城市煤气联产甲醇设备的设计

河南化工HENAN CHEMICAL INDUSTRY2007年第24 卷设计城市煤气联产甲醇设备的设计算李福达, 杨志敏(河南省化工设计院有限公司, 河南郑州450052 )摘要针对城市煤气联产甲醇的特定生产条件在坚持引进消化吸收的前提下借鉴集成国内外先进适用技术,设计了甲醇合成塔、甲醇分离器、中间换热器等甲醇合成的关键设备从而保证了城市煤气联产甲醇项目的顺利竣工投产和长期稳定良好运行。关键词城市煤气;甲醇合成塔;甲醇分离器;设计中图分类号:TQ223. 121文献标识码:B文章编号:1003 - 3467( 2007 )02 -0038 -02河南义马煤气化工程是经国务院批准的国家重少 -半的供气能力对于调峰不是最佳选择。点建设项目是利用澳大利亚政府贷款和国内配套城市煤气联产甲醇是煤气调峰的最佳选择。该资金建设的大型煤化工项目，是河南省乃至全国煤项目对我们的设计提出了较为苛刻的要求按公称炭行业首家实施煤炭就地转化生产城市煤e气的社会能力设计最大能力可达年产8万t最小也能在每公益性.工程。建成投产五年来,城市煤气产量由年3万t的低负荷下正常运行，这样在最大负荷生2001年的463万Nm3提高到2006年的3.6亿产时每天生产的甲醇可吃掉一台炉子所产的气,最Nm’,甲醇产量达到年产26万t基本满足了义马至小负荷时每天消耗气量约20万Nm3,调峰能力可达郑州沿途200多公里、十几个县市数万户居民的生三分之一。针对这种要求，我们对方案进行了多次活用气和工业用气有力地支持了河南经济与和谐认真的研究和讨论,对操作弹性较大的主要设备大社会的建设。胆探索集成与创新,尤其是对必须连续生产的甲醇1997年河南省化工设计院承接了义马气化厂合成的关键设备进行认真细致的比选其中有甲醇年产5万t甲醇的设计任务,当时国家建设该厂的合成塔、中间换热器和甲醇分离器等。主要目的是生产城市煤气，以解决义马、洛阳、郑州甲醇合成塔的设计开发三城市及沿线周边地区的居民及企业用气减轻大气污染。众所周知,居 民用气因受时、日、季节的不甲醇合成反应器有ICI多段绝热段间冷激型、同用气量变化很大。按照燃气行业的常规做法,Lurgi管壳副产蒸汽型、Casale轴径向流动型、Linde时、日的调峰-般由当地用气的城市解决季节的调均温型、Topsde径向流动型等多种型式。在综合峰由气源厂来解决。调峰措施有两种:-是采用增剖析了诸多类型的反应器型式后,我们认为Lurgi减气化炉开停台数;二是采用与消耗煤气的化工产管壳式比较适合义马气化厂城市煤气联产甲醇的工品联产。我们通过多方案比较最终选择了城市煤况条件,该反应器由几千根管组合而成每根管子相气联产甲醇的方案,使甲醇正常负荷生产时可消耗，当于一个反应器,没有放大效应操作弹性较大;同-台炉子的产气量相当于8万t/a甲醇的产量并.时该反应器具有操作简单、温度易于控制、副产中压且要求有较大的操作弹性,调峰能力至少要达到三分之一。因此必须对甲醇生产的甲醇合成反应器蒸汽、催化剂装卸方便、开工简单等优点。等关键设备进行改进,以增加反应器的操作弹性。1.1 甲醇合成塔结构的改进而气源厂解决的方法无非是多开一台或少开一台气我们在Lurgi管壳式等温反应器的基础上对甲化炉该气化厂的设计能力是每天生产净煤气120醇合成塔进行改进设计根据净煤气工况和物料、热万Nm3三台气化炉为二开一备停开一台就等于减量衡算对甲醇合成反应器在总体结构，上按照传统收稿日期2006-12-12作者简介李福达( 1945- )男高级工程师从事化工设备的设计与开发工作电话( 0371 )68567838。第2期李福达等城市煤气联产甲醇设备的设计管壳式等温反应器进行主体设计并对高径比、反应对于一定直径的壳体欲使其管程能装填足够多的器直径及部分内部结构形式进行改进。