GC型水冷板甲醇合成反應

1、GC型水冷板甲醇合成反應摘要通過對國內(nèi)、外甲醇反應器結(jié)構及低壓甲醇工藝技術的研究，國昌公司近 年來開發(fā)了 GC型水冷板甲醇合成塔及其配套的工藝，并成功應用于河南寶馬、 湖北當陽等化工企業(yè)。在工業(yè)化成功應用的基礎上，研究開發(fā)了能耗低、醇凈值 高的百萬噸級大甲醇裝置。關鍵詞甲醇水冷板反應器醇凈值1國內(nèi)甲醇合成塔技術現(xiàn)狀目前國內(nèi)甲醇合成裝置采用的甲醇合成塔主要有氣冷型和水冷型兩種，其中 應用較多的氣冷型主要有冷管均溫型甲醇塔和軸徑向多段甲醇塔。氣冷型甲醇塔 結(jié)構簡單可靠、操作彈性大、造價低廉，但是該塔型最大的不足是副產(chǎn)蒸汽品位 低（1.6MPa ）、副產(chǎn)蒸汽量小（500600kg/tCH3OH），往

2、往不能滿足企 業(yè)對副產(chǎn)蒸汽品質(zhì)產(chǎn)量的要求。水冷型甲醇合成塔因其反應熱利用率高，噸醇可 以副產(chǎn)2.54.0MPa蒸汽1.0t左右而逐漸受到市場的青睞。國內(nèi)之前常用的水冷型甲醇合成塔主要有Lurgi管殼式和改進型的管殼式 反應器，該類塔型的結(jié)構原理基本相同，冷卻介質(zhì)水-蒸汽走管外，工藝氣走管 內(nèi)，溫度調(diào)節(jié)方便，在中小型低壓甲醇裝置取得了良好的運行效果，但其仍然存 在如反應器的材料要求苛刻、催化劑裝填系數(shù)低、壓力降高等缺點。針對上述缺點，近年發(fā)展了徑向流管殼式水冷型反應器，冷卻介質(zhì)水-蒸汽 走管內(nèi)，工藝氣走管外，通過結(jié)構的變化，提高了催化劑的裝填系數(shù)，使反應器 阻力降至0.2MPa，高徑比（或長徑比

3、）提高到3-5。徑向流管殼式反應器雖然 解決了阻力的問題，但隨之又出現(xiàn)另一些問題：（1）盡管提高了催化劑的裝填系數(shù)，但是在反應器設備參數(shù)相同的情況下， 徑向流管殼式水冷型反應器的單位換熱面積的催化劑裝填量是軸向流管殼式水冷 型反應器的2.5倍，甲醇反應產(chǎn)生的熱量難以移走，催化劑局部易出現(xiàn)過熱的 情況。為了保證較好的傳熱效果，換熱管的設計排布要求非?？量獭＃?）立式徑向流管殼式水冷型反應器的氣體分布器的設計要求非常嚴格， 否則易出現(xiàn)氣體偏流的情況，造成催化劑局部過熱。目前運行成功的有Davy和 MRF-Z立式徑向流管殼式水冷型反應器。采用臥式管殼式水冷型反應器能夠滿 足氣體分布均勻的要求，但是催

4、化劑的裝卸比較困難，而且反應器的軸向溫差較 大，對設備的長周期安全運行有一定的影響。因此，市場迫切需要傳熱能力更強、可靠性更高、造價較低的新型甲醇合 成塔的出現(xiàn)。2GC型水冷板甲醇合成塔GC型水冷板甲醇合成塔的開發(fā)國昌公司在發(fā)展軸徑向多段塔技術的同時，密切關注國內(nèi)外水冷型甲醇合 成塔技術的發(fā)展，并結(jié)合自身的技術優(yōu)勢，對現(xiàn)有的技術在應用中所暴露出的一 些弱點進行改進，在新塔型的開發(fā)中，力求在強化傳熱、結(jié)構安全可靠、降低造 價和易于大型化方面取得新的突破。第一臺0 2800 GC型水冷板甲醇合成塔于 2007年2月在河南寶馬化肥廠投運成功，設計壓力5.5MPa,年生產(chǎn)能力達到 15萬噸。GC型水冷

