葉片式分離器在大型甲醇合成工藝中的應用

李勝軍 ， 劉 成

(1.洛陽永龍能化有限公司 ， 河南 洛陽 471100 ； 2.河南龍宇煤化工有限公司 ， 河南 永城 476600)

0 前言

河南龍宇煤化工有限公司年產50萬t甲醇裝置，額定的粗甲醇生產能力為65.6t/h，甲醇合成工藝采用華東理工大學管殼外冷—絕熱復合型低溫低壓甲醇合成工藝，合成塔為管式等溫反應器，以副產蒸汽的方式控制反應溫度，回收反應熱。該工藝技術成熟，溫度控制簡便精準，合成壓力低，能耗低，副產物少，是以副產蒸汽、等溫合成為特征的中低壓甲醇合成的主流工藝。

1 甲醇合成工藝流程及主要設備

1.1 設備簡介

甲醇合成塔為管殼外冷—絕熱復合式固定床催化反應器，其結構類似于一個立式副產蒸汽的管殼式固定管板換熱器，內徑為3 800mm，管板與殼體之間直接焊接，無法蘭連接，上下封頭采用半球封頭。列管內裝填催化劑，其管徑為Φ44 mm×2 mm，長700 mm，共4 309根，列管與管板的連接為脹管加強度焊。反應器的殼程管體上端設有6根蒸汽出口管，下端有6根水進口管。

1.2 工藝流程簡述

甲醇合成裝置PFD圖見圖1。自合成氣壓縮工序來的合成氣(71 ℃、8.3 MPa)，進入入塔氣換熱器E15401的殼程,被管程的出塔氣加熱后進入甲醇合成塔R15401A/B。在催化劑的作用下，合成氣在塔

圖1 甲醇合成裝置PFD圖

內發生甲醇合成反應，并放出大量的反應熱，反應熱被殼程的鍋爐給水吸收帶走，反應床層的溫度得以維持穩定，出合成塔R15401A/B的氣體，依次進入入塔氣換熱器E15401的管程，除鹽水預熱器E15404的管程和甲醇水冷器E-15402A/B的殼程，溫度最終下降到40 ℃左右，然后進入甲醇分離器S15401進行氣液分離。自甲醇分離器S15401出來的氣體，絕大部分作為循環氣去合成氣壓縮工序的循環氣壓縮段，一小部分作為弛放氣去氫回收裝置；自甲醇分離器S15401出來的粗甲醇液體，經減壓后去閃蒸槽S15402，絕大部分溶解于粗甲醇中的氣體被閃蒸出來去燃料氣管網，閃蒸后的粗甲醇去甲醇精餾工序或去粗甲醇罐。自界區來的鍋爐給水，進入汽包S15403，然后經過下降管進入合成塔殼程下端，再沿合成塔上行，并吸收管程物料放出的反應熱，其溫度不斷上升，飽和后的鍋爐水進入汽包，進行汽水分離，產生的蒸汽經壓力控制后去蒸汽管網。

為防止汽包結垢，向汽包S15403中加入一定量的磷酸鹽溶液，汽包的排污水進入排污膨脹槽S15404，膨脹后產生的低壓蒸汽去低壓蒸汽管網，膨脹槽S15404排出的污水經排污冷卻器E15403冷卻至常溫后去污水處理裝置。

2 循環氣氣體規格

2.1 循環氣設計組成

循環氣設計組成見表1。

表1 循環氣設計組分

2.2 循環氣運行組分

循環氣運行組分見表2。

3 循環氣中甲醇含量超標的危害

甲醇分離器出口循環氣中甲醇含量設計值為0.54%，該參數是在操作壓力7.6 MPa，溫度40 ℃下的理論值；實際操作過程中尤其是夏季受循環水

表2 循環氣運行組分

溫度高的影響，冷凝效果差導致循環氣溫度能高達45 ℃，操作壓力根據實際工況需要一般≤7.6 MPa，這就致使惡劣條件下循環氣中甲醇含量超出設計值，根據分析結果顯示最高時能達到0.85%。同時由于絲網層內件故障，曾出現在高循環氣量下將部分絲網除沫器吹翻現象直接導致循環氣中甲醇含量高達1.2%以上。

甲醇合成反應是一個非均相的催化反應，其機理相當復雜，一般認為，其復雜的過程可分為以下5個步驟：①擴散，氣體自氣機擴散到氣體和催化劑的界面；②吸附，各種氣體在催化劑的活性表面進行化學吸附；③表面反應，化學吸附的反應物在活性表面上進行反應，生成產物；④解吸，反應產物脫附；⑤擴散，反應產物氣體自催化劑界面擴散到氣相去。