确定合适的催化剂就应当在其中尽量多地排列管子使换热管高径比为2.92塔径ψ3000布置3709根φ38x的壁厚减少到最薄,这就要求设计者应根据材料的2的换热管而相同塔径φ3000的Lurgi壳式等温选择和制造工艺的可能性综合考虑管间距的最小反应器的高径比为3.13 φ 38 x2的换热管仅布置值。为此管材的选择也非常重要。齐鲁二化引进3 555根,即降低反应器高径比约6.71%缩短了换西德鲁奇年产10万t甲醇合成塔的管子采用瑞典.热管布置间距相当于增加换热管数量4.33%。3RE60双相不锈钢，,双相不锈钢克服了一般奥氏体1.2在换热管的适 当位置增设支撑破膜环不锈钢具有应力腐蚀破裂敏感性的缺陷其显微组甲醇合成反应是一-强放热反应,反应温度为织细具有更高的强度和耐均匀腐蚀的能力;另一突200 ~280 C空速为6000~10 000 h-。随着反应出特点是其线热膨胀系数远小于奥氏体不锈钢,与的进行合成反应器的换热器必须能将甲醇合成反.碳钢接近这一特点对这台设备至关重要,因为前面应热及时移走,以避免合成反应器触媒床层升温过已分析过这台设备壳体必须为低合金高强度钢。壳热使催化剂烧结而导致无法正常生产。甲醇合成反程在这种操作压力( 4.6 MPa )下无法设置膨胀节应器换热器的管外热载体为沸水在和甲醇合成反换热管若采用奥氏体不锈钢,管子和管板将无法承应器换热过程中管壳的沸水迅速汽化时易形成涡受这样大的温度应力。与奥氏体不锈钢相比,双相流上升使换热器形成振动而影响换热器的使用寿不锈钢的导热系数大适合制作热交换器的管芯换命。在甲醇合成反应器换热管外壁,增加弹性挡圈热效率比奥氏体不锈钢高。与第-代双相不锈钢相开头的卡环,有效地破除蒸汽涡流上升时产生的汽比第二代2205双相不锈钢的含碳量更低且添加了液不均相,从而增加传热系数,同时起到加固作用，氮 耐局部腐蚀能力强具有较高的抗焊后热影响区防止汽化涡流上升冲击支撑板而引起换热器振动。内晶间腐蚀能力。我院曾为濮阳甲醇厂设计过这种合成塔,自 1991年2中间换热 器的设计投产以来使用情况良好,设备直径为2.6 m而当时齐鲁二化引进西德鲁奇年产10万t甲醇合成塔直中间换热器主要是利用经过合成反应的出塔高径是2.8 m。温气体将进入合成塔前的合成气加热尽量提高进1.3材料的国产化设计塔温度是这台设备设计的关键。作为国内第一台国产化的甲醇合成反应器,设2.1采用 单管程换热器计难度很大机械设计要求高设备复杂制造困难,为了减小换热器直径采用单管程换热器这就对材料及制造方面的难度都很高尤其是直径大时，使换热管长度达 12 m ;油于热膨胀量大只能采用浮对设计和制造以及材料的选择就更加困难。头式但管程出气管又不能直接穿出外壳,因为这样.根据工艺计算,反应器直径应为3 m设计压力出气管与外壳之间密封是个难题。为此我们采用5.6 MPa ,设计温度300 C。在这样的直径压力和了出气管在壳体内收缩的结构,因管、壳程间只存在温度条件下国内材料的选择是-个很棘手的难题，阻力压差填料密封可以解决问题。尤其是筒体材料的选择,因为在同样条件下其厚度2.2增大传热系数比球形封头大一倍必须采用高强钢来减薄筒体厚增大传热系数,使被加热合成气走管内缩小换度。通过详细调查和查阅资料发现在锅炉制造行热管管径,且管内增设类似静态混合器结构的扰流业大量使用的13MnMoNbR( BHW35 )板材塑性好,元件。冷脆转变温度低焊接性能好焊接工艺简单,减小2.3避免羰基铁的生成了制造难度增强了设备制造的可靠性,虽含Mo量壳程内温度处于羰基化物生成的条件,为避免不到0.5Mo(实际为0.3Mo),强度指标稍低于羰基铁的生成我们对壳体内壁加以特殊处理。18MnMoNbR(两者σ。分别是570 MPa和590MPa )。但作为筒体所接触的介质是水,作为管板可高效复合型甲醇分离器的设计在管程侧堆焊抗氢腐蚀材料,可以完全满足使用要甲醇合成后的气体从冷凝器出来后大部分甲求。