50万t／a甲醇项目合成反应器设计与工业应用

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1、50万t／a甲醇项目合成反应器设计与工业应用引 言   兖矿国宏化工有限责任公司年产50万t甲醇合成装置采用华东理工大学“绝热—管壳外冷复合式反应器”专利技术，其建成投产，对兖矿高硫煤能够得到充分有效利用，减少资源浪费，使煤炭行业向高附加值碳一化工方向转化等方面，具有重要意义。1 国内外甲醇合成反应器概述   甲醇工业始于20世纪初，到20世纪60年代，甲醇工业取得重大进展。1966年英国ICI公司首先推出了低压甲醇合成工艺——ICI工艺，此为低压法生产甲醇的开端。1971年原西德Lurgi公司成功开发

2、另一著名低压法工艺——Lurgi工艺。   所有中、低压法甲醇装置工艺过程类似，在压力为5.0MPa～15.0MPa、温度为205℃～266℃之间操作。各种中、低压甲醇工艺的主要区别在于反应器的设计、反应热的移走及回收利用方式的不同，另外，所用催化剂亦有差异。1.1 国外低压甲醇合成反应器   国外目前比较成熟且已工业化的低压甲醇合成塔有：Lurgi管壳式反应器、东洋公司(TEC)的MRF型反应器、Linde螺旋管反应器、英国ICI公司低压法甲醇合成塔、三菱瓦斯超级合成塔(SPC)、美国空气产品和化学品

3、公司(APCI)浆态床反应器。1.2 国内管壳式反应器   国内低压甲醇装置建设始于20世纪70年代，最早引进的是ICI公司的冷激型低压甲醇合成塔，装置数量不多，哈尔滨气化厂的1套4万t／a冷激型低压甲醇合成塔已改为杭州林达公司的均温型甲醇合成塔。虽然冷激型低压甲醇合成塔大型化比管壳式甲醇合成塔容易得多，但由于其操作性能不好，目前已不是低压甲醇技术发展的主流。后来国内新建的甲醇装置除川维甲醇厂采用东洋工程公司的甲醇合成塔外，大都采用鲁奇公司的第一代低压管壳式甲醇合成塔。   国内研究开发甲醇反应器较早的

4、单位有华东理工大学、浙江工业大学、杭州林达公司等。其中，华东理工大学早期研发中高压甲醇合成塔，20世纪80年代，受国家委托开始依托上海焦化“三联供”项目，研究大型低压甲醇合成技术，其主要成果之一是绝热—管壳复合反应器。1.3 本项目甲醇合成反应器的选择   与高压法工艺相比，中、低压法工艺在投资和综合技术经济指标方面都具有显著优势。以天然气为原料的甲醇厂，高压法能耗达64.8GJ／t甲醇，而大型低压法装置为29.5GJ／t～31.5GJ／t甲醇。20世纪70年代后国外新建的大中型甲醇装置全部采用低压法，

5、超大型装置(大于50万t／a)采用中压法，高压法渐趋淘汰。高、中、低压法甲醇生产主要操作条件列于表1。   从目前国内外甲醇工业发展情况来看，预计以副产蒸汽、等温合成为特征的中低压合成工艺将是今后相当长一段时期内甲醇合成的主流工艺。本项目甲醇规模为50万t／a，宜选用低压法工艺。   根据全厂蒸汽平衡方案，本项目甲醇合成副产蒸汽利用变换工艺余热过热后，并入2.5MPa(G)蒸汽管网，用于驱动蒸汽透平，因此需选用副产中压蒸汽的甲醇合成塔。   本项目净化气压力为5.2MPa(A)，如果合成压力为5.8MP

6、a(A)(净化气补在循环气入口)，根据有关计算，受设备运输尺寸及管道尺寸限制，单系列和双系列均达不到日产甲醇1500t且留有10％余量的设计要求，需要采用3个系列。3个系列不仅占地多、操作管理麻烦，而且投资较高。因此，根据国内外设计经验，必须提高合成压力。根据华东理工大学计算，合成压力提高到8.3MPa(A)后，单系列(2个φ3800mm合成塔并联操作)可以满足设计要求。   华东理工大学开发的水冷串气冷甲醇合成塔专利技术目前正在2个10万t／a增产改造到15万t／a的厂试点，但都未开车，用于本项目存在

7、技术风险，不推荐采用。   根据有关技术交流掌握的情况，本项目如采用国外技术，投资将比采用国内技术高4000万元以上；项目实施周期较长，而运行费用方面并无显著优势。目前，国内已工业化的拥有自主知识产权的低压等温合成甲醇装置最大规模为20万t／a。从项目实施进度、投资、超限设备运输、技术成熟可靠等方面综合考虑后，本项目拟采用8.3MPa等温甲醇合成方案，反应器采用华东理工大学专利技术，2台并联操作。2 甲醇合成工艺流程和反应操作条件2.1 甲醇合成工艺流程   甲醇合成采用双塔并联操作。甲醇合成工艺流程示

8、于图1(只给出单塔情况)。新鲜气在离心式透平压缩机内加压至8.2MPa(A)，与循环气以1∶5的比例混合，混合气在换热器中，与反应器出口气体换热，升温至约225℃(按反应后期情况)，然后进入绝热—管壳反应器。在反应器内，气体流经反应管，在催化剂作用下，CO、CO2加氢合成甲醇，反应热传给壳程的沸腾水，产生蒸汽进入汽包，反应器出口气温度约254℃，含甲醇6.2％左右，在换热器内经换热后，温度为95℃，然后经水冷却，温度降到40℃以下。经甲醇分