大型甲醇合成反應(yīng)器研究

張彥強(qiáng)

(山西焦煤集團(tuán)五麟煤焦開發(fā)有限責(zé)任公司，山西 汾陽(yáng) 032200)

我國(guó)以乙烯為代表的石油資源短缺，而煤炭資源豐富。在此能源結(jié)構(gòu)富煤少油的背景下，煤炭資源在未來很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)依然在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。以煤為原料制備甲醇需經(jīng)歷空氣分離、煤氣化、CO變換、合成氣體凈化、甲醇合成以及甲醇精餾等工藝。對(duì)于甲醇合成反應(yīng)器而言，其生產(chǎn)規(guī)模從幾萬噸到幾百萬噸不等，目前我國(guó)針對(duì)百萬噸級(jí)甲醇合成反應(yīng)器的工藝相對(duì)落后，還需引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)[1]。本文重點(diǎn)對(duì)百萬噸級(jí)甲醇合成反應(yīng)器進(jìn)行研究，分析反應(yīng)器大小、換熱管數(shù)量等關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)生產(chǎn)能力的影響。

1 甲醇合成反應(yīng)器工藝流程

目前，在化工行業(yè)中對(duì)以甲醇為上游產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的下游產(chǎn)品的使用量較大。因此，提升甲醇合成的生產(chǎn)能力和生產(chǎn)成本，對(duì)于提升化工行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展具有意義，進(jìn)而推動(dòng)了甲醇反應(yīng)器朝著百萬噸級(jí)的方向發(fā)展。隨著制備甲醇裝置生產(chǎn)能力的增加，對(duì)應(yīng)的對(duì)甲醇合成反應(yīng)器的性能提出了更高的要求。本文所研究甲醇合成反應(yīng)器對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)能力為180萬t/a，該反應(yīng)器采用氣冷-水冷串聯(lián)反應(yīng)器的技術(shù)解決了傳統(tǒng)百萬噸級(jí)甲醇合成反應(yīng)器體積過大、能耗較大以及制造困難的問題[2]。

本文所研究甲醇合成反應(yīng)器為兩個(gè)水冷反應(yīng)器和一個(gè)氣冷反應(yīng)器。其中，兩種類型反應(yīng)器的連接方式為串聯(lián)，兩臺(tái)水冷反應(yīng)器的連接方式為并聯(lián)。氣冷反應(yīng)器和水冷反應(yīng)器的主要功能是甲醇的合成；冷凝器的功能是將高溫氣體或液體進(jìn)行降溫；甲醇分離器主要是實(shí)現(xiàn)氣體與液體的分離，從而得到粗甲醇。

2 甲醇合成反應(yīng)器的模擬設(shè)計(jì)

結(jié)合甲醇合成反應(yīng)器的工藝流程和實(shí)際應(yīng)用中各個(gè)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)建立完成甲醇合成反應(yīng)器的模擬設(shè)計(jì)[3]。在實(shí)際生產(chǎn)中，甲醇合成反應(yīng)器中水冷式反應(yīng)器的冷卻介質(zhì)為飽和沸騰水；氣冷式反應(yīng)器的冷卻介質(zhì)為低溫原料氣。兩種類型反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 甲醇合成反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

此外，水冷式反應(yīng)器的催化劑在其管內(nèi)，其管外為冷卻介質(zhì)；但是，氣冷式反應(yīng)器的催化劑在其管外，管內(nèi)為冷卻介質(zhì)。本甲醇合成反應(yīng)器中裝填的催化劑為NC309型中低壓甲醇合成催化劑。本甲醇合成反應(yīng)器的關(guān)鍵工藝參數(shù)如下：

1) 進(jìn)入甲醇合成反應(yīng)器中的氣體的流量為2.106×106m3/h；其中，CO濃度為0.111 9 mol/m3，CO2的濃度為0.020 4 mol/m3。

2) 甲醇合成反應(yīng)器對(duì)應(yīng)的操作壓力為7.9 MPa；作為水冷反應(yīng)器冷卻介質(zhì)的壓力為3.5 MPa，溫度為242 ℃。

在上述甲醇合成反應(yīng)器模擬設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分別研究不同操作條件對(duì)工藝的影響。

3 不同操作條件對(duì)串聯(lián)工藝的影響

在實(shí)際生產(chǎn)中總結(jié)分析，了解到影響甲醇合成反應(yīng)器工藝的主要操作條件有溫度、操作壓力等。本節(jié)重點(diǎn)開展上述條件對(duì)工藝的影響研究。

