式反應(yīng)器與“ lurgi ”式類似，但在用材上選用國(guó)內(nèi)普通材質(zhì)： 如殼體部分為 q345r 、 催化劑管為 0cr18ni9 ， 同規(guī)模的設(shè)備僅為 “ lurgi ”式價(jià)格的2/34/5。（ 4 ）很好解決了熱應(yīng)力問題、提高設(shè)備使用壽命：上管板、上部?jī)?nèi)封頭是可以向上移動(dòng)的整體，在催化劑外管受熱后向上膨脹時(shí)，上管板、內(nèi)封頭也向上移動(dòng)，產(chǎn)生的應(yīng)力在上部 dn650 催化劑裝填口處自由向上移動(dòng)。 避免了管殼式反應(yīng)器造

13、成筒體裂或管板裂的現(xiàn)象；（ 5 ）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不存在技術(shù)難題：本反應(yīng)器催化劑床層是由數(shù)個(gè)“空心圓柱形”催化劑床組成，如同管殼式反應(yīng)器采用38、42管子裝填催化劑一樣，單根成熟，由數(shù)根組成的集合體也是成熟的， 根本不存在技術(shù)難題， 很容易實(shí)現(xiàn)裝置放大。 而本反應(yīng)器的 “空心圓柱形”催化劑床的厚度2628mm之間，從計(jì)算、設(shè)計(jì)等方面要比“反 lurgi ”簡(jiǎn)單得多，而且非常成熟；（ 6 ）水與氣之間密封最安全：如上部結(jié)構(gòu)示意圖，水與氣之間采用焊接密封，在催化劑裝填好后，將盲板放上，采用焊接密封，確保水與氣之間密封安全；下部氣與氣之間壓差僅有 0.2mpa 的壓差，冷熱氣體之間采用填料密封，非常安全。

14、（ 7 ）氣體分布均勻、有效提高催化劑利用率：氣體出換熱管后與其它換熱管過來的氣體充分混合，在上部較大空間內(nèi)，氣體流速降低，然后返折180 0。因此，對(duì)氣體分布而言是最好的；（ 8 ）熱水采取自然循環(huán)、減少運(yùn)行費(fèi)用：熱水為自然循環(huán)，比現(xiàn)有“反lurgi ”反應(yīng)器分別節(jié)省12.93kwh/tho3oh 、 15.61kwh/tho3oh 的動(dòng)力消耗；（ 9 ）設(shè)備為一整體結(jié)構(gòu)、使用壽命長(zhǎng)，降低維修費(fèi)用：設(shè)備結(jié)構(gòu)合理、熱應(yīng)力消除好，材料優(yōu)于同類型產(chǎn)品，設(shè)備為三類壓力容器廠家整體制造， 便于整臺(tái)設(shè)備質(zhì)量控制， 確保設(shè)備在20年內(nèi)免維修！杜絕了 “反lurgi ”單位8年就需要更換一次甲醇反應(yīng)器內(nèi)件的

15、現(xiàn)象！主要技術(shù)參數(shù)如下表(10)易于實(shí)現(xiàn)裝置大型化：我們采用同樣小4100設(shè)備內(nèi)徑，分別按照小38、小44、小80 (內(nèi)部采用小18的導(dǎo)氣管)的管徑來布管：分別得出參數(shù)如下表：序號(hào)主要參數(shù)名稱布小38 x2催化劑管布日44 x2催化劑管布力80 x3催化劑管(中心放置m8x1.5管)1布管數(shù)6325478316462催化劑床層截面積m25.7396.0076.6573催化劑床層有效高度m6.57.08.54同樣阻力狀態(tài)卜催化劑裝填量m341.2646.00765.665床層換熱回積m24905.544625.734600.87625萬噸床層阻力mpa0.120.120.12我們從上表可以明顯看

