JM Davy甲醇合成塔氣體分布器設計探討

馮友茵　王　彬

中國成達工程有限公司　成都　610041

JM Davy甲醇合成塔氣體分布器設計探討

馮友茵*王彬

中國成達工程有限公司成都610041

摘要簡介目前國內JM Davy工藝技術甲醇合成塔的運行情況，分析國外幾家甲醇合成塔供貨商按JM Davy提供的工藝數據表完成設計的合成塔在運行中存在的問題，針對氣體分布器開車、運行過程中容易堵塞的問題，提出一種雙層氣體分布器結構，其特點是阻力小、易操作、不易堵塞，同時降低加工難度，節約成本。

關鍵詞甲醇合成塔分布器

甲醇合成是甲醇生產中的關鍵工序，甲醇合成塔是甲醇合成工序中的關鍵設備。甲醇合成即將前端造氣、凈化得到的CO、CO2、H2組成的反應氣在一定壓力和溫度以及催化劑的作用下進行合成反應而得到粗甲醇。

甲醇合成的主反應：

甲醇合成反應過程的放熱為100.4kJ/mol，反應放熱量較大。甲醇合成的催化劑為銅基催化劑，銅基催化劑的活性范圍較窄、活性溫度低，操作溫度范圍一般在230～ 290℃之間。如何保證催化床層的氣體均勻分布以及有效移除反應熱，則成為保證甲醇合成塔工藝性能和結構設計的關鍵。

大型化甲醇合成的工藝流程有多種，各專利商的甲醇合成塔均為其專有技術設備且都有各自的結構特點。經過技術經濟對比和國內調研，JMDavy甲醇合成技術及合成塔在國內應用較多，是目前國內大型甲醇裝置采用最多的甲醇合成技術與設備。從調研的幾套裝置總體運行情況看，甲醇合成塔生產能力基本上滿足設計工藝性能的要求，也能達到生產能力。

工藝裝置的大型化、甲醇合成塔設備的大型化，需要解決一系列的技術問題，如開發活性和選擇性更好的合成催化劑，提供更高的時空收率和設備利用率；設備結構的優化以達到更均勻、更快速、更有效地移除反應熱，使催化劑床層具有較小的溫度梯度；方便的催化劑裝卸結構，使其沿合成塔的軸向徑向各區域裝填達到均勻等等。甲醇合成塔大型化后，設備結構應當保持催化劑層從升溫還原、正常運轉、停車、催化劑鈍化等全過程都達到氣流分布均勻，是設備大型化后的關鍵。

1甲醇合成塔設計參數和結構

JMDavy工藝的甲醇合成塔為水管蒸汽上升式徑向合成塔，也是一個立式壓力容器。甲醇合成塔是由殼程部分的外殼體、催化劑筐，管程部分的豎直的管束等部件組成，見圖1。其主要結構部件包括：殼程、氣體分布器、氣體收集器、管程、及其它構件。管程介質為水、飽和水蒸汽；殼程介質為合成氣。管程、殼程設計和操作壓力及溫度，見表1。

圖1　JM Davy甲醇合成塔

管程殼程設計工況操作工況設計工況操作工況壓力,MPa4.0/FV4.08.98.9溫度,℃260218330317

甲醇合成塔的殼程由筒體、上下封頭組成，為承壓元件，上下封頭均為半球形結構。中心氣體分布器上下端分別與上下封頭的氣體進口管相連接。合成氣通過合成塔上下封頭處的氣體入口管沿設備軸向進中心氣體分布器，氣體均勻分布后，由軸向流動轉為徑向方向進催化劑床層。中心氣體分布器與外部氣體收集器組成環形區域，起到盛裝催化劑的作用；該環形區域內均勻布置有換熱管；催化劑裝填在各換熱管之間。

甲醇合成塔管程為組合型管束，管束端部有4組位于上下球形封頭內的汽水進出處的小管板結構的管箱；換熱管束從端部小管板沿軸向空間過渡到殼體的直段部分，并在殼體直徑方向均勻布置形成環形布管區域。換熱管內介質為汽水混合物。自下向上流動及時帶走合成反應產生的熱量。

JMDavy的甲醇合成塔具有反應器和廢熱鍋爐的功能，來自汽包的沸騰水通過甲醇合成塔下部封頭處的水入口經下管箱進到甲醇合成塔的換熱管，吸收甲醇合成反應產生的熱量變成飽和水蒸氣向上，上升通過上管箱經水/蒸氣出口進合成蒸汽系統的上升管再向上進汽包進行汽水分離。管內的沸騰水與汽包維持自然循環。

由于是徑向塔，徑向流動的催化劑床層其氣體流通截面積大、流速小、流道短、床層壓力降顯著減小。徑向流動反應器設計的關鍵是選擇合理的氣體分布器，避免堵塞。

JMDavy專利商給出了設備的工藝設計參數和工藝要求，但甲醇合成塔的各元件的具體結構設計均由各設備制作廠商完成，包括中心管氣體分布器的結構設計。

2存在的問題

氣體分布器是甲醇合成塔內件中的重要元件，它的主要作用：使進塔體的反應氣均勻分布進催化劑床層反應；分布器與外部收集器組成一個盛裝催化劑的空間，為甲醇合成反應的區域。

