徑向流甲醇合成反應(yīng)器中氣體分布器的探討

邱露

（中國(guó)成達(dá)工程有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

甲醇合成反應(yīng)器是甲醇合成生產(chǎn)的核心設(shè)備，魯奇（Lurgi）管殼型甲醇合成反應(yīng)器、單管逆流型甲醇合成反應(yīng)器、ICI 多段段間冷激型甲醇合成反應(yīng)器、托普索（Tops?e）徑向流動(dòng)甲醇合成反應(yīng)器代表四種典型的甲醇合成反應(yīng)器，在此基礎(chǔ)上又進(jìn)一步發(fā)展了三菱重工株式會(huì)社（MHI）和三菱瓦斯株式會(huì)社（MGC）共同開(kāi)發(fā)的三菱重工管殼-冷管復(fù)合型甲醇合成反應(yīng)器（SPC）、林德（Linde）型甲醇合成反應(yīng)器、華東理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的管外冷-絕熱復(fù)合型甲醇合成反應(yīng)器、三菱瓦斯多段段間冷激型甲醇合成反應(yīng)器、東洋工程公司（TEC）和三菱東芝株式會(huì)社（MTC）共同開(kāi)發(fā)的MRF 多段徑向流動(dòng)甲醇合成反應(yīng)器、瑞士卡薩爾公司的Casale軸徑向流動(dòng)甲醇合成反應(yīng)器以及莊信萬(wàn)豐戴維科技有限公司（JM Davy）的低壓降-徑向流蒸汽上升式甲醇合成反應(yīng)器［1］。

國(guó)內(nèi)早期以軸向流的小甲醇裝置為主，受運(yùn)輸限制以及壓降大的影響，軸向反應(yīng)器在放大方面上存在一定困難，單臺(tái)設(shè)備的產(chǎn)能增大到一定程度后難以繼續(xù)增加；但是徑向流反應(yīng)器可以通過(guò)增加設(shè)備軸向長(zhǎng)度來(lái)增大單臺(tái)設(shè)備的產(chǎn)能。因此，隨著甲醇裝置向百萬(wàn)噸級(jí)的大型化發(fā)展，近10 年來(lái)，以JM Davy為代表的徑向流反應(yīng)器在國(guó)內(nèi)取得了不少的業(yè)績(jī)。

1 徑向流反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)和原理

典型的徑向流甲醇反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。圖2 示出了徑向流反應(yīng)器中流體的兩種典型流動(dòng)方向［3］，即沿徑向向內(nèi)的向心流動(dòng)和沿徑向向外的離心流動(dòng)。如圖2（a）所示，對(duì)于托普索（Tops?e）氣體向心流動(dòng)的徑向流反應(yīng)器，氣體從一端封頭進(jìn)入并流向反應(yīng)器殼體內(nèi)壁的環(huán)隙，氣體分布器是設(shè)置在殼體內(nèi)壁與催化劑床層之間的氣體分布筒，反應(yīng)氣體經(jīng)氣體分布筒均勻分布后進(jìn)入催化劑床層，最后從中心管內(nèi)引出，中心管作為氣體收集器。如圖2（b）所示，對(duì)于MRF 以及JM Davy 氣體離心流動(dòng)的徑向流反應(yīng)器，氣體從一端或兩端進(jìn)入中心管，中心管作為氣體分布器，反應(yīng)氣體被中心管均勻分布后進(jìn)入催化劑床層，最后被氣體分布筒收集并排出，氣體分布筒作為氣體收集器。上述兩種流動(dòng)方式中，都是使鍋爐管穿過(guò)催化劑床層，管內(nèi)流動(dòng)的鍋爐水將反應(yīng)產(chǎn)生的熱量移出反應(yīng)器。

圖1 兩種典型的徑向流反應(yīng)器

圖2 流體的兩種典型流動(dòng)方向的徑向流反應(yīng)器

對(duì)于徑向流反應(yīng)器，氣體均勻進(jìn)入催化劑床層尤為重要，分布器氣孔堵塞、開(kāi)孔面積不夠等將直接導(dǎo)致反應(yīng)氣體在催化劑床層分布不均，進(jìn)一步導(dǎo)致床層超溫、壓降增大、產(chǎn)能下降等問(wèn)題，給裝置穩(wěn)定運(yùn)行、操作彈性調(diào)整以及后期的擴(kuò)能增產(chǎn)帶來(lái)不利影響［4-6］，在已運(yùn)行的裝置中，因氣體分布器設(shè)計(jì)不足、運(yùn)行后性能下降等原因所導(dǎo)致的問(wèn)題不斷發(fā)生。因此，提高氣體分布器的性能（如增大開(kāi)孔面積、提高氣體分布的均勻性、防止開(kāi)孔堵塞）、降低加工制造難度和成本、提高維修更換的便利性等是氣體分布器設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

