論煤制甲醇合成設(shè)備的工藝設(shè)計

蘇躍生

摘 要：在煤化工工業(yè)生產(chǎn)中，化工材料中甲醇占據(jù)著重要的生產(chǎn)地位，同時甲醇工藝也在不斷發(fā)展和進(jìn)步，其中甲醇合成設(shè)備的出現(xiàn)，使其生產(chǎn)水平大幅度提升，便同時合成設(shè)備的工藝設(shè)計問題也成為得到廣泛關(guān)注。合成設(shè)備的設(shè)計合理性能夠使設(shè)計甲醇合成效率有效提高，使甲醇工藝進(jìn)步得到有效促進(jìn)。因此需要合成設(shè)備的工藝設(shè)計加強(qiáng)研究。本文就甲醇合成工藝以及合成塔的工藝設(shè)計進(jìn)行分析和探討。

關(guān)鍵詞：煤制甲醇;合成塔;合成工藝設(shè)計

一、煤制甲醇合成工藝分析

在煤制甲醇合成工藝中包括了高壓、中壓、低壓三種，其中低壓合成工藝具有設(shè)備簡單、產(chǎn)品質(zhì)量較高，并且設(shè)備簡單的優(yōu)勢，其合成時主要催化劑為活性銅鋅基，溫度和合成壓力保持在約250-280℃及10MPa，此工藝是現(xiàn)現(xiàn)階段煤制甲醇的重要生產(chǎn)工藝;高壓合成法主要催化劑為活性較低的鋅鉻，合成溫度和壓力分別為350-400℃和30MPa，此工藝成本較高、工藝復(fù)雜、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性較差，目前較少采用;煤制甲醇中包含了一氧化碳、氫氣，對其進(jìn)行凈化處理后，將含硫量、氫碳比進(jìn)行有效控制，合格的合成氣應(yīng)將上述指標(biāo)控制在 0.1ppm 以下及 2.05-2.15之間。首先對入塔氣利用合成設(shè)備等進(jìn)行預(yù)熱，形成高溫甲醇?xì)怏w，并將合成氣溫度上升至 225℃后，再將合成氣由塔頂輸送到合成塔內(nèi)進(jìn)行合成反應(yīng)。合成塔根據(jù)甲醇合成狀態(tài)，主要高效、新型的徑向控制反應(yīng)器，即束管式水床反應(yīng)器進(jìn)行處理，此反應(yīng)器通過上下各四塊的小管板，對以往的大管板進(jìn)行有效替代，能夠使大型化問題得以有效解決;同時將特制彎管作為換熱管，能夠使膨脹問題得以解決[1]。另外在換熱管間進(jìn)行催化劑的填充;在進(jìn)行甲醇合成時，為了確保兩個反應(yīng)的穩(wěn)定性，利用換熱管內(nèi)脫鹽水對反應(yīng)熱進(jìn)行冷卻;通過合成塔產(chǎn)生低溫進(jìn)塔合成氣以及高溫氣相產(chǎn)物，甲醇蒸汽在合成氣預(yù)熱器逆流換熱區(qū)，隨著溫度下降，其被冷凝為液體，當(dāng)冷卻溫度低于 45℃后，可對甲醇進(jìn)行分離。

二、煤制甲醇工藝中甲醇合成塔工藝設(shè)計

（一）甲醇合成塔工藝

甲醇生產(chǎn)的核心合成設(shè)備即為合成塔，在合成塔工藝設(shè)計中需要對其結(jié)構(gòu)和材料加強(qiáng)控制。傳統(tǒng)合成塔的上下反應(yīng)管通過焊接以及固定方式將其固定在合成塔殼體上，此焊接方式會使管板連接口與反應(yīng)管之間產(chǎn)生溫差，極容易導(dǎo)致反應(yīng)管破裂而造成氣體泄露，引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。因此在甲醇合成塔工藝設(shè)計中，需要對相關(guān)數(shù)據(jù)加強(qiáng)把控，使其性能增強(qiáng)，并確保甲醇合成塔的安全性和正常使用年限。

（二）材料設(shè)計

在合成設(shè)備工藝設(shè)計強(qiáng)化過程中，需要根據(jù)甲醇合成塔工藝狀態(tài)、運(yùn)行介質(zhì)材料成本投入、焊接性等，對球性封頭、管程筒體、法蘭鍛件、殼程筒體、上下管板、反應(yīng)管、補(bǔ)強(qiáng)管鍛件等進(jìn)行合理選擇。