3.1 溫度對(duì)甲醇合成反應(yīng)器工藝的影響

這里所指的溫度為甲醇合成反應(yīng)器中催化劑床層的溫度分布。水冷-氣冷式甲醇合成反應(yīng)中的主反應(yīng)器為水冷反應(yīng)器，且水冷反應(yīng)器與氣冷反應(yīng)器的連接方式為串聯(lián)。也就是說，氣冷反應(yīng)器的進(jìn)氣溫度為水冷反應(yīng)器的出氣溫度。從理論上講：水冷反應(yīng)器的進(jìn)氣溫度會(huì)影響下一步氣冷反應(yīng)器的換熱效果，從而影響氣冷反應(yīng)器的溫度分布；同時(shí)，水冷反應(yīng)器中冷卻介質(zhì)的溫度會(huì)直接影響其出氣溫度，進(jìn)而影響下一步氣冷反應(yīng)器中催化劑床層的進(jìn)氣溫度。

1) 水冷反應(yīng)器進(jìn)氣溫度對(duì)工藝的影響

在保證水冷反應(yīng)器冷卻介質(zhì)壓力溫度以及其他操作條件不變的基礎(chǔ)上，研究水冷反應(yīng)器的不同進(jìn)氣溫度對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)的影響。水冷反應(yīng)器進(jìn)氣溫度的變化范圍為252.3 ℃到195 ℃，所得試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 水冷反應(yīng)器進(jìn)氣溫度對(duì)甲醇的影響

分析表2可知，在甲醇合成其他操作條件不變的基礎(chǔ)上，水冷反應(yīng)器進(jìn)水溫度對(duì)系統(tǒng)甲醇的總產(chǎn)量影響不大。

2) 水冷反應(yīng)器冷卻介質(zhì)溫度對(duì)工藝的影響

在保證水冷反應(yīng)器進(jìn)氣溫度和其他操作條件不變的基礎(chǔ)上，研究不同水冷反應(yīng)器冷卻介質(zhì)溫度對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)的影響。水冷反應(yīng)器冷卻介質(zhì)的壓力變化范圍為3.39 MPa～3.97 MPa，溫度變化范圍為240 ℃～250 ℃。所得的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

如表3所示，隨著冷卻介質(zhì)溫度增加對(duì)應(yīng)甲醇的產(chǎn)量也會(huì)增加。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)冷卻介質(zhì)溫度的控制需綜合考慮催化劑的活性進(jìn)行確定。

3.2 不同操作壓力對(duì)工藝的影響

保證水冷反應(yīng)器進(jìn)氣溫度和冷卻介質(zhì)溫度不變，研究不同水冷反應(yīng)器操作壓力對(duì)最終甲醇產(chǎn)量的影響。本次試驗(yàn)所研究水冷反應(yīng)器操作壓力的變化范圍為6.9 MPa～7.9 MPa，所得試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表3 水冷反應(yīng)器冷卻介質(zhì)溫度對(duì)甲醇產(chǎn)量的影響

表4 不同水冷卻反應(yīng)器操作壓力對(duì)甲醇產(chǎn)量的影響

如表4所示，隨著水冷反應(yīng)器操作壓力的增加，水冷反應(yīng)器的甲醇產(chǎn)量明顯增加，而氣冷反應(yīng)器的甲醇產(chǎn)量略微減少，甲醇總產(chǎn)量增加。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，為了提升甲醇總產(chǎn)量可在保證設(shè)備安全的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)脑黾铀鋮s反應(yīng)器的操作壓力。

4 結(jié)論

當(dāng)前對(duì)甲醇下游產(chǎn)品的需求不斷增加，如何提升甲醇的產(chǎn)量降低其生產(chǎn)成本為甲醇生產(chǎn)主要考慮的問題。以百萬噸級(jí)甲醇制備裝置為研究對(duì)象，本文以氣冷-水冷的串聯(lián)式甲醇反應(yīng)器為研究對(duì)象，對(duì)其關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)甲醇產(chǎn)量的影響進(jìn)行研究，并總結(jié)如下：

1) 水冷反應(yīng)器進(jìn)氣溫度及其冷卻介質(zhì)的溫度對(duì)甲醇產(chǎn)量的影響不大；

2) 當(dāng)水冷反應(yīng)器的操作壓力增加時(shí)，對(duì)應(yīng)的水冷反應(yīng)器的甲醇產(chǎn)量明顯增加，而氣冷反應(yīng)器的甲醇產(chǎn)量略微減少，但甲醇總產(chǎn)量增加。

通過對(duì)百萬噸級(jí)甲醇合成反應(yīng)器下不同工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)量影響的研究，為今后甲醇實(shí)際制備提供指導(dǎo)。