上浮頭管殼式甲醇反應器及工藝流程設(shè)計說明001

1、上浮頭式管殼式甲醇反應器及系統(tǒng)工藝設(shè)計說明 王慶新劉芳趙勇孫宏帥 (南京敦先化工科技有限公司郵編 :210044 1、南京敦先化工科技有限公司公司簡介 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)計研究所、技術(shù)經(jīng) 營部、機械設(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)

2、能源、四川匯豐 能源集團、安陽貞元集團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?nèi)缦?: (1 湖北鄂西化工有限公司 8 萬噸/年反應器內(nèi)件設(shè)計及制造 ; (2河南寶馬化肥廠 1 5萬噸/年低壓甲醇反應器設(shè)計及制造 ; (3河南寶發(fā)能源有限公司 1 5萬噸/年二甲醚系統(tǒng)軟件包及反應器的設(shè)計和制造 (4 河南寶馬化肥廠科技有限公司 25萬噸 /年低壓甲醇反應器設(shè)計及制造 ; (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器的設(shè)計及制造 (6安陽貞元集團 20萬噸/年二甲醚裝置的軟件包、

3、工程、反應器及部分非標設(shè) 備的設(shè)計和制造。 公司主要的業(yè)務范圍 : (111.O22.0MPa的成套氨合成技術(shù)、反應器及分離設(shè)備內(nèi)件的設(shè)計和制作 ； (222.031.4MPa的成套氨合成技術(shù)、反應器及凈化設(shè)備內(nèi)件的設(shè)計與制作 (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 器及分離設(shè)備的設(shè)計與制作； (412.0MPa中壓聯(lián)醇系統(tǒng)的成套技術(shù)、反應器及分離設(shè)備內(nèi)件的設(shè)計與制作； (5合成氨原料氣精制的成套技術(shù)設(shè)計，并提供反應器、附屬凈化設(shè)備反應器及 分離設(shè)備內(nèi)件的設(shè)計與制作； (6甲醇脫水合成二甲醚技術(shù)，并提供甲醇氣相脫水合成二甲醚反應器及塔器的 設(shè)計與制作，或?qū)?/p>

4、工程進行總包； (7提供甲醛、甲醛醛全套工藝軟件包、工程設(shè)計及非標設(shè)備的設(shè)計和制造，或 工程總包。 2、上浮頭式管殼式甲醇反應器說明 南京敦先化工科技有限公司在日本三菱超轉(zhuǎn)化反應器(SPC基礎(chǔ)上開發(fā)出一種 上 浮頭式管殼是甲醇反應器”也稱一種多組空心圓柱床層集合體的反應器，專利 號為:ZL 2009 2 0048465.9。 2.1日本三菱甲醇合成超轉(zhuǎn)化率塔(SPC簡要說明 14 / 15 日本三菱氣體化學公司研制在 Lurgi管殼式甲醇反應器基礎(chǔ)上進行改進改進，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。單個催化劑床層為

5、雙套管結(jié)構(gòu)，催化劑床層外管為 85X、5內(nèi)管為 19X 2, 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)報道：日產(chǎn)520噸的甲醇合成塔，內(nèi)徑2.4米,內(nèi)有長15米的雙套管462根，外 管為85mm X5mm，內(nèi)管為19mm X1.5mm，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，進塔氣先預熱到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熱，預熱至反應溫度220E后進入套管間的催化劑 層反應，熱點溫度250C左

6、右，反應熱同時被內(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、活性高和耐熱性好的銅基催化劑，合 成塔出口甲醇可高達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，比列管式機械強度好， 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力 沒有消除,隨著塔高度的

7、增加同樣會出現(xiàn)殼體材料疲勞現(xiàn)象、造價較高等缺陷。 2.2上浮頭式管殼式反應器結(jié)構(gòu)說明2.2.1改進部分說明 南京敦先化工科技有限公司針對 SPC存在的缺陷進行以下優(yōu)化設(shè)計： (1 上部設(shè)置一個內(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 ,很好得消除應力 ; (2上部設(shè)置一個DN650的催化劑裝填口，在內(nèi)封頭上設(shè)置一個 650 X催化劑裝 氣 水 日本三菱化學公司超級合成塔 氣 蒸汽和水 溫度C 甲醇濃度 m o l % 填管,并在個 650X催化劑裝填管內(nèi)部設(shè)置一個盲板，在催化劑裝填好后采取 焊接密封 ,確保水與氣之間密封

8、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 900彎頭焊接 在在下部短節(jié)上，很巧妙得解決了冷氣體導入 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)有導氣管 ,導氣管與催化劑床層外

9、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)有氣體進口 a12、反應后氣體出口 b、催化劑自卸口 e12筒體下部設(shè)有軟水進 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的封頭 ,催化劑裝填由上部裝入。上浮頭式甲醇反應器 結(jié)構(gòu)示意圖及部分部件結(jié)構(gòu)示意圖如： 單個催化劑床層結(jié)構(gòu)示意圖 反應器下管板與內(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口進入，經(jīng)過下部內(nèi)封頭與外封頭之間環(huán)隙 進入冷氣體分布室，在分布室內(nèi)分別進入催

