大型甲醇生产技术的进展[1]

大型甲醇生产技术的进展

字体：【大 中 小】 来源：中国甲醇网 日期：2005-1-31

分析了国内外甲醇大型化技术的发展，介绍林达成功开发的JW低压均温型甲醇合成塔，并已在哈气化成功改造引进装置，达到提高产量50％，已在哈气化、江苏新亚、山东垦利、河南中原、邯郸新阳光、云南曲靖等六套装置上成功投运，现已进行陕西渭化、内蒙天野、辽宁大化等年产20～30万吨大型甲醇反应器加工，提出了日产1000～5000T/日大型合成反应器结构问题的解决。 一 中国甲醇生产发展的背景

1、近代甲醇不论作为化工原料（制二甲醚、丙稀、乙烯）或作为能源（甲醇汽油燃料），用途和规模不断增加。国外装置规模已进入年产百万吨级，我国 “九五”、“十五”都把开发低压甲醇合成技术列为重大项目，国务院领导对发展甲醇生产作过多次重要批示。

今年4月，国家发改委召开“关于甲醇燃料发展”的座谈会，目前还成立了中国石化协会醇醚燃料及醇醚清洁汽车专业委员会。山西省扩大推广甲醇汽油的试点城市，省政府决定由原来太原等四个市扩大到全省11市全面推广甲醇汽油，到2003年中石化山西分公司已建100座甲醇汽油加油站，供应甲醇汽油，为甲醇汽车产业化示范推广创造条件，争取太原等四个市全部用甲醇汽油。

在这种甲醇生产规模不断扩大，向大型化发展的情况下，中国是否能开发自主的现代甲醇生产技术，几十年来在我国建成的大化肥当中，廿余套大型氨合成塔全部从国外引进，现在我们中国已可以用自主知识产权的专利技术建设大型甲醇生产装置了。 2、目前国外的大型甲醇合成技术

当代甲醇合成生产技术因低压法能耗省而成为主要技术，据称英国ICI公司和德国Lurgi公司技术占据70％以上的国外生产装置，代表了国外甲醇合成生产的技术水平。目前单套最大能力为今年6月在特立尼达Atlas投产的日产5000吨的由三台反应器组成的Lurgi联合反应器。

ICI甲醇塔结构简单，催化剂装填系数大，易大型化，目前已有单套日产3000吨的装置，但催化剂床层温差大，气体返混严重，合成效率低。

Lurgi管壳甲醇塔，催化剂床层温度平稳，操作容易，合成效率较高，但反应器催化床存在严重壁效应，影响空时产率提高，催化剂装填系数小，反应器结构复杂，单塔能力小，大型化难度大。 除以上二者，还有塔间换热的TOPSΦE径向流动反应器，KBR的球形反应器，段间换热的CASALE卧式多床反应器。这类反应器由多台或多床串联组合，塔间或段间设置外部换热器移去反应热。三 大型甲醇合成反应器结构问题的解决

由于单系列大型化甲醇生产装置可显著降低投资和生产成本，故甲醇装置大型化成为甲醇生产技术发展的重要方向，而在这一问题上管壳式反应器由于实际上是一台由管板列管和壳体组成一整体而不可分的大型列管换热器，而大型化遇到难题。如在5MPa合成压力下年产20万吨单台管壳反应器直径已达4米，而这已达到我国公路运输限宽，超过4米不仅加工难度大，且整体难以运输。故超过20万吨/年需要采用多台管壳式并联，而这将带来增加设备投资等问题。减小直径的一个办法是提高合成塔高径比，国内有冷激塔提出高径比达10，如此大的高径比采用轴向塔阻力很大，即使采用了径向塔，如为连续催化剂床，

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则对压制成型、强度低的甲醇催化剂难保不被压碎粉化。虽然提高合成压力也可使一定直径上反应器生产能力提高，但这一使反应管内外和管板上下反应气和壳程水汽压差增加，同样增加设备投资和制造加工技术难度。而JW均温型塔却在大型化上具备多方面有利条件。

