低温甲醇洗缠绕管式换热器的优化设计及应用

第49卷第2期化肥设计2011年4月Chemical Fertilizer Design23低温甲醇洗缠绕管式换热器的优化设计及应用余建良(神华包头煤化工分公司,内蒙古包头014010)摘要:介绍了新建180万ψa煤制甲醇装置中针对低温甲醇洗缠绕管式换热气原料冷却器进行的管程、壳程介质互换的优化设计过程;论逑了优化设计面临的问题和采取的改进措施;总结了原料气冷却器的生产运行效果和操作管理要点。关键词:煤制甲醇装置;低温甲酵洗净化工艺;缠绕管式换热器;贫甲醇;优化设计中图分类号:TQ223.121文献标识码:A文章编号:1004-8901(2011)02-0023-04Optimal Design andIts Application for Spiral Tube Heat Exchanger of LowTemperature Methanol Wash PlantShenhua Baotou Coal Chemical- Engineering Sub-company, Baotou Innermongolia 014010 China)Abstract: Author has introdoptimal design process of media interchange going in the tube and shell sides of raw gas cooler-spiral tube heatexchanger of low temperature methanol wash in allusion to the newly built plant of methanol made by coal with a capacity of 1, 800, 000 va: has dis-cussed the problems encountered in the optimal design and the improvement measures to be taken: has summarized both productive operation effect andoperational management gist for the raw gas cooler.Key words: plant of methanol made of coal; low temperature methanol wash purification process; spiral tube heat exchanger: lean methanol; optimal某新建180万Ua煤制甲醇装置为目前国内最CO2。在以渣油和煤为原料的大型合成氨装置上,大规模煤制甲醇示范性装置,包括煤气化、净化、甲大多采用低温甲醇洗净化工艺。缠绕管式换热器醇合成3个单元装置,其中:煤气化采用美国CE水是林德低温甲醇洗工艺技术的专利设备。作为煤浆气化工艺,为7个气化系列(5开2备),日处理种特殊结构的管壳式换热器,缠绕管式换热器具煤7800t(干基);净化釆用部分变换和德国林德低有结构紧凑、传热效率高、能承受高压、可实现多温甲醇洗净化工艺,为2个系列并列运行,每个系列股流换热、无热膨胀问题等优点,在小温差、大负有5台缠绕管式换热器;甲醇合成采用英国戴维甲荷工况下具有良好的传热性能。随着国内多家单醇合成工艺,采用2台蒸汽上升式径向流合成反应位不断深入研究和技术攻关,缠绕管式换热器得器串/并联流程。该套煤制甲醇装置于2010年5月·到广泛应用。底投煤,7月初生产出合格甲醇产品。笔者针对设180万t/a煤制甲醇装置采用德国林德低温甲计阶段对低温甲醇洗缠绕式换热器的优化设计和醇洗净化工艺,为2个系列并列运行每个系列有5生产应用情况进行简要介绍。