林达均温大型低压甲醇合成塔及数学模型在内蒙天野200 kt/a装置上的应用
作者/来源:楼韧1，韩秋2，张志功2，崔志杰1（1.杭州林达化工技术工程有限公司；2. 内蒙天野化工集团 ） 日期:2007-02-28 点击量:2318
20世纪90年代，内蒙古天野化工集团在以减压渣油为原料的大型合成氨装置中引进代表国际技术水平的Shell气化工艺流程，形成年产300 kt合成氨及年产成品颗粒尿素520 kt的生产规模。由于近几年原油价格持续上涨，天野集团将氨合成原料由油改为天然气，同时联产200kt/a甲醇，项目由五环科技股份公司设计。在甲醇合成技术选择上，公司通过对国内外现有几种技术的考察比较和分析，最终选定杭州林达公司这一具有国内自主知识产权、且性价比高的均温型低压甲醇合成技术。
1 甲醇合成流程
转化气与甲醇循环气经联合压缩机提压至7.9MPa，经入塔气预热器提温至140℃左右，进入甲醇合成塔冷管内，与管外反应气进一步换热升温至240℃，然后出冷管进入管外催化床层反应，出合成塔气体温度约250℃，进入废热锅炉副产蒸汽后，经入塔气预热器管程加热入塔气并使自身进一步降温，然后依次进入脱盐水预热器、甲醇水冷器，使反应气温度降至40℃，进入甲醇分离器。分离后的粗甲醇经闪蒸槽减压闪蒸后送甲醇精馏工段，分离后的气体大部分经循环机提压后重新进入甲醇合成塔反应，一小部分作为弛放气去氢回收。流程示意见图1。
图1 低压甲醇合成流程示意图
2 甲醇合成主要设备
表1 甲醇合成主要设备
图2 均温型甲醇合成塔简图
3 均温型甲醇合成塔结构
均温型甲醇塔结构简图如图2，入塔气由气体进口1进入合成塔，通过引气管6使气体均匀分配到各环管8，此结构可保证塔内气体径向均匀分布。然后气体进入下行冷管10与催化床层气体并流换热升温，再进入上行冷管9进一步与催化床层气体逆流换热升温，气体温度达到催化剂活性温度后进入催化床层17进行甲醇反应，反应后气体由16出甲醇合成塔。
内蒙天野JW3000均温型甲醇合成塔内设有4组共28个测温点5，能够在生产过程中更好地监测催化床层温度，对甲醇合成反应情况的掌握更加全面。
4 催化剂的升温还原
甲醇合成催化剂选用四川天一科技股份有限公司XNC-98低压甲醇催化剂，装填量74.05t。
升温还原的好坏将直接影响到催化剂的使用效果。升温还原基本原则是：严格控制水汽浓度不超过3.0g/m3，尽量做到低温下多出水。由于水汽浓度测定存在一定的滞后性和误差，因此一般将水汽浓度折成出水量以控制升温还原速度。低温出水有利于催化剂活性的发挥。
甲醇合成催化剂的升温还原受到天野公司甲醇车间的高度重视，为此专门组织催化剂厂家、林达公司及车间技术人员开会讨论，并确定如下还原方案。
（1）甲醇合成催化剂在140℃开始配氢还原。
（2）还原前，测试配氢管线流量计FI01412的准确性，并分析合成塔出口氢含量。
（3）氢含量要求<0.2%，采用间断配氢方式。
（4）每半小时放一次水，并称量。
（5）根据联合压缩机特点，升温还原压力确定在1.2MPa。
（6）催化剂还原末期温度在220～230℃。
（7）把合成塔入口氢浓度、氢耗作为重要参考指标。
（8）催化床层温差控制：轴向<10℃，径向<5℃。
（9）小时出水量应<150 kg，水汽浓度<3g/m3。
（10）酒精擦拭催化床层温度仪表，并经氮气吹扫后回装。
（11）升温还原末期氢含量在10%左右，合成气置换时床层温度降至210℃。
（12）合成塔塔壁温差<60℃，还原末期热点不超过235℃。
升温还原自2005年12月1日17：00开始，至2005年12月6日07：00结束，累计耗时110h。升温还原过程中系统压力基本维持在1.2～1.4MPa，循环量55000～60000 m3/h。整个升温还原过程中催化床层温度分布比较均匀，平面温差<3℃，轴向温差<10℃，出水比较均匀，整个升温还原过程累计出水14076.5kg，180℃之前出水合计12341.5kg ，占总出水量的88.31%，基本上做到了低温下多出水。
5 甲醇合成塔考核情况
甲醇合成系统于2005-12-07转入轻负荷生产，由于受天然气量不足制约，生产负荷一直维持在60％左右，2006年7月中旬，厂方创造条件对全系统进行了考核，甲醇合成工段考核数据整理如下。
5.1 操作运行主要参数和指标（表2）
表2 操作运行主要数据
目前在操作压力、原料气量、原料气中CO含量、入塔气量均低于设计要求的情况下日产精甲醇650 t，已达到年产200 kt精醇能力，如条件能满足设计要求，产量完全可超过设计值。
