大型甲醇合成反应器研究

张彦强

摘要：为提升甲醇合成反应器的制备能力，降低其制备成本，以百万吨级的水冷－气冷甲醇合成器为例在研究其工艺流程的基础上，结合实际生产完成大型甲醇合成反应器的模拟设计和关键工艺参数的确定，重点对水冷反应器的进气温度、冷却介质温度以及操作压力对甲醇产量的影响进行研究，为今后提升甲醇产量提供理论性的指导。

关键词：水冷式合成反应器；气冷式合成反应器；操作压力；冷却介质；进气温度

     我国以乙烯为代表的石油资源短缺，而煤炭资源丰富。在此能源结构富煤少油的背景下，煤炭资源在未来很长时间内依然在我国能源结构中占据主导地位。以煤为原料制备甲醇需经历空气分离、煤气化、CO变换、合成气体净化、甲醇合成以及甲醇精馏等工艺。对于甲醇合成反应器而言，其生产规模从几万吨到几百万吨不等，目前我国针对百万吨级甲醇合成反应器的工艺相对落后，还需引进国外先进技术。本文重点对百万吨级甲醇合成反应器进行研究，分析反应器大小、换热管数量等关键工艺参数对生产能力的影响。

1、甲醇合成反应器工艺流程

     目前，在化工行业中对以甲醇为上游产品对应的下游产品的使用量较大。因此，提升甲醇合成的生产能力和生产成本，对于提升化工行业的进步和发展具有意义，进而推动了甲醇反应器朝着百万吨级的方向发展。随着制备甲醇装置生产能力的增加，对应的对甲醇合成反应器的性能提出了更高的要求。本文所研究甲醇合成反应器对应的生产能力为180万t/a，该反应器采用气冷－水冷串联反应器的技术解决了传统百万吨级甲醇合成反应器体积过大、能耗较大以及制造困难的问题。

     本文所研究甲醇合成反应器为两个水冷反应器和一个气冷反应器。其中，两种类型反应器的连接方式为串联，两台水冷反应器的连接方式为并联。气冷反应器和水冷反应器的主要功能是甲醇的合成；冷凝器的功能是将高温气体或液体进行降温；甲醇分离器主要是实现气体与液体的分离，从而得到粗甲醇。

2、甲醇合成反应器的模拟设计

     结合甲醇合成反应器的工艺流程和实际应用中各个关键部件的结构参数建立完成甲醇合成反应器的模拟设计。在实际生产中，甲醇合成反应器中水冷式反应器的冷却介质为饱和沸腾水；气冷式反应器的冷却介质为低温原料气。两种类型反应器的结构参数如表1所示。

此外，水冷式反应器的催化剂在其管内，其管外为冷却介质；但是，气冷式反应器的催化剂在其管外，管内为冷却介质。本甲醇合成反应器中装填的催化剂为中低压甲醇合成催化剂。本甲醇合成反应器的关键工艺参数如下：

（1）进入甲醇合成反应器中的气体的流量为2.106×10⁶ m³/h；其中，CO浓度为0.1119 mol/m³，CO₂的浓度为0.0204 mol/m³。

（2）甲醇合成反应器对应的操作压力为7.9MPa；作为水冷反应器冷却介质的压力为3.5MPa，温度为242℃。

在上述甲醇合成反应器模拟设计的基础上，分别研究不同操作条件对工艺的影响。

3、不同操作条件对串联工艺的影响

     在实际生产中总结分析，了解到影响甲醇合成反应器工艺的主要操作条件有温度、操作压力等。本节重点开展上述条件对工艺的影响研究。

3.1 温度对甲醇合成反应器工艺的影响

       这里所指的温度为甲醇合成反应器中催化剂床层的温度分布。水冷-气冷式甲醇合成反应中的主反应器为水冷反应器，且水冷反应器与气冷反应器的连接方式为串联。也就是说，气冷反应器的进气温度为水冷反应器的出气温度。从理论上讲：水冷反应器的进气温度会影响下一步气冷反应器的换热效果，从而影响气冷反应器的温度分布；同时，水冷反 应器中冷却介质的温度会直接影响其出气温度，进而影响下一步气冷反应器中催化剂床层的进气温度。

（1）水冷反应器进气温度对工艺的影响

      在保证水冷反应器冷却介质压力温度以及其他操作条件不变的基础上，研究水冷反应器的不同进气温度对反应系统的影响。水冷反应器进气温度的变化范围为252.3 ℃到195 ℃，所得试验结果如表2所示。

         分析表2可知，在甲醇合成其他操作条件不变的基础上，水冷反应器进水温度对系统甲醇的总产量影响不大。

（2）水冷反应器冷却介质温度对工艺的影响

          在保证水冷反应器进气温度和其他操作条件不变的基础上，研究不同水冷反应器冷却介质温度对反应系统的影响。水冷反应器冷却介质的压力变化范围为3.39~3.97 MPa，温度变化范围为240~250℃。所得的试验结果如表3所示。

          如表3所示，随着冷却介质温度增加对应甲醇的产量也会增加。但是，在实际生产中对冷却介质温度的控制需综合考虑催化剂的活性进行确定。

3.2 不同操作压力对工艺的影响

      保证水冷反应器进气温度和冷却介质温度不变，研究不同水冷反应器操作压力对最终甲醇产量的影响。本次试验所研究水冷反应器操作压力的变化范围为6.9~7.9MPa，所得试验结果如表4所示。

      如表4所示，随着水冷反应器操作压力的增加，水冷反应器的甲醇产量明显增加，而气冷反应器的甲醇产量略微减少，甲醇总产量增加。因此，在实际生产中，为了提升甲醇总产量可在保证设备安全的基础上适当的增加水冷却反应器的操作压力。

4、结论

       当前对甲醇下游产品的需求不断增加，如何提升甲醇的产量降低其生产成本为甲醇生产主要考虑的问题。以百万吨级甲醇制备装置为研究对象，本文以气冷-水冷的串联式甲醇反应器为研究对象，对其关键工艺参数对甲醇产量的影响进行研究，并总结如下：

     （1）水冷反应器进气温度及其冷却介质的温度对甲醇产量的影响不大；

     （2）当水冷反应器的操作压力增加时，对应的水冷反应器的甲醇产量明显增加，而气冷反应器的甲醇产量略微减少，但甲醇总产量增加。

     通过对百万吨级甲醇合成反应器下不同工艺参数对产量影响的研究，为今后甲醇实际制备提供指导

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