筆者對(duì)前述兩種流向的徑向流甲醇合成反應(yīng)器中所使用的氣體分布器進(jìn)行探討，并擴(kuò)展至類似徑向流反應(yīng)器的氣體分布器，無(wú)論是徑向向心流動(dòng)還是徑向離心流動(dòng)，即無(wú)論是中心管作為氣體分布器還是氣體分布筒作為氣體分布器，其基本原理和設(shè)計(jì)要求一致，因此，該研究一并討論上述兩種流向的氣體分布。對(duì)國(guó)內(nèi)外公開(kāi)的文獻(xiàn)檢索后，找到了幾種典型的、應(yīng)用于徑向流反應(yīng)器的氣體分布器。

2 典型的徑向流氣體分布器

2.1 單層氣體分布器

對(duì)于單層氣體分布器，一種方式是將鋼板卷繞成筒狀，直接在筒體圓周上開(kāi)密集小圓孔，這種分布器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，但是由于開(kāi)孔直徑小、深度大，所以氣體分布器容易被催化劑或者雜質(zhì)堵塞，導(dǎo)致氣體分布不均、壓降增大、設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后開(kāi)孔面積不能滿足工藝要求、操作彈性變小等問(wèn)題，并且由于開(kāi)孔小、數(shù)量多，導(dǎo)致加工效率低，檢修維護(hù)時(shí)清理氣孔中雜質(zhì)的工作量也很大。另一種方式是使用細(xì)長(zhǎng)的格柵條做成筒狀的格柵式氣體分布器，格柵條通過(guò)環(huán)形的安裝件連成一體，相比于筒體上開(kāi)孔型的氣體分布器，格柵加工更容易并且能更好地防止氣孔堵塞，且后期維護(hù)維修更換也簡(jiǎn)單。還有一種方式是通過(guò)篩網(wǎng)做成氣體分布器，但是篩網(wǎng)的強(qiáng)度較弱且易被腐蝕［7-8］。

在前述基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，為了改善氣體分布效果，也有研究者將氣體分布器做成如圖3（a）所示［8］的錐形格柵式的氣體分布器，改善氣體在軸向筒體內(nèi)分布的均勻性，從而提高流經(jīng)催化劑床層的徑向流的均勻性，或者如圖3（b）所示［2］，多節(jié)氣體分布筒體采用承插結(jié)構(gòu)連接，在氣體分布器內(nèi)側(cè)設(shè)置利于氣體分布的螺旋狀的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，氣體在分布器內(nèi)側(cè)流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生螺旋切向力，從而減少雜質(zhì)在氣孔處的積累。

圖3 兩種典型的氣體分布器

2.2 雙層氣體分布器

雙層分布器的特點(diǎn)是將氣體分布器做成雙層結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)離催化劑的一層厚度較厚、開(kāi)孔尺寸大且稀疏、開(kāi)孔數(shù)量少，從而提供必要的強(qiáng)度支撐，通常是在鋼板制成的筒體上開(kāi)孔，這一層的筒體厚度雖然較厚，但由于開(kāi)孔尺寸大且數(shù)量少，所以加工相對(duì)容易；而靠近催化劑的一側(cè)則是相反的設(shè)計(jì)，通過(guò)筒體開(kāi)孔、格柵、鋼絲網(wǎng)等形成細(xì)密的小孔，有利于氣體均勻分布，同時(shí)也能對(duì)催化劑等固體顆粒進(jìn)行支撐和阻擋，這一層筒體上開(kāi)孔數(shù)量雖然多，但由于筒體厚度薄，所以加工也相對(duì)容易［9］。

如圖4（a）所示［10］的典型的雙層氣體分布器，內(nèi)筒和外筒均是筒狀結(jié)構(gòu)，在內(nèi)外筒之間焊襯不銹鋼短條進(jìn)行連接，內(nèi)筒上密沖3～5 mm 的內(nèi)層小孔，外筒上密沖2～3 mm 的外層小孔，氣體由內(nèi)至外流動(dòng)并進(jìn)入催化劑床層。另外，也有研究者提出了另一種雙層結(jié)構(gòu)，如圖4（b）所示［11］，在圓柱形內(nèi)筒上開(kāi)孔，內(nèi)筒的外側(cè)通過(guò)連接件連接篩網(wǎng)形成雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒的厚度較厚可以提供支撐，篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)能降低制造成本和難度，但這種結(jié)構(gòu)存在篩網(wǎng)強(qiáng)度不夠、易被腐蝕的缺點(diǎn)。

圖4 典型的雙層氣體分布器

如圖5（a）和圖5（b）所示［12］的雙層氣體分布器，為了降低制造難度并提高加工效率，在內(nèi)筒上沖壓鼓泡以限定內(nèi)筒與外筒的間距，同時(shí)在內(nèi)筒上設(shè)有分布小孔，在外筒上開(kāi)設(shè)有細(xì)長(zhǎng)的槽孔，內(nèi)筒上分布小孔的直徑為1～15 mm，外筒上槽孔長(zhǎng)度為20～200 mm；在制造時(shí)做成多個(gè)筒節(jié)，筒節(jié)之間通過(guò)支撐環(huán)焊接連接。如圖5（c）所示［13］的雙層氣體分布器，內(nèi)筒為凹凸板，凸出的部分靠近催化劑并安裝篩網(wǎng)，凹陷的地方形成氣流通道，這種結(jié)構(gòu)的分布器制造容易，但由于凸起部分不便于設(shè)置氣孔，因此開(kāi)孔率受到凸起尺寸和數(shù)量的限制。