5、板甲醇合成塔由外殼和內(nèi)件兩部分組成，外殼和內(nèi)件分別獨立制 造和運輸，現(xiàn)場組裝。內(nèi)件由徑向分布器1、徑向集氣筒2、分水聯(lián)箱3、集水 聯(lián)箱4、換熱板5等主要元件組成（見圖1）。GC型水冷板甲醇合成塔流程：氣體由上部進入，沿外殼與內(nèi)件間的環(huán)隙經(jīng) 徑向分布器進入催化劑床層，在催化劑床層內(nèi)氣體不斷改變 氣流方向，來自第一層兩換熱板之間的氣體分圖1 GC型水冷板反應器別沿順時針及逆時針兩個切線方向流經(jīng)第一層換熱板與第二層換熱板之間催化劑 床層（第2層催化劑床層），然后氣體由經(jīng)過第二層換熱板與左右兩塊換熱板之間 形成的氣流通道進入第二層換熱板與第三層換熱板之間的催化劑床層（第3層催 化劑床層），氣體重復上述

6、流動方向及路徑，不斷改變流動方向和另一方向過來 的圖2氣體流向示意圖 氣體混合，一直到達第n層換熱板，由第n層換熱板之間縫隙進入第n+1催化劑 床層氣體分別沿順時針及逆時針兩個切線方向流經(jīng)第n + 1催化劑床層后進入徑 向集體筒，由徑向集體筒內(nèi)部中心管流出反應器（見圖2）。鍋爐水通過下降管進入分水聯(lián)箱，自下而上經(jīng)過每一塊換熱板吸收催化劑床 層反應放出的熱量，經(jīng)換熱板內(nèi)部到達上部集水聯(lián)箱，經(jīng)上升管到達汽包進行汽 水分離，產(chǎn)生的飽和蒸汽送入蒸汽管網(wǎng)，過飽和水蒸發(fā)出蒸汽。GC型水冷板甲醇合成塔的技術特點GC型水冷板甲醇合成塔具備一般水冷型塔的副產(chǎn)蒸汽品位高、產(chǎn)量大，操 作簡單等優(yōu)點，還具有獨特的優(yōu)點

7、，歸結(jié)起來主要有以下幾點：氣體徑向、折流分布技術GC型水冷板甲醇合成塔氣體徑向分布技術采用徑向?qū)臃謿饬鱾?cè)和集氣流側(cè) 兩向小孔同時補償?shù)膶＠夹gZL200620077859.3和魚鱗筒二次分布器專利 技術ZL200520077058.2，使氣體分布均勻。工藝氣從塔頂進入到殼體與內(nèi)件 間的環(huán)隙，經(jīng)不等徑小孔一次分布后再經(jīng)魚鱗筒進行二次分布，然后切向進入催 化劑床層，提高了催化劑床層氣體分布的均勻度及催化劑的利用率。催化劑床層 設置板式水冷換熱結(jié)構，換熱板采用獨特的同心圓環(huán)成組錯行排列，使氣流沿徑向 在每組換熱板之間反復折流繞行，有效避免了純徑向流氣體流程短，分布不易均勻 的缺陷。GC型水冷板甲醇合

8、成塔采用了徑向流分布和折流水冷板相結(jié)合的新穎結(jié) 構，徑向流分布器具有流體阻力低的最大優(yōu)點，催化劑床層內(nèi)采用折流，因此流 體阻力介于純徑向流阻力(0.050.1MPa)和軸向流阻力(0.30.5MPa)之 間，一般位于 0.10.2 MPa。改善催化劑床層的傳熱特性，傳熱系數(shù)大，移熱能力強GC型水冷板甲醇合成塔采用特殊工藝加工的水冷板作為換熱元件，鍋爐水 在水冷板內(nèi)腔狹小不規(guī)則的通道內(nèi)擾動上升形成湍流，同時工藝氣在催化劑床層 內(nèi)折向流動，并與冷卻介質(zhì)鍋爐水錯流，從而顯著提高了水冷板的換熱效率，氣 側(cè)、水側(cè)的傳熱膜系數(shù)分別達到1200 W/m2C、5000W/m2C以上。工藝氣 沿徑向在每組水冷板