1、首先JW塔触媒装填系数大，同样生产能力和催化剂装量下，反应器体积大幅减小（见表2），故在5MPa下直径4米以内合成塔单台能力可达到年产30万吨。

2、JW塔提高合成压力时，内件中管内外压差并不相应增加，因此除了壳体设计压力相应增加外并不增加合成塔内件加工制造的技术难度，可以十分方便地用提高合成压力提高一定直径下的生产能力，合成压力9MPa左右单台生产能力达到年产60万吨。

3、JW塔内件采用化整为零冷管胆多重同轴套装，因此即使直径超过4米，也可以采用内件分开运输到现场组装，外壳到现场组焊和热处理，我们已在进行国外购置多套塔径超过4米、4.3米、4.5米、4.8米合成塔改造设计，这样单台能力可达到年产100万吨。 4、用多台组合

国外在大型化甲醇合成系统中对合成塔采用的方案，ICI为增大塔径单台塔，TOPSΦE采用三台径向绝热塔串联，Lurgi过去提出二台管壳式并联共用一个汽包，现在则大力提倡水冷－气冷联合反应器，即由一台气冷的冷管合成塔和外冷副产蒸汽的水冷反应器串联组合，原料气先进气冷反应器，这种对5000吨/日联合反应器则需直径4米多一台气冷和直径6米多一台水冷使二者通气截面匹配，如果水冷直径与气冷一样大，则因气体走反应管内，通气截面只有气冷一半，故阻力很大。但直径6米管壳式制造难度大，故现在Lurgi采用二台水冷并联再和一台气冷组合。而林达开发的水冷－气冷组合则为管内走水副产蒸汽，管外装催化剂。通气截面与气冷一样大，故只需水冷、气冷各一台，比Lurgi法少了一台水冷反应器，配置更为合理，投资大为节省，对特大型5000T/日以上可采用这种型式。这类反应器床层阻力减小，大型化容易，但设备投资大。反应器制造复杂，催化剂床层温度分布不够理想。

据Wu-Hsum cheng, Haroid H.Kung methanol production and Use，上述三种甲醇反应器，连续换热等温型催化剂生产强度最高，0.9～1.0kg/L·h，冷激型最低，即为0.35～.04kg/L·h，间接换热绝热反应在二者之间，即0.55～0.6kg/L·h。 二 具有我国自主知识产权的甲醇合成技术 1、林达低压均温甲醇合成塔的创新

近年来我国低压甲醇合成技术取得很大进展，中国石化协会生产力促进中心等作了大量工作，杭州林达公司、华东理工大学、各设计院合作承担了一系列甲醇项目。

杭州林达公司在甲醇和氨合成反应器上具有一系列成功的创新技术，申请了包括PCT国际专利、欧洲专利、俄罗斯专利、美国专利等在内的国内外专利，至今已有13项授权的国内外专利，在经成功开发了用于合成氨厂联醇生产的中压联醇塔，并成为目前中国联醇生产装置应用最多塔型之后，又成功开发了大型低压均温型甲醇合成塔技术，经在多厂家投产运行效果优良，并被评为2004年度国家发明二等奖。

甲醇合成是强放热反应，进入催化剂层的合成原料气需先加热到反应温度（>210℃）才能反应，

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而低压甲醇合成催化剂（铜基触媒）又易过热失活(>280℃)，就必须将甲醇合成反应热及时移走，本合成塔将原料气加热和反应过程中移热结合，反应器和换热器结合连续移热，同时达到缩小设备体积和减少催化剂层温差的作用，实现达到“均温、高效、易大型化”的目标。

