林達均溫大型低壓甲醇合成塔及數學(xué)模型在內蒙天野200 kt/a裝置上的應用
作者/來(lái)源:樓韌1，韓秋2，張志功2，崔志杰1（1.杭州林達化工技術(shù)工程有限公司；2. 內蒙天野化工集團 ） 日期:2007-02-28 點(diǎn)擊量:2335
20世紀90年代，內蒙古天野化工集團在以減壓渣油為原料的大型合成氨裝置中引進(jìn)代表國際技術(shù)水平的Shell氣化工藝流程，形成年產(chǎn)300 kt合成氨及年產(chǎn)成品顆粒尿素520 kt的生產(chǎn)規模。由于近幾年原油價(jià)格持續上漲，天野集團將氨合成原料由油改為天然氣，同時(shí)聯(lián)產(chǎn)200kt/a甲醇，項目由五環(huán)科技股份公司設計。在甲醇合成技術(shù)選擇上，公司通過(guò)對國內外現有幾種技術(shù)的考察比較和分析，最終選定杭州林達公司這一具有國內自主知識產(chǎn)權、且性?xún)r(jià)比高的均溫型低壓甲醇合成技術(shù)。
1 甲醇合成流程
轉化氣與甲醇循環(huán)氣經(jīng)聯(lián)合壓縮機提壓至7.9MPa，經(jīng)入塔氣預熱器提溫至140℃左右，進(jìn)入甲醇合成塔冷管內，與管外反應氣進(jìn)一步換熱升溫至240℃，然后出冷管進(jìn)入管外催化床層反應，出合成塔氣體溫度約250℃，進(jìn)入廢熱鍋爐副產(chǎn)蒸汽后，經(jīng)入塔氣預熱器管程加熱入塔氣并使自身進(jìn)一步降溫，然后依次進(jìn)入脫鹽水預熱器、甲醇水冷器，使反應氣溫度降至40℃，進(jìn)入甲醇分離器。分離后的粗甲醇經(jīng)閃蒸槽減壓閃蒸后送甲醇精餾工段，分離后的氣體大部分經(jīng)循環(huán)機提壓后重新進(jìn)入甲醇合成塔反應，一小部分作為弛放氣去氫回收。流程示意見(jiàn)圖1。
圖1 低壓甲醇合成流程示意圖
2 甲醇合成主要設備
表1 甲醇合成主要設備
圖2 均溫型甲醇合成塔簡(jiǎn)圖
3 均溫型甲醇合成塔結構
均溫型甲醇塔結構簡(jiǎn)圖如圖2，入塔氣由氣體進(jìn)口1進(jìn)入合成塔，通過(guò)引氣管6使氣體均勻分配到各環(huán)管8，此結構可保證塔內氣體徑向均勻分布。然后氣體進(jìn)入下行冷管10與催化床層氣體并流換熱升溫，再進(jìn)入上行冷管9進(jìn)一步與催化床層氣體逆流換熱升溫，氣體溫度達到催化劑活性溫度后進(jìn)入催化床層17進(jìn)行甲醇反應，反應后氣體由16出甲醇合成塔。
內蒙天野JW3000均溫型甲醇合成塔內設有4組共28個(gè)測溫點(diǎn)5，能夠在生產(chǎn)過(guò)程中更好地監測催化床層溫度，對甲醇合成反應情況的掌握更加全面。
4 催化劑的升溫還原
甲醇合成催化劑選用四川天一科技股份有限公司XNC-98低壓甲醇催化劑，裝填量74.05t。
升溫還原的好壞將直接影響到催化劑的使用效果。升溫還原基本原則是：嚴格控制水汽濃度不超過(guò)3.0g/m3，盡量做到低溫下多出水。由于水汽濃度測定存在一定的滯后性和誤差，因此一般將水汽濃度折成出水量以控制升溫還原速度。低溫出水有利于催化劑活性的發(fā)揮。
甲醇合成催化劑的升溫還原受到天野公司甲醇車(chē)間的高度重視，為此專(zhuān)門(mén)組織催化劑廠(chǎng)家、林達公司及車(chē)間技術(shù)人員開(kāi)會(huì )討論，并確定如下還原方案。
（1）甲醇合成催化劑在140℃開(kāi)始配氫還原。
（2）還原前，測試配氫管線(xiàn)流量計FI01412的準確性，并分析合成塔出口氫含量。
（3）氫含量要求<0.2%，采用間斷配氫方式。
（4）每半小時(shí)放一次水，并稱(chēng)量。
（5）根據聯(lián)合壓縮機特點(diǎn)，升溫還原壓力確定在1.2MPa。
