劉天匯 賀瑞民 魏聚廣 陳西伍
作者通聯(lián):濮陽龍宇化工有限責任公司設備部 河南濮陽市 457000
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濮陽龍宇化工有限責任公司的前身是濮陽市甲醇廠,2008年之前的甲醇生產(chǎn)能力為10萬t/a,采用國際上先進的原西德魯奇(Lurgi)低壓法甲醇合成工藝,是國內(nèi)第一套以天然氣與水煤氣混合生產(chǎn)甲醇的裝置。其關鍵設備之一是兩套合成塔系統(tǒng)(老塔1992年投用,新塔1998年投用),合成塔采用管殼外冷—絕熱復合式固定床催化反應器,內(nèi)部為列管式結構,殼程為冷卻水,管程裝填催化劑。它們可單獨一塔使用,也可并聯(lián)同時使用?;玖鞒虨椋杭状己铣蓺忸A熱至225℃后在一定壓力下進入合成塔管程,在催化劑(銅基觸媒)作用下,反應生成甲醇和水。這是一個體積縮小的放熱反應,其主要反應式為:
反應生成的甲醇氣體出塔后經(jīng)冷卻、分離、閃蒸獲得粗甲醇,而反應產(chǎn)生的熱量則被殼程中的冷卻水(沸騰水)帶走,轉換成蒸汽后供系統(tǒng)使用。
兩合成塔自1998年以來,存在催化劑利用率較低、使用壽命短的現(xiàn)象。特別是在催化劑使用后期,甲醇轉化率較低,造成系統(tǒng)負荷加不上,只能控制在90%負荷以下,使成本大幅度上升,嚴重制約了生產(chǎn)。針對這種情況,認真分析新、老合成塔的內(nèi)部結構,研究歷次催化劑的裝卸記錄、使用情況,以找到問題的癥結所在。
甲醇合成氣從新塔塔頂封頭正上方進入塔內(nèi)(進氣管口徑350mm),經(jīng)氣體分布器實現(xiàn)分流。該氣體分布器底部為擋板,上面三層為環(huán)狀板,中間以十字筋板焊連。如圖1a所示,氣體自上部進來后再從環(huán)狀板之間的空隙向四周、而后向下流入塔內(nèi),透過管板上均勻分布的厚約200~300mm的銅基觸媒(催化劑)層(上覆10mm厚直徑為6mm的惰性瓷球)進入管程進行反應。這種氣體分布器使氣體呈傘狀下流,在塔內(nèi)分布不均勻,出現(xiàn)“偏流”現(xiàn)象。由于高壓氣體的沖擊作用(空速),管板上中間部分漸漸隆起2~3m3的觸媒堆(夾雜惰性瓷球),阻滯了氣體流入該區(qū)域下面的列管;而觸媒堆以外的地方則因觸媒被吹起露出管板,氣流由此大量進入列管。這樣結果就使管程中的觸媒受氣量不均勻,造成部分觸媒使用率低、部分觸媒又負荷過高而使催化劑提前失活。在被氣體偏流吹起的管板以上的觸媒堆處,反應放出的大量熱量不能被冷卻水帶走而積聚,造成觸媒燒焦、結塊,降低了觸媒的壽命,而觸媒的燒結又進一步阻滯了氣體進入管程,使觸媒的利用率更低。以上是新合成系統(tǒng)甲醇轉化率低的根本原因。老合成塔沒有氣體分布器,入塔氣直接從塔頂以45°方向進入塔內(nèi),同樣存在氣體“偏流”現(xiàn)象(圖2a)。這使老塔管板上的觸媒在進氣口下方積聚成堆,而其他地方的觸媒被吹開,露出管板。這也造成了氣流分布不均,部分觸媒燒結,影響觸媒使用率,降低觸媒使用壽命的問題。
這一要求。對新塔,用8mm厚鋼板制作三個像喇叭口一樣的大小頭,它們的小端對齊,環(huán)環(huán)相套,間隔均勻,中間以筋板十字焊接固定(圖4)。該分布器的外層小頭與塔體進氣口相連接,大頭的延長線略大于管板外圓。入塔氣體經(jīng)過這兩種新型分布器后都能均勻地流向管板面的外、中、內(nèi)三部分,達到氣流均布的目的,從而避免管板上觸媒成堆、燒結,管程內(nèi)氣流分布不均,觸媒利用率偏低、壽命縮短的問題。
在2007年8月裝置大修、更換催化劑的過程中,對新、老合成塔分別安裝上述兩種新型氣體分布器。開車后經(jīng)過催化劑升溫還原、小負荷生產(chǎn)之后,還進行了滿負荷測試,創(chuàng)下日產(chǎn)352t甲醇的最高紀錄,生產(chǎn)負荷超過以往任何時期。經(jīng)過此后近半年的連續(xù)運行,觸媒使用率大幅上升,甲醇轉化率也顯著提高,新鮮氣最高可以加到42000m3/h,而改造前新鮮氣最高只能加到38000m3/h。增加的氣量每小時可增產(chǎn)甲醇1.4t(按噸甲醇耗氣2850m3計),全年生產(chǎn)按照8000h計算,可增加產(chǎn)量11200t,每噸甲醇按照2500元均價計算,全年可增加產(chǎn)值2800萬元,效益巨大。這說明以前合成塔存在的問題基本得到解決,新型氣體分布器在新老合成塔上的應用效果良好,提高了合成催化劑利用率和甲醇產(chǎn)量,降低了能耗。兩種新型分布器已在2009年5月獲得國家專利局實用新型發(fā)明專利。 W10.01-29