圖5 改進(jìn)的雙層氣體分布器

為了改善氣體分布、降低加工難度并提高加工效率，如圖6 所示［14］的雙層氣體分布器是莊信萬(wàn)豐戴維科技有限公司（JM Davy）近期在中國(guó)獲得授權(quán)的一項(xiàng)專利技術(shù)，通過(guò)多個(gè)具有開(kāi)孔的C 形支撐件形成內(nèi)筒，使用細(xì)長(zhǎng)的V 形絲線做成外筒，從而形成密集的細(xì)長(zhǎng)孔，C 形支撐件的兩端法蘭一方面對(duì)V 形絲線提供支撐，另一方面形成多個(gè)獨(dú)立的環(huán)形氣體通道，有利于氣體的均勻分布；V 形絲線的最大寬度可達(dá)1～5 mm，其尖端指向C 形支撐件，從而阻止催化劑或吸附劑顆粒將絲網(wǎng)堵塞或者進(jìn)入環(huán)形氣體通道。此外，將氣體分布器做成多個(gè)便于安裝和拆卸的筒節(jié)單元，通過(guò)筒節(jié)兩端的法蘭、承插結(jié)構(gòu)等進(jìn)行安裝，便于安裝和檢修更換。該技術(shù)已經(jīng)通過(guò)PCT 途徑進(jìn)入多個(gè)國(guó)家和地區(qū)申請(qǐng)專利，有望用于該公司的徑向流設(shè)備。

圖6 進(jìn)一步改進(jìn)的雙層氣體分布器

2.3 三層以上的多層氣體分布器

為了更好地分布?xì)怏w以及提供更好的支撐，不少研究者提出三層以上的氣體分布器。如圖7（a）所示［15］的氣體分布器，由左至右依次是篩網(wǎng)、透氣板和筒體，篩網(wǎng)由網(wǎng)狀材料制成并靠近催化劑一側(cè)，透氣板上有透氣孔，筒體上有喇叭狀的開(kāi)孔，向著遠(yuǎn)離催化劑的方向，開(kāi)孔越來(lái)越少、越大、越稀疏。如圖7（b）所示［16］的氣體分布器，內(nèi)筒由板狀材料制成，在內(nèi)筒上開(kāi)有多個(gè)氣孔，外部為格柵結(jié)構(gòu)并且在格柵的內(nèi)側(cè)內(nèi)襯金屬網(wǎng)；另外，該氣體分布器也是制成多個(gè)筒節(jié)后通過(guò)連接件可拆卸連接。通過(guò)設(shè)置多層結(jié)構(gòu)，不同層賦予不同功能，以此平衡支撐強(qiáng)度、氣體分布均勻性、催化劑阻擋性等需求，從而提高氣體分布器的綜合性能。

圖7 多層氣體分布器

2.4 其他徑向流氣體分布器

以上討論的徑向流氣體分布器主要應(yīng)用于甲醇合成反應(yīng)器中，眾所周知，在合成氨、脫氫反應(yīng)中也經(jīng)常用到徑向流反應(yīng)器，這些反應(yīng)器在氣體分布器的選擇和應(yīng)用上可以相互借鑒和轉(zhuǎn)用。如圖8所示的應(yīng)用于脫氫反應(yīng)器的氣體分布器［17］，其整體是具有開(kāi)孔的單層筒體結(jié)構(gòu)，在筒體上開(kāi)設(shè)有孔槽，筒體的內(nèi)壁設(shè)置有加強(qiáng)件，筒體的外壁設(shè)置有引導(dǎo)氣流向下流動(dòng)的截頭圓錐。通過(guò)設(shè)置截頭圓錐，一方面防止流體從筒體開(kāi)孔噴至催化劑床層，避免對(duì)催化劑造成沖擊；另一方面能很好地防止催化劑顆粒堵塞筒體上的孔槽。

圖8 脫氫反應(yīng)器中氣體分布器的透視圖和截面圖

3 結(jié)語(yǔ)

該研究對(duì)徑向流甲醇合成反應(yīng)器中幾種典型的氣體分布器進(jìn)行總結(jié)和分析，并擴(kuò)展至類似的徑向流氣體分布器，當(dāng)前甲醇裝置的大型化發(fā)展對(duì)氣體分布器提出了更高的要求，需要保證氣體在軸向和徑向上分布更均勻、氣體透過(guò)性更強(qiáng)、不易堵塞、操作彈性更大、制造安裝以及檢修更換更方便等，早期使用的單層開(kāi)孔結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的使用需求，而包括格柵的多層結(jié)構(gòu)是當(dāng)前研究和應(yīng)用的重點(diǎn)，同時(shí)為方便制造、安裝和拆卸，可拆卸的多段式氣體分布器以及多段之間的連接結(jié)構(gòu)也是當(dāng)前研究和應(yīng)用的重點(diǎn)。