水冷等溫列管甲醇合成塔中絕熱層設(shè)置的探討

李 賓，李 季，王大軍，何秀蓉

（1.四川天一科技股份有限公司，四川 瀘州 646300；2.西南化工研究設(shè)計院有限公司，國家碳一化學(xué)工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610225;3.四川天一科技股份有限公司，四川 成都 600225）

水冷等溫列管甲醇合成塔主要是指魯奇公司的管殼式反應(yīng)器、管殼外冷-絕熱復(fù)合型反應(yīng)器等軸向副產(chǎn)蒸汽的合成塔，主要特點是合成甲醇催化劑裝在列管內(nèi)，采用水汽化移出反應(yīng)熱，整個催化劑床層溫差較小，比傳熱面積高（常見的Φ38×2mm 和Φ44×2mm 兩種規(guī)格列管，比傳熱面積90～120m2/m3催化劑），易于操控[1]。國內(nèi)大多數(shù)水冷等溫列管甲醇合成塔的催化劑裝填方案，通常考慮了催化劑的還原收縮層。但是，對于絕熱層是否設(shè)置，沒有形成一致的意見。本文對水冷等溫列管甲醇合成塔催化劑絕熱層設(shè)置的利弊進行分析，對催化劑絕熱層是否設(shè)置進行探討。

1 催化劑絕熱層的優(yōu)點

水冷等溫列管甲醇合成塔在實際的工程設(shè)計中，部分裝置考慮在催化劑還原收縮層外，在上部瓷球?qū)雍瓦€原收縮層之間設(shè)計有約200mm 左右的絕熱層。絕熱層主要作用有三個，一是作為預(yù)熱段，提高進入列管內(nèi)的甲醇合成反應(yīng)氣體的溫度；二是發(fā)揮保護劑的功能，保護列管內(nèi)的催化劑；三是作為氣體分布器，使進入列管內(nèi)氣體保持相對均勻。

1.1 絕熱層作為預(yù)熱段

水冷等溫列管甲醇合成塔設(shè)計中，通常考慮發(fā)揮作用的是合成塔內(nèi)部列管中的甲醇合成催化劑，催化劑表面生成甲醇的反應(yīng)熱很快被列管外的水汽化移走。合成塔內(nèi)部列管在生產(chǎn)甲醇過程中主要作用是提供催化劑裝載場所和移走甲醇的反應(yīng)熱。

對于很多列管式合成塔，如果使用低溫活性較好的甲醇合成催化劑，比如XNC-98 系列甲醇合成催化劑，初期汽包壓力通?？刂圃?.0MPa，對應(yīng)出塔氣溫度約～220℃，就已經(jīng)能夠達到設(shè)計產(chǎn)能。由于氣氣換熱器的限制，在出塔氣和入塔氣換熱比較充分的條件下，一般出塔氣溫度和入塔氣溫度保持約30℃左右的溫度差距，在催化劑使用初期，入塔氣溫度約190℃。在實際生產(chǎn)中，由于很多裝置氣氣換熱器的換熱能力不足，入塔氣溫度實際低于190℃。對于沒有設(shè)置還原收縮層或者僅設(shè)置還原收縮層的合成塔，在合成塔內(nèi)部列管的上部，實際上是作為加熱段而不是移熱段，是由汽包和部分甲醇合成反應(yīng)提供熱量。通過設(shè)置催化劑絕熱層，就可以提高進入合成塔內(nèi)部列管的入塔氣溫度。催化劑絕熱層設(shè)置的位置和具體高度，需要根據(jù)反應(yīng)器的設(shè)備條件綜合考慮。在部分水冷等溫列管甲醇合成塔的催化劑裝填方案中，合成塔上管板上部和下管板下部都有考慮過絕熱層的設(shè)置。華東理工大學(xué)提出的管殼外冷-絕熱復(fù)合型反應(yīng)器，絕熱層催化劑量為催化劑整體用量的10%～30%[2]。例如，在浙江某10 萬t/a 甲醇裝置上，水冷等溫列管塔塔徑2900mm，上管板上部設(shè)計的催化劑裝填高度700mm，催化劑體積約4.62m3，占設(shè)計催化劑總體積的17.8%，在實際裝填方案中，預(yù)計催化劑沉降高度約200mm，要求上管板上部催化劑裝填高度不超過300mm。