以上5個過程，①⑤進行得最快；②④進行的速度比③快得多，因此整個反應過程取決于第3個過程，即反應物分子在催化劑的活性表面的反應速度。如果甲醇夾帶量過多則反應向生產甲醇反應的推動力將下降，單位時間內產量將受影響。同時，入塔氣中甲醇含量高會導致甲醇觸媒副反應增加，影響催化劑使用壽命，使催化劑易于粉化。甲醇含量嚴重超標時，會對壓縮機葉輪造成液擊，造成機組振動增加，嚴重時造成設備損壞。入塔氣中甲醇含量，會對機組干氣密封造成損害，因為干氣密封的氣源要求較為潔凈，不允許有液滴存在，否則造成密封摩擦損壞。

4 甲醇分離器效率低原因分析

4.1 氣體流向設計不好

氣流自上而下通過旋流板，氣流方向與液滴重力沉降方向相同，液滴易被主氣流重新卷走，容易造成己分離出甲醇的“二次夾帶”。

4.2 旋流板集液槽設置不當

集液槽相距旋流板平面2.5 m，過大的間距加劇了上述“二次夾帶”的程度。

4.3 絲網層設計不合理

其主要表現在氣速過高，易產生液泛。操作氣速偏高意味著液滴不易從絲網上落下，以致一度捕集到的霧沫又飛濺起來，再次被氣體攜帶上去。 通過計算后發現原設計存在的問題即分離器的操作氣速超出允許范圍。

4.4 甲醇夾帶過多

循環氣體溫度高致使液體甲醇夾帶過多，主要造成因素是甲醇水冷器冷卻效果差。

4.5 催化劑反應效果差

催化劑反應效果差單程轉化率過低導致循環氣量過大影響分離效果。

4.6 分離器液位控制過高，分離空間受限影響分離效果

影響本裝置分離效果的因素主要有：分離器內件絲網除沫器效果差，夏季水冷后溫度高以及催化劑后期循環氣量過大所致。

5 葉片式分離器的應用原理及技術分析

5.1 甲醇分離器改造的原理

甲醇分離器S15401內部為絲網除沫器，分離效果差，分離后循環氣中甲醇在0.5%以上，影響甲醇收率的同時制約甲醇合成反應，因此對分離器內件進行改造，增加立式葉片式分離器，典型的葉片分離器由殼體、入口分布器和葉片分離內件構成。

5.2 技術參數分析

葉片式分離器與傳統分離器比較見表3。

表3 葉片式分離器與傳統分離器的比較

葉片的彎道引起氣體流動方向急劇變化，使具有較大慣性的液滴和固體顆粒與葉片壁碰撞而從氣流中分離出來，形成液膜，在收集區匯集成流，然后在重力的作用下排出。在氣體垂直流動的情況下，當聚結的液體足以對抗上升氣速，就會在葉片下方分離。當氣體水平流時，液滴會向下流動而排出。

5.3 安裝形式

葉片可垂直放置或水平放置，分離器可以立式或臥式安裝，出氣口可以側出或上出。分離效率為99.9%，分離精度1 μm，內件使用壽命20年，初始壓差≤0.001 MPa。

5.4 優點

①高氣速，高液體負荷；②不易結垢和堵塞，適合高液體黏度，適應泡沫環境；③低壓降；④改造容易，維護方便；⑤堅固的結構，較長的耐腐蝕壽命，使用壽命長。

6 應用后的效果分析

6.1 應用前后數據對比

葉片式分離器應用后，循環氣中甲醇含量由改造前的0.59%降至0.39%。從收集的數據看，循環氣中甲醇含量下降0.2%左右。

6.2 產生的社會及經濟效益

葉片式分離器在甲醇分離系統的應用總費用約為25萬元，效益主要是提高了循環氣的分離效果，有效地降低了循環氣中甲醇含量，從而避免了循環氣中攜帶高濃度甲醇影響甲醇合成反應的進行，同時有效地增加了甲醇產量。

項目投用后，循環氣中甲醇含量由改造前的0.59%降至0.39%。從收集的數據看，循環氣中甲醇含量下降0.2%左右，其中循環氣量維持在65萬m3左右，因此每小時多回收甲醇1 886 kg。

以上為理論計算數據，由于循環氣中所帶甲醇大部分在壓縮機循環段分離器中分離后送回甲醇閃蒸槽。從改造后數據顯示實際每小時多回收甲醇0.2 t左右，每天可以多回收甲醇近5 t，粗甲醇按2 500元/t計算，可創經濟效益約1.25萬元，每年可為煤化工創造效益近400萬元(年有效運行時間按11個月計算)。

7 結語

葉片式分離器在甲醇合成分離系統的應用效果非常明顯，相對于傳統的絲網除沫器而言，阻力更小，分離效率更優，對甲醇合成系統的節能運行和甲醇的時空收率意義重大，有顯著的節能增效成果，同時也帶來了良好的經濟和社會效益。