上浮頭管殼式甲醇反應(yīng)器及工藝流程設(shè)計(jì)說明

1、上浮頭式管殼式甲醇反應(yīng)器及系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)說明王慶新劉芳趙勇孫宏帥(南京敦先化工科技有限公司郵編:2100441、南京敦先化工科技有限公司公司簡(jiǎn)介南京敦先化工科技有限公司是以王慶新為首創(chuàng)辦的高科技股份制企業(yè)。公司主要從事合成氨、甲醇、二甲醚、甲醛、甲縮醛、合成氨原料氣體凈化以及甲醇下游產(chǎn)品的技術(shù)研發(fā)和推廣工作,目前擁有近二十項(xiàng)專利技術(shù),部分專利技術(shù)已經(jīng)成功轉(zhuǎn)化為工業(yè)裝置。公司與部分院校有著緊密的合作關(guān)系。公司下設(shè)計(jì)研究所、技術(shù)經(jīng)營(yíng)部、機(jī)械設(shè)備加工廠,設(shè)備加工廠具有10.0MPa以下制造資質(zhì),廠房建筑面積10000m2。自公司成立以來已經(jīng)為湖北鄂西、河南寶馬、河南寶發(fā)能源、四川匯豐能源集團(tuán)、安陽(yáng)貞元

2、集團(tuán)等單位提供了合成氨、甲醇、二甲醚等技術(shù)和專利產(chǎn)品,部分技術(shù)已經(jīng)超越國(guó)內(nèi)同類技術(shù),節(jié)能降耗、環(huán)保等方面處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。公司近兩年來主要業(yè)績(jī)?nèi)缦?(1湖北鄂西化工有限公司8萬噸/年反應(yīng)器內(nèi)件設(shè)計(jì)及制造;(2河南寶馬化肥廠15萬噸/年低壓甲醇反應(yīng)器設(shè)計(jì)及制造;(3河南寶發(fā)能源有限公司15萬噸/年二甲醚系統(tǒng)軟件包及反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和制造;(4河南寶馬化肥廠科技有限公司25萬噸/年低壓甲醇反應(yīng)器設(shè)計(jì)及制造;(5四川匯豐能源有限公司30萬噸/年低壓甲醇軟件包及反應(yīng)器的設(shè)計(jì)及制造;(6安陽(yáng)貞元集團(tuán)20萬噸/年二甲醚裝置的軟件包、工程、反應(yīng)器及部分非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造。公司主要的業(yè)務(wù)范圍:(111.O22.

3、0MPa的成套氨合成技術(shù)、反應(yīng)器及分離設(shè)備內(nèi)件的設(shè)計(jì)和制作;(222.031.4MPa的成套氨合成技術(shù)、反應(yīng)器及凈化設(shè)備內(nèi)件的設(shè)計(jì)與制作;(34.56.0MPa 的低壓聯(lián)醇、單醇成套合成技術(shù)。并提供低壓聯(lián)醇、單醇反應(yīng)器及分離設(shè)備的設(shè)計(jì)與制作;(412.0MPa中壓聯(lián)醇系統(tǒng)的成套技術(shù)、反應(yīng)器及分離設(shè)備內(nèi)件的設(shè)計(jì)與制作;(5合成氨原料氣精制的成套技術(shù)設(shè)計(jì),并提供反應(yīng)器、附屬凈化設(shè)備反應(yīng)器及分離設(shè)備內(nèi)件的設(shè)計(jì)與制作;(6甲醇脫水合成二甲醚技術(shù),并提供甲醇?xì)庀嗝撍铣啥酌逊磻?yīng)器及塔器的設(shè)計(jì)與制作,或?qū)こ踢M(jìn)行總包;(7提供甲醛、甲醛醛全套工藝軟件包、工程設(shè)計(jì)及非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造,或工程總包。2、上

