2000t／d甲醇装置工艺系统运行优化

2015-05-25毛司理

氮肥与合成气 2015年6期

关键词：合成塔消耗甲醇

陈岩毛司理胡明

（中海石油化学股份有限公司海南东方572600）

2000t／d甲醇装置工艺系统运行优化

陈岩毛司理胡明

（中海石油化学股份有限公司海南东方572600）

中海石油建滔化工有限公司（以下简称建滔公司）2000t／d甲醇装置采用德国鲁奇公司甲醇工艺技术，以高CO2含量和高N2含量的天然气为原料，经过蒸汽一段转化制得适合生产甲醇的合成气，再经压缩、鲁奇水冷式甲醇合成塔反应、精馏等工序产出优等品标准的精甲醇。该天然气制甲醇装置于2006年9月投产，随着操作人员对该工艺掌握程度的提高，同时根据生产工况的不断变化，对工艺操作指标进行了一系列调整，并对操作规程进行多次优化，在工艺指标调节及操作细化上逐渐形成了特有的思路，达到甲醇稳定生产、增产降耗的目的。针对天然气制甲醇工艺特点，从核心转化和合成2个重要工序入手，重点阐述操作工艺指标的优化。

1 水碳比的优化

天然气（甲烷）蒸汽转化反应过程很复杂，但主要为蒸汽转化反应和一氧化碳的变换反应：

在一定的条件下，天然气（甲烷）蒸汽转化过程中可能发生析碳反应：

对于甲烷的同系物，例如乙烷、丙烷、丁烷等，与蒸汽的转化反应可在较低温度下进行，反应通式如下：

水碳比是指加入转化炉的水蒸气分子数与加入的烃的碳原子数之比。建滔公司的甲醇装置水碳比设计值为2.55，在正常生产中，提高水碳比有利于甲烷转化，而且对抑制析碳也是有利的；但水碳比的提高，意味着蒸汽消耗增加，多余的水蒸气同样也要在炉管中升温，致使能耗增加，炉管热负荷提高。因此，在满足工艺要求的前提下，应尽可能降低水碳比。在系统负荷为100%、组分及转化炉出口温度等参数大致不变情况下，不同水碳比精甲醇产量及消耗对比见表1。

表1 不同水碳比精甲醇产量及消耗对比

由表1可知：在设计指标范围内，降低水碳比对提高甲醇产量有积极作用；特别是水碳比降低时，吨甲醇天然气消耗也随之降低。在日常操作中，根据炉管温度、催化剂的运行情况，水碳比应控制在2.60～3.00。

2 转化炉出口温度的优化

该甲醇装置的转化炉是鲁奇公司设计的顶烧转化炉。与侧烧转化炉相比较，提高了效率，降低了最高管壁温度，因而延长了设备使用寿命。在催化剂管顶部安装了内部隔热衬里，管顶部法兰和法兰螺栓均保持冷态，避免了频繁重新紧固。完全免维修的秤锤管子支撑系统可使催化剂管从炉子出口总管向上膨胀，直接与出口总管管口焊接的直柔性连接代替了传统的出口猪尾管。出口总管的尺寸大小和耐热镍铬铁合金衬里的应用便于进入出口总管进行检查。顶烧式转化炉有8排528根转化管和9排180只烧嘴；炉膛压力为－40Pa；转化管的设计压力为2.6MPa；设计温度为960℃，最大允许操作温度为950℃。在系统负荷为100%，组分和水碳比等参数大致不变情况下，不同转化炉出口温度精甲醇产量及消耗对比见表2。

表2 不同转化炉出口温度精甲醇产量及消耗对比

由表2可知：当转化炉出口温度变化时，对精甲醇产量和吨甲醇天然气消耗都影响较大。转化炉出口温度较低时，精甲醇产量也相对较低，同时吨甲醇天然气消耗较高；而转化炉出口温度较高时，精甲醇产量提升幅度明显，而吨甲醇天然气消耗在下降到一定程度后趋于平稳。因此，在实际生产过程中，在不高于转化管壁温设计压力及设计温度下，可适当提高转化炉出口温度。

3 合成塔出口温度的优化

甲醇合成反应是在催化剂的作用下，气体中的一氧化碳、二氧化碳与氢气反应生成甲醇。该反应是一个强烈的放热反应，操作温度是合成甲醇反应中最灵敏的影响因素，合理选择操作温度对合成反应提高产量至关重要。该装置合成塔为鲁奇专有的水冷列管式合成塔，通过控制合成汽包压力，准确、灵敏地控制合成塔反应温度，有效抑制了副反应，避免石蜡及羰基化合物的形成，操作控制容易；可回收高位热能，每生产1t甲醇能够产生4.0MPa中压蒸汽1.0～1.4t；结构紧凑，开工方便，压降小。

为了确保催化剂的正常使用寿命，在催化剂的早、中期应维持较低的合成塔出口温度，随着使用时间的推延，根据各工艺参数、产量、吨甲醇天然气消耗的变化，应逐步提高催化剂的床层反应温度。合成塔出口温度可通过合成汽包的压力来控制，而进口温度却几乎没有调节和控制手段，提高合成塔出口温度对提高产量、降低吨甲醇天然气消耗有积极作用。在负荷100%情况下，不同合成塔出口温度精甲醇产量及消耗对比见表3。

表3 不同合成塔出口温度精甲醇产量及消耗对比

在甲醇合成反应过程中，温度对于反应混合物的平衡温度和速率的影响非常重要。对于化学反应来说，温度升高会使分子的运动加快，分子间的有效碰撞增加，使分子克服化合时阻力的能力增强，从而增加分子的有效结合机会，使反应速度加快，但一氧化碳、二氧化碳与氢气合成甲醇的反应均为可逆的放热反应，升高温度可使反应速率常数增大，但平衡常数会下降。因此，选择合适的操作温度对甲醇合成至关重要。为了防止催化剂老化，在使用初期，操作温度宜维持在较低的数值；随着使用时间的推延，逐步提高反应温度。由表3可知，在系统稳定和确保催化剂正常运行的条件下，提高合成塔出口温度，可提高甲醇产量，并降低能耗。