大型甲醇合成塔发展趋势及林达均温塔的特点

    1   大甲醇的发展趋势

     目前论述大甲醇的文献虽不少见，但至今已投产的单系列百万吨级装置并不多见，可选择塔型主要有以下几种。

    （1）ICI冷激型

    据文献介绍，ICI四段冷激型塔年产达到百万吨。此种合成塔内径6.1m，床高12.2m，内装甲醇催化剂283m³，采用煤制原料气。在10.34MPa下，出塔气中甲醇含量5.7％，日产甲醇3600t，催化剂空时产率0.53t/（m³·h），折成无惰性气（有效合成压力5MPa）的基本空时产率0.327t/（m³·h）。一般认为单台甲醇合成塔的直径最大为6m，否则加工制造运输等难度更大。

    （2）Topsφe甲醇塔

    文献报道Topsφe公司2500t/d甲醇合成方案采用内径3m的绝热塔串联，在合成塔之间用水移走反应热，一塔进口182℃，末塔出口271℃，装催化剂136m³，在7.83MPa压力下，日产甲醇2500t，三塔均采用径向流动形式。若采用轴向，按上述塔径，三塔串联阻力很大，难以运行。

    （3）TEC公司MRF反应器

    Lurgi管壳式反应器已在不少甲醇厂使用，但在大型化甲醇装置中因结构复杂、体积大，需多套塔。近几年Lurgi提出用于百万吨级甲醇的联合反应器，即用管壳式反应器和冷管式反应器（各一台）串联组合。冷气（125℃左右）先进反应器冷管内，与管外催化剂逆流换热，加热到250℃，然后在管壳反应器反应，温度265℃出塔，再进冷管反应器管外反应。对2500t/d装置，需高度为12.19m、内径4.572m管壳反应器和内径3.048m冷管反应器各一台，合成压力9.14MPa，循环比为甲醇塔现用的一半，以避免合成塔阻力过大。国内四川建峰年产600kt甲醇合成塔，经专家评审，决定采用国内华东理工大学的绝热管壳反应器和林达冷管型塔串联。

    （5）林德（Linde）螺旋管反应器

    采用螺旋管内走水移去管外催化床反应热，优点是床层温差小，催化剂空时产率高，和Lurgi直管相比，螺旋管较好地解决了热应力问题。目前已投用最大装置能力为日产520t，内径φ_内3.78m，总高13.5m，装BASF的S3-85催化剂，缺点是设备加工难度大，不利于进一步放大。

    （6）卡萨里（Casale）合成塔

    Casale开发了2500t/d以上的轴径向甲醇合成塔，为立式三床层，有三个塔外换热器，采用绝热反应，段间换热，但未见工厂应用报道，而已有工厂使用的是一个日产1350t的卧式甲醇塔（由俄罗斯一台kellogg卧式合成塔改造而来）。该结构形式作为利用闲置卧式塔改造有一定价值，但作为新建装置未必合适。卧式氨塔因床层阻力低，可采用细粒度催化剂以增加反应速度，但用于甲醇则无此优点。

   2   林达均温型甲醇塔在大型化装置中的优势

2.1  均温型甲醇塔生产能力比同样大小的冷激塔和管壳式高

    林达均温型塔催化剂装填系数和冷激塔一样，均在70％以上，但因接近等温反应，反应中间不用冷激气降温，避免了降低反应器中甲醇浓度。据哈气化均温型和冷激型比较，在同样原料气量、进塔气量、合成压力和催化剂装量下，提高产量50％。若在同样入塔气有效压力下，将增产更多。故达到同样能力，其反应器尺寸可比冷激塔减小1/3以上。

    林达均温型塔比管壳式温差还小，Lurgi管壳反应器原设计反应器内不设测温点，现我国有的管壳反应器设了3～5个测温点（测轴向温差），但均不测同平面温差。二者在同样合成效率，即催化剂生产强度一样的情况下，因催化剂装管外，装填系数比管壳式多一倍，故外形尺寸可减小一半。表1为同样床层高度(7m下)的比较：

 

