大型甲醇合成反應器研究

張彥強

摘要：爲提升甲醇合成反應器的制備能力，降低其制備成本，以百萬噸級的水冷－氣冷甲醇合成器爲例在研究其工藝流程的基礎上，結合實際生産完成大型甲醇合成反應器的模拟設計和關鍵工藝參數的確定，重點對水冷反應器的進氣溫度、冷卻介質溫度以及操作壓力對甲醇産量的影響進行研究，爲今後提升甲醇産量提供理論性的指導。

關鍵詞：水冷式合成反應器；氣冷式合成反應器；操作壓力；冷卻介質；進氣溫度

     我國以乙烯爲代表的石油資源短缺，而煤炭資源豐富。在此能源結構富煤少油的背景下，煤炭資源在未來很長時間内依然在我國能源結構中占據主導地位。以煤爲原料制備(bèi)甲醇需經曆空氣分離、煤氣化、CO變換、合成氣體淨化、甲醇合成以及甲醇精餾等工藝。對於(yú)甲醇合成反應器而言，其生産規模從幾萬噸到幾百萬噸不等，目前我國針對百萬噸級甲醇合成反應器的工藝相對落後，還需引進國外先進技術。本文重點對百萬噸級甲醇合成反應器進行研究，分析反應器大小、換熱管數量等關鍵工藝參數對生産能力的影響。

1、甲醇合成反應器工藝流程

     目前，在化工行業中對以甲醇爲上遊産品對應的下遊産品的使用量較大。因此，提升甲醇合成的生産能力和生産成本，對於提升化工行業的進步和發展具有意義，進而推動瞭(le)甲醇反應器朝著(zhe)百萬噸級的方向發展。随著(zhe)制備甲醇裝置生産能力的增加，對應的對甲醇合成反應器的性能提出瞭(le)更高的要求。本文所研究甲醇合成反應器對應的生産能力爲180萬t/a，該反應器採用氣冷－水冷串聯反應器的技術解決瞭(le)傳統百萬噸級甲醇合成反應器體積過大、能耗較大以及制造困難的問題。

     本文所研究甲醇合成反應器爲兩個水冷反應器和一個氣冷反應器。其中，兩種類型反應器的連接方式爲串聯，兩台水冷反應器的連接方式爲並(bìng)聯。氣冷反應器和水冷反應器的主要功能是甲醇的合成；冷凝器的功能是将高溫氣體或液體進行降溫；甲醇分離器主要是實現氣體與液體的分離，從(cóng)而得到粗甲醇。

2、甲醇合成反應器的模拟設計

     結合甲醇合成反應器的工藝流程和實際應用中各個關鍵部件的結構參(cān)數建立完成甲醇合成反應器的模拟設計。在實際生産中，甲醇合成反應器中水冷式反應器的冷卻介質爲飽(bǎo)和沸騰水；氣冷式反應器的冷卻介質爲低溫原料氣。兩種類型反應器的結構參(cān)數如表1所示。

此外，水冷式反應器的催化劑在其管内，其管外爲冷卻介質；但是，氣冷式反應器的催化劑在其管外，管内爲冷卻介質。本甲醇合成反應器中裝填的催化劑爲中低壓甲醇合成催化劑。本甲醇合成反應器的關(guān)鍵工藝參(cān)數如下：

（1）進入甲醇合成反應器中的氣體的流量爲2.106×10⁶ m³/h；其中，CO濃度爲0.1119 mol/m³，CO₂的濃度爲0.0204 mol/m³。

（2）甲醇合成反應器對(duì)應的操作壓力爲7.9MPa；作爲水冷反應器冷卻(què)介質的壓力爲3.5MPa，溫度爲242℃。

在上述甲醇合成反應器模拟設計的基礎(chǔ)上，分别研究不同操作條件對(duì)工藝的影響。

3、不同操作條件對串聯工藝的影響

     在實際生産(chǎn)中總結分析，瞭(le)解到影響甲醇合成反應器工藝的主要操作條件有溫度、操作壓力等。本節重點開展上述條件對工藝的影響研究。

3.1 溫度對甲醇合成反應器工藝的影響

       這裏所指的溫度爲甲醇合成反應器中催化劑床層(céng)的溫度分布。水冷-氣冷式甲醇合成反應中的主反應器爲水冷反應器，且水冷反應器與氣冷反應器的連接方式爲串聯。也就是說，氣冷反應器的進氣溫度爲水冷反應器的出氣溫度。從(cóng)理論上講：水冷反應器的進氣溫度會影響下一步氣冷反應器的換熱效果，從(cóng)而影響氣冷反應器的溫度分布；同時，水冷反 應器中冷卻介質的溫度會直接影響其出氣溫度，進而影響下一步氣冷反應器中催化劑床層(céng)的進氣溫度。

（1）水冷反應器進(jìn)氣溫度對(duì)工藝的影響

      在保證水冷反應器冷卻介質壓力溫度以及其他操作條件不變(biàn)的基礎(chǔ)上，研究水冷反應器的不同進氣溫度對反應系統的影響。水冷反應器進氣溫度的變(biàn)化範圍爲252.3 ℃到195 ℃，所得試驗結果如表2所示。

         分析表2可知，在甲醇合成其他操作條件不變(biàn)的基礎上，水冷反應器進水溫度對系統甲醇的總産(chǎn)量影響不大。

（2）水冷反應器冷卻(què)介質溫度對(duì)工藝的影響

          在保證水冷反應器進氣溫度和其他操作條件不變(biàn)的基礎(chǔ)上，研究不同水冷反應器冷卻介質溫度對反應系統的影響。水冷反應器冷卻介質的壓力變(biàn)化範圍爲3.39~3.97 MPa，溫度變(biàn)化範圍爲240~250℃。所得的試驗結果如表3所示。

          如表3所示，随著(zhe)冷卻介質溫度增加對應甲醇的産量也會增加。但是，在實際生産中對冷卻介質溫度的控制需綜合考慮催化劑的活性進行確(què)定。

3.2 不同操作壓力對工藝的影響

      保證水冷反應器進氣溫度和冷卻介質溫度不變(biàn)，研究不同水冷反應器操作壓力對最終甲醇産(chǎn)量的影響。本次試驗所研究水冷反應器操作壓力的變(biàn)化範圍爲6.9~7.9MPa，所得試驗結果如表4所示。

      如表4所示，随著(zhe)水冷反應器操作壓力的增加，水冷反應器的甲醇産量明顯增加，而氣冷反應器的甲醇産量略微減少，甲醇總産量增加。因此，在實際生産中，爲瞭(le)提升甲醇總産量可在保證設備安全的基礎上适當的增加水冷卻反應器的操作壓力。

4、結論

       當前對甲醇下遊産品的需求不斷增加，如何提升甲醇的産量降低其生産成本爲甲醇生産主要考慮的問題。以百萬噸級甲醇制備(bèi)裝置爲研究對象，本文以氣冷-水冷的串聯式甲醇反應器爲研究對象，對其關鍵工藝參數對甲醇産量的影響進行研究，並(bìng)總結如下：

     （1）水冷反應器進氣溫度及其冷卻介質的溫度對(duì)甲醇産(chǎn)量的影響不大；

     （2）當(dāng)水冷反應器的操作壓力增加時，對應的水冷反應器的甲醇産(chǎn)量明顯增加，而氣冷反應器的甲醇産(chǎn)量略微減少，但甲醇總産(chǎn)量增加。

     通過對百萬噸級甲醇合成反應器下不同工藝參(cān)數對産量影響的研究，爲今後甲醇實際制備(bèi)提供指導

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