（6）催化劑還原末期溫度在220～230℃。
（7）把合成塔入口氫濃度、氫耗作為重要參考指標。
（8）催化床層溫差控制：軸向<10℃，徑向<5℃。
（9）小時(shí)出水量應<150 kg，水汽濃度<3g/m3。
（10）酒精擦拭催化床層溫度儀表，并經(jīng)氮氣吹掃后回裝。
（11）升溫還原末期氫含量在10%左右，合成氣置換時(shí)床層溫度降至210℃。
（12）合成塔塔壁溫差<60℃，還原末期熱點(diǎn)不超過(guò)235℃。
升溫還原自2005年12月1日17：00開(kāi)始，至2005年12月6日07：00結束，累計耗時(shí)110h。升溫還原過(guò)程中系統壓力基本維持在1.2～1.4MPa，循環(huán)量55000～60000 m3/h。整個(gè)升溫還原過(guò)程中催化床層溫度分布比較均勻，平面溫差<3℃，軸向溫差<10℃，出水比較均勻，整個(gè)升溫還原過(guò)程累計出水14076.5kg，180℃之前出水合計12341.5kg ，占總出水量的88.31%，基本上做到了低溫下多出水。
5 甲醇合成塔考核情況
甲醇合成系統于2005-12-07轉入輕負荷生產(chǎn)，由于受天然氣量不足制約，生產(chǎn)負荷一直維持在60％左右，2006年7月中旬，廠(chǎng)方創(chuàng )造條件對全系統進(jìn)行了考核，甲醇合成工段考核數據整理如下。
5.1 操作運行主要參數和指標（表2）
表2 操作運行主要數據
目前在操作壓力、原料氣量、原料氣中CO含量、入塔氣量均低于設計要求的情況下日產(chǎn)精甲醇650 t，已達到年產(chǎn)200 kt精醇能力，如條件能滿(mǎn)足設計要求，產(chǎn)量完全可超過(guò)設計值。
5.2 催化床層溫度分布
合成塔內徑Ф3000 mm，催化床層高度約7600mm，在不同半徑處布置了四組共28個(gè)測溫點(diǎn)，考核時(shí)測溫數據如表3。
表3 催化床層溫度分布
分析上述溫度分布數據，其中帶刪除線(xiàn)的數據既低于上部又低于下部，顯然不合理，應為測溫誤差引起，根據其他所有數據得到最大平面溫差10.1℃，平均平面溫差6.5℃，最大軸向溫差12.3℃，平均軸向溫差6.7℃，考核數據均優(yōu)于設計值。
5.3 天然氣消耗
摘錄7月16日三個(gè)班次天然氣和產(chǎn)量數據列于表4。
表4 天然氣消耗和產(chǎn)量情況
上述數據表明日產(chǎn)精甲醇651t，噸醇天然氣消耗（含燃料天然氣）為998m3，符合設計值，待轉化氣成分進(jìn)一步優(yōu)化后，氣耗還可進(jìn)一步降低。
6 數學(xué)模型在大型甲醇裝置中的校核驗證
6.1 數學(xué)模型及模擬軟件介紹
現代工業(yè)反應器已越來(lái)越多地運用計算機模擬手段進(jìn)行前期開(kāi)發(fā)和實(shí)際設計工作，林達公司自1999年起一直把開(kāi)發(fā)反應器數學(xué)模型及模擬軟件作為研發(fā)工作重點(diǎn)，目前完成的反應器模擬軟件—－Reactor Designer中包含了JW氣冷、JW立式水冷、JW臥式水冷、管殼式、冷激式、聯(lián)合式等多種甲醇反應器及甲醇脫水制二甲醚和甲胺反應器等計算模塊。
JW甲醇反應器計算模塊的模擬效果在哈氣化等8套已投產(chǎn)的100 kt/a以下裝置中已得到驗證，同時(shí)已為陜西渭化、內蒙天野、大連大化、云南云維、陜西榆林、山西天浩等多套100～300 kt/a甲醇項目的反應器設計提供了最終參數。天野Ф3000 mm塔是第一套投運的年產(chǎn)200 kt大型均溫型甲醇塔，用實(shí)際數據對數學(xué)模型進(jìn)行校核是非常有必要的，我們可通過(guò)二者的偏差來(lái)分析并校正數學(xué)模型在大型裝置設計中的計算結果，縮小工業(yè)放大效應帶來(lái)的誤差，使之適用于大型乃至超大型甲醇反應器的模擬計算。