台缠绕管式换热器。1缠绕管式换热器的应用低温甲醇洗工艺包中缠绕管式换热器的工艺设计参数见表1。低温甲醇洗工艺是德国林德(Lnde)公司开发的采用物理吸收法的一种酸性气体净化工艺。作者简介:余建良(972年-),男,湖南南县人,95年毕业于成都该工艺利用甲醇在低温、高压下具有良好的物理科技大学无机化工专业,工程师,从事合成氨甲醇生产管理和工艺吸收特性来选择性地吸收酸性气体中的H2S和技术管理等工作。化肥设计2011年第49卷表1缠绕管式换热器工艺设计参数原料气冷却器I原料气冷却器Ⅱ循环甲醇冷却器甲醉换热器I甲醇换热器Ⅱ质变换气/喷淋甲醇变换气/噴淋甲醉高甲醇富甲醇富甲醇设计混度/℃7080-708055/50设计压力/MPa操作温度℃13.8/37.843.8/-29.2-29/-26.534.9/1操作压力/MPa2管程1质CO2产品气尾气富甲醇贫甲醇设计温度/℃50/50-55/50设计压力/MPa操作温度/℃-51.4/30.830.6/32.417.L-33.816/-23.38.2/-28.9操作压力/MPa0.185.95.73管程2介质合成气富甲醇高甲醇设计温度℃70/80-60/5050/50设计压力/MPa操作温度℃28.3/30.8-20.5/-33.7-20-23.3操作压力/MPa5,45台缠绕管式换热器中,循环甲醇冷却器、甲醇Ⅱ进行了优化设计,将缠绕管式换热器的管程、壳换热器I和甲醇换热器Ⅱ的管程均为高压介质壳程介质进行了互换,即高压介质变换气走管程,低程均为低压介质。原料气冷却器I的管程为高压压介质尾气走壳程。管程、壳程介质互换后,缠绕介质(合成气)和低压介质(二氧化碳产品气),原料管式换热器的壳体壁厚变薄,设备质量减轻50%气冷却器Ⅱ的管程为低压介质(尾气)。原料气冷金属材料节省显著,设备投资大为减少。原料气冷却器I和原料气冷却器Ⅱ的壳程均为高压介质(变却器Ⅱ管程壳程介质互换后的变换气冷却工艺流换气)。林德专利技术原料气(变换气)冷却工艺流程见图2。程见图1喷淋叩醇喷淋甲醇过滤器原料气冷却器1过滤器原料气冷却器II尾气变換气分离器变换气离器混合器混合器中原料气冷却器I原料气冷却器1合成气CO产品合成气图2管程壳程介质互换后的变换气冷却工艺流程图1林德专利技术变换气冷却工艺流程来自上游的变换气(5.5MPa、40℃)与低温甲3存在的问题醇洗循环气混合,喷入少量甲醇后,一部分(约占总3.1换热管内结冰气量的75%)进入原料气冷却器I的壳程,被管程由于缠绕管式换热器的特殊结构,层与层之间的合成气和二氧化碳气体冷却;另一部分(约占总的换热管反向缠绕原料气冷却器Ⅱ的壳程变换气气量的25%)进入原料气冷却器Ⅱ的壳程,被管程和屮醇横向交叉通过缠绕的换热管,在相邻换热管的尾气冷却。冷却后的变换气汇合进入分离器。之间、层与层之间不断地分离和汇合,以保证喷淋变换气中喷入少量甲醇,使甲醇与变换气中的饱和甲醇在变换气中均匀分布。壳程变换气经低温冷水混合形成水合物防止变换气中的饱和水在低温却后,甲醇和水能有效冷凝防止结冰下结冰,避免系统发生堵塞林德公司原料气换热器Ⅱ的管程、壳程介质互2缠绕管式换热器的优化设计换后,变换气和甲醇进入缠绕管式换热器的管程如果达不到进一步混合的效果,会出现部分换热管中在设计阶段对林德专利技术中原料气换热器甲醇浓度特低引起这部分换热管内结冰增加换热第2期余建良低温甲醇洗绕管式换热器的优化设计及应用器压降,严重时会损坏设备。同时另一部分换热管内热管内结冰,确保原料气冷却器Ⅱ的安全,设计中甲醇液体较多,从而引起换热管内“阻塞”。采取了以下措施其实,变换气走缠绕管式换热器管程时的流速(1)将变换气总管上的喷淋甲醇混合器位置比变换气走壳程时的流速高换热管内介质呈螺旋尽可能地前移,以保证混合器后有足够的直管段距状流动,处于紊流状态。