大型甲醇合成反應器研究

張彥強

(山西焦煤集團五麟煤焦開發有限責任公司，山西 汾陽 032200)

我國以乙烯為代表的石油資源短缺，而煤炭資源豐富。在此能源結構富煤少油的背景下，煤炭資源在未來很長時間內依然在我國能源結構中占據主導地位。以煤為原料制備甲醇需經歷空氣分離、煤氣化、CO變換、合成氣體凈化、甲醇合成以及甲醇精餾等工藝。對于甲醇合成反應器而言，其生產規模從幾萬噸到幾百萬噸不等，目前我國針對百萬噸級甲醇合成反應器的工藝相對落后，還需引進國外先進技術[1]。本文重點對百萬噸級甲醇合成反應器進行研究，分析反應器大小、換熱管數量等關鍵工藝參數對生產能力的影響。

1 甲醇合成反應器工藝流程

目前，在化工行業中對以甲醇為上游產品對應的下游產品的使用量較大。因此，提升甲醇合成的生產能力和生產成本，對于提升化工行業的進步和發展具有意義，進而推動了甲醇反應器朝著百萬噸級的方向發展。隨著制備甲醇裝置生產能力的增加，對應的對甲醇合成反應器的性能提出了更高的要求。本文所研究甲醇合成反應器對應的生產能力為180萬t/a，該反應器采用氣冷-水冷串聯反應器的技術解決了傳統百萬噸級甲醇合成反應器體積過大、能耗較大以及制造困難的問題[2]。

本文所研究甲醇合成反應器為兩個水冷反應器和一個氣冷反應器。其中，兩種類型反應器的連接方式為串聯，兩臺水冷反應器的連接方式為并聯。氣冷反應器和水冷反應器的主要功能是甲醇的合成；冷凝器的功能是將高溫氣體或液體進行降溫；甲醇分離器主要是實現氣體與液體的分離，從而得到粗甲醇。

2 甲醇合成反應器的模擬設計

結合甲醇合成反應器的工藝流程和實際應用中各個關鍵部件的結構參數建立完成甲醇合成反應器的模擬設計[3]。在實際生產中，甲醇合成反應器中水冷式反應器的冷卻介質為飽和沸騰水；氣冷式反應器的冷卻介質為低溫原料氣。兩種類型反應器的結構參數如表1所示。

表1 甲醇合成反應器的結構參數

此外，水冷式反應器的催化劑在其管內，其管外為冷卻介質；但是，氣冷式反應器的催化劑在其管外，管內為冷卻介質。本甲醇合成反應器中裝填的催化劑為NC309型中低壓甲醇合成催化劑。本甲醇合成反應器的關鍵工藝參數如下：

1) 進入甲醇合成反應器中的氣體的流量為2.106×106m3/h；其中，CO濃度為0.111 9 mol/m3，CO2的濃度為0.020 4 mol/m3。

2) 甲醇合成反應器對應的操作壓力為7.9 MPa；作為水冷反應器冷卻介質的壓力為3.5 MPa，溫度為242 ℃。

在上述甲醇合成反應器模擬設計的基礎上，分別研究不同操作條件對工藝的影響。

3 不同操作條件對串聯工藝的影響

在實際生產中總結分析，了解到影響甲醇合成反應器工藝的主要操作條件有溫度、操作壓力等。本節重點開展上述條件對工藝的影響研究。

3.1 溫度對甲醇合成反應器工藝的影響

這里所指的溫度為甲醇合成反應器中催化劑床層的溫度分布。水冷-氣冷式甲醇合成反應中的主反應器為水冷反應器，且水冷反應器與氣冷反應器的連接方式為串聯。也就是說，氣冷反應器的進氣溫度為水冷反應器的出氣溫度。從理論上講：水冷反應器的進氣溫度會影響下一步氣冷反應器的換熱效果，從而影響氣冷反應器的溫度分布；同時，水冷反應器中冷卻介質的溫度會直接影響其出氣溫度，進而影響下一步氣冷反應器中催化劑床層的進氣溫度。

1) 水冷反應器進氣溫度對工藝的影響

在保證水冷反應器冷卻介質壓力溫度以及其他操作條件不變的基礎上，研究水冷反應器的不同進氣溫度對反應系統的影響。水冷反應器進氣溫度的變化范圍為252.3 ℃到195 ℃，所得試驗結果如表2所示。

表2 水冷反應器進氣溫度對甲醇的影響

分析表2可知，在甲醇合成其他操作條件不變的基礎上，水冷反應器進水溫度對系統甲醇的總產量影響不大。

2) 水冷反應器冷卻介質溫度對工藝的影響

在保證水冷反應器進氣溫度和其他操作條件不變的基礎上，研究不同水冷反應器冷卻介質溫度對反應系統的影響。水冷反應器冷卻介質的壓力變化范圍為3.39 MPa～3.97 MPa，溫度變化范圍為240 ℃～250 ℃。所得的試驗結果如表3所示。

如表3所示，隨著冷卻介質溫度增加對應甲醇的產量也會增加。但是，在實際生產中對冷卻介質溫度的控制需綜合考慮催化劑的活性進行確定。

3.2 不同操作壓力對工藝的影響

保證水冷反應器進氣溫度和冷卻介質溫度不變，研究不同水冷反應器操作壓力對最終甲醇產量的影響。本次試驗所研究水冷反應器操作壓力的變化范圍為6.9 MPa～7.9 MPa，所得試驗結果如表4所示。

表3 水冷反應器冷卻介質溫度對甲醇產量的影響

表4 不同水冷卻反應器操作壓力對甲醇產量的影響

如表4所示，隨著水冷反應器操作壓力的增加，水冷反應器的甲醇產量明顯增加，而氣冷反應器的甲醇產量略微減少，甲醇總產量增加。因此，在實際生產中，為了提升甲醇總產量可在保證設備安全的基礎上適當的增加水冷卻反應器的操作壓力。

4 結論

當前對甲醇下游產品的需求不斷增加，如何提升甲醇的產量降低其生產成本為甲醇生產主要考慮的問題。以百萬噸級甲醇制備裝置為研究對象，本文以氣冷-水冷的串聯式甲醇反應器為研究對象，對其關鍵工藝參數對甲醇產量的影響進行研究，并總結如下：

1) 水冷反應器進氣溫度及其冷卻介質的溫度對甲醇產量的影響不大；

2) 當水冷反應器的操作壓力增加時，對應的水冷反應器的甲醇產量明顯增加，而氣冷反應器的甲醇產量略微減少，但甲醇總產量增加。

通過對百萬噸級甲醇合成反應器下不同工藝參數對產量影響的研究，為今后甲醇實際制備提供指導。