4、浮頭式管殼式甲醇反應(yīng)器說明南京敦先化工科技有限公司在日本三菱超轉(zhuǎn)化反應(yīng)器(SPC基礎(chǔ)上開發(fā)出一種“上浮頭式管殼是甲醇反應(yīng)器”也稱“一種多組空心圓柱床層集合體的反應(yīng)器,專利號(hào)為:ZL 2009 2 0048465.9。2.1日本三菱甲醇合成超轉(zhuǎn)化率塔(SPC 簡(jiǎn)要說明 日本三菱氣體化學(xué)公司研制在Lurgi 管殼式甲醇反應(yīng)器基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)改進(jìn),其結(jié)構(gòu)為:上、下管板仍采用筒體焊接方式,下部增設(shè)一個(gè)氣體隔開冷熱氣體的內(nèi)封頭冷氣體引入內(nèi)部氣管采用軟管聯(lián)接。單個(gè)催化劑床層為雙套管結(jié)構(gòu),催化劑床層外管為855、內(nèi)管為192,催化劑床層厚度 為28mm ,催化劑裝在內(nèi)外套管間,冷氣通過冷氣管與管外催化劑層逆流

5、換熱,降低催化劑層底部溫度,提高甲醇合成率,管間為沸騰水,副產(chǎn)蒸汽(見上圖。據(jù)報(bào)道:日產(chǎn)520噸的甲醇合成塔,內(nèi)徑2.4米,內(nèi)有長(zhǎng)15米的雙套管462根,外管為 85mm 5mm ,內(nèi)管為 19mm 1.5mm ,換熱面積2123m 2,總重180噸,內(nèi)外套管間裝催化劑28 m 3,操作壓力11Mpa ,進(jìn)塔氣先預(yù)熱到150,入塔后分布到各雙套管的內(nèi)管中,吸收管外套管間的反應(yīng)熱,預(yù)熱至反應(yīng)溫度220后進(jìn)入套管間的催化劑層反應(yīng),熱點(diǎn)溫度250左右,反應(yīng)熱同時(shí)被內(nèi)管中冷氣和外管外殼程間的沸騰水移走,出催化劑層溫度為213左右,在11.2MPa ,空速11000Nm 3/h 下。出塔氣中甲醇含量8.

6、6%。三菱公司認(rèn)為SPC 有著比Lurgi 等溫合成塔低的循環(huán)比和比Lurgi 合成塔更高的單程轉(zhuǎn)化率,如果采用兩種壽命長(zhǎng)、活性高和耐熱性好的銅基催化劑,合成塔出口甲醇可高達(dá)12%以上。SPC 雙套管內(nèi)徑75mm 比Lurgi 列管合成塔 34或 40大得多,管數(shù)少得多,故裝卸催化劑容易,SPC 外管受壓壁厚,比列管式機(jī)械強(qiáng)度好,內(nèi)管、軟管和隔板為不受壓部件。SPC 由于上下管板仍然采用與筒體焊接方式,催化劑床層與殼體之間的熱應(yīng)力沒有消除,隨著塔高度的增加同樣會(huì)出現(xiàn)殼體材料疲勞現(xiàn)象、造價(jià)較高等缺陷。南京敦先化工科技有限公司針對(duì)SPC 存在的缺陷進(jìn)行以下優(yōu)化設(shè)計(jì):(1上部設(shè)置一個(gè)內(nèi)封頭,內(nèi)封頭與

7、上關(guān)板連接,上管板與外部殼體之間留有一定環(huán)隙,使內(nèi)封頭、上管、催化劑床層受熱后上下自由活動(dòng),很好得消除應(yīng)力;(2上部設(shè)置一個(gè)DN650的催化劑裝填口,在內(nèi)封頭上設(shè)置一個(gè)650催化劑裝氣水日本三菱化學(xué)公司超級(jí)合成塔氣蒸汽和水溫度甲醇濃度 m o l %填管,并在個(gè)650催化劑裝填管內(nèi)部設(shè)置一個(gè)盲板,在催化劑裝填好后采取焊接密封,確保水與氣之間密封安全可靠;(3在催化劑床層外管下部設(shè)一短節(jié),內(nèi)部19氣體管道通過一個(gè)900彎頭焊接在在下部短節(jié)上,很巧妙得解決了冷氣體導(dǎo)入192管內(nèi)的問題。上浮頭管殼式反應(yīng)器由上外封頭、上內(nèi)封頭、上管板、催化劑床層外管、催化劑床層內(nèi)管、下管板、下內(nèi)封頭、下外封頭、筒體等