该低压均温型甲醇塔是不同于现有国内外甲醇塔的全新反应器结构，为国内外首创，经PCT国际检索、初步审查和国家实审，授予发明专利权，具多项独特的创新技术。其关键部分是发明了独特的大小二种弯头的双U形管冷管胆结构作为换热元件。小弯头U形管套在大弯头U形管内构成一对双U形管，双U形管中大小弯头U形管反向排列套装，气体在每二根相邻冷管内上下流动，方向均为逆流，达到触媒层等温均温反应目的，温差低达10℃。开发了全自由伸缩复合密封结构，环管位于催化剂上方的自由空间，双U形管位于催化剂层中冷管没有焊接点，结构可靠。另一种型式为具上下双环管的低压均温型甲醇塔，冷管胆有上环管和下环管，上环管连结进气管和下行冷管，下环管连结下行冷管和上行冷管。 创造开发成功用于甲醇合成的反应器模拟计算软件－“Reactor Designer”， 数学模型经过大量实际生产数据校正，更逼近实际效果。用于均温型单（联）醇反应器、管壳式反应器、ICI冷激型反应器及大型甲醇装置的联合反应器，内含各种甲醇催化剂动力学数据，可方便地对反应器进行优化设计，为开发优化设计高性能甲醇合成反应器提供强有力的技术保障。 2、投运效果和主要技术指标先进性

本项目已投产6套装置，与上述国外装置比，充分显示出反应器体积小，触媒层温差小，CO合成率高，产量高，原料气耗少等优点。

哈气化Φ2000冷激塔改为JW均温型甲醇塔后，触媒层温度由原30～70℃降低为同平面<5℃，轴向<10℃，在原料气量、进塔气量和甲醇合成触媒不增加情况下，甲醇产量提高50％，吨醇原料单耗降低129Nm3/吨甲醇，电耗降低120kwh/吨醇。在5MPa有效合成压力下，甲醇催化剂的生产强度达0.69T/m3h，比冷激塔0.382T/m3h增加50％多，也比引进和国外达到的Lurgi管壳式（0.58 T/m3h和0.65 T/m3h）要高，JW塔和冷激式、管壳式甲醇塔主要技术经济指标比较见下表： 反应器型式 催化剂层温差℃ 基准空时产率 吨甲醇/时m3催化剂 反应器触媒装填系数% 电耗％ 同样产量所需催化剂用量％ 同样生产能力设备大小％ 投资费用％ 冷激式 30~70 0.3~0.4 >70 130 150～200 100 70 管壳式 10~30 0.5~0.65 35 100 100 100 100 JW均温全床层内冷 5~15 0.6~0.73 >70 100 <100 50 <50 由实际使用结果显示JW低压均温型塔达到了兼具冷激型甲醇塔结构简单、催化剂装填系数大和管壳型甲醇塔床层温差小、合成效率高，达到同样生产能力下直径比这二种塔型都要小的目标。

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表2 JW低压均温甲醇塔与二大甲醇塔大小实际尺寸（直径）

年产10万吨 Lurgi管壳塔 JW均温塔 年产20万吨 3.2米 2米 年产30万吨 4.0米 3.0米 难加工 3.8米 3、应用推广社会经济效益

本项目至今已成功投产6套，年生产能力超过30万吨，企业取得显著的经济效益和社会效益。 哈尔滨气化厂2000年前甲醇合成仅为年产4万吨小厂，采用JW低压甲醇塔改造扩大能力，现达年产15万吨，甲醇年产值由原几千万到现在年产值3亿多。 已投入运行的JW低压均温塔年产能量已超过30万吨。 JW均温低压甲醇塔推广使用主要项目 ?

本项目已成功投产6套装置，分别为煤气联产甲醇、天然气转化气为原料和煤制气为原料等各种原料气。 序号 1 2 3 用户名称 哈尔滨气化厂 哈尔滨气化厂 江苏武进化工厂 4 河南中原气化厂 5 山东垦利化肥厂 6 河北邯郸新阳光 7 8 云南曲靖焦化 Φ2000 河南骏马集团 9 10 11 福建漳州长泰 Φ1600 30kt/a 200kt/a 200kt/a 2004年 2004年 2004年 Φ2000 80kt/a 80kt/a 2004年 2004年 Φ1400 20kt/a 2004年 Φ1600 30kt/a 2003年 Φ2000 70kt/a 2003年 设备直径 Φ2000 Φ2000 Φ1400 生产能力 60kt/a 80kt/a 20kt/a 交货投产 2000年 2001年 2001年 陕西渭化集团 Φ3000 内蒙天野集团 Φ3000 12 大连大化集团

Φ3200 300kt/a 2005年 4