1.2 絕熱層發(fā)揮保護劑的功能

水冷等溫列管甲醇合成塔設(shè)計中，通?？刂圃蠚獾碾s質(zhì)含量在一定的范圍內(nèi)，例如硫體積分?jǐn)?shù)小于0.1×10-6。但是，由于雜質(zhì)的累積，大多數(shù)裝置在正常壽命周期內(nèi)卸載的催化劑的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常大于0.1%。目前國內(nèi)的甲醇合成技術(shù)主要是中低壓甲醇合成技術(shù)，甲醇催化劑絕大多數(shù)采用銅-鋅-鋁系。以XNC-98 系列甲醇合成催化劑為例，其氧化銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)55%～60%，通過還原同時具備脫除雜質(zhì)的作用，甚至可以用于精脫硫領(lǐng)域。通過催化劑絕熱層的設(shè)置和催化劑絕熱層中較低的線速度（線速度可以簡單考慮為合成塔列管內(nèi)氣流線速度的1/2），可以有效地去除部分雜質(zhì)，保護合成塔列管內(nèi)的催化劑。但是，需要說明的是，由于絕熱層的高度和總量相對于列管內(nèi)催化劑而言是比較小的，所以，這個保護作用是比較弱的。

1.3 絕熱層作為氣體分布器

水冷等溫列管甲醇合成塔設(shè)計中，氣體分布器是比較簡單的，在合成塔上管板上部空間基本很難達到氣體分布均勻的目的，主要考慮通過合成列管的分布來實現(xiàn)氣流分布均勻。如果合成塔具備足夠的空間，考慮設(shè)置催化劑的還原收縮層、絕熱層時，通常在考慮催化劑裝填方案時，需要在催化劑鋪平后的最頂端設(shè)置不銹鋼絲網(wǎng)和～200mm 的瓷球?qū)幼鳛檎w填壓和氣流分布裝置。設(shè)置一定高度的催化劑絕熱層，可以和上部的瓷球?qū)右黄鹩行У剡M行氣體分布，使進入合成塔列管內(nèi)的氣體分布更均勻。

2 催化劑絕熱層的缺點

國內(nèi)擁有的水冷等溫列管塔超過100 套，甲醇總產(chǎn)能超過1500 萬t/a。設(shè)置催化劑絕熱層的水冷等溫列管甲醇合成塔主要暴露出兩個缺點，一是局部超溫導(dǎo)致合成塔出現(xiàn)故障，二是氣體進口分布不均勻和分布空間不足導(dǎo)致催化劑粉化。

2.1 局部超溫導(dǎo)致合成塔出現(xiàn)故障

由于早期甲醇合成塔加工工藝和操作原因，出現(xiàn)過合成塔上管板由于局部超溫導(dǎo)致管板局部變形、少數(shù)列管和管板連接處發(fā)生泄露，甚至合成塔整體超溫導(dǎo)致報廢的事故。例如，江蘇某15 萬t/a甲醇裝置，塔徑3600mm，上管板原催化劑堆積高度超過500mm，在運行不正常時，由于工藝原因發(fā)生局部超溫，在卸載催化劑檢查設(shè)備時，發(fā)現(xiàn)上管板局部發(fā)生變形，在其后的催化劑裝填方案中，僅考慮設(shè)置還原收縮層，上管板催化劑堆積高度不超過300mm。出于安全考慮，設(shè)置催化劑絕熱層可能帶來的超溫的安全風(fēng)險，部分裝置水冷等溫列管甲醇合成塔沒有考慮設(shè)置催化劑絕熱層。更為極端的情況，催化劑的還原收縮層、上部的瓷球?qū)佣紱]有考慮，催化劑僅僅裝填在列管內(nèi)。

2.2 氣體進口分布不均勻和分布空間不足導(dǎo)致催化劑粉化

對于部分早期水冷等溫列管甲醇合成塔，設(shè)計存在一定的缺陷，入塔氣通過簡易的氣流分布器甚至直接從設(shè)備接口進入合成塔上部，導(dǎo)致合成塔上部的氣流分布存在明顯的擾流，氣流沖涮現(xiàn)象非常嚴(yán)重。在實際生產(chǎn)中，極少數(shù)裝置出現(xiàn)過催化劑粉化導(dǎo)致合成塔進出口壓力降急劇增加，甚至出現(xiàn)過催化劑上部的瓷球?qū)雍徒z網(wǎng)被吹翻、瓷球破損的現(xiàn)象。例如，內(nèi)蒙古某60 萬t/a 甲醇裝置中，水冷等溫列管甲醇合成塔上部空間不足，當(dāng)考慮上部設(shè)置絕熱層后，氣體分布器下端面距離上管板催化劑上端面凈空小于900mm，造成催化劑被吹翻后粉化嚴(yán)重，運行時間不足3 個月，反應(yīng)器壓力降急劇增加，被迫停車更換催化劑；陜西某60 萬t/a 甲醇裝置中，水冷等溫列管甲醇合成塔上部空間不足，氣體分布器下端面距離上管板凈空約1000mm，運行8個月更換催化劑時發(fā)現(xiàn)上部的瓷球和絲網(wǎng)被吹翻。