8、部件組成。下管板與筒體、催化劑床層外管及下部外封頭連接在一起,設(shè)備整體、水和催化劑的重量全部支撐在下管板及外下封頭上。內(nèi)部上封頭與上管板、催化劑床層外管相連接,但與外筒、上部外封頭不連接,催化劑床層外管受熱后連同上管板、內(nèi)部上封頭一起向上膨脹延伸。催化劑床層內(nèi)部設(shè)有導(dǎo)氣管,導(dǎo)氣管與催化劑床層外管之間形成空心圓柱形催化劑床層。催化劑外管與筒體之間形成水腔體,水腔體內(nèi)裝滿移熱的水。下封頭設(shè)有氣體進(jìn)口a12、反應(yīng)后氣體出口b、催化劑自卸口e12,筒體下部設(shè)有軟水進(jìn)口c18、筒體上部及外部上封頭設(shè)有蒸汽出口d1 810。上封頭的上部設(shè)有直徑為650mm的直筒體及可以移動(dòng)的封頭,催化劑裝填由上部裝入。上

9、浮頭式甲醇反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖及部分部件結(jié)構(gòu)示意圖如: 單個(gè)催化劑床層結(jié)構(gòu)示意圖反應(yīng)器下管板與內(nèi)封頭、催化劑外管和筒體之間結(jié)構(gòu)示意圖 2.3氣體內(nèi)部工藝流程圖說明內(nèi)部工藝流程:氣體由下部封頭a12口進(jìn)入,經(jīng)過下部?jī)?nèi)封頭與外封頭之間環(huán)隙進(jìn)入冷氣體分布室,在分布室內(nèi)分別進(jìn)入催化劑床層內(nèi)部導(dǎo)氣管內(nèi),邊換熱邊向上流動(dòng),氣體由導(dǎo)氣管上部出來然后轉(zhuǎn)180進(jìn)入到空心圓柱形催化劑床層進(jìn)行反應(yīng),反應(yīng)放出的熱量由催化劑床層外管的水移走,并副產(chǎn)蒸汽。反應(yīng)后的氣體進(jìn)入內(nèi)封頭,然后由下部出氣管導(dǎo)出甲醇反應(yīng)器。2.4上浮頭管殼式反應(yīng)器優(yōu)點(diǎn):(1采用水、氣同時(shí)移熱技術(shù),單程轉(zhuǎn)化率高、循環(huán)比小、副產(chǎn)蒸汽量大:本反應(yīng)器催化劑床層為

10、“空心圓柱形”結(jié)構(gòu),內(nèi)部采用氣體間接移熱、外部全部埋在沸騰水中。同樣甲醇生產(chǎn)能力,換熱面積是其它水移反應(yīng)器的1.21.38倍,是國(guó)內(nèi)目前移熱能力最強(qiáng)的反應(yīng)器。副產(chǎn)蒸汽量可以達(dá)到1.38t/tCH3OH,比國(guó)內(nèi)其它低壓甲醇反應(yīng)器多副產(chǎn)0.17 0.38 t/tCH3OH,循環(huán)比控制在3.24.0范圍;(2單程轉(zhuǎn)化率高:催化劑床層下部1/3的催化劑床層,外部與不飽和水接觸、內(nèi)部與150160的冷氣接觸,可以是下部1/3部分的催化劑床層溫度控制在215225之間,利于CO+H2CH3OH+Q放、CO2+H2CH3OH+Q放的化學(xué)反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行,利于提高單程轉(zhuǎn)化率,確保醇凈值在6.5%以上。催化

11、劑床層反應(yīng)溫度與床層高度曲線圖如下圖:270260250240230220210200(3工程投資低:國(guó)內(nèi)“反Lurgi”反應(yīng)器由于管或板內(nèi)走水、管或板外裝填催化劑,反應(yīng)器由內(nèi)件和殼體組成,造成整臺(tái)反應(yīng)器造價(jià)高,還需要設(shè)置可以起吊反應(yīng)器內(nèi)件的框架;由于水側(cè)流動(dòng)通徑小、阻力大,需要將氣包設(shè)置較高位置;另外,催化劑裝填量大、生產(chǎn)費(fèi)用高。而本公司開發(fā)的上浮頭管殼式反應(yīng)器與“Lurgi”式類似,但在用材上選用國(guó)內(nèi)普通材質(zhì):如殼體部分為Q345R、催化劑管為0Cr18Ni9,同規(guī)模的設(shè)備僅為“Lurgi”式價(jià)格的2/34/5。(4很好解決了熱應(yīng)力問題、提高設(shè)備使用壽命:上管板、上部?jī)?nèi)封頭是可以向上移動(dòng)的

