国内甲醇合成反应器现状3

1、 国内甲醇合成反应器现状冯学明综能协鑫（内蒙古）煤化工有限公司，内蒙古锡林浩特026009国内甲醇反应器的设计与开发主要单位主要有华东理工大学化工学院，杭州林达化工技术工程有限公司，南京国昌化工科技有限公司，湖南安醇高新技术有限公司；其已有工业业绩（150300kt/a）代表技术是：华东理工大学化工学院房鼎业、应卫勇教授等联合开发的管壳外冷绝热复合式甲醇反应器，杭州林达化工技术工程有限公司楼寿林、楼韧父子等联合开发的低压气冷均温甲醇合成反应器和卧式水冷甲醇合成反应器，南京国昌化工科技有限公司吕仲明教授等联合开发的低压轴径向气冷甲醇合成反应器和水冷折流板径向甲醇合成反应器，湖南安醇高新技术有限公

2、司谢定中教授等联合开发的低压恒温水管式径向甲醇合成反应器。其反应器技术水平基本上代表了我国甲醇行业现阶段的先进水平。1管壳外冷绝热复合式甲醇反应器绝热管壳式甲醇反应器由华东理工大学开发成功，已广泛应用于甲醇工业生产中，最大单塔生产能力为300kt/a甲醇。反应器结构该反应器由绝热段与管壳段组成。催化剂填充在管壳段，反应热传给管外的沸水，以蒸汽的形式回收热量，通过调节蒸汽压力来实现催化床的等温分布。该反应器是基于Lurgi列管式反应器的改进型并有一定创新。在管壳上部管板上部设置1m左右高度的绝热层。为了解决管壳反应器的壁效应问题，将反应器的列管从屮38X2mm改为屮44X2mm,改变了床层内径与

3、催化剂颗粒直径之比，在相同产能时，反应器体积较小，可节约设备投资。管壳外冷绝热复合式甲醇合成反应器示意见图1。反应气进口上管板绝执段LIJIIf“列管水进口下管板严沸胯水出门反应气出门图1管壳外冷绝热复合式甲醇合成反应器示意图技术特点（1）能量利用合理，副产中压蒸汽，回收高位能量可回收高位能量，生产2.0MPa、180C蒸汽4.0MPa、250的蒸汽。对以煤为原料的合成气，吨甲醇可副产中压蒸汽约1.11。（2）温度调节方便、迅速、有效床层温度可通过汽包的压力进行调节。对热点和灵敏点温度的调节迅速、有效。（3）床层温度合理分布，催化剂时空收率高床层温度优化分布，绝热层可在较低温度下进床层反应；管

4、壳层在接近等温下反应；催化剂生产强度大，时空得率高。（4）催化剂使用周期长原料气中即使有微量毒物，可被截面积很大的绝热层催化剂吸附，不影响管壳层催化剂发挥作用。鉴于温度控制合理、优化，催化剂层不会超温，因此可实现催化剂长运转周期操作。（5）催化剂装卸、还原方便上封头设有人孔，催化剂装填方便；设有卸催化剂孔，催化剂直接放出；催化剂还原时，只需将原通过冷却介质侧，改通蒸汽加热即可，十分方便。（6）反应器的操作适应性强对催化剂的适应性强可使用国产催化剂C302、NC306、NC307、XNC98型催化剂及国外催化剂；对原料气的适应性强可使用以煤为原料的合成气（新鲜气CO26%28%），也可使用以天然

5、气为原料的合成气（CO11%13%），还可使用焦炉气转化的合成气（催化转化和非催化转化）。对进口温度的适应性强操作前期可控制床层进口温度195200C,中期200210C，后期210220C，若有变化，也有适应性。操作弹性大可在50%110%负荷下操作。（7）产品质量好由于床层温度控制好，所以副反应少，高级醇、醚、醛少，粗甲醇产品质量好。工业应用单塔生产能力为200300kt/a甲醇，管壳外冷一绝热复合式甲醇反应器已在上海焦化厂、山东华鲁恒生、国泰、陕西神木、南京惠生等单位投运；国宏、宁夏煤业处于设备安装阶段；滕州凤凰、哈气化、兰州蓝星、江苏索普、宁夏万华、鄂尔多斯世比等单位甲醇装置亦采用该反