9、之間反復折流繞行，采取氣體折流設計，使通道內(nèi)的流速基 本相等，有效克服了以往徑向催化床的缺點；另外，水冷板可以設計成非等間距 結(jié)構，使單位催化劑的水冷板換熱面積隨著甲醇反應進度的變化而變化，從而實 現(xiàn)了甲醇反應與傳熱完全同步，優(yōu)化催化劑床層的溫度分布，有效降低了局部催 化劑過熱現(xiàn)象的發(fā)生。GC型水冷板甲醇合成塔采用板式換熱元件后，比表面比圓管型水冷結(jié)構大 幅提高，因此在催化劑裝填量相同的情況下，GC型水冷板反應器的換熱面積比 水冷型管殼式反應器咼，有效提咼了設備的換熱能力。生產(chǎn)運行過程中，GC型水冷板甲醇合成塔產(chǎn)生的反應熱由水冷板內(nèi)的循環(huán) 沸水移出，氣水兩側(cè)的溫差通常在10C以下，催化劑床層溫

10、差小，使甲醇合成 反應幾乎達到等溫反應(見圖3)。圖3催化劑床層溫度分布示意圖催化劑裝填系數(shù)高，生產(chǎn)能力強GC型水冷板甲醇合成塔將管式水冷卻單元改變?yōu)榘迨嚼鋮s單元，在相同換 熱面積條件下，板式冷卻單元所占空間比管式冷卻單元小，因此板殼式反應器的 八、空間利用率比管殼式的利用率高，通常可增大1020%, GC型水冷板甲醇合 成塔催化劑裝填系數(shù)可達到70%左右；同時GC型水冷板甲醇合成塔移熱能力 強,可以及時移走甲醇的反應熱，因此醇凈值比較高，5.5MPa可以達到68%， 8.0MPa可以達到1012%。GC型水冷板甲醇合成塔的質(zhì)量保證231水冷板換熱元件的質(zhì)量GC型水冷板甲醇合成塔品質(zhì)的關鍵在于

11、水冷板元件的制造質(zhì)量，其中最關 鍵的是水冷板元件的焊縫質(zhì)量和強度。水冷板焊縫的質(zhì)量目前，國昌公司水冷板的制造采用技術非常成熟的自動化生產(chǎn)線，通過自動 焊接生產(chǎn)線完成水冷板的密封焊焊縫，焊縫均勻穩(wěn)定，并經(jīng)過嚴格的焊接質(zhì)量檢 驗，保證水冷板密封焊焊縫的質(zhì)量合格率達到100%。水冷板兩板之間的凹形接觸面全部為點式電阻焊，電阻焊為不填絲的等強度 金屬焊接，母材與母材之間瞬間高溫熔合，如同不銹鋼冶煉加固熔熱處理的過程， 不僅焊接牢固，而且焊接過程中晶格及材料成分沒有變化。通過電阻焊焊接好的 整塊水冷板相當于不銹鋼冷做成形并經(jīng)固熔處理后的型材，牢固、耐腐蝕。水冷板在制造、組裝過程中根據(jù)不同節(jié)點的要求分別進

12、行5次水壓試驗和 氨滲透試驗，更好的確保了水冷板及附件的可靠性。水冷板強度的保證水冷板在制造過程中采用的點式電阻焊，使每塊水冷板被電阻焊點分成若干 個區(qū)域，從而水冷板的受壓面積縮小使其有足夠的強度，然后在限位模具中以 16.0MPa的水壓充壓成型。水冷板充壓成型過程中，水冷板的焊點在壓力 16.0MPa的情況下得到了檢驗。充壓成型后的水冷板，采取隨機抽樣并在無限 位模具條件下進行水壓試驗，保證水冷板在8.0MPa的內(nèi)壓下不發(fā)生可見的變形， 且在外壓試壓艙對樣品進行外壓試驗，保證水冷板在lO.OMPa的外壓下不發(fā)生 可見的變形。水冷板在裝配過程中，采用壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程中的耐壓試驗標 準對

13、水冷板組及內(nèi)件整體進行試壓、檢驗。232水冷板的安全穩(wěn)定性GC型水冷板甲醇合成塔在生產(chǎn)運行過程中內(nèi)件與殼體以及內(nèi)件各部件間存 在溫差，盡管溫差不大，但為了保證該設備的安全運行，對每個可能產(chǎn)生熱應力 的部件都采取了熱應力補償措施，如每塊水冷板上下設置尾巴管，保證水冷板自 由膨脹；反應器頂部上升管設置膨脹節(jié)，保證內(nèi)件受熱自由伸縮，消除了熱應力 隱患，提高了設備的安全性。因此，通過優(yōu)化結(jié)構設計，強化設備的材料控制、加工制造、焊接、檢驗以 及總體組裝等環(huán)節(jié)的要求，確保了 GC型水冷板反應器加工制造的工藝性和質(zhì)量 的可靠性。3GC水冷板甲醇合成塔與管殼式甲醇反應器的比較GC水冷板甲醇合成塔（GC SRC