12、整體,在催化劑外管受熱后向上膨脹時(shí),上管板、內(nèi)封頭也向上移動(dòng),產(chǎn)生的應(yīng)力在上部DN650催化劑裝填口處自由向上移動(dòng)。避免了管殼式反應(yīng)器造成筒體裂或管板裂的現(xiàn)象;(5結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不存在技術(shù)難題:本反應(yīng)器催化劑床層是由數(shù)個(gè)“空心圓柱形”催化劑床組成,如同管殼式反應(yīng)器采用38、42管子裝填催化劑一樣,單根成熟,由數(shù)根組成的集合體也是成熟的,根本不存在技術(shù)難題,很容易實(shí)現(xiàn)裝置放大。而本反應(yīng)器的“空心圓柱形”催化劑床的厚度2628mm之間,從計(jì)算、設(shè)計(jì)等方面要比“反Lurgi”簡(jiǎn)單得多,而且非常成熟;(6水與氣之間密封最安全:如上部結(jié)構(gòu)示意圖,水與氣之間采用焊接密封,在催化劑裝填好后,將盲板放上,采用焊接

13、密封,確保水與氣之間密封安全;下部氣與氣之間壓差僅有0.2MPa的壓差,冷熱氣體之間采用填料密封,非常安全。(7氣體分布均勻、有效提高催化劑利用率:氣體出換熱管后與其它換熱管過來的氣體充分混合,在上部較大空間內(nèi),氣體流速降低,然后返折180。因此,對(duì)氣體分布而言是最好的;(8熱水采取自然循環(huán)、減少運(yùn)行費(fèi)用:熱水為自然循環(huán),比現(xiàn)有“反Lurgi”反應(yīng)器分別節(jié)省12.93kwh/tHO3OH、15.61kwh/tHO3OH的動(dòng)力消耗;(9設(shè)備為一整體結(jié)構(gòu)、使用壽命長(zhǎng),降低維修費(fèi)用:設(shè)備結(jié)構(gòu)合理、熱應(yīng)力消除好,材料優(yōu)于同類型產(chǎn)品,設(shè)備為三類壓力容器廠家整體制造,便于整臺(tái)設(shè)備質(zhì)量控制,確保設(shè)備在20年

14、內(nèi)免維修!杜絕了“反Lurgi”單位8年就需要更換一次甲醇反應(yīng)器內(nèi)件的現(xiàn)象!主要技術(shù)參數(shù)如下表(10易于實(shí)現(xiàn)裝置大型化:我們采用同樣4100設(shè)備內(nèi)徑,分別按照38、44、80(內(nèi)部采用18的導(dǎo)氣管的管徑來布管:分別得出參數(shù)如下表:序號(hào)主要參數(shù)名稱布382催化劑管布442催化劑管布803催化劑管(中心放置181.5管1 布管數(shù)6325 4783 1646 2催化劑床層截面積m25.7396.007 6.6573 催化劑床層有效高度m6.57.08.54 同樣阻力狀態(tài)下催化劑裝填量m341.26 46.007 65.665 床層換熱面積m24905.54 4625.73 4600.87625萬噸床