6、应器，处于设备制造阶段。与一般管壳型甲醇反应器结构的主要区别催化剂列管规格为屮44X2mm，内径为屮40mm，管内装屮5X5mm粒度的甲醇合成铜基催化剂，使列管内床层内径与催化剂颗粒直径之比为8，且管子根数与屮38X2mm相比，减少20%以上，设备制造方便。减少因架桥原因导致的管壁效应出现。上管板上部有一绝热层，绝热层中的催化剂体积占整个催化剂体积的1/8至1/4，单塔生产能力大，由于上部有绝热层，因此在同等生产能力下，相对反应器直径不至于太大，同时管板与上下封头的直径也不至于太大，这样也易于设备加工。当入塔气中有毒物成份时，中毒的是绝热层催化剂，因绝热层直径大，中毒区域的床层不会很高，对下部

7、催化剂有保护作用。气体分布器下上管板上有一定厚度的绝热层，所以进气口安装进气分布器，以保持催化剂床层气流分布均匀，避免偏流现象的出现，催化剂活性使用得均匀彻底；也能防止气流对绝热层的局部吹扰。适用于低温活性较高的催化剂。该反应器的缺点其壳体和管板、反应管之间采用焊接结构，为消除热应力，对塔体的制造、材料要求均比较高，结构复杂，制造难度大，维护成本高。因采用列管式，列管占用了反应器大量的空间，使得催化剂的装填量仅占反应器的30%。(3)由于管内外传热温差较小，所需传热面积大，比冷面达125m2m3。(4)该反应器用副产蒸汽直接从催化剂床层移热，由于受蒸汽压力限制，在催化剂使用后期难以提高使用温度

8、。限于列管长度，扩大生产时，只能增加列管数量，扩大反应器的尺寸生产操作弹性较小。低压气冷均温甲醇合成反应器和卧式水冷甲醇合成反应器低压气冷均温甲醇合成反应器和卧式水冷甲醇合成反应器由杭州林达化工技术工程有限公司楼寿林、楼韧父子等联合开发成功。其中低压气冷均温甲醇合成技术已广泛应用于甲醇工业生产中，陕西渭化和内蒙天野集团均为200kt/a甲醇，已安装完毕待投产的还有大连大化集团300kt/a装置；我国第一台200kt/a卧式水冷甲醇合成反应器，也是世界上首台大型卧式水冷甲醇合成反应器的工业装置，于2008年6月份在内蒙苏天化建成投产。反应器结构低压气冷均温甲醇合成反应器（见图2）2004年低压气

9、冷均温甲醇合成技术获得了国家技术发明二等奖，这是迄今为止我国化工装备行业在国家授奖中所获的最高级别奖项。合成塔由上下封头、壳体、内件、支撑架等组成。经塔外换热的合成气由进气口1进入合成塔，从顶部小封头进气管进塔内顶部分气管进入隔板，分布到多根引气管6，再进入上集气环8分布到下行冷管10，先并流换热，再经下集气环12分布到上行冷管9上升，与催化层逆流换热后，由上部进入催化层17。冷管由多层集气环连接，保证气流分布均匀。冷胆下部由支承架支承。下封头设有卸料口及锥形帽方便催化剂卸料操作。20418678cn091017213r14图2低压气冷均温甲醇合成反应器示意图1进气口；2分布器；3小封头；4小

10、法兰；5测温口；6引气管；7大法兰；8上环管；9上行管；10下行管；11外筒；12下环管；13支承板；14卸料口；15锥形帽；16出气口；17催化剂；18大封头；19隔板；20填料函卧式水冷甲醇合成反应器（见图3）林达卧式水冷甲醇合成反应器，专利名为“横向管式换热反应设备”，为林达公司最新开发的技术，已在内蒙古苏里个天然气化工有限公司150kt/a甲醇项目中成功投用。创新点为合成塔壳体和换热管均为横向放置。在横向放置（即卧式）的圆筒形壳体内设置有多组横向换热水管，反应气从另一端封头的出口出塔，作为冷却介质的饱和沸腾水通过进水管、管箱后进入水冷管组内，吸收管外反应热，控制床层反应温度。在成塔壳体

