上浮頭管殼式甲醇反應器及工藝流程設(shè)計說明

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:2100441、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)能源、四川匯豐能源集團、安陽貞元

2、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15萬噸/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15萬噸/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、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.

3、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)こ踢M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

4、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 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 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 ,進塔氣先預熱到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熱,預熱至反應溫度220后進入套管間的催化劑層反應,熱點溫度250左右,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,隨著塔高度的增加同樣會出現(xiàn)殼體材料疲勞現(xiàn)象、造價較高等缺陷。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

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,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甲醇濃度 m o l %填管,并在個650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192管內(nèi)的問題。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

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)有導氣管,導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d1 810。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

9、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

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 0.38 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

11、劑床層反應溫度與床層高度曲線圖如下圖:270260250240230220210200(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)封頭是可以向上移動的

12、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

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4100設(shè)備內(nèi)徑,分別按照38、44、80(內(nèi)部采用18的導氣管的管徑來布管:分別得出參數(shù)如下表:序號主要參數(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間長,利于單程轉(zhuǎn)化率提高,便于進一步提高出口甲醇含量,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)

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4100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。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

17、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,

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:(5反應器與熱交之間設(shè)置一個軟水加熱器,出反應器的溫度由225降到186,而除氧104的軟水