葉片式分離器在大型甲醇合成工藝中的應(yīng)用

李勝軍 ， 劉 成

(1.洛陽(yáng)永龍能化有限公司 ， 河南 洛陽(yáng) 471100 ； 2.河南龍宇煤化工有限公司 ， 河南 永城 476600)

0 前言

河南龍宇煤化工有限公司年產(chǎn)50萬(wàn)t甲醇裝置，額定的粗甲醇生產(chǎn)能力為65.6t/h，甲醇合成工藝采用華東理工大學(xué)管殼外冷—絕熱復(fù)合型低溫低壓甲醇合成工藝，合成塔為管式等溫反應(yīng)器，以副產(chǎn)蒸汽的方式控制反應(yīng)溫度，回收反應(yīng)熱。該工藝技術(shù)成熟，溫度控制簡(jiǎn)便精準(zhǔn)，合成壓力低，能耗低，副產(chǎn)物少，是以副產(chǎn)蒸汽、等溫合成為特征的中低壓甲醇合成的主流工藝。

1 甲醇合成工藝流程及主要設(shè)備

1.1 設(shè)備簡(jiǎn)介

甲醇合成塔為管殼外冷—絕熱復(fù)合式固定床催化反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)類(lèi)似于一個(gè)立式副產(chǎn)蒸汽的管殼式固定管板換熱器，內(nèi)徑為3 800mm，管板與殼體之間直接焊接，無(wú)法蘭連接，上下封頭采用半球封頭。列管內(nèi)裝填催化劑，其管徑為Φ44 mm×2 mm，長(zhǎng)700 mm，共4 309根，列管與管板的連接為脹管加強(qiáng)度焊。反應(yīng)器的殼程管體上端設(shè)有6根蒸汽出口管，下端有6根水進(jìn)口管。

1.2 工藝流程簡(jiǎn)述

甲醇合成裝置PFD圖見(jiàn)圖1。自合成氣壓縮工序來(lái)的合成氣(71 ℃、8.3 MPa)，進(jìn)入入塔氣換熱器E15401的殼程,被管程的出塔氣加熱后進(jìn)入甲醇合成塔R15401A/B。在催化劑的作用下，合成氣在塔

圖1 甲醇合成裝置PFD圖

內(nèi)發(fā)生甲醇合成反應(yīng)，并放出大量的反應(yīng)熱，反應(yīng)熱被殼程的鍋爐給水吸收帶走，反應(yīng)床層的溫度得以維持穩(wěn)定，出合成塔R15401A/B的氣體，依次進(jìn)入入塔氣換熱器E15401的管程，除鹽水預(yù)熱器E15404的管程和甲醇水冷器E-15402A/B的殼程，溫度最終下降到40 ℃左右，然后進(jìn)入甲醇分離器S15401進(jìn)行氣液分離。自甲醇分離器S15401出來(lái)的氣體，絕大部分作為循環(huán)氣去合成氣壓縮工序的循環(huán)氣壓縮段，一小部分作為弛放氣去氫回收裝置；自甲醇分離器S15401出來(lái)的粗甲醇液體，經(jīng)減壓后去閃蒸槽S15402，絕大部分溶解于粗甲醇中的氣體被閃蒸出來(lái)去燃料氣管網(wǎng)，閃蒸后的粗甲醇去甲醇精餾工序或去粗甲醇罐。自界區(qū)來(lái)的鍋爐給水，進(jìn)入汽包S15403，然后經(jīng)過(guò)下降管進(jìn)入合成塔殼程下端，再沿合成塔上行，并吸收管程物料放出的反應(yīng)熱，其溫度不斷上升，飽和后的鍋爐水進(jìn)入汽包，進(jìn)行汽水分離，產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)壓力控制后去蒸汽管網(wǎng)。

為防止汽包結(jié)垢，向汽包S15403中加入一定量的磷酸鹽溶液，汽包的排污水進(jìn)入排污膨脹槽S15404，膨脹后產(chǎn)生的低壓蒸汽去低壓蒸汽管網(wǎng)，膨脹槽S15404排出的污水經(jīng)排污冷卻器E15403冷卻至常溫后去污水處理裝置。

