上浮頭管殼式甲醇反應(yīng)器及工藝流程設(shè)計(jì)說明(精)

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) 營部、機(jī)械設(shè)備加工廠，設(shè)備加工廠具有 lO.OMPa 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

2、源集團(tuán)、安陽貞元集團(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)超越國內(nèi)同類技術(shù)，節(jié)能降耗、環(huán)保等方面處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。公司 近兩年來主要業(yè)績(jī)?nèi)缦拢?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

3、設(shè)計(jì)和制造。公司主要的業(yè)務(wù)范圍：(111.O22.0MPa 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

4、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 85X、5內(nèi)管為 19X2, 催化

5、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 85mmX5mm，內(nèi)管為 19mmX1.5mm，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 150C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 220E后進(jìn)入套管間的催化劑 層反應(yīng)，熱點(diǎn)溫度 250C左右，反應(yīng)熱同時(shí)被內(nèi)管中冷氣和外管外殼

6、程間的沸騰水移 走出催化劑層溫度為 213C左右，在 11.2MPa 空速 11000Nm 3/h 下。出塔氣中甲醇 含量 8.6%。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

7、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。2.2 上浮頭式管殼式反應(yīng)器結(jié)構(gòu)說明 2.2.1 改進(jìn)部分說明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) 650X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C甲醇濃度 m o I %填管,并在個(gè) 650X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

8、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 19X管內(nèi)的問題。2.2.2 結(jié)構(gòu)說明上浮頭管殼式反應(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、上部外圭寸頭不連接，催化劑床層外管受熱后連同上管板、 內(nèi)部上圭寸頭一起向上膨脹 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

9、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 d1810。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：nm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)

10、，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 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,比國內(nèi)其它低壓甲醇反應(yīng)器多副產(chǎn) 0.17 0.38 t/tCH3

11、OH,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 150160C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215225C之間，利于 CO+HMCH3OH+Q 放、CO2+HPCH3OH+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。催化劑床層反應(yīng) 溫度與床層高度曲線圖如下圖：270C260C250C240C230C220C210C200C0.5m1.0m1.5m2.0m2.5m3.0m3.5m4.0m4.5m5.0m5.5m6.0m6.5m7.0m7.5m8.0m

12、8.5m(3 工程投資低：國內(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

13、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 3842 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，采用焊接密封，確保水與氣之間密封安全；下部

14、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 180a 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

15、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 410(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：號(hào)主要參數(shù)名稱布38X2催化劑管布 44X2催化劑管布 80X催化劑管（中心放置 18X1 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

16、.73 4600.87625 萬噸床層阻力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

17、,同時(shí)還需要通過生產(chǎn)合成氨的氣量，雖然在低壓聯(lián)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) g100 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 氣、水兩側(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

18、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)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220C降到75C,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

19、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，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