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甲醇塔内件稳定性操作分析及优化 浙江大学工程硕十论文 摘要 巨化合成氨厂的均温型甲醇塔属于双向冷管式甲醇合成塔，被广泛应用于中小型 甲醇生产装置中。本文针对合成塔内件的旋转问题，通过对合成塔内件的受力情况以 及系统角动量变化的分析，认为其内件的旋转主要是该内件底部的螺旋板式换热器侧 面流体推力及通道内流体流量变化引起的流体角动量变化造成的。 本文选择采用等速螺线描述螺旋板式换热器截面的螺旋结构，计算了流体稳定流 动情况下，此结构的螺旋通道内流体旋转角动量与流体流量之阳j 的函数关系。在假设 流体为不可压缩流体的前提下，从角动量出发建立了合成塔内件的受力及旋转运动模 型，得到了甲醇合成塔内件无旋转运转条件，对合成塔内件的旋转角位移以及固定合 成塔内件所需力矩进行定量计算。 在考虑到内件所受到的摩擦力之后，又研究了内件与外塔环隙中气体瞬变流动对 内件可能产生的影响，建立了流体在环隙中瞬变流动的模型，并计算了在一定的流量 瞬变情况下内件可能受到的作用力。在此基础上完成了对内件发生旋转这一生产中极 具危害性现象的原因的分析，并提出了生产中的预防措施。 针对甲醇合成塔控温在正常操作中的重要性，建立合成塔内反应模型，利用a s p e n 为模拟平台进行了模拟计算分析，考虑催化剂在生产过程中的活性变化以及在一定总 流量下控温以保证生产的稳定性，具体计算了流量的调节方案。 关键词：均温型甲醇合成塔；螺旋板式换热器；旋转；角动量：力矩：优化 甲醇塔内件稳定性操作分析及优化浙江大学工程硕士论文 a b s t r a c t b i - d i r e c t i o nc o o l i n g - - t u b er e a c t o rf o ru n i f o r mt e m p e r a t u r em e t h a n o lr e a c t o ri nj u h u a a m m o n i af a c t o r yw a sw i d e l yu s e di nt h es m a l lo rm o d e r a t es c a l e dr e a c t o r s f o rt h es p i n o fi n n e rp a r ti nt h er e a c t o rd u r i n gp r o d u c i n g ，i tw a sc o n s i d e r e dt h a tt h e s p i no c c u r r e d m o s t l yb yr e a s o no ft h em o m e n to ff o r c eo nt h es i d eo ft h es p i r a lh e a te x c h a n g e ra n dt h e c h a n g eo fa n g u l a rm o m e n t u mc a u s e db yt h ec h a n g eo ff l u i d sf l o wi nt h es p i r a lp a s s a g e ， a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f a n g u l a rm o m e n t u ma n de f f e c to f f o r c eo nt h ei n n e rp a r t t h es p i r a ls t r u c t u r eo fh e a te x c h a n g e rw a sd e s c r i b e da sa r c h i m e d e a ns p i r a l t h e r e l a t i o nb e t w e e nt h ea n g u l a rm o m e n t u ma n dt h ef l o wo ff l u i di nt h es p i r a lp a s s a g eo ft h i s s t r u c t u r ei nt h es i t u a t i o ns t e a d i l yw a sf o u n d t h em o d e lf o rf o r c ea n ds p i no ft h er e a c t o r i n n e rp a r tw a se s t a b l i s h e db a s e do na n g u l a rm o m e n t u m t h en o n s p i nc o n d i t i o no fi n n e r p a r tw a so b t a i n e d t h es p i nd i s t a n c eo ft h es t r u c t u r ea n dt h ef o r c en e e d e dt of i xi tw e r e c a l c u l a t e dq u a n t i t a t i v e l yf o l l o w i n gt h ef u n c t i o n