上浮头管壳式甲醇反应器及工艺流程设计说明

1、上浮头式管壳式甲醇反应器及系统工艺设计说明王庆新刘芳赵勇孙宏帅(南京敦先化工科技有限公司邮编:2100441、南京敦先化工科技有限公司公司简介南京敦先化工科技有限公司是以王庆新为首创办的高科技股份制企业。公司主要从事合成氨、甲醇、二甲醚、甲醛、甲缩醛、合成氨原料气体净化以及甲醇下游产品的技术研发和推广工作,目前拥有近二十项专利技术,部分专利技术已经成功转化为工业装置。公司与部分院校有着紧密的合作关系。公司下设计研究所、技术经营部、机械设备加工厂,设备加工厂具有10.0MPa以下制造资质,厂房建筑面积10000m2。自公司成立以来已经为湖北鄂西、河南宝马、河南宝发能源、四川汇丰能源集团、安阳贞元

2、集团等单位提供了合成氨、甲醇、二甲醚等技术和专利产品,部分技术已经超越国内同类技术,节能降耗、环保等方面处于国内领先地位。公司近两年来主要业绩如下:(1湖北鄂西化工有限公司8万吨/年反应器内件设计及制造;(2河南宝马化肥厂15万吨/年低压甲醇反应器设计及制造;(3河南宝发能源有限公司15万吨/年二甲醚系统软件包及反应器的设计和制造;(4河南宝马化肥厂科技有限公司25万吨/年低压甲醇反应器设计及制造;(5四川汇丰能源有限公司30万吨/年低压甲醇软件包及反应器的设计及制造;(6安阳贞元集团20万吨/年二甲醚装置的软件包、工程、反应器及部分非标设备的设计和制造。公司主要的业务范围:(111.O22.

3、0MPa的成套氨合成技术、反应器及分离设备内件的设计和制作;(222.031.4MPa的成套氨合成技术、反应器及净化设备内件的设计与制作;(34.56.0MPa 的低压联醇、单醇成套合成技术。并提供低压联醇、单醇反应器及分离设备的设计与制作;(412.0MPa中压联醇系统的成套技术、反应器及分离设备内件的设计与制作;(5合成氨原料气精制的成套技术设计,并提供反应器、附属净化设备反应器及分离设备内件的设计与制作;(6甲醇脱水合成二甲醚技术,并提供甲醇气相脱水合成二甲醚反应器及塔器的设计与制作,或对工程进行总包;(7提供甲醛、甲醛醛全套工艺软件包、工程设计及非标设备的设计和制造,或工程总包。2、上

4、浮头式管壳式甲醇反应器说明南京敦先化工科技有限公司在日本三菱超转化反应器(SPC基础上开发出一种“上浮头式管壳是甲醇反应器”也称“一种多组空心圆柱床层集合体的反应器,专利号为:ZL 2009 2 0048465.9。2.1日本三菱甲醇合成超转化率塔(SPC 简要说明 日本三菱气体化学公司研制在Lurgi 管壳式甲醇反应器基础上进行改进改进,其结构为:上、下管板仍采用筒体焊接方式,下部增设一个气体隔开冷热气体的内封头冷气体引入内部气管采用软管联接。单个催化剂床层为双套管结构,催化剂床层外管为85×5、内管为19×2,催化剂床层厚度 为28mm ,催化剂装在内外套管间,冷气通过

5、冷气管与管外催化剂层逆流换热,降低催化剂层底部温度,提高甲醇合成率,管间为沸腾水,副产蒸汽(见上图。据报道:日产520吨的甲醇合成塔,内径2.4米,内有长15米的双套管462根,外管为 85mm ×5mm ,内管为 19mm ×1.5mm ,换热面积2123m 2,总重180吨,内外套管间装催化剂28 m 3,操作压力11Mpa ,进塔气先预热到150,入塔后分布到各双套管的内管中,吸收管外套管间的反应热,预热至反应温度220后进入套管间的催化剂层反应,热点温度250左右,反应热同时被内管中冷气和外管外壳程间的沸腾水移走,出催化剂层温度为213左右,在11.2MPa ,空速

6、11000Nm 3/h 下。出塔气中甲醇含量8.6%。三菱公司认为SPC 有着比Lurgi 等温合成塔低的循环比和比Lurgi 合成塔更高的单程转化率,如果采用两种寿命长、活性高和耐热性好的铜基催化剂,合成塔出口甲醇可高达12%以上。SPC 双套管内径75mm 比Lurgi 列管合成塔 34或 40大得多,管数少得多,故装卸催化剂容易,SPC 外管受压壁厚,比列管式机械强度好,内管、软管和隔板为不受压部件。SPC 由于上下管板仍然采用与筒体焊接方式,催化剂床层与壳体之间的热应力没有消除,随着塔高度的增加同样会出现壳体材料疲劳现象、造价较高等缺陷。南京敦先化工科技有限公司针对SPC 存在的缺陷进

