繞管水冷甲醇合成反應器技術的應用

王雨瑤，廖友軍，曾 偉

（1.杭州林達化工技術工程有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙江石油化工有限公司，浙江 舟山 316000）

近年來，隨著甲醇合成大產(chǎn)能項目的不斷興建和投運，國內(nèi)甲醇合成技術得到了飛速的進步和發(fā)展。目前我國大型甲醇合成主要以煤制甲醇路線為主，其核心合成催化劑和甲醇合成反應器處于國內(nèi)外技術同臺競技現(xiàn)狀。如何讓國產(chǎn)甲醇合成反應器與國產(chǎn)催化劑更好的配合，實現(xiàn)大型甲醇裝置長期穩(wěn)定、高效的運行，是國產(chǎn)甲醇合成技術提高競爭力亟待解決的問題。

浙江石油化工有限公司（簡稱浙石化）40萬t/a甲醇合成項目用于工程氫氣和燃料氣的階段性調(diào)峰，甲醇合成原料氣采用水煤漿氣化技術制取，經(jīng)過變換和凈化工序后，將合格的原料氣送至甲醇合成裝置進行生產(chǎn)。其整體工藝由中石化寧波工程有限公司設計，合成塔采用杭州林達化工技術工程有限公司（簡稱林達化工）的繞管水冷反應器專利設備，催化劑選用四川天一科技股份有限公司（簡稱四川天一）XNC-98催化劑。該項目從2017年底開始設計，2019年建成安裝，2020年初開車運行，受原料氣調(diào)峰的影響，合成系統(tǒng)多次開停車，但甲醇裝置生產(chǎn)情況仍能保持平穩(wěn)，取得了良好的運行效果。本文介紹了繞管水冷甲醇合成反應器技術在浙石化的投運生產(chǎn)情況，可為國產(chǎn)甲醇合成裝置高效化、大型化提供思路。

1 甲醇合成工藝流程

浙石化甲醇合成工藝流程示意圖如圖1所示。來自凈化單元的原料氣與提壓后的循環(huán)氣混合，混合后的合成氣經(jīng)入塔換熱器預熱后，從甲醇合成塔頂部進入反應器進行甲醇合成反應。甲醇合成塔出塔氣溫度約225℃，經(jīng)過入塔換熱器換熱后進入除蠟器分離部分冷凝的高沸點副產(chǎn)物，再進入循環(huán)水冷卻器冷卻至40℃，此時粗甲醇冷卻成液相并進入甲醇分離器分離出粗甲醇產(chǎn)品。合成反應熱由繞管水冷甲醇合成塔換熱管內(nèi)的飽和鍋爐水汽化移出，汽包副產(chǎn)＞2.1 MPa（G）飽和蒸汽。工藝中的高溫除蠟環(huán)節(jié)能夠有效避免循環(huán)水冷卻器積蠟，減少循環(huán)水冷卻器除蠟頻率，縮短停車檢修時間。

圖1 浙石化甲醇合成工藝流程示意圖

甲醇合成工藝中的主要設備規(guī)格：甲醇合成反應器內(nèi)徑Ф3 400 mm，換熱管規(guī)格為Ф19 mm的不銹鋼無縫管；甲醇合成反應器裝填XNC-98銅基催化劑，催化劑粒徑Ф6 mm×4 mm，設計裝填量64 m3，考慮到催化劑還原收縮，實際裝填量67 m3；甲醇合成反應器殼體材質(zhì)為15CrMoR，內(nèi)件材質(zhì)為S30408，換熱內(nèi)件為繞管式結(jié)構，換熱管內(nèi)走鍋爐水，管外裝填催化劑；除蠟器殼體材質(zhì)為Q345R+S30403，內(nèi)徑Ф1 600 mm，切線高度6 300 mm，上部設有除沫裝置，下部為機械分離結(jié)構；甲醇分離器內(nèi)徑Ф1 900 mm，切線高度8 500 mm。

2 繞管水冷甲醇合成反應器結(jié)構

繞管水冷甲醇合成反應器不僅可以避免原有冷管型甲醇合成反應器工藝上移熱效率較低的不足，同時可以解決直管型內(nèi)件熱應力難以自行消除、內(nèi)件易泄漏、檢修困難等方面的問題，可實現(xiàn)設備的本質(zhì)安全，是一代高效可靠的新型反應器。