11、内换热管间装催化剂，原料气进入合成塔壳体后通过顶部弓形空间的气体分布器由上到下径向流动，在管外催化剂上进行甲醇合成反应，并与换热管内流动的水错流换热。通过强化传热实现和反应气的均匀分布，达到实现均温反应的目的。礼合成气出口循环水出门/图3卧式水冷反应器结构示意图技术特点低压气冷均温甲醇合成反应器技术特点（1）低压气冷均温甲醇合成反应器是全新的反应器结构，为国内外首创，发明了独特的大小两种弯头的双U型管冷管胆结构作为换热元件。小弯头U型管套在大弯头U型管内构成一队双U型管，双U型管中大小弯头U型管反向排列套装，气体在每两根相邻冷管内上下流动，方向均为逆流，达到催化剂层等温均温反应的目的。一种型式

12、是环管位于催化剂上方的自由空间，双U型管位于催化剂层中，冷管没有焊接点，全自由伸缩复合密封结构；另一种型式是具有上下环管，冷胆管有上环管和下环管，上环管连接进气管和下行冷管，下环管连接上行冷管和下行冷管。第二种型式已成功应用于20万吨/年甲醇反应器上。（2）该反应器催化剂装填系数大，同样生产能力和催化剂装量下，反应器体积大幅减小。提高合成压力时，内件中管内外压差并不相应增加，除了壳体设计压力相应增加外并不增加合成塔内件加工制造的技术难度。3）温度调节主要手段有：增减循环量、改变入塔气温度、调节入塔气气体组成，其中以调节回路循环量最为便利有效。（4）采用气气传热，能保证长周期稳定运行，不会出现水

13、冷反应器因管子泄露而引起装置全面停产的问题。（5）性价比高，制造周期短，合成塔投资省。卧式水冷甲醇合成反应器技术特点林达卧式管壳甲醇水冷反应器却显示一系列均温、高效、易大型化的突出优点：八、（1）合成塔催化剂装填系数大，从而有利于缩小合成塔尺寸。立式管壳式甲醇塔因为是立式，催化剂只能装在反应管内，只占合成塔总容积的1/3，而卧式管壳塔则可方便地装在管外，催化剂装量可提高约一倍，且催化剂装卸方便。（2）均温高效反应，表现在：采用管外催化剂层中气体由上到下与换热管内水错流传热，大大提高传热系数，大大缩小并流和逆流传热中的管壁效应；可根据气体在催化剂床中速度变化来优化换热管排列。（3）大大提高了移热

14、能力，使催化剂床层温差大幅减小达到均温或等温反应效果，从而能充分发挥催化剂活性，提高甲醇合成率和催化剂生产强度，同时均温反应又提高了选择性，减少副产物量，减少原料气消耗量，提高产品质量，均温还延长催化剂使用寿命。（4）均气、高效，上下方向径向流气体分布均匀，提高了合成效率。（5）低循环比、低压降、合成电耗少、副产蒸汽压力高、热量回收好。高移热能力可采用低循环比到3左右，出塔甲醇浓度提高到8%左右，低床层和大流动截面的径向流使塔压差小于0.05MPa。低压降和低循环量使循环机电耗降低30%多，高出塔甲醇浓度副产蒸汽压力高，使吨醇副产中压蒸汽量提高到1.2t多。（6）投资低。一是因为合成塔催化剂装

15、填系数大，结构紧凑尺寸小，材料省，同时因合成塔壳体和内件分开，提高壳体使用寿命，降低合成塔材料要求，从而节省合成塔费用；二是合成循环比大幅降低，出塔醇净值提高，合成配套设备循环机，换热分离设备和管道设备投资降低；三是卧式合成塔省去大型高立式塔所需合成塔基础和大型吊装设备费。（7）结构简单可靠。采用卧式换热管，一端可自由伸缩，无热应力。（8）易大型化。一是在合成塔直径受限制情况下可以用增加长度来扩大能力；二是外壳和内件分开，可到现场组装；三是内件即换热管化整为零，分成多组到现场组装。2.3工业应用低压气冷均温甲醇合成反应器单塔生产能力为200kt/a甲醇，低压气冷均温甲醇合成反应器已在云南大为、

