卧式甲醇合成反应器气体分布冷模试验

胡亮华，刘 维，杨 遥，黄正梁，冯再南，姚泽龙，任筱娴

（1．杭州林达化工技术工程有限公司，浙江杭州 310012；2．浙江大学化学工程与生物工程学系，浙江杭州 310027）

卧式甲醇合成反应器气体分布冷模试验

胡亮华1，刘 维1，杨 遥2，黄正梁2，冯再南1，姚泽龙1，任筱娴1

（1．杭州林达化工技术工程有限公司，浙江杭州 310012；2．浙江大学化学工程与生物工程学系，浙江杭州 310027）

建立一套卧式甲醇合成反应器气体分布冷模试验装置，通过测定反应器内压力分布和气速分布来研究气体分布的均匀性，试验采用上方进气和侧面进气方式。研究结果表明，卧式甲醇合成反应器内气体均布性良好，而上方进气方式能使反应器内部气体分布更均匀。

卧式甲醇合成反应器；冷模试验；气体分布；均匀性

针对国内卧式甲醇合成反应器尚未大型化、规模化的现状，杭州林达化工技术工程有限公司经多年努力，开发了能适用于大型化、低循环比工况，并具备强移热能力的卧式甲醇合成反应器技术［1，2］，该技术已经成功运用在180 kt／a年甲醇合成工业化装置中［3］。2007年宁夏宝塔石化集团有限公司承担了“单台日合成2 000吨甲醇卧式合成塔研究开发与示范”——国家科技支撑计划课题，在此背景下，宁夏宝塔集团与杭州林达公司进行合作，在杭州林达公司已有卧式反应器的基础上，对大型卧式甲醇合成反应器结构及工艺进行研究。该课题已于2012年10月通过了国家科技部的鉴定及验收［4］。

卧式甲醇合成反应器结构复杂，反应器内气体沿轴向及径向分布均匀是保证其性能的关键因素，合理的气体流道设计和适宜地控制压降是保证气体分布均匀的重要手段［5，6］。本项目依据杭州林达公司已有的180 kt／a甲醇合成卧式反应器技术参数来设计冷模试验，对卧式反应器内气体分布的均匀性进行深入研究，试验由杭州林达公司和浙江大学联合化学反应工程研究所共同完成。通过研究卧式反应器内流场分布和气体流动规律，进一步探索提高气体分布均匀性的方法，期望为卧式甲醇合成反应器的大型化提供理论支撑及设计依据。

1 冷模试验装置及方法

1.1 冷模试验装置简介

冷模试验装置如图1所示，由风机、缓冲罐、阀门、流量计、卧式反应器、水槽、水泵、传感器、信号转换器和计算机等组成。卧式反应器由直径1 m、长4 m的圆柱形筒体，两个直径1 m的半球形封头，换热管、隔板、气体分布板、支撑板等组成。试验遵循可视化的原则，反应器主体用透明的有机玻璃制成，筒体、封头、换热管、隔板材质均为有机玻璃，气体分布板和支撑板为不锈钢孔板。气体分布板和支撑板的孔径均为3 mm，正方形排列，孔间距分别为30mm和25mm。

图1 卧式反应器冷模试验装置示意图

反应器上36个取样口分布在上、中和下三个平面上，如图2所示。上平面、中平面和下平面在同一侧分别轴向均布12个取样口；从远离进气口端到靠近进气口端依次编号为1～12；两端两个取样口距筒体边缘的距离为240 mm，相邻两个取样口的间距320 mm。

图2 取样口分布示意图（主视图）

三个平面中，每个取样口沿径向各有五个测点，其分布如图3所示。在上平面和下平面上，第一个测点伸入深度为180 mm；在中平面上，第一个测点伸入深度为100 mm；各平面上后四个测点的伸入深度以100 mm依次递增。