14、）采取板式水冷的換熱方式，比管殼式甲 醇反應器如氣冷型反應器（TCC）、魯奇型軸向反應器（Lurgi SRC）、戴維徑 向反應器（DPT SRC）具有如下優(yōu)勢（見表1）：（1）Lurgi SRC、GC SRC反應器單位催化劑裝填量的換熱面積較高，表 明催化劑裝填量相同的情況下，Lurgi SRC、GC SRC反應器的換熱面積大，甲 醇反應熱不易積聚；（2）TCC、DPT SRC、GC SRC反應器催化劑裝填系數(shù)較高，表明設備 的空間利用率咼；（3）GC SRC反應器采用獨特的板式結(jié)構設計，綜合傳熱系數(shù)高。 表1GC型水冷板甲醇合成塔與管殼式甲醇反應器的比較甲醇反應器類型TCCLurgi SRC

15、DPT SRCGC SRC換熱管直徑（或板腔高度）mm38443815管（或板）間距mm68516840單位催化劑的換熱面積m2/m3451004580催化劑裝填系數(shù)（理論值/實際值）%71/6556/4871/6575/70總傳熱系數(shù)W/m2.K350450450550450650650750注：催化劑與換熱單元的最大間距為20mm。綜上所述，GC型水冷板甲醇合成塔單位體積的催化劑傳熱能力達到 60000W/m3 tK，而Lurgi管殼式或相似結(jié)構形式的甲醇反應器一般低于cat50000 W/m3catK，因此在相同條件下，GC型水冷板生產(chǎn)能力大，換熱能力強, 催化劑層溫度平穩(wěn)均勻，同平面溫

16、差小。4GC型水冷板甲醇合成塔的應用及大型化前景4.1 GC型水冷板甲醇合成塔的應用GC型水冷板甲醇合成塔是國昌公司開發(fā)的新型反應器，可應用于大甲醇裝 置上，單塔能力達到10100萬噸/年，目前已被河南鶴壁寶馬化工有限公司與 湖北當陽華強化工有限公司的15萬噸/年甲醇裝置采用，運行達到了設計的標 準。35萬噸/年甲醇工藝包及關鍵設備GC型水冷板反應器于2008年通過內(nèi)蒙古金誠泰 化工有限公司及上?；萆O計院的審核，該裝置的工藝流程（見圖4）：合格的新鮮氣（35C、 5.2MPa）與循環(huán)氣匯合進入塔前換熱器預熱至210220C，然后進入甲醇合成塔催化劑 床層進行反應，反應熱由塔內(nèi)的水冷板中的鍋爐

17、水移去，副產(chǎn)中壓飽和蒸汽。出塔工藝氣 （240250C）經(jīng)回收熱量、冷卻后進入甲醇分離圖4工藝流程示意圖器進行氣液分離、洗滌，分離后的粗甲醇經(jīng)閃蒸槽后進入精餾單元，分離下來的氣體大部分 經(jīng)循環(huán)機提壓后與補充氣匯合進入系統(tǒng)，少部分去氫回收系統(tǒng)。金誠泰35萬噸/年甲醇裝置GC型水冷板甲醇合成塔的技術參數(shù)見表2。 通過表2可知，在反應壓力為5.2MPa的條件下，甲醇合成塔的醇凈值可達到 67%，比傳統(tǒng)的管殼式反應器提高大約1%。表2 35萬噸/年甲醇裝置GC型水冷板甲醇合成塔技術參數(shù)公稱直徑mm（p3500正常運行壓力MPa5.2運行阻力MPa0.2醇凈值%67副產(chǎn)蒸汽（2.54.0MPa） t/t