(下转第52页)盛装催化剂的换热管是这台设备的核心部件,河南化工52.HENAN CHEMICAL INDUSTRY2007年第24卷柔性连续耐高温抗腐蚀碳纤维抽油杆的研制两个项东华鲁恒升化工股份有限公司建成开车后实现了目,日前通过了山东省科技厅组织的技术鉴定。长周期稳定高效运行,年产合成氨突破32万t。这混杂纤维增强复合材料的开发及其应用研究项套装置的运营成功将彻底改变我国大型化肥装置长目利用碳纤维、金属纤维及无机矿物纤维等作为混期依赖进口的局面。1月18日,中国石油和化学工杂增强纤维充分发挥了碳纤维减摩质轻、金属纤维业协会、山东华鲁恒升化工股份有限公司举办自主.高强导热、无机纤维耐热价低等优点利用环保型的创新与核心竞争力一华 鲁恒升可持续发展战略高改性树脂作为基体达到无粉尘污染和低有机物排峰论坛总结探讨化工行业实现自主创新走可持续放的双重效果制备的复合材料具有良好性能。所发展道路的新模式。研制的混杂纤维增强复合材料组成设计先进材料由山东华鲁恒升公司承担的这一项目是全国来源广泛制作工艺简单,应用前景广阔。化肥行业第-套依托自主技术建设的国产化项目,柔性连续耐高温抗腐蚀碳纤维抽油杆的研制采项目采用拥有国内自主知识产权的洁净煤气化及大用酚醛树脂为基体羟基硅油为固化增韧体系,成功型化肥国产化装置成套技术采用我国分布广泛、价研制了新一代碳纤维抽油杆既具有高的比强度、比格低廉的烟混煤取代价高紧缺的无烟煤为主要原模量、疲劳强度、耐磨性又具有耐腐蚀性、耐高温、料在当前石油、天然气日益紧缺的情况下,可以有较高的韧性等性能。该项目开发的拉挤生产过程计效地缓解原料限供和涨价带给化肥企业的压力具算机模拟技术可有效优化现有生产工艺;所开发的有较大的发展空间;同时对中小氮肥企业实现产业耐高温抗腐蚀抽油杆生产和系统作业计算机软件系升级也提供了技术支持。统能够有效地指导矿场作业。专家认为,该项目的投产实现了我国大氮肥技术、装备和原料结构的重大突破改写了我国大型化大氮肥可持续发展新模式肥建设依靠引进的历史对促进我国化肥和装备制国家十五”重大科技攻关项目一全国首套造业的发展具有重要意义。大氮肥装置国产化技改示范工程于2004年底在山(上接第39页)螺栓不断变形伸长开始微量泄漏,合成氨生产的中醇被冷凝下来流入粗甲醇储槽，气体中还有少量甲压变换使用的热交换器就出现类似的现象,在生产醇进入甲醇分离器依靠分离器将剩余的甲醇分离。过程中需经常拧紧大法兰的螺栓。为避免此种麻为了提高分离器的分离效率我们在多套甲醇装置烦,有些设计不设置大法兰而将其直接焊死在停车的设计中尝试采用了各种形式的分离方式,如用洗检修时将其割开然后再将其焊死。考虑到以上的涤方法将气体中的甲醇吸收,吸收的稀甲醇液送预原因这两台设备不设置大法兰而只设置人孔法兰，塔吸收后的气体经过多级分离除去夹带物。根据为使密封可靠采用金属环垫片密封效果很好。义马气化厂城市煤气联产甲醇的特点我们要设计出操作弹性大的分离器,即要适应较大的气量和洗5实施效果涤液量的变化为此我们将板式塔、旋流板、旋风、丝河南义马城市煤气联产甲醇装置自2001年11网等多种结构巧妙组合取得较好的效果。月开车运行截止2006年12月30日累计连续生产61个月，正常日产城市煤气91 x10* Nm3、 甲醇4密封结构可靠 性的设计240t最高日产甲醇345t,正常生产调峰能力为35甲醇合成反应器和中间换热器两台设备工作条万Nm'/d。件相近都在中温( 300 C )中压(5 MPa左右)下工实践证明,甲醇合成塔等主要设备的开发设计作。根据以往的经验,在这种条件下法兰密封很难是先进合理的实现了城市煤气联产甲醇装置的稳.保证，因为即使按垫片所需密封比压的要求将连接定、高效运行,甲醇、煤气产量在较大范围内可以调螺栓拧紧，但在工作过程中由于温度和压力的原因节使城市煤气质量完全达到了国家标准。