該結(jié)構形式的合成反應器采用小規(guī)格換熱管，在保證換熱面積足夠的前提下，可以大幅提高設備催化劑裝填率（＞70%）、減小反應器規(guī)模。反應器移熱內(nèi)件的比冷面大小可調(diào)整，適用于多種原料氣頭，移熱能力強，能夠充分發(fā)揮催化劑的活性，保證產(chǎn)能。催化劑設計裕量足，能夠更好地滿足生產(chǎn)負荷和保證檢修周期。催化劑裝填在管外，工程設計上可以設置多支、多點熱電偶溫度計，多平面監(jiān)測床層軸向溫度分布，便于更好地調(diào)節(jié)生產(chǎn)操作參數(shù)。反應器設備規(guī)格適中，設備投資和工程占地都較小。換熱管內(nèi)鍋爐水完全實現(xiàn)自然循環(huán)，生產(chǎn)中催化劑床層溫度均勻，同平面溫差小于4℃。反應器經(jīng)過多臺設備的投運生產(chǎn)驗證，催化劑裝卸均一次順利完成。

3 甲醇合成裝置運行考核情況

2020年11月初，浙石化對甲醇合成裝置進行了48 h性能考核，期間甲醇合成裝置處于100%滿負荷運行狀態(tài)，實際運行數(shù)據(jù)見表1。由表1可知，在生產(chǎn)考核期間，粗甲醇小時平均產(chǎn)量約54.9 t，日產(chǎn)量約1 317 t。

表1 48 h性能考核實際運行數(shù)據(jù)

在生產(chǎn)考核期間，甲醇合成裝置運行平穩(wěn)，床層溫度均勻，粗甲醇質(zhì)量好，副產(chǎn)物低，性能考核結(jié)果見表2。由表2可知：粗甲醇質(zhì)量分數(shù)約96%，凈甲醇產(chǎn)量1 288 t/d，凈甲醇新鮮氣耗2 193 m3/t，副產(chǎn)物中雜醇質(zhì)量分數(shù)＜2 000×10-6（其中乙醇質(zhì)量分數(shù)＜500×10-6），各項技術指標均優(yōu)于保證值。

表2 性能考核結(jié)果

甲醇合成裝置在100%負荷運行時，循環(huán)比為2.7～2.9，催化劑床層熱點溫度252℃，位于催化劑平面下方約1 040 mm深度位置。催化劑床層DCS溫度分布示意圖見圖2。

由圖2可知，催化劑床層同平面多點溫差均＜4℃，體現(xiàn)了繞管反應器先進的控溫水平。

圖2 催化劑床層DCS溫度分布示意圖

根據(jù)現(xiàn)場運行的催化劑床層DCS溫度數(shù)據(jù)和反應器模型模擬出床層溫度分布曲線，見圖3。從圖3可以看出：模擬校核出的床層溫度分布曲線貼近床層溫度DCS分布曲線，表明繞管反應器數(shù)學模型中傳熱計算和催化劑動力學模擬計算的準確性較高。經(jīng)過分析，繞管水冷反應器換熱內(nèi)件的移熱能力優(yōu)于設計要求（要求同平面溫差＜5℃，床層熱點溫度≤270℃），反應器的平均傳熱系數(shù)高于883 W/(m2·K)，較常規(guī)直管水冷反應器的平均傳熱系數(shù)[450 W/(m2·K)～550 W/(m2·K)]高得多，床層熱點溫度較出口溫度僅高26℃左右，體現(xiàn)出繞管水冷反應器高效的移熱優(yōu)勢。

圖3 床層溫度分布曲線圖

由于繞管水冷反應器的催化劑裝填在管外，合成氣流通截面大，反應器壓降控制在60 kPa～80 kPa，這一阻力降水平較國內(nèi)外其他軸向流型甲醇反應器優(yōu)勢明顯。催化劑的CO單程轉(zhuǎn)化率高達90%（前期活性）、碳效率＞99%，表現(xiàn)出良好的催化生產(chǎn)能力，表明繞管水冷反應器可適配國內(nèi)甲醇催化劑技術。

4 結(jié) 語

浙石化40萬t/a甲醇合成項目自2020年初開車運行以來，甲醇裝置生產(chǎn)情況平穩(wěn)，甲醇合成反應器能在最佳工藝水平運行，甲醇產(chǎn)量和關鍵工藝參數(shù)均達到設計指標，反應器表現(xiàn)出先進的控溫水平，表明其可適配國內(nèi)甲醇催化劑技術，多層次多角度論證了反應器的安全可靠和催化劑的高性能水平。