由于换热管内介质螺旋流离,使甲醇溶液与变换气充分混合。动,变换气中喷入的甲醇溶液大部分分布于气相(2)为了提高可靠性,在原料气冷却器Ⅱ的变中,少部分甲醇溶液因离心力作用会沿着换热管内换气人口管道上再设置1个甲醇喷淋混合器。壁外侧下流,起到防止结冰的作用。由于结构原(3)在原料气冷却器Ⅱ的管程设置差压测量因缠绕管式换热器的壳程存在很多气体滞流的区及报彆指示,监视换热器管程进、出口的差压变化。域缠绕管式换热器管程的流动状况要优于壳程优化后的变换气冷却工艺流程见图3。因此,如果能确保喷淋甲醇的连续性、均匀性及喷喷淋甲醇淋量,换热器管程的变换气就不会结冰。甲醇的喷过滤器淋与混合是在进入换热器之前的管道中完成的,变混合器D3料气净却器11换气中的少量液体在换热器中存在偏流问题的可变换能性比较小。混合器分离器32换热器换热面积减小原料气冷却器I合成气林德公司指出,原料气换热器Ⅱ的管程壳程介质互换后,换热器的换热面积由3491m2减小至图3优化后的变换气冷却工艺流程2624m2,可能不能满足工艺要求。由于缠绕管式换热器的结构特殊,换热管内呈5应用效果螺旋状流动的强化作用,变换气由壳程改走管程在低温甲醇洗进行管道吹扫和系统水联运前,时,介质的流速有了显著的提高换热系数得到增断开原料气冷却器1和原料气冷却器Ⅱ的法兰接加;缠绕管式换热器层与层之间换热管反向缠绕,口并加设隔离盲板将换热器前的管道吹扫、冲洗这种特殊结构极大地改变了介质的流动状态形成干净。系统水联运时在换热器的人口法兰处安装强烈的湍流效果,壳程的流通面积通过层间距进行过滤网,防止杂质进人换热器内,造成换热器堵塞。较大幅度的调整;壳程的垫条等部件对介质的流动2010年6月低温甲醇洗系统引变换气开车,在近6不断扰动。以上3个方面的共同作用,使缠绕管式个月的运行期间2个低温甲醇洗系列最高负荷达换热器的传热性能得到显著提高。通过设计单位到95%,单系列最高负荷达到110%。从实际运行计算,换热器的管程、壳程介质互换后的换热面积情况来看,低温甲醇洗变换气冷却系统运行正常。是完全能够满足工艺要求的。喷淋甲醇流量正常,原料气冷却器Ⅱ管程变换气进3.3换热器阻力降增加出口压差约20kPa(最高35kPa),原料气冷却器I换热器的管程、壳程介质互换后,换热器的阻和原料气冷却器Ⅱ进出口介质的各项工艺参数达力降发生变化。高压的变换气走管程后,换热器的到设计值,换热器设备运行正常,完全能满足工艺管程阻力降增加,可能会影响2台并联的原料气冷生产的要求。却器I和原料气冷却器Ⅱ的变换气气量分布。通在低温甲醇洗系统运行期间,共发生2次贫甲过设计单位计算,换热器的管程及壳程的阻力降均醇泵联锁停车事故造成喷淋甲醇中断。贫甲醇泵小于30kPa,均能满足工艺要求第l次停车时,变换气未切出低温甲醇洗系统,贫甲3.4换热器壳程的安全醇泵在不到7min内启动备用泵,喷淋甲醇恢复正换热器的管程壳程介质互换后,高压介质变常流量,期间原料气冷却器Ⅱ管程变换气的进出口换气走管程,低压介质尾气走壳程。为保证换热器压差最高上涨至35kPa。第2次停车时低温甲醇壳程的安全,需要在换热器的壳程或尾气出口管道洗系统的变换气被及时切断,移至变换单元放空上设置安全阀6需要改进的地方4釆取的措施(1)一旦贫甲醇泵跳车操作上要及时切断低为防止变换气中饱和水冷却后在换热器的换(下转第37页)陈鹏高压法三聚氰胺装置刺刀管式反应器运行工况浅析4.2严格控制反应器负荷胺的产量,同时生成的甲胺会腐蚀刺刀管。(1)反应器的负荷不能过大,正常情况下最高(2)尿素溶液中的油含量对反应器结垢影响不能超过120%。否则,将会导致反应器的转化率很大,应严格控制油含量在20×10°之内降低。