國內甲醇合成反應器現狀3

1、 國內甲醇合成反應器現狀馮學明綜能協鑫（內蒙古）煤化工有限公司，內蒙古錫林浩特026009國內甲醇反應器的設計與開發(fā)主要單位主要有華東理工大學化工學院，杭州林達化工技術工程有限公司，南京國昌化工科技有限公司，湖南安醇高新技術有限公司；其已有工業(yè)業(yè)績（150300kt/a）代表技術是：華東理工大學化工學院房鼎業(yè)、應衛(wèi)勇教授等聯合開發(fā)的管殼外冷絕熱復合式甲醇反應器，杭州林達化工技術工程有限公司樓壽林、樓韌父子等聯合開發(fā)的低壓氣冷均溫甲醇合成反應器和臥式水冷甲醇合成反應器，南京國昌化工科技有限公司呂仲明教授等聯合開發(fā)的低壓軸徑向氣冷甲醇合成反應器和水冷折流板徑向甲醇合成反應器，湖南安醇高新技術有限公

2、司謝定中教授等聯合開發(fā)的低壓恒溫水管式徑向甲醇合成反應器。其反應器技術水平基本上代表了我國甲醇行業(yè)現階段的先進水平。1管殼外冷絕熱復合式甲醇反應器絕熱管殼式甲醇反應器由華東理工大學開發(fā)成功，已廣泛應用于甲醇工業(yè)生產中，最大單塔生產能力為300kt/a甲醇。反應器結構該反應器由絕熱段與管殼段組成。催化劑填充在管殼段，反應熱傳給管外的沸水，以蒸汽的形式回收熱量，通過調節(jié)蒸汽壓力來實現催化床的等溫分布。該反應器是基于Lurgi列管式反應器的改進型并有一定創(chuàng)新。在管殼上部管板上部設置1m左右高度的絕熱層。為了解決管殼反應器的壁效應問題，將反應器的列管從屮38X2mm改為屮44X2mm,改變了床層內徑與

3、催化劑顆粒直徑之比，在相同產能時，反應器體積較小，可節(jié)約設備投資。管殼外冷絕熱復合式甲醇合成反應器示意見圖1。反應氣進口上管板絕執(zhí)段LIJIIf“列管水進口下管板嚴沸胯水出門反應氣出門圖1管殼外冷絕熱復合式甲醇合成反應器示意圖技術特點（1）能量利用合理，副產中壓蒸汽，回收高位能量可回收高位能量，生產2.0MPa、180C蒸汽4.0MPa、250的蒸汽。對以煤為原料的合成氣，噸甲醇可副產中壓蒸汽約1.11。（2）溫度調節(jié)方便、迅速、有效床層溫度可通過汽包的壓力進行調節(jié)。對熱點和靈敏點溫度的調節(jié)迅速、有效。（3）床層溫度合理分布，催化劑時空收率高床層溫度優(yōu)化分布，絕熱層可在較低溫度下進床層反應；管

4、殼層在接近等溫下反應；催化劑生產強度大，時空得率高。（4）催化劑使用周期長原料氣中即使有微量毒物，可被截面積很大的絕熱層催化劑吸附，不影響管殼層催化劑發(fā)揮作用。鑒于溫度控制合理、優(yōu)化，催化劑層不會超溫，因此可實現催化劑長運轉周期操作。（5）催化劑裝卸、還原方便上封頭設有人孔，催化劑裝填方便；設有卸催化劑孔，催化劑直接放出；催化劑還原時，只需將原通過冷卻介質側，改通蒸汽加熱即可，十分方便。（6）反應器的操作適應性強對催化劑的適應性強可使用國產催化劑C302、NC306、NC307、XNC98型催化劑及國外催化劑；對原料氣的適應性強可使用以煤為原料的合成氣（新鮮氣CO26%28%），也可使用以天然

5、氣為原料的合成氣（CO11%13%），還可使用焦爐氣轉化的合成氣（催化轉化和非催化轉化）。對進口溫度的適應性強操作前期可控制床層進口溫度195200C,中期200210C，后期210220C，若有變化，也有適應性。操作彈性大可在50%110%負荷下操作。（7）產品質量好由于床層溫度控制好，所以副反應少，高級醇、醚、醛少，粗甲醇產品質量好。工業(yè)應用單塔生產能力為200300kt/a甲醇，管殼外冷一絕熱復合式甲醇反應器已在上海焦化廠、山東華魯恒生、國泰、陜西神木、南京惠生等單位投運；國宏、寧夏煤業(yè)處于設備安裝階段；滕州鳳凰、哈氣化、蘭州藍星、江蘇索普、寧夏萬華、鄂爾多斯世比等單位甲醇裝置亦采用該反