2 循環(huán)氣氣體規(guī)格

2.1 循環(huán)氣設(shè)計(jì)組成

循環(huán)氣設(shè)計(jì)組成見(jiàn)表1。

表1 循環(huán)氣設(shè)計(jì)組分

2.2 循環(huán)氣運(yùn)行組分

循環(huán)氣運(yùn)行組分見(jiàn)表2。

3 循環(huán)氣中甲醇含量超標(biāo)的危害

甲醇分離器出口循環(huán)氣中甲醇含量設(shè)計(jì)值為0.54%，該參數(shù)是在操作壓力7.6 MPa，溫度40 ℃下的理論值；實(shí)際操作過(guò)程中尤其是夏季受循環(huán)水

表2 循環(huán)氣運(yùn)行組分

溫度高的影響，冷凝效果差導(dǎo)致循環(huán)氣溫度能高達(dá)45 ℃，操作壓力根據(jù)實(shí)際工況需要一般≤7.6 MPa，這就致使惡劣條件下循環(huán)氣中甲醇含量超出設(shè)計(jì)值，根據(jù)分析結(jié)果顯示最高時(shí)能達(dá)到0.85%。同時(shí)由于絲網(wǎng)層內(nèi)件故障，曾出現(xiàn)在高循環(huán)氣量下將部分絲網(wǎng)除沫器吹翻現(xiàn)象直接導(dǎo)致循環(huán)氣中甲醇含量高達(dá)1.2%以上。

甲醇合成反應(yīng)是一個(gè)非均相的催化反應(yīng)，其機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，一般認(rèn)為，其復(fù)雜的過(guò)程可分為以下5個(gè)步驟：①擴(kuò)散，氣體自氣機(jī)擴(kuò)散到氣體和催化劑的界面；②吸附，各種氣體在催化劑的活性表面進(jìn)行化學(xué)吸附；③表面反應(yīng)，化學(xué)吸附的反應(yīng)物在活性表面上進(jìn)行反應(yīng)，生成產(chǎn)物；④解吸，反應(yīng)產(chǎn)物脫附；⑤擴(kuò)散，反應(yīng)產(chǎn)物氣體自催化劑界面擴(kuò)散到氣相去。

以上5個(gè)過(guò)程，①⑤進(jìn)行得最快；②④進(jìn)行的速度比③快得多，因此整個(gè)反應(yīng)過(guò)程取決于第3個(gè)過(guò)程，即反應(yīng)物分子在催化劑的活性表面的反應(yīng)速度。如果甲醇夾帶量過(guò)多則反應(yīng)向生產(chǎn)甲醇反應(yīng)的推動(dòng)力將下降，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)量將受影響。同時(shí)，入塔氣中甲醇含量高會(huì)導(dǎo)致甲醇觸媒副反應(yīng)增加，影響催化劑使用壽命，使催化劑易于粉化。甲醇含量嚴(yán)重超標(biāo)時(shí)，會(huì)對(duì)壓縮機(jī)葉輪造成液擊，造成機(jī)組振動(dòng)增加，嚴(yán)重時(shí)造成設(shè)備損壞。入塔氣中甲醇含量，會(huì)對(duì)機(jī)組干氣密封造成損害，因?yàn)楦蓺饷芊獾臍庠匆筝^為潔凈，不允許有液滴存在，否則造成密封摩擦損壞。

4 甲醇分離器效率低原因分析

4.1 氣體流向設(shè)計(jì)不好

氣流自上而下通過(guò)旋流板，氣流方向與液滴重力沉降方向相同，液滴易被主氣流重新卷走，容易造成己分離出甲醇的“二次夾帶”。

4.2 旋流板集液槽設(shè)置不當(dāng)

集液槽相距旋流板平面2.5 m，過(guò)大的間距加劇了上述“二次夾帶”的程度。

4.3 絲網(wǎng)層設(shè)計(jì)不合理

其主要表現(xiàn)在氣速過(guò)高，易產(chǎn)生液泛。操作氣速偏高意味著液滴不易從絲網(wǎng)上落下，以致一度捕集到的霧沫又飛濺起來(lái)，再次被氣體攜帶上去。 通過(guò)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題即分離器的操作氣速超出允許范圍。