sb u i l ta b o v e t h ee f f e c to fg a st r a n s i e tf l o wi nt h ea n n u l a rb e t w e e nt h ei n n e rp a r ta n dt h et o w e r0 i l t h ei n t e m a l sw a ss t u d i e dw h e nt h ef r i c t i o nf o r o eo fi n t e m a l sw a sc o n s i d e r e d t h em o d e lo f f l u i dt r a n s i e n tf l o wi nt h ea n n u l a rw a sf o u n d a n dt h ef o r c ee f f e c t i n go nt h ei n t e r n a l sw a s c a l c u l a t e du n d e rs o m ec o n d i t i o n s t h ep r e v e n t i v em e a s u r ep r e v e n t i n gs p i nw a sp r o p o s e d t h em a t h m a t i c sm o d e lo fc a t a l y s tb e d ，as t e a d y s t a t es i m u l a t i o np r o c e s sw a sb u i l tf o r i t si m p o r t a n c ei nt h eo p e r a t i o nb yu s i n gp r o c e s ss i m u l a t o rs o f t w a r e - a s p e np l u s k e y w o r d s ： u n i f o r mt e m p e r a t u r em e t h a n o lr e a c t o r ；s p i r a lh e a te x c h a n g e r ；s p i n ； a n g u l a r m o m e n t u m ；m o m e n to f f o r c e ；o p t i m i z a t i o n 甲醇塔内件稳定性操作分析及优化 浙江人学工程硕士论文 第一章课题背景 1 1 甲醇概述 甲醇是重要的化工产品，也是重要的化工原料，同时又是很有发展前途的代用燃 料。在农药，医药，燃料，香料，涂料以及三大合成材料生产中都需要甲醇作为原料 或作为溶剂。 甲醇的分子式为c h 3 0 h ，其分子量为3 2 0 4 。常温常压下，纯甲醇是无色透明、 易流动、易挥发的可燃液体，具有与乙醇相似的气味。有毒性，内服1 0m l 有失明 危险，3 0m l 能致人死亡，空气中允许最高甲醇蒸汽浓度为o 0 5m g l 。 甲醇的密度在0 时为0 8 1 0 0g m l ；沸点在1a t m 时为6 4 6 6 4 7 ，随压力 增大而降低；o 1 2 0 0 之间的甲醇摩尔热容量为4 1 8 6 8j ( m 0 1 ) ，汽化热随温 度的升高而降低；电导率主要决定于它含有的能电离的杂质，如胺、酸、硫化物和金 属等。工业生产的精甲醇含有一定量的有机杂质，比电导率一般为1 1 0 6 7 1 0 。 甲醇可以和水以及许多有机液体如乙醇，乙醚等无限地混和，但不能与脂肪族烃 类相混合。它易于吸收水蒸汽、二氧化碳和某些其他物质，因此，只有特殊的方法才 能制得完全无水的甲醇。甲醇与部分有机物形成共沸混合物，其沸点与甲醇的沸点相 接近，因此难以除尽有机杂质，产品甲醇总含有机杂质约o 0 1 以下。 甲醇水溶液的密度随温度的降低而增大，在相同温度下几乎随甲醇浓度的增加而 均匀地减小；甲醇水溶液的沸点随甲醇浓度的增加而降低；在相同温度下甲醇水溶液 的饱和蒸汽压随甲醇蒸汽分压的增大而增大：甲醇水溶液的热容随甲醇浓度的增高和 温度的升高而增加；混合物粘度与组成有关，大于纯甲醇，在甲醇含量为5 0 f i 一 最大值。 1 2 甲醇市场需求 2 1 1 市场应用状况俐 甲醇是重要的化工原料，是碳一化学工业的基础产品。甲醇主要用于生产甲醛， 其消耗量约占甲醇总量的3 0 4 0 ，其次作为甲基化剂，生产甲胺、甲烷氯化物、 甲醇塔内件稳定性操作分析及优化 第一章课题背景 浙扛大学t 程硕土论文 1 1 甲醇概述 甲醇是重要的化工产品，也是重要的化工原料，同时又是很有发展前途的代用燃 料。在农药，医药，燃料，香料，涂料以及三大合成材料生产中都需要i i j 醇作为原料 或作为溶剂。 甲醇的分子式为c h 3 0 h ，其分子量为3 2 0 4 。常温常压下，纯甲醇是无色透明、 易流动、易挥发的可燃液体，具有与乙醇相似的气味。有毒性。内服1 0m l 有失明 危险，3 0 m l 能致人死亡，空气中允许最高甲醇蒸汽浓度为0 0 5m g l 。 甲醇的密度在0 时为o8 1 0 0g m l ；沸点在1a t r n 时为6 4 6 6 47 ，随压力 增大而降低；o 1 2 0 0 之间的甲醇摩尔热容量为4 ，1 8 6 8j ( t 0 0 1 ) ，汽化热随温 度的升高而降低；电导率主要决定于它含有的能电离的杂质，如胺、酸、硫化物和金 属等。