16、陕西渭化、内蒙天野投产运行，山西兰花、呼伦贝尔东能设备处于安装阶段；300kt/a甲醇低压气冷均温合成反应器在大化公司已安装完毕。卧式水冷甲醇合成反应器林达卧式水冷甲醇合成反应器，为林达公司最新开发的技术，已在内蒙古苏里个天然气化工有限公司150kt/a甲醇项目中成功投用；宁夏宝塔600kt/a甲醇项目也决定采用此技术，现处于设计阶段。低压轴径向气冷甲醇合成反应器和水冷折流板径向甲醇合成反应器这两种甲醇合成反应器由南京国昌化工科技有限公司吕仲明教授等联合开发成功。其中150kt/a甲醇轴径向低压甲醇合成反应器2005年4月在山东久泰能源成功投产，200kt/a甲醇轴径向低压甲醇合成反应器近期将

17、在山西同世达投用；炉2800水冷折流板径向合成反应器2007年2月在河南鹤壁宝马化肥厂低压甲醇装置中应用，设计100kt/a，现可达到期望值150kt/a。反应器结构3.1.1年产150kt/a的低压轴径向气冷甲醇合成反应器塔径2200mm，两层轴向，两层径向，四层绝热，两段横插式层间换热（图略）。3.1.2年产150kt/a水冷折流板径向甲醇合成反应器该甲醇反应器由外筒和内件组成，内件由径向分布器、径向集气筒、分水联箱、集水联箱、换热板束等主要元件组成。板内走水，板间装填催化剂。结构见图4。气体由上部进入，沿内外件之间环隙经过径向分布器依次进入催化剂床层，在催化剂床层内气体不断改变气流方向，

18、来自第一层两换热板之间的气体分别沿顺时针及逆时针两个切线方向流经第一层换热板与第二层换热板之间催化剂床层（第2层催化剂床层），然后气体由经过第二层换热板与左右两快换热板之间形成的气流通道进入第二层换热板与第三层换热板之间的催化剂床层（第3层催化剂床层）沿顺时针及逆时针两个切线方向流经第3催化剂床层，然后气体重复上述流动方向及路径，不断改变流动方向和另一方向过来的气体混合，一直达到第n层换热板，由第n层换热板之间缝隙进入第n1催化剂床层，气体分别沿顺时针及逆时针两个切线方向流经第n+1催化剂床层后进入径向集气筒，由径向集气筒内部中心管流出反应器。水由下部进入分水联箱，自下而上经过每一块换热板吸收

19、板外催化剂床层反应放出的热量，经换热板内部到达上部集水联箱，经上升管到达气包后，过饱和水蒸发出蒸汽，然后与加入气泡的水混合流向下降管进入下一循环，水路完全实现自然循环。16141312211103984水冷6图4蒸汽原料气仝向甲醇合成反应器F77反应气 反应器的技术特点低压轴径向气冷甲醇合成反应器的技术特点（1）运行可靠性高由于催化床中没有大量的冷管，结构简单，制造容易，从根本上排除了因冷管引起的泄露。（2）催化剂寿命长采用多层冷却结构，调节手段多，可实现催化剂最佳温度控制，使催化剂变化的放热曲线和移热曲线同步。（3）操作弹性大，可在设计负荷30至110%范围内稳定操作。（4）床层阻力低由于大

20、部分催化剂床层采用径向流技术，是各种塔形阻力较低的一种。（5）价格低廉、制造周期短由于结构简单，管材用量少，且为普通材料，设备制造周期也短。（6）升温还原容易，全塔可分段进行升温还原。水冷折流板径向甲醇合成反应器的技术特点（1）气流沿水冷折流板径向反复折流，由于气流通道截面积始终相同，仅不同直径的气体通道长度不同，固此气体进出催化剂床层的流速基本相同，克服了一般径向床层外圆与内圆处流速相差甚大的缺点。使气体在床层中不仅处于均温而且处于匀速的环境，更有利于甲醇合成反应。（2）气体在n次折流过程中，每次折流都与相邻气道的气体混合，有利于消除催化剂床层可能出现的局部过热。（3）在水冷折流板上冲压许多