15、層阻力MPa0.12 0.12 0.12我們從上表可以明顯看出:(a同樣布管圓,選擇大管子作為催化劑管,換熱面積下降,但催化劑床層通徑截面積增大,可以增加催化劑床層高度來滿足換熱面積。在同樣阻力情況下,催化劑裝量大,能夠提高單套生產(chǎn)裝置能力,便于裝置大型化:(b先擇大管徑催化劑床層,催化劑裝填量大、氣體與催化劑床層接觸時(shí)間長(zhǎng),利于單程轉(zhuǎn)化率提高,便于進(jìn)一步提高出口甲醇含量,降低運(yùn)行能耗。(c對(duì)于同樣換熱面積,如果想提高水側(cè)的移熱能力可以通過將氣泡位置提高,加大水側(cè)的循環(huán)比。(11最適宜合成氨低壓聯(lián)醇裝置:作為合成氨聯(lián)醇裝置不僅需要通過生產(chǎn)甲醇的氣量,同時(shí)還需要通過生產(chǎn)合成氨的氣量,雖然在低壓聯(lián)

16、醇裝置之前設(shè)有精脫硫裝置,但從現(xiàn)在低壓聯(lián)醇運(yùn)行結(jié)果看,如果催化劑裝填料少,低壓聯(lián)醇運(yùn)行周期較短,而南京敦先化工科技有限公司開發(fā)的上浮頭式管殼是反應(yīng)器,在同時(shí)4100管殼式甲醇反應(yīng)器來看,催化劑裝填量在65m3以上,比Lurgi式催化劑多裝20m3方以上的催化劑,在同樣硫含量條件下,運(yùn)行周期至少可以延長(zhǎng)1年以上。再者低壓聯(lián)醇裝置需要?dú)狻⑺畠蓚?cè)的壓差在4.0MPa 以上,而上浮頭式管殼是反應(yīng)器催化劑床層為圓管,上部水與氣之間的內(nèi)部上封頭完全可以根據(jù)不同的壓力要求來選擇封頭的壁厚。因此南京敦先化工科技有限公司開發(fā)的上浮頭式管殼是反應(yīng)器最適宜低壓聯(lián)醇裝置。3、配套的工藝流程設(shè)置3.1工藝流程設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)

17、新理念(1對(duì)循環(huán)氣體進(jìn)行全氣量洗滌,可以將現(xiàn)有運(yùn)行裝置的入塔氣體中甲醇含量由0.450.59%將到0.09%以下,醇凈值可以高0.20.5%。(2適當(dāng)增加氣氣換熱器的換熱面積及熱氣的通道,主要熱氣體經(jīng)過氣氣換熱器時(shí),由220降到75,由于熱氣體中甲醇濃度高,在溫度變化過程中,已經(jīng)有氣態(tài)甲醇變成液態(tài)甲醇,熱氣體在氣氣換熱器內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)雙相流,而且有大量冷凝熱放出。根據(jù)計(jì)算適當(dāng)增加氣氣換熱器的換熱面積及熱氣的通道不僅可以降低系統(tǒng)阻力,更重要的是可以將熱量回收到甲醇甲醇塔內(nèi)部,通過多副產(chǎn)蒸汽量的方式帶出甲醇系統(tǒng),同時(shí)可以減少水冷器的負(fù)荷,降低噸醇的冷卻水量。(3甲醇分離洗滌塔是分離器與吸收塔的組合體,

18、下部采用旋流、重力、過濾三結(jié)合的分離方式,確保液滴狀的甲醇被分離掉。上部洗滌段采用復(fù)合板的結(jié)構(gòu),每一層復(fù)合板分別由除沫絲網(wǎng)、氣體分布板、規(guī)整填料組成。水從上向下流動(dòng)、氣體由下往上流動(dòng)。除沫絲網(wǎng)主要除去上升氣體夾帶的液滴和氣泡,防止甲醇濃度高的水帶到上部去,影響上一塊塔板的洗滌效果,氣體分布板主要使氣、液分布均勻,規(guī)整填料主要增加氣、液傳質(zhì)面積,提高水對(duì)甲醇的吸收效果,確保用水量小。(4在水路的自然循環(huán)管上設(shè)計(jì)蒸汽噴射槍裝置,開車時(shí),可以通過蒸汽噴射的動(dòng)力及靜壓能完全實(shí)現(xiàn)水的循環(huán),不僅簡(jiǎn)化了水路的流程,同時(shí)也降低了工程投資。工藝流程簡(jiǎn)圖如下:(5反應(yīng)器與熱交之間設(shè)置一個(gè)軟水加熱器,出反應(yīng)器的溫度由225降到186,而除氧104的軟水