3 催化劑絕熱層設(shè)置的探討

水冷等溫列管甲醇合成塔設(shè)置催化劑絕熱層的優(yōu)點不再詳述，重點對于催化劑絕熱層設(shè)置的缺點進行分析，探討這些缺點的形成原因并提出解決措施。

3.1 局部超溫導(dǎo)致合成塔出現(xiàn)故障的原因及對策

常見的水冷等溫列管甲醇合成塔設(shè)計中，催化劑使用初期，合成塔入口溫度～190℃，催化劑使用后期，合成塔入口溫度～220℃。設(shè)置催化劑絕熱層，需要考慮足夠的安全裕度來應(yīng)對生產(chǎn)過程中的裝置負荷與工藝條件波動。所以，不推薦過高的絕熱層高度，建議考慮～10℃的溫升，對應(yīng)絕熱層高度200～300mm，就可以實現(xiàn)溫升并避免超溫的目的。

在實際使用中，局部超溫主要是由于工藝操作的異常波動和錯誤的應(yīng)對處理而導(dǎo)致。在早期的甲醇合成工藝中，部分裝置采用的是帝國化學(xué)公司的絕熱冷激工藝和絕熱反應(yīng)器，絕熱段高度1.5～2.0m，冷激氣溫度170～190℃，在實際運行中，嚴(yán)格按照工藝要求進行操作時并沒有出現(xiàn)局部超溫導(dǎo)致合成塔出現(xiàn)故障。現(xiàn)在的催化劑絕熱層和它相比，絕熱層高度僅～200mm，絕熱溫升小于10℃，只要嚴(yán)格按照工藝控制要求，不會導(dǎo)致合成塔出現(xiàn)故障。對于現(xiàn)在的工藝控制系統(tǒng)，一旦循環(huán)機出現(xiàn)故障，新鮮氣聯(lián)鎖裝置立刻啟動關(guān)閉，緊急放空系統(tǒng)聯(lián)鎖開啟泄壓，降溫并使用氮氣置換甲醇合成塔的合成氣，完全可以避免出現(xiàn)“悶鍋”現(xiàn)象（合成氣滯留合成塔不流動，繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)）導(dǎo)致的絕熱層超溫，保障設(shè)備的安全。

3.2 氣體進口分布不均勻和分布空間不足導(dǎo)致催化劑粉化的原因及對策

目前國內(nèi)水冷等溫列管甲醇合成塔已經(jīng)設(shè)計并應(yīng)用超過100 套裝置，關(guān)于進口氣體分配器的設(shè)計已經(jīng)做了不少有益的探索并成功應(yīng)用到生產(chǎn)實際中。對于那些早期設(shè)計存在缺陷的水冷等溫列管甲醇合成塔，可以充分利用這些設(shè)計和應(yīng)用的經(jīng)驗進行優(yōu)化，避免氣體分布不均勻?qū)е麓呋瘎┓刍愃片F(xiàn)象的發(fā)生。例如，把與設(shè)備進氣口相連的管道法蘭改裝為帶有進氣分布筒的專用法蘭，在瓷球?qū)由厦婕友b鋼格柵板防止氣流對于瓷球的沖刷等等。甚至，可以考慮在合成塔下部考慮一定高度的絕熱層，提高甲醇合成塔出口溫度，通過氣氣換熱器間接實現(xiàn)甲醇合成塔入口溫度的提高。

4 結(jié)語

通過對水冷等溫列管甲醇合成塔中設(shè)置催化劑絕熱層優(yōu)缺點的分析和探討，認為催化劑絕熱層的設(shè)置是完全可行的，并且有利于保障甲醇合成裝置的長周期運行，也可以供其他塔型軸向水冷等溫反應(yīng)器（例如卡薩利水冷板式軸向塔）設(shè)計參考。實踐表明，催化劑絕熱層設(shè)置可能帶來的催化劑床層局部超溫、催化劑粉化等風(fēng)險是可控的。