甲醇合成塔床层超温原因分析

2011-01-30李雪冰闫国富

化工设计通讯 2011年4期

李雪冰,闫国富

(中国神华煤制油化工有限公司包头煤化工分公司,内蒙古包头 014010)

0 引言

神华包头煤制烯烃项目甲醇合成装置引进英国Johnson Matthey/Davy公司大规模甲醇合成技术,日产MTO级甲醇5 500 t(100%甲醇)。该套装置生产能力居世界首位。自装置试开车以来,甲醇合成塔上部催化剂床层局部热点一直处于超温状态。本文主要从甲醇合成塔内件结构、催化剂还原沉降、工艺操作等方面对催化剂上部床层局部热点超温现象进行探讨分析。

1 甲醇合成装置流程简介

甲醇合成系统采用的是串并联的流程方式。来自上游净化装置的合格新鲜气经过蒸汽透平驱动的联合式压缩机的合成段升压后进入净化槽。经净化催化剂深度脱硫后分为两股配入两个合成塔的循环气中,进入各自合成塔的换热管间进行甲醇合成反应。反应热被管内的水吸收副产中压蒸汽。出塔气经过各塔的中间气气换热器后依次经过空冷器、水冷器后,在分离器内将粗甲醇分离。1#粗甲醇分离器出口的循环气经过循环气压缩机提压后进入2#合成塔,2#粗甲醇分离器出口的循环气直接送入1#甲醇合成塔。两股循环气与新鲜气混合后重新进入两个合成塔内进行甲醇合成反应。分离后的粗甲醇经过闪蒸后送入下游单元。流程示意如图1。

图1 甲醇合成流程示意图

2 甲醇合成塔上部床层超温现象描述

自2010年7月3日甲醇装置投料试车以来,当系统负荷在70%以上时,甲醇合成塔催化剂上部床层局部热点经常出现超温现象,1#甲醇合成塔最高温度达到303℃,2#甲醇合成塔最高温度达到299℃,合成系统曾经因床层温度超高联锁而切气停车。由于催化剂床层局部热点温度的上涨,制约了系统负荷的提升。两个合成塔床层热点温度分布见表1及表2。

表1 1#合成塔床层温度数据

表2 2#合成塔床层温度数据

说明:表中斜体数据为超温热点温度。每个合成塔沿轴向分布10层热偶(A～J点),见图2,由于合成塔底部的三层(H～J点)热偶温度正常稳定,在表中未列出其数值。

3 甲醇合成塔局部床层热点超温原因分析

3.1 催化剂装填的密度不一致,导致气体流速的差异,影响传热

该甲醇合成塔是管壳式结构,换热管内走水,管外装填催化剂。由于管间距较小,装填催化剂时作业人员只能站在中心管内,工作面较小。人不能触及的地方只有靠催化剂的位差自流装填,所以存在中心管附近的催化剂装填密度大,远离中心管区域的催化剂装填密度小的问题。合成塔上部换热管出口总管周围作业空间较大,人工作业半径增大,上部催化剂的装填密度大于轴向相同位置催化剂的装填密度。由于装填密度的差异,导致气体在不同区域催化剂内的流速不一样,合成塔上部内侧催化剂内气体流速会小于其他区域催化剂内气体的流速。因此,在同等放热情况下,流速小的区域内催化剂会出现超温现象。

合成塔内件及热偶位置示意见图2。

附图说明图2中的两幅图为两个合成塔共用。

图2(a)中A～J点为热偶沿塔轴向分布的测温点。

图2(b)中 T1～T4为热偶沿塔径向分布的测温点。

1#塔 T1 151TI104/105,T2 151TI106/ 107,T3 151TI108/109,T4 151TI110/111

2#塔 T1 151TI123/124,T2 151TI125/ 126,T3 151TI127/128,T4 151TI129/130

3.2 出口气体收集器的有孔区低于中心管的高度

图2 甲醇合成塔内件及热偶位置示意图

两个甲醇合成塔设计催化剂装填量为94.5 m3,实际装填量为 1#塔 96.5 m3,2#塔96.6 m3。从图2(a)中可以看出,催化剂还原沉降后床层最高平面高于设计的还原后平面。甲醇合成塔属于管壳式径向流反应器,反应后的气体通过塔内壁的气体收集器后汇集至出口总管。合成塔的出口收集器是多孔结构,上部至催化剂A层热点以上属于无孔结构。在A层催化剂以上还有一节中心管,管内的气体会沿径向进入A层以上的催化剂区进行反应。由于沿径向没有开孔收集器,气体要折流向下经过下部的催化剂后进入收集器再汇至出口管出塔。相对中下部径向直接流出塔外的气体而言,此处反应热带出的速度较慢,容易造成热量累积,会出现超温现象。

3.3 超温区属于绝热区的边缘

结合表1、表2及图2,可以看出两个合成塔床层超温部分主要集中在T1及T2区域的A、B段催化剂床层。这是因为 T1区域处在内部绝热层的外缘,绝热区内没有换热管,气体属于绝热反应,热量全部由反应气自身带出,所以会导致T1区域内A、B段各点床层温度偏高。由于T2区域处在列管区的外缘,加之绝热反应区 T1温升的影响,导致T2区域内A、B段各点床层温度较外围温度偏高。

3.4 工艺操作方面的因素

甲醇合成塔上部床层局部超温现象是无法避免的,但不合理的工艺操作会加剧床层超温的趋势。自从试开车以来,甲醇合成装置多次的开停车,系统在提升负荷的过程中,往往会由于气体组分不合适、导气速度过快等人为因素而使床层温度过快上涨,加剧了上部床层超温的速度,使生产受到制约。

4 局部热点超温对催化剂整体活性的影响

经过DAV Y公司技术人员计算,两个合成塔各区域内催化剂的装填量占催化剂总装填量的百分比大致为,T1区域为 16%,T2区域为35%,T3区域为50%,T4区域为87%。两个合成塔内超温部分催化剂分别占各塔催化剂总装填量的12%左右。

DAV Y公司技术人员通过CFD(Computational Fluid Dynamics,流体动力学计算模型)模型进行了模拟计算。以催化剂设计活性为100%计,运行中催化剂操作温度高于设计温度30℃时,催化剂活性为设计活性的65%;催化剂操作温度低于设计温度5℃时,催化剂活性为设计活性的105%。两个合成塔超温区域内的催化剂约占各塔装填总量的12%左右,则运行催化剂的实际活性为12%×65%+85%×105%= 96.7%,仅比设计活性低3.3%。

从表1和表2的数据可以看出,每个合成塔的催化剂床层轴向平均温度均在250～260℃之间,尤其是主反应区(T2～T3)内各热偶的轴向平均温度低于该区域内热偶的设计平均温度(270～280℃)。

从以上两个方面可以说明,合成塔催化剂上部床层局部热点超温对催化剂的整体活性不会造成大的影响。