6.2 數學(xué)模擬與校核結果
根據現場(chǎng)傳回的參數，我們摘錄了7月16日具有代表性的實(shí)際操作數據及該塔的結構參數輸入計算模型，進(jìn)行實(shí)際與模擬的對比，見(jiàn)表5、表6。
表5 輸入參數
注：①廠(chǎng)方提供的入塔氣流量為496000 m3/h，但這是根據循環(huán)壓縮機在入口設計壓力（7.3MPa）下計算得到的，而實(shí)際入口壓力僅為（6.3MPa）左右，實(shí)際氣量顯然沒(méi)有那么大，否則系統的溫度/產(chǎn)量/氣量三者將無(wú)法平衡，表中數據“413000”系根據壓力校正后得到的修正值。
表6 計算值與實(shí)際數據對比
注：②精醇產(chǎn)量中實(shí)際值為實(shí)際甲醇產(chǎn)量，模擬值為粗甲醇中凈醇流量，未計入精餾損失，實(shí)際值與模擬值應更為接近些。
詳細計算報告略。
6.3 模擬結果分析
從計算結果可以看出，模擬值和實(shí)際值非常接近，計算結果中的進(jìn)出塔溫差小于操作值4℃，說(shuō)明實(shí)際生成的反應熱更大一些，轉化率也稍高，這與計算的弛放氣流量略大于實(shí)際值也是吻合的，說(shuō)明實(shí)際催化劑活性略高于模擬值。而計算甲醇產(chǎn)量略高于實(shí)際值主要是計算中未計精餾損失的緣故。
計算中選用的是XNC-98的宏觀(guān)動(dòng)力學(xué)數據，校核計算中只需對活性進(jìn)行很小程度的校正便與實(shí)際值吻合，這說(shuō)明XNC-98的宏觀(guān)動(dòng)力學(xué)模型可信度較高，在催化劑使用溫度相對較低的動(dòng)力學(xué)控制區完全可用于模擬計算。
計算反應速率時(shí)一般需計入隨著(zhù)操作時(shí)間的增加而引起的催化劑活性衰退因素，雖然內蒙天野裝置已投產(chǎn)半年多，但計算中反饋得到的時(shí)間因子卻僅為30天，分析其原因，一方面是JW塔的均溫性能使升溫還原過(guò)程中溫度控制一直平穩均衡，催化劑還原徹底，低溫活性得到充分發(fā)揮，而生產(chǎn)時(shí)的均溫性也保證了催化劑活性得到充分發(fā)揮；另一方面是因為裝置運行半年中負荷一直較低，期間因壓縮機維修等問(wèn)題降低了開(kāi)工率，催化劑活性衰退慢；同時(shí)也說(shuō)明了國內的催化劑水平和凈化技術(shù)等在不斷進(jìn)步，我們也將根據計算結果對相關(guān)模型進(jìn)行修正。
6.4 核算設計滿(mǎn)負荷工況
根據經(jīng)過(guò)校核后的模型，重新對設計工況進(jìn)行模擬，結果如表7。
表7 校核過(guò)的模擬值
當氣量、壓力、氣體組成等條件滿(mǎn)足設計要求后，實(shí)際精甲醇產(chǎn)量可達到710 t/d以上。
7 結 語(yǔ)
近日來(lái)(9月15日前后)，這套裝置能力進(jìn)一步提高，在原料氣量78000m3/h、CO 12%、CO2 14%、合成壓力7MPa工況下，日產(chǎn)精甲醇達673～678 t，已超過(guò)設計能力。
內蒙天野投運的甲醇合成塔為投產(chǎn)的林達首套大型化甲醇塔，從甲醇塔開(kāi)車(chē)投產(chǎn)及運行情況顯示出催化床層溫差小、有效氣轉化率高，催化劑活性發(fā)揮好，操作控制容易、生產(chǎn)彈性較大，催化劑裝填系數大等優(yōu)點(diǎn)，充分證明了林達開(kāi)發(fā)的大型均溫甲醇合成塔技術(shù)無(wú)論從軟硬件方面都具備了較強的水平，完全適用于大型甲醇合成裝置。