1.2 试验条件及方法

试验在室温下进行，以空气模拟反应气体，使用外形尺寸与工业甲醇催化剂相近的填料模拟催化剂。该填料由湖州双林四星光整机械材料厂制造，形状为直切面圆柱体，规格为φ5×5 mm，堆积密度约为1．32 g／ml。风机选用罗茨鼓风机，风量≤45 m3／min，升压≤90 kPa；带水冷系统。流量计选用玻璃转子流量计，量程分别为600 m3／h和1000 m3／h。

图3 各取样口径向测点分布示意图（侧视图）

试验过程中，空气经风机压缩升压后进入缓冲罐，由阀门调节流量和流量计计量后进入卧式反应器，再经气体分布板、催化剂床层、多孔支撑板后，从卧式反应器右下侧的气体出口排出。试验风量为1700m3／h，试验装置中填料床层的最大截面积为4 m2，最小表观气速约为0．118 m／s。试验采用两种进气方式，分别为上方进气和侧面进气。上方进气，从筒体顶部四个进气口进气，四个进气口的风量相同；侧面进气，从右侧封头处的一个进气口进气。试验中，使用U形管压差计分别测量上平面、中平面、下平面的压力分布；使用热线风速仪（TSI9515）测量气速，其量程为0～20 m／s，精度为±0．025 m／s，分辨率为0．01 m／s。用热线风速仪测量中平面的气速分布，与压力分布测量所使用的位置相同。

2 试验结果与分析

试验考察了上方进气和侧面进气这两种进气方式对气体分布均匀性的影响，通过测定上平面、中平面和下平面上的压力分布和气速分布来判断反应器内气体分布的均匀性。

2.1 压力分布

图4为上方进气时上平面、中平面和下平面的压力分布。图中，取筒体远离出气口一侧的端面作为x轴的零点，筒体外壁面作为y轴的零点，压力作为Z轴（下同）。

由图4可以看出，在三个平面上，轴向压力分布（x轴）均呈现从左到右（排气口在右侧）逐渐降低的趋势；同一取样点的径向压力分布（y轴）较为均匀；同一水平位置的压力（z轴）随着高度的降低逐渐变小。由于卧式反应器的气体出口设置在右侧封头的下部，使得卧式反应器内的气体流动方向为从上往下和从左往右（整体上），这必然导致左侧和上方的压力较高。

图5 侧面进气时三个平面上的压力分布图

由图5可以看出，侧面进气时三个平面上的压力变化规律与上方进气时变化规律一致。

对36个取样点测出的所有压力数据，用极差来表征压力的变化范围。极差定义为压力数据中最大值和最小值之间的差值。两种进气方式下三个平面上压力的最大值、最小值和极差如表1所示。

表1 两种进气方式下三个平面上压力分布统计Pa

由表1可知，在两种进气方式下，中平面上压力的极差均小于上平面和下平面上压力的极差，表明中平面上的压力分布更为均匀。上平面和下平面分别受到右侧进气口和排气口的影响，导致压力波动更大；而经过催化剂床层对气体的再分布，中平面受到的影响相对较小，因此中平面上的压力分布相对均匀。对比两种进气方式压力的极差，侧面进气时三个平面上压力的极差显著增大。这可能是由于侧面进气时，右侧进气和右侧出气两种效应的叠加，使得反应器内左侧的压力更高，整个反应器内压力分布均匀性变差。

取三个平面上同一取样口5个径向位置压力，以其平均相对偏差对径向压力分布进行评价。两种进气方式下，径向压力的平均相对偏差沿轴向的分布如图6所示。上方进气时，上平面、中平面和下平面上径向压力平均相对偏差的最大值分别为0．63%、0．68%和0．35%；侧面进气时，上平面、中平面和下平面上径向压力平均相对偏差的最大值分别为1．19%、0．81%和0．33%。总体而言，两种进气方式下三个平面上径向压力的平均相对偏差都小于1．20%，表明气体分布较为均匀。与侧面进气相比，上方进气时上平面和中平面的径向压力分布更为均匀。