    表2是各种低压甲醇塔的比较。由表可见，林达均温型塔温差小，在相同有效压力下催化剂空时产率高。

2.2  林达新开发大型甲醇合成塔新技术

    由于林达低压均温型甲醇塔取得的良好业绩，特别在大型化装置中的优势，一些用户和设计单位要求林达提供年产300kt以上大型甲醇合成技术。为满足广大用户的要求，林达公司于2001年开发了新的甲醇工艺，并申请了PCT国际专利，该工艺采用自热式内冷式反应器和外冷反应器前后串联组成（见图1）。

 

图1

    经压缩机压缩到5～15MPa的含有氢和一氧化碳的原料气7进入甲醇合成装置，与来自循环机6的循环气12汇合，经气-气换热器3与反应出塔气换热，加热到100℃左右进入反应器1A，反应器1A可采用我公司已获专利的低压均温型甲醇塔，也可采用其他自热冷管型结构。进合成塔气体在冷管内吸收管外催化剂层中的反应热，温度升到200℃左右，出冷管，进入管外催化剂层中反应。由于被冷管内气体连续移热，故能保持催化剂层较低的温差，出反应器1A的反应气中CH₃OH达到6%，温度250℃左右，再进入反应器1B（外冷式反应器），进一步进行甲醇合成反应。反应热被冷却水通过管壁连续移走，此反应热可用于产生压力4MPa左右的中压蒸汽，通过副产蒸汽的压力来调节反应温度，因此可使反应器1B的反应温度低于反应器1A，例如在210℃左右，这样以优化工艺条件，提高合成率，使出反应器甲醇浓度提高到10%左右。出反应器1B的反应气经塔外热回收器2回收反应热（副产低压蒸汽），再在气-气换热器3中加热进反应器气体8，然后再进入水冷却器4中，进一步冷却到30℃左右，其中的绝大部分甲醇被冷凝。

    外热反应器的受压外壳中装有换热管组，外壳与换热管组间装有催化剂，图中换热管组由多组冷管胆组成，每组冷管胆由分流管（下环管）、多排冷管、集流管（上环管）连接构成。在反应器内汇合后由出口出。出口的位置可以在侧面，也可以在上封头顶部中间，而将进气口设置在侧面。反应器顶部有进气口，底部有出气口。出气口设有多孔锥形罩，用以支承反应器内的催化剂，顶部还设有人孔，用于装催化剂和检修用。反应器合成甲醇副产蒸汽时，经预热到200℃左右的锅炉水由进口管引入下部分流管，再均匀分流到各冷管中。冷管中的水一边向上流一边吸收管外反应热，受热汽化，产生蒸汽，再由上部集流管汇合，由出口管引出，温度为200℃以上的进塔气，进入甲醇催化层反应。反应热被管内水吸收，因此催化床层温差小。

    本专利技术中自热反应器——林达低压均温型反应器已有多台成功运行，首台外冷反应器已在加工中，不久将在河南骏马集团投运。

3   小结

    （1）在已投产的大型甲醇合成塔中以ICI冷激塔为多，该型塔结构简单，易于制造加工，但冷激塔合成率较低，故ICI也推出逆流冷管塔，即用冷管连续移热，代替加入冷激气间断冷却。工厂使用表明，在同样合成压力8.5MPa下，采用冷激塔装100m3催化剂日产1200t，而用逆流冷管塔装120m³催化剂，日产可达1650t。

    （2）Lurgi管壳合成塔因其温差小，目前在低压甲醇厂得到很多应用，但因催化剂装管内，用于大甲醇则反应器体积大，且因限于轴向流，若加高催化剂床层则增大阻力，以上因素制约该型塔在大甲醇的应用。故在大甲醇装置中，Lurgi合成塔由单台管壳塔发展到管壳塔与冷管塔结合，且在Lurgi联合反应器中，大部分催化剂装在冷管塔中。

    （3）林达均温型甲醇塔的催化剂装填系数大，催化床层温差小，CO转化率高，且可轴向也可径向，并已开发可副产中压蒸汽的甲醇塔（即将投入实际使用），可减小反应器直径，在今后的大甲醇中更显示出优势。

    （4）Lurgi管壳式虽温差小、生产强度大，但加工难度大，大型化难度增加，故Lurgi公司开发冷管反应器和管壳反应器结合的大型、超大型反应器。ICI除冷激反应器外，还开发了逆流冷管甲醇反应器，并已有多台日产千吨以上装置运行的业绩。林达公司均温型低压甲醇合成塔采用U型冷管，温差比ICI冷管塔小，性能好，生产强度更高。