(3)要严防液氨进入反应器,避免甲胺的生(2)反应器的负荷不能过小,如无特殊情况,成,防止刺刀管受到腐蚀。不要控制过低,否则经济上不合理。(3)反应器加负荷时不能过快否则,将会导S结语致反应器的内部温度快速降低,从而增加堵塞刺刀通过对刺刀管式反应器运行中出现的问题的管的风险。分析和解决,使我们对刺刀管式反应器有了较为全(4)反应器的投料负荷不能过高因为生成三面的了解,同时积累了一定的操作经验,从而为在聚氰胺的反应为强吸热反应,投料负荷越高,反应吸日常生产过程中稳定操作剌刀管式反应器,保证该收的热量越多,需要补充的热量也越多,而反应器在设备安稳长周期运行奠定基础。投料初期尚未建立循环,刺刀管供给的热量无法传递参考文献:到中心管,中心管内因而成为低温区,易结晶堵塞。[]王会串三聚氰胺的生产技术和应用前景[.精细与专用化学43严格保证进出口管线的氨量品,2007(6):33-36要严格保证反应器进出口件线上的氨量,避免219,冯利商体法三歌数装置(2汽提塔技术改造因断氨造成三聚氰胺大量结品,堵塞进出口管线,(3]陈鹏三聚胺装置废水处理工艺技术门],化肥设计,20846从而导致反应器停车进行机械处理。44严格控制原料的纯度[4]陈鹏.高压法三聚氰胺装置尾气冷凝器技术改造{冂]化肥设(1)严格控制进入反应器熔融尿素中水的质计,2000,47(5):51-53量分数在0.2%之内。因为在有水存在的情况下[5]陈鹏陈立春冯晓华,等.高压法三聚氰胺生产技术的进展与应用[].化肥设计,2010,48(4):15-20.尿素被水解成氨和二氧化碳,因此减少了三聚氰收稿日期:2011-03-03(上接第25页)温甲醇洗系统的变换气,将变换气移至变换单元放甲醉洗系统,细小的固体颗粒附着在缠绕管式换热空,以防止变换气中的饱和水在缠绕管式换热器的器的换热管内,或随甲醇溶液的循环进人其他换热换热管中结冰,堵塞管道,冻坏换热器器的换热管,影响换热器的换热效果。如果缠绕管式2)为确保缠绕管式换热器的安全,需要设置换热器换热管内产生结垢传热系数下降后换热管的喷淋甲醇的低流量联锁停车。清洗非常困难。如果设置气化粗煤气过滤器,可以大(3)设置贫甲醇泵跳车低温甲醇洗系统停车幅减少粗煤气中的煤灰带人低温甲醇洗系统。大联锁。变换和低温甲醇洗为2个系列并列运行,7结语均在变换和低温甲醇洗设置工艺气压力调节放空系统。在2个系列正常运行时,系统根据2个系列(1)原料气换热器Ⅱ的管程、壳程介质互换的阻力自由分配工艺气量。如果1个系列的贫甲醇后,设备质量减轻50%,设备投资大幅降低。优化设计后采取的各项措施科学合理,可以很好地保护泵跳车后,贫甲醇中断,该系列工艺气的阻力在较缠绕管式换热器,完全能满足生产需要。短的时间内减小,低于另1个系列工艺气的阻力,引(2)通过原料气冷却器Ⅱ的优化设计并成功起工艺气“偏流”,影响另1个系列的稳定运行导应用,可以在新建的低温甲醇洗系统中进行推广。致送下游甲醇合成装置的合成气流量大幅波动,合如果可行的话,还可以对原料气冷却器I进行优化成气中的CO2和硫含量不合格。设置贫甲醇泵跳钅设计将壳程介质变换气与管程介质二氧化碳产品低温甲醇洗系统停车大联锁,及时将变换气移至变气进行互换,以进一步降低设备投资。换单元放空,可以保证正在运行系列的稳定运行。参考文献(4)由于上游气化装置未设置粗煤气过滤器,[1]张贤安高效缠绕管式换热器的节能分析与应用[J].压力容气化粗煤气中夹带的细小煤灰较多。气化粗煤气器,186:54-57.[2]张贤安陈水东,王健良缠绕管式换热器的工程应用[J].大氮中的煤灰(经变换单元配气部分)和变换催化剂粉肥,2004(1):9-11尘在洗氨塔中洗涤不彻底,不可避免地要带入低温收稿日期:2011-02-25