6、應器，處于設備制造階段。與一般管殼型甲醇反應器結構的主要區(qū)別催化劑列管規(guī)格為屮44X2mm，內徑為屮40mm，管內裝屮5X5mm粒度的甲醇合成銅基催化劑，使列管內床層內徑與催化劑顆粒直徑之比為8，且管子根數與屮38X2mm相比，減少20%以上，設備制造方便。減少因架橋原因導致的管壁效應出現。上管板上部有一絕熱層，絕熱層中的催化劑體積占整個催化劑體積的1/8至1/4，單塔生產能力大，由于上部有絕熱層，因此在同等生產能力下，相對反應器直徑不至于太大，同時管板與上下封頭的直徑也不至于太大，這樣也易于設備加工。當入塔氣中有毒物成份時，中毒的是絕熱層催化劑，因絕熱層直徑大，中毒區(qū)域的床層不會很高，對下部

7、催化劑有保護作用。氣體分布器下上管板上有一定厚度的絕熱層，所以進氣口安裝進氣分布器，以保持催化劑床層氣流分布均勻，避免偏流現象的出現，催化劑活性使用得均勻徹底；也能防止氣流對絕熱層的局部吹擾。適用于低溫活性較高的催化劑。該反應器的缺點其殼體和管板、反應管之間采用焊接結構，為消除熱應力，對塔體的制造、材料要求均比較高，結構復雜，制造難度大，維護成本高。因采用列管式，列管占用了反應器大量的空間，使得催化劑的裝填量僅占反應器的30%。(3)由于管內外傳熱溫差較小，所需傳熱面積大，比冷面達125m2m3。(4)該反應器用副產蒸汽直接從催化劑床層移熱，由于受蒸汽壓力限制，在催化劑使用后期難以提高使用溫度

8、。限于列管長度，擴大生產時，只能增加列管數量，擴大反應器的尺寸生產操作彈性較小。低壓氣冷均溫甲醇合成反應器和臥式水冷甲醇合成反應器低壓氣冷均溫甲醇合成反應器和臥式水冷甲醇合成反應器由杭州林達化工技術工程有限公司樓壽林、樓韌父子等聯合開發(fā)成功。其中低壓氣冷均溫甲醇合成技術已廣泛應用于甲醇工業(yè)生產中，陜西渭化和內蒙天野集團均為200kt/a甲醇，已安裝完畢待投產的還有大連大化集團300kt/a裝置；我國第一臺200kt/a臥式水冷甲醇合成反應器，也是世界上首臺大型臥式水冷甲醇合成反應器的工業(yè)裝置，于2008年6月份在內蒙蘇天化建成投產。反應器結構低壓氣冷均溫甲醇合成反應器（見圖2）2004年低壓氣

9、冷均溫甲醇合成技術獲得了國家技術發(fā)明二等獎，這是迄今為止我國化工裝備行業(yè)在國家授獎中所獲的最高級別獎項。合成塔由上下封頭、殼體、內件、支撐架等組成。經塔外換熱的合成氣由進氣口1進入合成塔，從頂部小封頭進氣管進塔內頂部分氣管進入隔板，分布到多根引氣管6，再進入上集氣環(huán)8分布到下行冷管10，先并流換熱，再經下集氣環(huán)12分布到上行冷管9上升，與催化層逆流換熱后，由上部進入催化層17。冷管由多層集氣環(huán)連接，保證氣流分布均勻。冷膽下部由支承架支承。下封頭設有卸料口及錐形帽方便催化劑卸料操作。20418678cn091017213r14圖2低壓氣冷均溫甲醇合成反應器示意圖1進氣口；2分布器；3小封頭；4小

10、法蘭；5測溫口；6引氣管；7大法蘭；8上環(huán)管；9上行管；10下行管；11外筒；12下環(huán)管；13支承板；14卸料口；15錐形帽；16出氣口；17催化劑；18大封頭；19隔板；20填料函臥式水冷甲醇合成反應器（見圖3）林達臥式水冷甲醇合成反應器，專利名為“橫向管式換熱反應設備”，為林達公司最新開發(fā)的技術，已在內蒙古蘇里個天然氣化工有限公司150kt/a甲醇項目中成功投用。創(chuàng)新點為合成塔殼體和換熱管均為橫向放置。在橫向放置（即臥式）的圓筒形殼體內設置有多組橫向換熱水管，反應氣從另一端封頭的出口出塔，作為冷卻介質的飽和沸騰水通過進水管、管箱后進入水冷管組內，吸收管外反應熱，控制床層反應溫度。在成塔殼體