7、行以下优化设计:(1上部设置一个内封头,内封头与上关板连接,上管板与外部壳体之间留有一定环隙,使内封头、上管、催化剂床层受热后上下自由活动,很好得消除应力;(2上部设置一个DN650的催化剂装填口,在内封头上设置一个650×催化剂装气水日本三菱化学公司超级合成塔气蒸汽和水温度甲醇浓度 m o l %填管,并在个650×催化剂装填管内部设置一个盲板,在催化剂装填好后采取焊接密封,确保水与气之间密封安全可靠;(3在催化剂床层外管下部设一短节,内部19气体管道通过一个900弯头焊接在在下部短节上,很巧妙得解决了冷气体导入19×2管内的问题。上浮头管壳式反应器由上外封头、

8、上内封头、上管板、催化剂床层外管、催化剂床层内管、下管板、下内封头、下外封头、筒体等部件组成。下管板与筒体、催化剂床层外管及下部外封头连接在一起,设备整体、水和催化剂的重量全部支撑在下管板及外下封头上。内部上封头与上管板、催化剂床层外管相连接,但与外筒、上部外封头不连接,催化剂床层外管受热后连同上管板、内部上封头一起向上膨胀延伸。催化剂床层内部设有导气管,导气管与催化剂床层外管之间形成空心圆柱形催化剂床层。催化剂外管与筒体之间形成水腔体,水腔体内装满移热的水。下封头设有气体进口a12、反应后气体出口b、催化剂自卸口e12,筒体下部设有软水进口c18、筒体上部及外部上封头设有蒸汽出口d1 810

9、。上封头的上部设有直径为650mm的直筒体及可以移动的封头,催化剂装填由上部装入。上浮头式甲醇反应器结构示意图及部分部件结构示意图如: 单个催化剂床层结构示意图反应器下管板与内封头、催化剂外管和筒体之间结构示意图 2.3气体内部工艺流程图说明内部工艺流程:气体由下部封头a12口进入,经过下部内封头与外封头之间环隙进入冷气体分布室,在分布室内分别进入催化剂床层内部导气管内,边换热边向上流动,气体由导气管上部出来然后转180º进入到空心圆柱形催化剂床层进行反应,反应放出的热量由催化剂床层外管的水移走,并副产蒸汽。反应后的气体进入内封头,然后由下部出气管导出甲醇反应器。2.4上浮头管壳式反

10、应器优点:(1采用水、气同时移热技术,单程转化率高、循环比小、副产蒸汽量大:本反应器催化剂床层为“空心圆柱形”结构,内部采用气体间接移热、外部全部埋在沸腾水中。同样甲醇生产能力,换热面积是其它水移反应器的1.21.38倍,是国内目前移热能力最强的反应器。副产蒸汽量可以达到1.38t/tCH3OH,比国内其它低压甲醇反应器多副产0.17 0.38 t/tCH3OH,循环比控制在3.24.0范围;(2单程转化率高:催化剂床层下部1/3的催化剂床层,外部与不饱和水接触、内部与150160的冷气接触,可以是下部1/3部分的催化剂床层温度控制在215225之间,利于CO+H2CH3OH+Q放、CO2+H

11、2CH3OH+Q放的化学反应向正反应方向进行,利于提高单程转化率,确保醇净值在6.5%以上。催化剂床层反应温度与床层高度曲线图如下图:270260250240230220210200(3工程投资低:国内“反Lurgi”反应器由于管或板内走水、管或板外装填催化剂,反应器由内件和壳体组成,造成整台反应器造价高,还需要设置可以起吊反应器内件的框架;由于水侧流动通径小、阻力大,需要将气包设置较高位置;另外,催化剂装填量大、生产费用高。而本公司开发的上浮头管壳式反应器与“Lurgi”式类似,但在用材上选用国内普通材质:如壳体部分为Q345R、催化剂管为0Cr18Ni9,同规模的设备仅为“Lurgi”式价

12、格的2/34/5。(4很好解决了热应力问题、提高设备使用寿命:上管板、上部内封头是可以向上移动的整体,在催化剂外管受热后向上膨胀时,上管板、内封头也向上移动,产生的应力在上部DN650催化剂装填口处自由向上移动。避免了管壳式反应器造成筒体裂或管板裂的现象;(5结构简单、不存在技术难题:本反应器催化剂床层是由数个“空心圆柱形”催化剂床组成,如同管壳式反应器采用38、42管子装填催化剂一样,单根成熟,由数根组成的集合体也是成熟的,根本不存在技术难题,很容易实现装置放大。而本反应器的“空心圆柱形”催化剂床的厚度2628mm之间,从计算、设计等方面要比“反Lurgi”简单得多,而且非常成熟;(6水与气