10、化劑床層內(nèi)部導氣管內(nèi)，邊換熱邊向上流 動，氣體由導氣管上部出來然后轉(zhuǎn)180。進入到空心圓柱形催化劑床層進行反應，反應 放出的熱量由催化劑床層外管的水移走，并副產(chǎn)蒸汽。反應后的氣體進入內(nèi)封頭，然 后由下部出氣管導出甲醇反應器。 2.4上浮頭管殼式反應器優(yōu)點： (1采用水、氣同時移熱技術(shù)，單程轉(zhuǎn)化率高、循環(huán)比小、副產(chǎn)蒸汽量大：本反應 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器的1.21.38倍，是國內(nèi)目前移熱 能力最強的反應器。副產(chǎn)蒸汽量可以達到1.38t/tCH3OH,比國內(nèi)其它低壓甲醇反應 器多副產(chǎn)0.17 0.3

11、8 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 放的化學反應 向正反應方向進行 ,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 溫度與床層高度曲線圖如下圖 : 270C 260 C 250 C 240C 230 C 220 C 210C 200 C 0.5m1.0m1.5m2.0m2.5m3.0m3.5m4.0m4.5m5.0m

12、5.5m6.0m6.5m7.0m7.5m8.0m8.5 m (3 工程投資低 :國內(nèi) “反 Lurgi ”反應器由于管或板內(nèi)走水、管或板外裝填催化劑 , 反應器由內(nèi)件和殼體組成 ,造成整臺反應器造價高 ,還需要設(shè)置可以起吊反應器 內(nèi)件的框架 ；由于水側(cè)流動通徑小、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)費用高。而本公司開發(fā)的上浮頭管殼式反應器與“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式價格的2/34/5。 (4很好解決了熱應力問題、提高設(shè)備使用壽命 ：上管板、上部內(nèi)封頭是可以向

13、上移動的整體 ,在催化劑外管受熱后向上膨脹時 ,上管板、內(nèi)封頭也向上移動 ,產(chǎn)生的 應力在上部 DN650 催化劑裝填口處自由向上移動。避免了管殼式反應器造成筒體 裂或管板裂的現(xiàn)象 ; (5結(jié)構(gòu)簡單、不存在技術(shù)難題 ：本反應器催化劑床層是由數(shù)個 “空心圓柱形 ”催 化劑床組成，如同管殼式反應器采用 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 ,很容易實現(xiàn)裝置放大。而本反應 器的空心圓柱形”催化劑床的厚度2628mm之間,從計算、設(shè)計等方面要比 反 Lurgi ”簡單得多 ,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

14、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180o因此，對氣體分 布而言是最好的 ; (8熱水采取自然循環(huán)、減少運行費用 ：熱水為自然循環(huán) ,比現(xiàn)有“反 Lurgi ”反應器 分別節(jié)省 12.93kwh/tHO3OH、15.61kwh/tHO3OH 的動力消耗； (9設(shè)備為一整體結(jié)構(gòu)、使用壽命長 ,降低維修費用 ：設(shè)備結(jié)構(gòu)合理、熱

15、應力消除 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 ,便于整臺設(shè)備質(zhì)量控制 確保設(shè)備在 20年內(nèi)免維修 !杜絕了“反 Lurgi ”單位 8年就需要更換一次甲醇反應器 內(nèi)件的現(xiàn)象 !主要技術(shù)參數(shù)如下表 (10易于實現(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勺導氣管的管徑來布管：分別得出參數(shù)如下表： 號主要參數(shù)名稱 布 38 X2 催化劑管 布 44X2 催化劑管 布 80X催化劑管 （中心放置 18X 1.管5 1 布管數(shù) 6325 4783 1646 2 催化劑床層截面 積 m2 5.739 6.007 6.657 3 催化劑床層有

16、效 高度 m 6.5 7.0 8.5 4 同樣阻力狀態(tài)下 催化劑裝填量 m3 41.26 46.007 65.66 5 床層換熱面積 m24905.54 4625.73 4600.87 6 25萬噸床層阻力 MPa 0.12 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間長 ,利 于單程轉(zhuǎn)化率提高 ,便于進一步

17、提高出口甲醇含量 ,降低運行能耗。 (c 對于同樣換熱面積 ,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)醇運行結(jié)果看 ,如果催化劑裝填料少 ,低壓聯(lián)醇運行周期較短 ,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器，在同時gioo管殼式甲醇反 應器來看，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 ,運行周期至少可以延長 1 年以上。

18、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)計的幾點新理念 (1 對循環(huán)氣體進行全氣量洗滌 ,可以將現(xiàn)有運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，由220C降到 75C,由于熱氣體中甲醇濃度高，在溫度變化過程

19、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)計算適當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),同時可以減少水冷器的負荷 ,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。上部洗滌段采用復合板的結(jié)構(gòu),每一 層復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、氣體由 下往上流動。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)計蒸汽噴射槍裝置 ,開車時,可以通過蒸汽噴射的動 力及靜壓能完全實現(xiàn)水的循環(huán) ,不僅簡化了水路的流程 ,同時也降低了工程投資。工 藝流程簡圖如下 :