11、內換熱管間裝催化劑，原料氣進入合成塔殼體后通過頂部弓形空間的氣體分布器由上到下徑向流動，在管外催化劑上進行甲醇合成反應，并與換熱管內流動的水錯流換熱。通過強化傳熱實現和反應氣的均勻分布，達到實現均溫反應的目的。禮合成氣出口循環(huán)水出門/圖3臥式水冷反應器結構示意圖技術特點低壓氣冷均溫甲醇合成反應器技術特點（1）低壓氣冷均溫甲醇合成反應器是全新的反應器結構，為國內外首創(chuàng)，發(fā)明了獨特的大小兩種彎頭的雙U型管冷管膽結構作為換熱元件。小彎頭U型管套在大彎頭U型管內構成一隊雙U型管，雙U型管中大小彎頭U型管反向排列套裝，氣體在每兩根相鄰冷管內上下流動，方向均為逆流，達到催化劑層等溫均溫反應的目的。一種型式

12、是環(huán)管位于催化劑上方的自由空間，雙U型管位于催化劑層中，冷管沒有焊接點，全自由伸縮復合密封結構；另一種型式是具有上下環(huán)管，冷膽管有上環(huán)管和下環(huán)管，上環(huán)管連接進氣管和下行冷管，下環(huán)管連接上行冷管和下行冷管。第二種型式已成功應用于20萬噸/年甲醇反應器上。（2）該反應器催化劑裝填系數大，同樣生產能力和催化劑裝量下，反應器體積大幅減小。提高合成壓力時，內件中管內外壓差并不相應增加，除了殼體設計壓力相應增加外并不增加合成塔內件加工制造的技術難度。3）溫度調節(jié)主要手段有：增減循環(huán)量、改變入塔氣溫度、調節(jié)入塔氣氣體組成，其中以調節(jié)回路循環(huán)量最為便利有效。（4）采用氣氣傳熱，能保證長周期穩(wěn)定運行，不會出現水

13、冷反應器因管子泄露而引起裝置全面停產的問題。（5）性價比高，制造周期短，合成塔投資省。臥式水冷甲醇合成反應器技術特點林達臥式管殼甲醇水冷反應器卻顯示一系列均溫、高效、易大型化的突出優(yōu)點：八、（1）合成塔催化劑裝填系數大，從而有利于縮小合成塔尺寸。立式管殼式甲醇塔因為是立式，催化劑只能裝在反應管內，只占合成塔總容積的1/3，而臥式管殼塔則可方便地裝在管外，催化劑裝量可提高約一倍，且催化劑裝卸方便。（2）均溫高效反應，表現在：采用管外催化劑層中氣體由上到下與換熱管內水錯流傳熱，大大提高傳熱系數，大大縮小并流和逆流傳熱中的管壁效應；可根據氣體在催化劑床中速度變化來優(yōu)化換熱管排列。（3）大大提高了移熱

14、能力，使催化劑床層溫差大幅減小達到均溫或等溫反應效果，從而能充分發(fā)揮催化劑活性，提高甲醇合成率和催化劑生產強度，同時均溫反應又提高了選擇性，減少副產物量，減少原料氣消耗量，提高產品質量，均溫還延長催化劑使用壽命。（4）均氣、高效，上下方向徑向流氣體分布均勻，提高了合成效率。（5）低循環(huán)比、低壓降、合成電耗少、副產蒸汽壓力高、熱量回收好。高移熱能力可采用低循環(huán)比到3左右，出塔甲醇濃度提高到8%左右，低床層和大流動截面的徑向流使塔壓差小于0.05MPa。低壓降和低循環(huán)量使循環(huán)機電耗降低30%多，高出塔甲醇濃度副產蒸汽壓力高，使噸醇副產中壓蒸汽量提高到1.2t多。（6）投資低。一是因為合成塔催化劑裝

15、填系數大，結構緊湊尺寸小，材料省，同時因合成塔殼體和內件分開，提高殼體使用壽命，降低合成塔材料要求，從而節(jié)省合成塔費用；二是合成循環(huán)比大幅降低，出塔醇凈值提高，合成配套設備循環(huán)機，換熱分離設備和管道設備投資降低；三是臥式合成塔省去大型高立式塔所需合成塔基礎和大型吊裝設備費。（7）結構簡單可靠。采用臥式換熱管，一端可自由伸縮，無熱應力。（8）易大型化。一是在合成塔直徑受限制情況下可以用增加長度來擴大能力；二是外殼和內件分開，可到現場組裝；三是內件即換熱管化整為零，分成多組到現場組裝。2.3工業(yè)應用低壓氣冷均溫甲醇合成反應器單塔生產能力為200kt/a甲醇，低壓氣冷均溫甲醇合成反應器已在云南大為、

