浅析管壳外冷绝热复合式甲醇合成反应器的应用

浅析管壳外冷绝热复合式甲醇合成反应器的应用

刘广赢

天津渤化永利化工股份有限公司煤化工事业部天津市300452

摘要：经甲醇制取合成气生产燃料和化工产品是煤炭清洁高效利用的方向之一。根据甲醇合成反应的特点，将管壳外冷绝热复合固定床催化反应器应用于甲醇生产。甲醇合成反应器是甲醇合成的关键设备。不同的甲醇合成反应器代表不同的工艺技术，也代表不同的生产水平。

关键词：甲醇合成；甲醇合成反应器；绝热管壳外冷复合型

1前言

煤炭是我国的主要能源结构。以煤为原料的合成气合成甲醇可作为燃料，也可用于生产化工产品，因此以煤为原料经甲醇至燃料、化工产品的技术路线是煤洁净利、多联产的洁净利用的有效途径，符合国家能源战略的发展。

我国的能源特点是“少油、有气、多煤”，其中能源主要以煤为主。以煤为原料合成甲醇，甲醇可用作醇醚燃料，可用于生产一系列化工产品，特别是甲醛、醋酸、乙烯和丙烯的生产。因此，以煤为原料的甲醇生产燃料和化工产品的技术路线及多联产煤清洁利用的有效途径，符合国家能源发展战略。甲醇合成反应器是低压甲醇合成的关键设备之一。

2甲醇合成反应器

随着甲醇作为燃料、化工原料生产烯烃技术的成熟，甲醇生产装置也避不可免的趋于大型化。传统的管壳式甲醇合成反应器床层内温度稳定，催化剂的使用寿命长，反应温度容易控制，可以合理利用能源等优点，但有以下缺点：直径较小，床层直径和颗粒直径比为6.8，不符合壳管式反应器消除壁效应要求，因此存在着壁效应的影响；当纯床层进口温度低，进入的气体直接进入催化剂层的管柱，上部管催化剂不能发挥很好的作用。为了克服传统的管壳式甲醇合成反应器的缺点而发展起来的管壳式甲醇合成反应器的优点，华东理工大学提出了“管壳外冷-绝热复合式”甲醇合成反应器。

甲醇合成过程的基本步骤大概相同，包括合成气压缩（等压合成除外）、甲醇合成、热回收、甲醇冷却分离等。甲醇合成反应器是关键设备甲醇合成、甲醇合成塔的设计应考虑的几个问题：催化剂床层温度分布的合理与否，可以控制反应热敏感，能及时排除，最大限度的利用，将有助于提高产品的质量，是否便于装卸催化剂的合成塔的制造难度和运输问题等。由于反应器形式不同，反应热的回收率和催化剂种类的不同，粗甲醇的质量和精馏过程也不同。等温反应器是目前发展的主要方向，能够有效地防止催化剂过热引起的活性降低。世界上最先进的甲醇合成塔：英国ICI公司多层冷激式绝热反应器；德国Lurgi束式合成塔；TEC径向流动反应器；日本三菱MGC反应器，后三种合成塔结构复杂、成本高。

3反应器结构和工艺特点

管壳外冷一绝热复合式甲醇合成反应器类似于一个立式副产蒸汽的管壳式固定管板换热器，管板与壳体之间直接焊接，无法兰连接。反应器的上下封头采用半球形封头。上封头合成气入口处设立气体分布器。绝热层上部催化剂上部装填Φ10耐火球装填高度为200mm。下管板下面装填Φ10耐火球装填高度为300mm，再装填Φ25，mm耐火球。列管内装填催化剂，列管与管板的连接为涨接加强度焊。反应器的壳层筒体上设有根蒸汽出口管，下端有6根水进口管，为防止气阻及加强换热管的固定，反应器的壳层设有支撑挡圈。装卸料口分别在反应器的侧封头上。

4管壳外冷一绝热复合式甲醇合成反应器实际运行情况分析

4.1能量利用合理，副产中压蒸汽，回收高位能量

可回收高位能量，生2.0-4.0MPa、180-250℃的蒸汽。对以煤为原料的合成气，吨甲醇可副产中压蒸汽约1.1t。

4.2温度调节方便、迅速、有效

床层温度可通过汽包的压力进行调节。对热点和灵敏点温度的调节迅速、有效。

4.3床层温度分布合理，催化剂时空收率高

床层温度优化分布，绝热层可在较低温度下进行反应管壳层在接近等温下反应催化剂生产强度大，时空收率高。

4.4催化剂使用周期长

原料气中即使有微量毒物，也可被截面积很大的绝热层催化剂吸附，不会影响管壳层催化剂发挥作用。鉴于温度控制合理、优化，催化剂层不会出现超温，因此催化剂使用周期长。

4.5催化剂装卸、还原方便

上封头设有人孔，催化剂装填方便。设有卸催化剂孔，催化剂可直接卸放。催化剂还原时，只需将原通过冷却介质侧改通蒸汽加热即可，十分方便。

4.6反应器的操作适应性强

4.6.1对催化剂的适应性强

可使用国产的催化剂也可以使用国外催化剂。

4.6.2对原料气的适应性强

可使用以煤为原料的合成气也可使用通过部分氧化转化的合成气（催化转化）。

4.6.3对进口温度的适应性强

操作前期可控制床层进口温度在195-200℃，中期200-210℃，后期210-220℃。

4结束语

管壳外冷一绝热复合式甲醇合成反应器结构合理，催化床温度平稳，催化床温度调节简单，床层热点至床层出口温差小，可实现反应温度的优化分布。床层温度平稳有利于延长铜基催化剂使用周期和减少粗甲醇中的杂质。反应器催化剂装卸方便，可回收高位热能副产蒸汽。在工程应用中，由该种类合成塔构成的合成装置体系具有结构紧凑、设备少、占地面积小等诸多优点。因此该设备的成功应用，对同类型甲醇生产装置的建设提供了实践支持。

自甲醇合成反应器投运以来，系统基本无维护工作，运行状态良好，工艺参数易于控制，运行一年半后生产能力趋于稳定。壳管外冷绝热复合甲醇塔为甲醇合成塔国产化提供了有力保证。

参考文献：

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[2]应卫勇.管壳外冷-绝热复合式甲醇合成反应器的应用2009（28）

[3]甄广利隋林姜阳.管壳外冷-绝热复合式甲醇合成反应器实际应用[J].中国石油和化工标准与质量，2013（08）

[4]汪寿建.大型甲醇合成工艺及甲醇下游产业链综述[J].煤化工，2016（10）