16、出:(a) 同樣布管圓，選擇大管子作為催化劑管，換熱面積下降，但催化劑床層通徑截面積增大，可以增加催化劑床層高度來滿足換熱面積。在同樣阻力情況下，催 化劑裝量大，能夠提高單套生產(chǎn)裝置能力，便于裝置大型化：(b) 先擇大管徑催化劑床層，催化劑裝填量大、氣體與催化劑床層接觸時(shí)間長(zhǎng)，利 于單程轉(zhuǎn)化率提高，便于進(jìn)一步提高出口甲醇含量，降低運(yùn)行能耗。(c) 對(duì)于同樣換熱面積，如果想提高水側(cè)的移熱能力可以通過將氣泡位置提高，加大水側(cè)的循環(huán)比。（ 11 ） 最適宜合成氨低壓聯(lián)醇裝置:作為合成氨聯(lián)醇裝置不僅需要通過生產(chǎn)甲醇的氣量，同時(shí)還需要通過生產(chǎn)合成氨的氣量， 雖然在低壓聯(lián)醇裝置之前設(shè)有精脫硫裝置，但從現(xiàn)在

17、低壓聯(lián)醇運(yùn)行結(jié)果看，如果催化劑裝填料少，低壓聯(lián)醇運(yùn)行周期較短， 而南京敦先化工科技有限公司開發(fā)的上浮頭式管殼是反應(yīng)器，在同時(shí)小 4100管殼式甲醇反應(yīng)器來看，催化劑裝填量在65m 3 以上，比 lurgi 式催化劑多裝20m 3 方以上的催化劑，在同樣硫含量條件下，運(yùn)行周期至少可以延長(zhǎng)1 年以上。再者低壓聯(lián)醇裝置需要?dú)狻⑺畠蓚?cè)的壓差在4.0mpa 以上，而上浮頭式管殼是反應(yīng)器催化劑床層為圓管，上部水與氣之間的內(nèi)部上封頭完全可以根據(jù)不同的壓力要求來選擇封頭的壁厚。 因此南京敦先化工科技有限公司開發(fā)的上浮頭式管殼是反應(yīng)器最適宜低壓聯(lián)醇裝置。3 、配套的工藝流程設(shè)置3.1 工藝流程設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)新理念（

18、 1 ）對(duì)循環(huán)氣體進(jìn)行全氣量洗滌，可以將現(xiàn)有運(yùn)行裝置的入塔氣體中甲醇含量由0.450.59 %將到0.09 %以下，醇凈值可以高0.20.5 %。（ 2 ） 適當(dāng)增加氣氣換熱器的換熱面積及熱氣的通道， 主要熱氣體經(jīng)過氣氣換熱器時(shí)，由220 c降到75c,由于熱氣體中甲醇濃度高，在溫度變化過程中，已經(jīng)有氣態(tài)甲醇變成液態(tài)甲醇， 熱氣體在氣氣換熱器內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)雙相流， 而且有大量冷凝熱放出。 根據(jù)計(jì)算適當(dāng)增加氣氣換熱器的換熱面積及熱氣的通道不僅可以降低系統(tǒng)阻力， 更重要的是可以將熱量回收到甲醇甲醇塔內(nèi)部， 通過多副產(chǎn)蒸汽量的方式帶出甲醇系統(tǒng)， 同時(shí)可以減少水冷器的負(fù)荷，降低噸醇的冷卻水量。（ 3 ）甲

19、醇分離洗滌塔是分離器與吸收塔的組合體，下部采用旋流、重力、過濾三結(jié)合的分離方式， 確保液滴狀的甲醇被分離掉。 上部洗滌段采用復(fù)合板的結(jié)構(gòu)， 每一層復(fù)合板分別由除沫絲網(wǎng)、氣體分布板、規(guī)整填料組成。水從上向下流動(dòng)、氣體由下往上流動(dòng)。除沫絲網(wǎng)主要除去上升氣體夾帶的液滴和氣泡，防止甲醇濃度高的水帶到上部去，影響上一塊塔板的洗滌效果，氣體分布板主要使氣、液分布均勻，規(guī)整填料主要增加氣、液傳質(zhì)面積，提高水對(duì)甲醇的吸收效果，確保用水量小。（4）在水路的自然循環(huán)管上設(shè)計(jì)蒸汽噴射槍裝置，開車時(shí)，可以通過蒸汽噴射的動(dòng) 力及靜壓能完全實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)，不僅簡(jiǎn)化了水路的流程，同時(shí)也降低了工程投資。工藝流 程簡(jiǎn)圖如下：（5）反應(yīng)器與熱交之間設(shè)置一個(gè)軟水加熱器，出反應(yīng)器的溫度由225