21、凹型槽，大大提高了气体传热系数。在低速、低阻力的条件下，气体传热系数可达1000kcal/m2hC以上。在实际运行中,气水两侧的温差在10C。相同床层温度可以副产更高压力的饱和蒸汽。（4）水循环系统设计合理，做到大小不等水折流板内腔流速相等，同时水循环倍率大。在实际运行中，30%轻负荷时，水循环量超过300t/h,完全实现水自然循环。（5）水冷折流板有足够的强度，气侧向水侧方向的设计压差为3.5MPa；水侧向气侧的设计压差为0.5MPa；（6）内件每个可能产生热应力的部件都考虑了热应力补偿，包括每块水冷折流板，确保了内件的安全运行。（7）催化剂床层为直径大小不的环形圈。装填催化剂比管壳式容易，

22、且能做到填实均匀。装填惰性物的高度，避免全径向塔上部因为催化剂下沉后造成气体短路现象。低压恒温水管式径向甲醇合成反应器反映器结构（见图5）低压恒温水管式径向甲醇合成反应器由湖南安醇高新技术有限公司谢定中教授等联合开发成功，该技术采用悬挂式水管、三塔板、径向催化床结构，用水汽化移去反应热，同时副产中压蒸汽，并成功实现了工业化。未反应气体从a进入，经内外筒环隙进入催化床，垂直沸腾水管，径向流过催化床，反应后进入中心集气管，自上而下，由下部c口出塔。图5低压恒温水管式径向甲醇合成反应器反应器技术特点(1)管内是沸腾水，管外是催化剂床，水沸腾汽化产生中压蒸汽，每吨粗醇产蒸汽最高达1.4t。(2)沸腾水

23、管形如刺刀和刀鞘，为悬挂式，即只焊一端，另一端有自由伸缩空间。管子受热伸缩没有约束力，无需用线膨胀系数小的昂贵SAF2205双相不锈钢只需普通不锈钢。壳体不受管子伸缩力的影响，壳体材料要求不高，筒体上下厚度相同，无需设置加强筒体，无需用进口的高强度20MnNimoNbR，筒体材质只用复合钢板即可。容积系数大，管壳式约为35%左右，JJD水管式甲醇塔为55%左右，意味着装填催化剂多。JJD屮2800mm低压水管式甲醇塔催化剂装填为58t(38m3)。JJD水管式甲醇塔为全径向流程，即反应气垂直通过沸腾水管和被水管包围的催化剂柱，反应净值高，出口粗醇可达5%6%,单位催化剂产醇量高。JJD水管式甲

24、醇塔单位容积传热面积大。屮2800mm塔传热面积比管壳式塔传热面积大23%，这就适应了甲醇合成反应热大、冷却负荷大、要求换热面积大的特征。JJD水管式甲醇合成塔升温还原用蒸汽加热，惰性气还原，快速而安全。JJD水管式甲醇合成塔为全径向塔，塔阻力非常小，为0.1MPa左右。JJD水管式甲醇合成塔催化剂装填容易。58t催化剂，24h即装填完毕，比管壳式塔装填速度快得多。JJD水管式甲醇合成塔运行弹性大。第一个屮2800mm塔在山东德齐龙化工集团投入使用，满负荷压力5.0MPa,温度为250C日产量将达400500t,屮3600mm塔将达600800t。JJD水管式甲醇合成系统简单，合成塔既是反应器，又是一个无需燃料的中压锅炉，在系统中不另外设置废热锅炉，进水冷的热气温度即降至5060C。JJD水管式甲醇合成塔通过调整沸腾水管布局，适用于高CO含量的工况，也适应惰性气含量高的工况。JJD水管式甲醇塔基本上不受高径比限制：能力大，直径不一定很大，即单塔能力大。设备更新时，只需更换内件部分部件，外壳继续使用。工业应用第一套年产甲醇100kt装置于2005年12月25日在山东德齐龙化工有限公司一次投产运行成功，已稳定运行14个月，日产甲醇332.5360t；第二套装置于2007年2月2日又在