論煤制甲醇合成設備的工藝設計

蘇躍生

摘 要：在煤化工工業生產中，化工材料中甲醇占據著重要的生產地位，同時甲醇工藝也在不斷發展和進步，其中甲醇合成設備的出現，使其生產水平大幅度提升，便同時合成設備的工藝設計問題也成為得到廣泛關注。合成設備的設計合理性能夠使設計甲醇合成效率有效提高，使甲醇工藝進步得到有效促進。因此需要合成設備的工藝設計加強研究。本文就甲醇合成工藝以及合成塔的工藝設計進行分析和探討。

關鍵詞：煤制甲醇;合成塔;合成工藝設計

一、煤制甲醇合成工藝分析

在煤制甲醇合成工藝中包括了高壓、中壓、低壓三種，其中低壓合成工藝具有設備簡單、產品質量較高，并且設備簡單的優勢，其合成時主要催化劑為活性銅鋅基，溫度和合成壓力保持在約250-280℃及10MPa，此工藝是現現階段煤制甲醇的重要生產工藝;高壓合成法主要催化劑為活性較低的鋅鉻，合成溫度和壓力分別為350-400℃和30MPa，此工藝成本較高、工藝復雜、產品質量穩定性較差，目前較少采用;煤制甲醇中包含了一氧化碳、氫氣，對其進行凈化處理后，將含硫量、氫碳比進行有效控制，合格的合成氣應將上述指標控制在 0.1ppm 以下及 2.05-2.15之間。首先對入塔氣利用合成設備等進行預熱，形成高溫甲醇氣體，并將合成氣溫度上升至 225℃后，再將合成氣由塔頂輸送到合成塔內進行合成反應。合成塔根據甲醇合成狀態，主要高效、新型的徑向控制反應器，即束管式水床反應器進行處理，此反應器通過上下各四塊的小管板，對以往的大管板進行有效替代，能夠使大型化問題得以有效解決;同時將特制彎管作為換熱管，能夠使膨脹問題得以解決[1]。另外在換熱管間進行催化劑的填充;在進行甲醇合成時，為了確保兩個反應的穩定性，利用換熱管內脫鹽水對反應熱進行冷卻;通過合成塔產生低溫進塔合成氣以及高溫氣相產物，甲醇蒸汽在合成氣預熱器逆流換熱區，隨著溫度下降，其被冷凝為液體，當冷卻溫度低于 45℃后，可對甲醇進行分離。

二、煤制甲醇工藝中甲醇合成塔工藝設計

（一）甲醇合成塔工藝

甲醇生產的核心合成設備即為合成塔，在合成塔工藝設計中需要對其結構和材料加強控制。傳統合成塔的上下反應管通過焊接以及固定方式將其固定在合成塔殼體上，此焊接方式會使管板連接口與反應管之間產生溫差，極容易導致反應管破裂而造成氣體泄露，引發嚴重的安全事故。因此在甲醇合成塔工藝設計中，需要對相關數據加強把控，使其性能增強，并確保甲醇合成塔的安全性和正常使用年限。

（二）材料設計

在合成設備工藝設計強化過程中，需要根據甲醇合成塔工藝狀態、運行介質材料成本投入、焊接性等，對球性封頭、管程筒體、法蘭鍛件、殼程筒體、上下管板、反應管、補強管鍛件等進行合理選擇。

（三）合成塔結構的設計

在進行甲醇合成塔設計及運行過程中，需要在操作反應前，將催化劑顆粒在各根換熱管間進行裝填。如果出現管頭泄漏的情況，會使催化劑中毒，同時需要對管頭焊接質量加強控制，可對強度焊加柔性貼脹進行首先選擇[2]。

對管箱進行入孔設計，使管頭檢修更便捷。在外殼底封頭處進行催化劑自卸孔設置，可以在內件無需吊出的情況下，外殼筒體無需與上封頭之間采用法蘭連接，使大法蘭加工制造困難的問題得以解決，同時成本節約。

在中心筒設計中采用吊出結構，因合成過程會產生一定的蠟，如中心筒孔被其堵住，中心筒無法吊出，則難以將蠟及時清除，因此需要采用可吊出的中心筒設計，有利于對其進行清理和檢修。

（四）合成塔底座設計

由于大型合成塔受到運輸等因素的影響，因此在進行鞍座設計時，需要避免其出現超寬等風險，可采用可拆卸式支座或裙座，將其分開進行運輸，再在現場得用螺栓對合成塔及可拆支座進行連接[3]。

（五）換熱管結構設計

因采用小管板結構，要求換熱管均勻布設催化劑，需要采用彎管結構進行設計。根據設計要求對每根換熱管進行彎制，確保其成型后進行穿管，要求其符合設備結構特點，并能夠使膨脹問題有效解決。同時設計核心問題主要為：換熱管和管板焊接接頭強度以及密封性。在密封性良好、有振動、有間隙腐蝕的場合，可采用高強度焊加貼脹，能夠使管板和換熱管的拉脫強度、密封性得以有效滿足，此連接方式能夠符合溫度和密封性要求的同時，還能免避免設備振動以及間隙腐蝕現象發生。另外為了確保焊接與密封效果，在進行換熱管和管板焊接時，可采用氬弧焊方式;對液壓脹管進行選擇，能夠避免管內壁出現冷作裂紋，并將貼脹量控制在 6% 以下[4]。

三、甲醇合成塔結構分析

入塔氣主要通過透平壓縮機，使氣體壓力達到 8.2MPa ，再將其與循環氣進行混合而成，再利用出塔器對其進行換熱，溫度提高至 220℃;將入塔氣由頂端入口送入合成塔，在換熱管間裝填一定粒徑的催化劑，氣體受催化劑的影響，促進二氧化碳、一氧化碳與氫氣進行反應而形成甲醇。合成塔結構主要包括了換熱管、外側向噴射板、封頭、由上下 4 塊小管板組成的內件、管箱、中心筒等。通過小管板結構的運用，能夠使合成塔大型化問題得以解決，同時每個小管板管箱上進行入孔設置，有利于檢修工作的形展。另外合成塔內件采用徑向向心流，能夠使床層阻力有效降低。

四、 結束語

目前甲醇制作的核心合成設備為甲醇合成塔，也是甲醇合成工藝中的重要環節。甲醇合成塔主要為甲醇制作的重要合成裝置，在合成過程中對甲醇合成反應釋放的巨大熱量進行利用和高效轉移，在實際運行過程中，能夠取得顯著的效果，實現高硫煤的充分利用、資源節約等目的， 從而使煤炭行業發展得到有效促進。

參考文獻：

[1]韓學琴. 煤制甲醇工藝中甲醇合成塔的設計研究[J]. 山西化工， 2018， 038（001）：104-106.

[2]陳兆. 煤制甲醇工藝中甲醇合成塔的設計[J]. 百科論壇電子雜志， 2018， 000（017）：253.

[3]趙明霞， 張萌萌， 李娜. 煤制甲醇生產工藝的優化與設計[J]. 中國化工貿易， 2018， 010（017）：20.

[4]孫巍， 杜美利. 淺析煤制甲醇工藝技術研究進展[J]. 中國化工貿易， 2019， 11（22）.