4.4 甲醇夾帶過(guò)多

循環(huán)氣體溫度高致使液體甲醇夾帶過(guò)多，主要造成因素是甲醇水冷器冷卻效果差。

4.5 催化劑反應(yīng)效果差

催化劑反應(yīng)效果差單程轉(zhuǎn)化率過(guò)低導(dǎo)致循環(huán)氣量過(guò)大影響分離效果。

4.6 分離器液位控制過(guò)高，分離空間受限影響分離效果

影響本裝置分離效果的因素主要有：分離器內(nèi)件絲網(wǎng)除沫器效果差，夏季水冷后溫度高以及催化劑后期循環(huán)氣量過(guò)大所致。

5 葉片式分離器的應(yīng)用原理及技術(shù)分析

5.1 甲醇分離器改造的原理

甲醇分離器S15401內(nèi)部為絲網(wǎng)除沫器，分離效果差，分離后循環(huán)氣中甲醇在0.5%以上，影響甲醇收率的同時(shí)制約甲醇合成反應(yīng)，因此對(duì)分離器內(nèi)件進(jìn)行改造，增加立式葉片式分離器，典型的葉片分離器由殼體、入口分布器和葉片分離內(nèi)件構(gòu)成。

5.2 技術(shù)參數(shù)分析

葉片式分離器與傳統(tǒng)分離器比較見(jiàn)表3。

表3 葉片式分離器與傳統(tǒng)分離器的比較

葉片的彎道引起氣體流動(dòng)方向急劇變化，使具有較大慣性的液滴和固體顆粒與葉片壁碰撞而從氣流中分離出來(lái)，形成液膜，在收集區(qū)匯集成流，然后在重力的作用下排出。在氣體垂直流動(dòng)的情況下，當(dāng)聚結(jié)的液體足以對(duì)抗上升氣速，就會(huì)在葉片下方分離。當(dāng)氣體水平流時(shí)，液滴會(huì)向下流動(dòng)而排出。

5.3 安裝形式

葉片可垂直放置或水平放置，分離器可以立式或臥式安裝，出氣口可以側(cè)出或上出。分離效率為99.9%，分離精度1 μm，內(nèi)件使用壽命20年，初始?jí)翰睢?.001 MPa。

5.4 優(yōu)點(diǎn)

①高氣速，高液體負(fù)荷；②不易結(jié)垢和堵塞，適合高液體黏度，適應(yīng)泡沫環(huán)境；③低壓降；④改造容易，維護(hù)方便；⑤堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，較長(zhǎng)的耐腐蝕壽命，使用壽命長(zhǎng)。

6 應(yīng)用后的效果分析

6.1 應(yīng)用前后數(shù)據(jù)對(duì)比

葉片式分離器應(yīng)用后，循環(huán)氣中甲醇含量由改造前的0.59%降至0.39%。從收集的數(shù)據(jù)看，循環(huán)氣中甲醇含量下降0.2%左右。

6.2 產(chǎn)生的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益

葉片式分離器在甲醇分離系統(tǒng)的應(yīng)用總費(fèi)用約為25萬(wàn)元，效益主要是提高了循環(huán)氣的分離效果，有效地降低了循環(huán)氣中甲醇含量，從而避免了循環(huán)氣中攜帶高濃度甲醇影響甲醇合成反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)有效地增加了甲醇產(chǎn)量。

項(xiàng)目投用后，循環(huán)氣中甲醇含量由改造前的0.59%降至0.39%。從收集的數(shù)據(jù)看，循環(huán)氣中甲醇含量下降0.2%左右，其中循環(huán)氣量維持在65萬(wàn)m3左右，因此每小時(shí)多回收甲醇1 886 kg。

以上為理論計(jì)算數(shù)據(jù)，由于循環(huán)氣中所帶甲醇大部分在壓縮機(jī)循環(huán)段分離器中分離后送回甲醇閃蒸槽。從改造后數(shù)據(jù)顯示實(shí)際每小時(shí)多回收甲醇0.2 t左右，每天可以多回收甲醇近5 t，粗甲醇按2 500元/t計(jì)算，可創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益約1.25萬(wàn)元，每年可為煤化工創(chuàng)造效益近400萬(wàn)元(年有效運(yùn)行時(shí)間按11個(gè)月計(jì)算)。

7 結(jié)語(yǔ)

葉片式分離器在甲醇合成分離系統(tǒng)的應(yīng)用效果非常明顯，相對(duì)于傳統(tǒng)的絲網(wǎng)除沫器而言，阻力更小，分離效率更優(yōu)，對(duì)甲醇合成系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行和甲醇的時(shí)空收率意義重大，有顯著的節(jié)能增效成果，同時(shí)也帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。