其氣體分布器的結構特點如下：

(1)為保證氣體分布均勻，氣體分布器上的開孔直徑很小，且需滿足開孔總面積以及較小阻力降要求。

(2)中心氣體分布器同時具有氣體分布、作為支撐催化劑內筐和安裝用內部通道的功用。為滿足催化劑載荷以及操作壓差要求，該中心氣體分布器自身需要具有足夠的強度和剛度來保持結構的穩定和形狀，因此該圓筒需要有較厚的壁。

氣體分布器既起到分布氣體，又起到裝填催化劑的作用。結構需要一定強度的同時，還需要滿足氣體分布的工藝性能要求。目前，在運行的合成塔氣體分布器都是采用厚壁筒體上開小孔的結構，這種結構很容易出現被渣滓堵塞的缺陷，筒體壁越厚則越易被堵塞，中心氣體分布器被堵塞后會造成壓降增大、流通面積減少，而導至氣流分布不均勻，使合成反應過程惡化，甲醇合成效率降低。

目前國內正在運行的幾個典型JMDavy甲醇工廠都有反映該結構的分布器存在不同程度的堵塞現象，操作人員不得不在更換合成塔催化劑的同時，對中心氣體分布器的分布小孔逐個進行檢查和清理，既增加了設備維護的難度，又耽誤生產。這幾家工廠的合成塔設備分別由國外不同廠家供貨，基本都存在上述問題?；诖?，而提出了雙層氣體分布器結構。該結構的特點是阻力小、易操作、不易堵塞，同時降低加工難度，節約成本。

3雙層氣體分布器結構及其特點

雙層氣體分布器是一種優化的分布器，其結構見圖2。

圖2　雙層氣體分布器結構

雙層氣體分布器結構由兩層開孔筒體組成，一層厚壁開孔筒體和一層薄壁開孔筒體，兩層多孔板筒體之間留有一定間距。在厚筒體上按一定距離間隔均勻布置有筋板來支撐較薄的筒體，兩層筒體和筋板連接在一起形成一個整體的雙層中心筒分布器結構。

靠進氣一側的多孔板筒體為強度結構，筒體壁較厚，筒體上的開孔較大，其具體開孔形式，見圖3。較大開孔不易再被操作中的渣子堵塞。也容易制作加工。

圖3　分布器靠進氣側筒體開孔形式

靠催化劑一側的多孔板筒體，筒體壁較薄，筒體上的開孔較小，其具體開孔形式，見圖4。起到阻擋催化劑泄漏和滿足工藝要求氣體均勻分布的作用。分布孔雖然較小，但在薄壁筒體上開小孔的加工制作相對在厚壁筒體上開小孔制作的難度將降低。

圖4　分布器靠催化劑側筒體開孔

上述靠進氣一側的內層多孔板筒體的壁厚大于靠催化劑一側的外層多孔板筒體的壁厚，靠進氣一側的內層多孔板筒體上的進氣孔的孔徑大于靠催化劑一側的外層多孔板筒體上的分布孔的孔徑。采用雙層氣體分布器結構，靠催化劑一側的開孔薄筒體起阻擋和分布功能，雖然板厚度較薄，但成型后的筒體整體上具有足夠的剛度和強度，可以保證在催化劑裝填時的向下摩擦擠壓不會被損壞或變形?？窟M氣一側的開孔厚筒體，具有足夠的剛度和強度來保持自身的穩定和形狀以抵抗催化劑載荷以及操作壓差，還可支撐薄板多孔分布器。

雙層氣體分布器沿其軸向可以分成多個長度相等的筒節，每段筒節上的兩層多孔板筒體及筋板連接固定成為一個整體。該組合筒體結構的新型分布器已獲得國家專利。

采用雙層開孔筒體組合的分布器結構，比單層厚壁筒體開小孔的氣體分布器結構更合理可靠，更容易保證氣體分布的均勻性。

合成氣體沿中心管軸向流動，經雙層分布器的中心管的小孔分布后進催化劑床層，由內向外徑向通過催化劑床層，再經外收集器進與殼體間環隙集合后出反應器。如此雙層多孔板結合分布器的結構設定，則反應氣體可以高效地通過兩層開孔組合筒體進催化劑床層；那些未清理干凈的渣子等雜物在操作中可以很容易的通過厚筒體上的大孔，經過薄筒體的小孔時在氣體壓差的作用下很容易被吹落進催化劑床層，而不會在開小孔的薄筒體處卡住停留造成堵塞，不會再出現因分布孔被堵塞而阻力降增大的缺陷。不同厚度的筒體分別開設不同直徑的孔，在制造上也能夠實現。此結構可以有效地解決目前普遍存在的氣體分布器易堵塞問題，也可以解決因堵塞造成的壓降增大、流通面積減少的缺陷，從而達到徑向甲醇合成反應器要求的氣體分布均勻的目的，滿足工藝性能要求。

4結語

甲醇合成塔與合成氨合成塔的氣體分布的工藝性能要求相似，在設計中可以相互借鑒，這種薄壁開小孔的分布器在合成氨裝置的氨合成塔上有著成功的使用業績和運行經驗，因此可斷定雙層氣體分布器是一種優化的分布器。即解決了分布器易堵塞問題，以及因堵塞造成的壓降增大、流通面積減少的缺陷，最終達到氣體分布均勻的目的。

參考文獻

1宋維端,肖任堅,房鼎業.甲醇工學[M].北京:化學工業出版社.

(收稿日期2016-01-20)

*馮友茵：高級工程師。1986畢業于成都科技大學化工機械專業。從事于壓力容器設計工作。聯系電話：(028)65530869，

E-mail:fengyouyin@chengda.com。