13、之间密封最安全:如上部结构示意图,水与气之间采用焊接密封,在催化剂装填好后,将盲板放上,采用焊接密封,确保水与气之间密封安全;下部气与气之间压差仅有0.2MPa的压差,冷热气体之间采用填料密封,非常安全。(7气体分布均匀、有效提高催化剂利用率:气体出换热管后与其它换热管过来的气体充分混合,在上部较大空间内,气体流速降低,然后返折180º。因此,对气体分布而言是最好的;(8热水采取自然循环、减少运行费用:热水为自然循环,比现有“反Lurgi”反应器分别节省12.93kwh/tHO3OH、15.61kwh/tHO3OH的动力消耗;(9设备为一整体结构、使用寿命长,降低维修费用:设备结构合

14、理、热应力消除好,材料优于同类型产品,设备为三类压力容器厂家整体制造,便于整台设备质量控制,确保设备在20年内免维修!杜绝了“反Lurgi”单位8年就需要更换一次甲醇反应器内件的现象!主要技术参数如下表(10易于实现装置大型化:我们采用同样4100设备内径,分别按照38、44、80(内部采用18的导气管的管径来布管:分别得出参数如下表:序号主要参数名称布38×2催化剂管布44×2催化剂管布80×3催化剂管(中心放置18×1.5管1 布管数6325 4783 1646 2催化剂床层截面积m25.7396.007 6.6573 催化剂床层有效高度m6.57.

15、08.54 同样阻力状态下催化剂装填量m341.26 46.007 65.665 床层换热面积m24905.54 4625.73 4600.87625万吨床层阻力MPa0.12 0.12 0.12我们从上表可以明显看出:(a同样布管圆,选择大管子作为催化剂管,换热面积下降,但催化剂床层通径截面积增大,可以增加催化剂床层高度来满足换热面积。在同样阻力情况下,催化剂装量大,能够提高单套生产装置能力,便于装置大型化:(b先择大管径催化剂床层,催化剂装填量大、气体与催化剂床层接触时间长,利于单程转化率提高,便于进一步提高出口甲醇含量,降低运行能耗。(c对于同样换热面积,如果想提高水侧的移热能力可以通过

16、将气泡位置提高,加大水侧的循环比。(11最适宜合成氨低压联醇装置:作为合成氨联醇装置不仅需要通过生产甲醇的气量,同时还需要通过生产合成氨的气量,虽然在低压联醇装置之前设有精脱硫装置,但从现在低压联醇运行结果看,如果催化剂装填料少,低压联醇运行周期较短,而南京敦先化工科技有限公司开发的上浮头式管壳是反应器,在同时4100管壳式甲醇反应器来看,催化剂装填量在65m3以上,比Lurgi式催化剂多装20m3方以上的催化剂,在同样硫含量条件下,运行周期至少可以延长1年以上。再者低压联醇装置需要气、水两侧的压差在4.0MPa 以上,而上浮头式管壳是反应器催化剂床层为圆管,上部水与气之间的内部上封头完全可以

17、根据不同的压力要求来选择封头的壁厚。因此南京敦先化工科技有限公司开发的上浮头式管壳是反应器最适宜低压联醇装置。3、配套的工艺流程设置3.1工艺流程设计的几点新理念(1对循环气体进行全气量洗涤,可以将现有运行装置的入塔气体中甲醇含量由0.450.59%将到0.09%以下,醇净值可以高0.20.5%。(2适当增加气气换热器的换热面积及热气的通道,主要热气体经过气气换热器时,由220降到75,由于热气体中甲醇浓度高,在温度变化过程中,已经有气态甲醇变成液态甲醇,热气体在气气换热器内已经出现双相流,而且有大量冷凝热放出。根据计算适当增加气气换热器的换热面积及热气的通道不仅可以降低系统阻力,更重要的是可

18、以将热量回收到甲醇甲醇塔内部,通过多副产蒸汽量的方式带出甲醇系统,同时可以减少水冷器的负荷,降低吨醇的冷却水量。(3甲醇分离洗涤塔是分离器与吸收塔的组合体,下部采用旋流、重力、过滤三结合的分离方式,确保液滴状的甲醇被分离掉。上部洗涤段采用复合板的结构,每一层复合板分别由除沫丝网、气体分布板、规整填料组成。水从上向下流动、气体由下往上流动。除沫丝网主要除去上升气体夹带的液滴和气泡,防止甲醇浓度高的水带到上部去,影响上一块塔板的洗涤效果,气体分布板主要使气、液分布均匀,规整填料主要增加气、液传质面积,提高水对甲醇的吸收效果,确保用水量小。(4在水路的自然循环管上设计蒸汽喷射枪装置,开车时,可以通过蒸汽喷射的动力及静压能完全实现水的循环,不仅简化了水路的流程,同时也降低了工程投资。工艺流程简图如下:(5反应器与热交之间设置一个软水加热器,出反应器的温度由225降到186,而除