16、陜西渭化、內蒙天野投產運行，山西蘭花、呼倫貝爾東能設備處于安裝階段；300kt/a甲醇低壓氣冷均溫合成反應器在大化公司已安裝完畢。臥式水冷甲醇合成反應器林達臥式水冷甲醇合成反應器，為林達公司最新開發(fā)的技術，已在內蒙古蘇里個天然氣化工有限公司150kt/a甲醇項目中成功投用；寧夏寶塔600kt/a甲醇項目也決定采用此技術，現處于設計階段。低壓軸徑向氣冷甲醇合成反應器和水冷折流板徑向甲醇合成反應器這兩種甲醇合成反應器由南京國昌化工科技有限公司呂仲明教授等聯合開發(fā)成功。其中150kt/a甲醇軸徑向低壓甲醇合成反應器2005年4月在山東久泰能源成功投產，200kt/a甲醇軸徑向低壓甲醇合成反應器近期將

17、在山西同世達投用；爐2800水冷折流板徑向合成反應器2007年2月在河南鶴壁寶馬化肥廠低壓甲醇裝置中應用，設計100kt/a，現可達到期望值150kt/a。反應器結構3.1.1年產150kt/a的低壓軸徑向氣冷甲醇合成反應器塔徑2200mm，兩層軸向，兩層徑向，四層絕熱，兩段橫插式層間換熱（圖略）。3.1.2年產150kt/a水冷折流板徑向甲醇合成反應器該甲醇反應器由外筒和內件組成，內件由徑向分布器、徑向集氣筒、分水聯箱、集水聯箱、換熱板束等主要元件組成。板內走水，板間裝填催化劑。結構見圖4。氣體由上部進入，沿內外件之間環(huán)隙經過徑向分布器依次進入催化劑床層，在催化劑床層內氣體不斷改變氣流方向，

18、來自第一層兩換熱板之間的氣體分別沿順時針及逆時針兩個切線方向流經第一層換熱板與第二層換熱板之間催化劑床層（第2層催化劑床層），然后氣體由經過第二層換熱板與左右兩快換熱板之間形成的氣流通道進入第二層換熱板與第三層換熱板之間的催化劑床層（第3層催化劑床層）沿順時針及逆時針兩個切線方向流經第3催化劑床層，然后氣體重復上述流動方向及路徑，不斷改變流動方向和另一方向過來的氣體混合，一直達到第n層換熱板，由第n層換熱板之間縫隙進入第n1催化劑床層，氣體分別沿順時針及逆時針兩個切線方向流經第n+1催化劑床層后進入徑向集氣筒，由徑向集氣筒內部中心管流出反應器。水由下部進入分水聯箱，自下而上經過每一塊換熱板吸收

19、板外催化劑床層反應放出的熱量，經換熱板內部到達上部集水聯箱，經上升管到達氣包后，過飽和水蒸發(fā)出蒸汽，然后與加入氣泡的水混合流向下降管進入下一循環(huán)，水路完全實現自然循環(huán)。16141312211103984水冷6圖4蒸汽原料氣仝向甲醇合成反應器F77反應氣 反應器的技術特點低壓軸徑向氣冷甲醇合成反應器的技術特點（1）運行可靠性高由于催化床中沒有大量的冷管，結構簡單，制造容易，從根本上排除了因冷管引起的泄露。（2）催化劑壽命長采用多層冷卻結構，調節(jié)手段多，可實現催化劑最佳溫度控制，使催化劑變化的放熱曲線和移熱曲線同步。（3）操作彈性大，可在設計負荷30至110%范圍內穩(wěn)定操作。（4）床層阻力低由于大

20、部分催化劑床層采用徑向流技術，是各種塔形阻力較低的一種。（5）價格低廉、制造周期短由于結構簡單，管材用量少，且為普通材料，設備制造周期也短。（6）升溫還原容易，全塔可分段進行升溫還原。水冷折流板徑向甲醇合成反應器的技術特點（1）氣流沿水冷折流板徑向反復折流，由于氣流通道截面積始終相同，僅不同直徑的氣體通道長度不同，固此氣體進出催化劑床層的流速基本相同，克服了一般徑向床層外圓與內圓處流速相差甚大的缺點。使氣體在床層中不僅處于均溫而且處于勻速的環(huán)境，更有利于甲醇合成反應。（2）氣體在n次折流過程中，每次折流都與相鄰氣道的氣體混合，有利于消除催化劑床層可能出現的局部過熱。（3）在水冷折流板上沖壓許多