（三）合成塔結(jié)構(gòu)的設(shè)計

在進(jìn)行甲醇合成塔設(shè)計及運(yùn)行過程中，需要在操作反應(yīng)前，將催化劑顆粒在各根換熱管間進(jìn)行裝填。如果出現(xiàn)管頭泄漏的情況，會使催化劑中毒，同時需要對管頭焊接質(zhì)量加強(qiáng)控制，可對強(qiáng)度焊加柔性貼脹進(jìn)行首先選擇[2]。

對管箱進(jìn)行入孔設(shè)計，使管頭檢修更便捷。在外殼底封頭處進(jìn)行催化劑自卸孔設(shè)置，可以在內(nèi)件無需吊出的情況下，外殼筒體無需與上封頭之間采用法蘭連接，使大法蘭加工制造困難的問題得以解決，同時成本節(jié)約。

在中心筒設(shè)計中采用吊出結(jié)構(gòu)，因合成過程會產(chǎn)生一定的蠟，如中心筒孔被其堵住，中心筒無法吊出，則難以將蠟及時清除，因此需要采用可吊出的中心筒設(shè)計，有利于對其進(jìn)行清理和檢修。

（四）合成塔底座設(shè)計

由于大型合成塔受到運(yùn)輸?shù)纫蛩氐挠绊懀虼嗽谶M(jìn)行鞍座設(shè)計時，需要避免其出現(xiàn)超寬等風(fēng)險，可采用可拆卸式支座或裙座，將其分開進(jìn)行運(yùn)輸，再在現(xiàn)場得用螺栓對合成塔及可拆支座進(jìn)行連接[3]。

（五）換熱管結(jié)構(gòu)設(shè)計

因采用小管板結(jié)構(gòu)，要求換熱管均勻布設(shè)催化劑，需要采用彎管結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)設(shè)計要求對每根換熱管進(jìn)行彎制，確保其成型后進(jìn)行穿管，要求其符合設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并能夠使膨脹問題有效解決。同時設(shè)計核心問題主要為：換熱管和管板焊接接頭強(qiáng)度以及密封性。在密封性良好、有振動、有間隙腐蝕的場合，可采用高強(qiáng)度焊加貼脹，能夠使管板和換熱管的拉脫強(qiáng)度、密封性得以有效滿足，此連接方式能夠符合溫度和密封性要求的同時，還能免避免設(shè)備振動以及間隙腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。另外為了確保焊接與密封效果，在進(jìn)行換熱管和管板焊接時，可采用氬弧焊方式;對液壓脹管進(jìn)行選擇，能夠避免管內(nèi)壁出現(xiàn)冷作裂紋，并將貼脹量控制在 6% 以下[4]。

三、甲醇合成塔結(jié)構(gòu)分析

入塔氣主要通過透平壓縮機(jī)，使氣體壓力達(dá)到 8.2MPa ，再將其與循環(huán)氣進(jìn)行混合而成，再利用出塔器對其進(jìn)行換熱，溫度提高至 220℃;將入塔氣由頂端入口送入合成塔，在換熱管間裝填一定粒徑的催化劑，氣體受催化劑的影響，促進(jìn)二氧化碳、一氧化碳與氫氣進(jìn)行反應(yīng)而形成甲醇。合成塔結(jié)構(gòu)主要包括了換熱管、外側(cè)向噴射板、封頭、由上下 4 塊小管板組成的內(nèi)件、管箱、中心筒等。通過小管板結(jié)構(gòu)的運(yùn)用，能夠使合成塔大型化問題得以解決，同時每個小管板管箱上進(jìn)行入孔設(shè)置，有利于檢修工作的形展。另外合成塔內(nèi)件采用徑向向心流，能夠使床層阻力有效降低。

四、 結(jié)束語

目前甲醇制作的核心合成設(shè)備為甲醇合成塔，也是甲醇合成工藝中的重要環(huán)節(jié)。甲醇合成塔主要為甲醇制作的重要合成裝置，在合成過程中對甲醇合成反應(yīng)釋放的巨大熱量進(jìn)行利用和高效轉(zhuǎn)移，在實際運(yùn)行過程中，能夠取得顯著的效果，實現(xiàn)高硫煤的充分利用、資源節(jié)約等目的， 從而使煤炭行業(yè)發(fā)展得到有效促進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓學(xué)琴. 煤制甲醇工藝中甲醇合成塔的設(shè)計研究[J]. 山西化工， 2018， 038（001）：104-106.

[2]陳兆. 煤制甲醇工藝中甲醇合成塔的設(shè)計[J]. 百科論壇電子雜志， 2018， 000（017）：253.

[3]趙明霞， 張萌萌， 李娜. 煤制甲醇生產(chǎn)工藝的優(yōu)化與設(shè)計[J]. 中國化工貿(mào)易， 2018， 010（017）：20.

[4]孫巍， 杜美利. 淺析煤制甲醇工藝技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 中國化工貿(mào)易， 2019， 11（22）.