5.2 催化床层温度分布
合成塔内径Ф3000 mm，催化床层高度约7600mm，在不同半径处布置了四组共28个测温点，考核时测温数据如表3。
表3 催化床层温度分布
分析上述温度分布数据，其中带删除线的数据既低于上部又低于下部，显然不合理，应为测温误差引起，根据其他所有数据得到最大平面温差10.1℃，平均平面温差6.5℃，最大轴向温差12.3℃，平均轴向温差6.7℃，考核数据均优于设计值。
5.3 天然气消耗
摘录7月16日三个班次天然气和产量数据列于表4。
表4 天然气消耗和产量情况
上述数据表明日产精甲醇651t，吨醇天然气消耗（含燃料天然气）为998m3，符合设计值，待转化气成分进一步优化后，气耗还可进一步降低。
6 数学模型在大型甲醇装置中的校核验证
6.1 数学模型及模拟软件介绍
现代工业反应器已越来越多地运用计算机模拟手段进行前期开发和实际设计工作，林达公司自1999年起一直把开发反应器数学模型及模拟软件作为研发工作重点，目前完成的反应器模拟软件—－Reactor Designer中包含了JW气冷、JW立式水冷、JW卧式水冷、管壳式、冷激式、联合式等多种甲醇反应器及甲醇脱水制二甲醚和甲胺反应器等计算模块。
JW甲醇反应器计算模块的模拟效果在哈气化等8套已投产的100 kt/a以下装置中已得到验证，同时已为陕西渭化、内蒙天野、大连大化、云南云维、陕西榆林、山西天浩等多套100～300 kt/a甲醇项目的反应器设计提供了最终参数。天野Ф3000 mm塔是第一套投运的年产200 kt大型均温型甲醇塔，用实际数据对数学模型进行校核是非常有必要的，我们可通过二者的偏差来分析并校正数学模型在大型装置设计中的计算结果，缩小工业放大效应带来的误差，使之适用于大型乃至超大型甲醇反应器的模拟计算。
6.2 数学模拟与校核结果
根据现场传回的参数，我们摘录了7月16日具有代表性的实际操作数据及该塔的结构参数输入计算模型，进行实际与模拟的对比，见表5、表6。
表5 输入参数
注：①厂方提供的入塔气流量为496000 m3/h，但这是根据循环压缩机在入口设计压力（7.3MPa）下计算得到的，而实际入口压力仅为（6.3MPa）左右，实际气量显然没有那么大，否则系统的温度/产量/气量三者将无法平衡，表中数据“413000”系根据压力校正后得到的修正值。
表6 计算值与实际数据对比
注：②精醇产量中实际值为实际甲醇产量，模拟值为粗甲醇中净醇流量，未计入精馏损失，实际值与模拟值应更为接近些。
详细计算报告略。
6.3 模拟结果分析
从计算结果可以看出，模拟值和实际值非常接近，计算结果中的进出塔温差小于操作值4℃，说明实际生成的反应热更大一些，转化率也稍高，这与计算的弛放气流量略大于实际值也是吻合的，说明实际催化剂活性略高于模拟值。而计算甲醇产量略高于实际值主要是计算中未计精馏损失的缘故。
计算中选用的是XNC-98的宏观动力学数据，校核计算中只需对活性进行很小程度的校正便与实际值吻合，这说明XNC-98的宏观动力学模型可信度较高，在催化剂使用温度相对较低的动力学控制区完全可用于模拟计算。
计算反应速率时一般需计入随着操作时间的增加而引起的催化剂活性衰退因素，虽然内蒙天野装置已投产半年多，但计算中反馈得到的时间因子却仅为30天，分析其原因，一方面是JW塔的均温性能使升温还原过程中温度控制一直平稳均衡，催化剂还原彻底，低温活性得到充分发挥，而生产时的均温性也保证了催化剂活性得到充分发挥；另一方面是因为装置运行半年中负荷一直较低，期间因压缩机维修等问题降低了开工率，催化剂活性衰退慢；同时也说明了国内的催化剂水平和净化技术等在不断进步，我们也将根据计算结果对相关模型进行修正。
6.4 核算设计满负荷工况
根据经过校核后的模型，重新对设计工况进行模拟，结果如表7。
表7 校核过的模拟值
当气量、压力、气体组成等条件满足设计要求后，实际精甲醇产量可达到710 t/d以上。
7 结 语
近日来(9月15日前后)，这套装置能力进一步提高，在原料气量78000m3/h、CO 12%、CO2 14%、合成压力7MPa工况下，日产精甲醇达673～678 t，已超过设计能力。
内蒙天野投运的甲醇合成塔为投产的林达首套大型化甲醇塔，从甲醇塔开车投产及运行情况显示出催化床层温差小、有效气转化率高，催化剂活性发挥好，操作控制容易、生产弹性较大，催化剂装填系数大等优点，充分证明了林达开发的大型均温甲醇合成塔技术无论从软硬件方面都具备了较强的水平，完全适用于大型甲醇合成装置。