21、凹型槽，大大提高了氣體傳熱系數。在低速、低阻力的條件下，氣體傳熱系數可達1000kcal/m2hC以上。在實際運行中,氣水兩側的溫差在10C。相同床層溫度可以副產更高壓力的飽和蒸汽。（4）水循環(huán)系統(tǒng)設計合理，做到大小不等水折流板內腔流速相等，同時水循環(huán)倍率大。在實際運行中，30%輕負荷時，水循環(huán)量超過300t/h,完全實現水自然循環(huán)。（5）水冷折流板有足夠的強度，氣側向水側方向的設計壓差為3.5MPa；水側向氣側的設計壓差為0.5MPa；（6）內件每個可能產生熱應力的部件都考慮了熱應力補償，包括每塊水冷折流板，確保了內件的安全運行。（7）催化劑床層為直徑大小不的環(huán)形圈。裝填催化劑比管殼式容易，

22、且能做到填實均勻。裝填惰性物的高度，避免全徑向塔上部因為催化劑下沉后造成氣體短路現象。低壓恒溫水管式徑向甲醇合成反應器反映器結構（見圖5）低壓恒溫水管式徑向甲醇合成反應器由湖南安醇高新技術有限公司謝定中教授等聯合開發(fā)成功，該技術采用懸掛式水管、三塔板、徑向催化床結構，用水汽化移去反應熱，同時副產中壓蒸汽，并成功實現了工業(yè)化。未反應氣體從a進入，經內外筒環(huán)隙進入催化床，垂直沸騰水管，徑向流過催化床，反應后進入中心集氣管，自上而下，由下部c口出塔。圖5低壓恒溫水管式徑向甲醇合成反應器反應器技術特點(1)管內是沸騰水，管外是催化劑床，水沸騰汽化產生中壓蒸汽，每噸粗醇產蒸汽最高達1.4t。(2)沸騰水

23、管形如刺刀和刀鞘，為懸掛式，即只焊一端，另一端有自由伸縮空間。管子受熱伸縮沒有約束力，無需用線膨脹系數小的昂貴SAF2205雙相不銹鋼只需普通不銹鋼。殼體不受管子伸縮力的影響，殼體材料要求不高，筒體上下厚度相同，無需設置加強筒體，無需用進口的高強度20MnNimoNbR，筒體材質只用復合鋼板即可。容積系數大，管殼式約為35%左右，JJD水管式甲醇塔為55%左右，意味著裝填催化劑多。JJD屮2800mm低壓水管式甲醇塔催化劑裝填為58t(38m3)。JJD水管式甲醇塔為全徑向流程，即反應氣垂直通過沸騰水管和被水管包圍的催化劑柱，反應凈值高，出口粗醇可達5%6%,單位催化劑產醇量高。JJD水管式甲

24、醇塔單位容積傳熱面積大。屮2800mm塔傳熱面積比管殼式塔傳熱面積大23%，這就適應了甲醇合成反應熱大、冷卻負荷大、要求換熱面積大的特征。JJD水管式甲醇合成塔升溫還原用蒸汽加熱，惰性氣還原，快速而安全。JJD水管式甲醇合成塔為全徑向塔，塔阻力非常小，為0.1MPa左右。JJD水管式甲醇合成塔催化劑裝填容易。58t催化劑，24h即裝填完畢，比管殼式塔裝填速度快得多。JJD水管式甲醇合成塔運行彈性大。第一個屮2800mm塔在山東德齊龍化工集團投入使用，滿負荷壓力5.0MPa,溫度為250C日產量將達400500t,屮3600mm塔將達600800t。JJD水管式甲醇合成系統(tǒng)簡單，合成塔既是反應器，又是一個無需燃料的中壓鍋爐，在系統(tǒng)中不另外設置廢熱鍋爐，進水冷的熱氣溫度即降至5060C。JJD水管式甲醇合成塔通過調整沸騰水管布局，適用于高CO含量的工況，也適應惰性氣含量高的工況。JJD水管式甲醇塔基本上不受高徑比限制：能力大，直徑不一定很大，即單塔能力大。設備更新時，只需更換內件部分部件，外殼繼續(xù)使用。工業(yè)應用第一套年產甲醇100kt裝置于2005年12月25日在山東德齊龍化工有限公司一次投產運行成功，已穩(wěn)定運行14個月，日產甲醇332.5360t；第二套裝置于2007年2月2日又在