18、CH3OH1.1 1.3合成反應器操作彈性%50 1104.2 GC型水冷板甲醇合成塔的大型化前景在世界基礎有機化工原料中，甲醇消費量僅次于乙烯、丙烯和苯，是一種 很重要的大宗化工產(chǎn)品。雖然目前世界甲醇市場已供大于求，而且新建裝置還將 繼續(xù)建成投產(chǎn)，但是根據(jù)專家對汽車代用能源的預測，甲醇是必不可少的替代品 之一；另外，甲醇下游產(chǎn)品的開發(fā)也會進一步促進甲醇工業(yè)的發(fā)展，因此，甲醇 工業(yè)的發(fā)展前景還是比較樂觀。國內(nèi)甲醇工業(yè)目前面臨著進口產(chǎn)品的沖擊，原因是國內(nèi)大部分裝置規(guī)模小、 技術落后、能耗高，造成生產(chǎn)成本高，無法與國外大型或超大型甲醇裝置抗衡； 另一方面，通過多年來技術引進及國內(nèi)科研設計院所、高校

19、的研究開發(fā)，目前我 國甲醇工業(yè)已基本使用了國外各種類型的傳統(tǒng)低壓氣相法反應裝置，催化劑研制 也達到國際水平，新工藝的研究也有較大的進展，主要問題在于裝置的大型化， 尤其是大型甲醇反應器的研究開發(fā)。研究表明，甲醇裝置的大型化將大大降低單 位產(chǎn)能的投資及運行費用，詳見表3。表3煤制甲醇裝置的投資與產(chǎn)品成本的關系裝置規(guī)模/（萬ta-1相對噸產(chǎn)品投資/%相對產(chǎn)品成本/%301001006087891207679150727624069743006873由表3可知，甲醇裝置規(guī)模由30萬t/a提高到150萬t/a后，單位產(chǎn)品的投資可降低28%，產(chǎn)品成本可降低24%。裝置規(guī)模增大后，可帶來明顯的效益，因此，

20、國內(nèi)外新建甲醇裝置均向大型化發(fā)展。我國目前的產(chǎn)業(yè)政策也明確規(guī)定，新建甲醇裝置規(guī)模需在100 萬t/a以上。甲醇反應器是大型甲醇技術的核心，為實現(xiàn)甲醇裝置的大型化，各甲醇技術供應商競 相開發(fā)新型甲醇反應器，各種新型甲醇反應器的開發(fā)主要從以下幾個方面進行考慮：（1）甲醇合成反應是強放熱反應，甲醇反應器的結(jié)構應能滿足快速移除反應熱的要 求，盡可能實現(xiàn)溫度在整個催化劑床層內(nèi)的均勻分布。（2）甲醇合成反應是可逆反應，受反應熱力學和動力學控制，反應的單程轉(zhuǎn)化率達 不到100%。反應器出口氣體中未反應的CO、H2和CO2需與甲醇產(chǎn)品分離，然后進一步 壓縮循環(huán)到反應器進行反應。因此，甲醇反應器的床層壓降應盡可

21、能小，以減少循環(huán)氣壓縮 的能耗。（3）單臺甲醇反應器的產(chǎn)量與其裝填的催化劑量密切相關，甲醇裝置大型化帶來的 是反應器體積的增加。在裝置規(guī)模一定的前提下，反應器催化劑的裝填系數(shù)越大，所需的反 應器體積越小，設備投資也越小。（4）甲醇反應器需定期裝卸催化劑并進行檢修維護。因此，甲醇反應器的結(jié)構設計 應便于催化劑的裝卸和檢修維護。（5）甲醇反應器是甲醇裝置的關鍵核心設備，其投資占整個甲醇界區(qū)（包括合成圈及 精餾裝置）總投資的20%以上，因此降低甲醇反應器的造價可大大節(jié)省甲醇裝置的投資。目前已實現(xiàn)工業(yè)化或具備工業(yè)化條件的大型甲醇反應器有Lurgi、Topsoe、Davy、 Casale、MGC等甲醇反應器，國昌公司在此基礎上進行深入研究，成功開發(fā)了移熱能力強、 催化劑裝填系數(shù)高、價格相對低廉的GC型水冷板甲醇合成塔，并在低壓甲醇合成串聯(lián)、串 并聯(lián)等相關工藝技術的基礎上研究開發(fā)百萬噸甲醇工藝流程及甲醇反應器設備，其工藝工藝 流程及技術參數(shù)見見圖5、圖6、表4、表5。通過表4、表5可知：（1）甲醇反應器的內(nèi)徑3800，完全能夠滿足國內(nèi)現(xiàn)有的正常運輸條件，方便反應 器的制