图6 径向压力平均相对偏差沿轴向的分布曲线

2.2 气速分布

试验测定了两种进气方式下中平面的气速，气速分布如图7所示。中平面上的气速在平均值上下小幅波动，整个平面上的气速分布都较为均匀；与上方进气相比，侧面进气时的波动略大。

图7 两种进气方式下中平面上的气速分布图

由表2可以看出，上方进气时中平面上气速的波动范围为0．35～1．15 m／s，侧面进气时中平面上气速的波动范围为0．39～1．14 m／s，上方进气时波动范围略大；上方进气时平均气速为0．78 m／s，侧面进气时平均气速0．72 m／s，上方进气时平均气速略大；上方进气时气速的平均相对偏差和方差分别为0．153和0．021，侧面进气时气速的平均相对偏差和方差分别为0．188和0．031，气速的平均相对偏差和方差均反映了中平面上气速分布的均匀性。实验结果表明，与侧面进气相比，上方进气时中平面上的气速分布更加均匀。

表2 两种进气方式下中平面上气速分布统计

3 结 论

通过测定反应器上、中、下三个平面上的压力分布和气速分布，验证了卧式甲醇合成反应器内良好的气体分布。采用上方进气的方式，反应器内气体分布更均匀。

在填料床层上方放置有均布开孔的气体分布板，这对气体流向及控制床层压降有很大的调节作用。后续的研究中可以考虑采用非均布开孔的分布板，孔径和孔间距根据气速来调整，即高气速区域减小孔径，增大孔间距，从而增加流动阻力，限制气体通过；而在低气速区域增大孔径，减小孔间距，使流动阻力减小，利于气体通过。通过优化气体分布板的结构，以期反应器内气体更加均布。

［1］楼韧，冯再南，粟杨，等．卧式水冷反应器技术开发及其在现代煤化工领域应用分析［J］．煤化工，2011，39（2）：9～12．

［2］杭州林达化工技术工程有限公司．横向管式换热反应设备：CN200420116978．6［P］．2006-12-13．

［3］楼韧，冯再南，姚泽龙，等．林达大型卧式水冷甲醇合成塔开发应用及前景展望［J］．天然气化工，2008，33（6）：43～46．

［4］大型煤基甲醇生产装备及技术研究开发项目通过验收［EB／OL］．http：／／www．nxmy．com／snyw／15265．htm．2012-10-15．

［5］李瑞江，陈春燕，吴永强，等．大型径向流反应器中流体均布参数的研究［J］．化学工程，2009，38（10）：28～31．

［6］张成芳，朱子杉，徐懋生，等．径向反应器流体均布设计的研究［J］．化工学报，1979，28（1）：67～90．

Gas Distribution Cold-Flow Model Experiment in Horizontal Methanol Synthesis Reactor

HU Liang-hua1,LIU Wei1,YANG Yao2,HUANG Zheng-liang2, FENG Zai-nan1,YAO Ze-long1,REN Xiao-xian1
（1．Hangzhou Linda Chemical Technology Engineering Ltd．，Hangzhou Zhejiang 310012，China；2．Joint Institute for Chemical Reaction Engineering of Zhejiang University，Hangzhou Zhejiang 310027，China）

Construct a set of gas distribution cold-flow model experiment unit for the horizontal methanol synthesis reactor，to study the gas distribution uniformity by measuring the pressure distribution and gas velocity distribution in the reactor．Both ways of air inlet are used，which are top inlet and side inlet in the experiment．The results show that gas distribution uniformity is good in horizontal methanol synthesis reactor，and the gas top inlet way could make gas distribution more evenly within the reactor．

horizontal methanol synthesis reactor；cold-flow model experiment；gas distribution；uniformity

TQ223．12＋1

A

1003-6490（2014）01-0075-04

2013-05-29

胡亮华（1986－），男，江西新余人，助理工程师，主要从事煤化工工艺设计及技术开发工作。