工业生产的精甲醇含有。定量的有机杂质，比电导率一般为l 1 0 4 7 x1 0 。 甲醇可以和水以及许多有机液体如乙醇，乙醚等无限地混和，但不能与脂肪族烃 类相混合。它易于吸收水蒸汽、二氧化碳和某些其他物质，囚此，只有特殊的方法才 能制得完全无水的甲醇。甲醇与部分有机物形成共沸混合物，其沸点与甲醇的沸点相 接近，冈此难以除尽有机杂质，产品甲醇总含有机杂质约o 0 l 以下。 甲醇水溶液的密度随温度的降低而增大，在相同温度r 几乎随l i 醇浓度的增加而 均匀地减小；甲醇水溶液的沸点随甲醇浓度的增加而降低：在相同温度下甲醇水溶液 的饱和蒸汽压随甲醇蒸汽分压的增大而增大；甲醇水溶液的热容随甲醇浓度的增高和 温度的升高而增加；混合物粘度与组成有关，大于纯甲醇，在q 醇含量为5 0 有一 最大值1 1 1 。 1 2 甲醇市场需求 2 1 1 市场应用状况1 2 , 3 1 甲醇是重要的化工原料，是碳一化学工业的基础产品。甲醇主要用于生产 i 醛 其消耗量约占甲醇总量的3 0 4 0 其消耗量约占甲醇总量的3 0 4 0 其次作为甲基化剂，牛产甲胺、甲烷氯化物、 其次作为甲基化剂，生产甲胺、甲烷氯化物、 耳博塔内件稳定性操作分析及优化 浙江大学工程硕士论文 丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、对苯二甲二甲酯等；甲醇羰基化可生产醋酸、醋酐、 甲酸甲酯、碳酸二甲酯等。从甲醇低压羰基化生产醋酸，近年来发展很快。随着碳一 化工的发展，由甲醇出发合成乙二醇、乙醛、乙醇等工艺正在日益受到重视。甲醇作 为重要原料在敌百虫、甲基对硫磷、多菌灵等农药生产中，在医药、染料、塑料、合 成纤维等工业中有着重要的地位。甲醇还可经生物发酵生成甲醇蛋白，用作饲料添加 剂。 甲醇不仅是重要的化工原料，而且还是性能优良的能源和车用燃料。它可直接用 作汽车燃料，也可与汽油渗合使用，它可直接用于发电站或柴油机，或经z s m 5 分 子筛催化剂转化为汽油，它可与异丁烯反应生成甲基叔丁基醚，用作汽油添加剂。 在世界有机化工原料中，甲醇消费量仅次于乙烯、丙稀、苯。随着能源结构的改 变，甲醇有未来主要燃料的候补燃料之称，需求量十分巨大。 表1 是目前世界甲醇的消费结构，可以看到甲醇作为无铅汽油添加剂m t b e 原 料的用途已经占到很大一部分甲醇总消费，仅次于甲醇作为传统的合成甲醛原料。 表1 世界甲醇应用领域的分配口i( 万吨侔) 2 1 2 供需预测 据专家预测，在未来几年里，甲醇在燃料方面的消费需求量将会有较大的增长。 另外，甲醇作为重要的有机原料，其衍生物生产仍将占据最大的市场份额，其中增长 最快的将是甲醛、乙酸、甲胺等方面的生产。随着国民经济的快速发展和国家有关甲 醇燃料政策的出台，今后我国甲醇的需求仍将保持较为强劲的增长势头。到2 0 1 0 年 甲醇塔内件稳定性操作分析及优化 浙江人学工程预十论文 我国甲醇总需求量约为7 2 0 万吨，2 0 1 5 年将达到9 0 0 万吨左右，见表2 。届时，甲醇 供需矛盾仍然十分尖锐，新建大型甲醇生产装置或进行联醇装置的技术改造势在必 行。随着我国加入世贸组织，进口甲醇继续冲击国内市场的局面在所难免。当务之急 是迅速提高国内甲醇生产的整体竞争能力，新建装置要采用先进的工艺技术，方能解 决市场供需矛盾并促进国内甲醇工业的稳步发展。 表2 我国甲醇消费结构及需求预测3 i( 万吨，年) 1 3 课题介绍 2 1 3 流程简述 巨化集团合成氨厂联产甲醇中甲醇合成采用的是国内自主开发的联醇工艺，现有 四个联醇塔，l 群、2 # 、3 # 甲醇塔并联，与前面工序的4 撑甲醇塔串联生产。9 6 年，巨化公司合成氨厂将新、老系统的2 8 、5 8 总管联通改造后，提高了进群4 甲醇塔 的化工原料气量，原甲醇合成塔、水冷器、甲醇分离器、循环机的能力都不能满足要 求，制约了4 # 甲醇塔的合成甲醇能力。为此，2 0 0 0 年1 1 月巨化公司合成氨厂对该系 统进行了改造，投产后实际使用效果较好，流程示意图如下 甲醇塔内件稳定性操作分析及优化浙江大学工程硕上论文 图1 流程示意图 煤氨、油氨系统脱碳气( 即新鲜气) 一部分进入4 # 甲醇系统滤油器，与循环机 来的气体混合滤去油后，分主、副线进入4 # 甲醇塔触媒层进行甲醇合成反应( 反应 式：c 0 + 2 h 2 = c h 3 0 h + q ) ，反应后混合气体出甲醇塔，经过水冷器冷却至4 0 。c 以下 后，再进入4 撑甲醇分离器分离出液相甲醇，从底部排出送往醇醛车间精馏。从分离 器顶部出的气体，一部分作循环气进入循环机提压后进系统；另一部分出分离器气体 与近路阀来的新鲜气混合后去l 拌、2 # 、3 # 甲醇塔及精炼工段。 2 1 4 课题的提出 巨化公司合成氨厂的4 拌甲醇塔为浙江林达公司设计的均温型甲醇合成塔，该塔 属于冷管型甲醇合成塔。原使用传统的三套管内件，存在触媒填装量少，甲醇产量低 的缺点。根据具体生产情况，利用原塔高压外筒体、系统配套设施及工艺条件设计制 造了巾1 0 0 0 均温型甲醇内件。该内件底部为螺旋板式换热器，上部为埋有上行和下 行两组冷管的催化床( 见图2 ) 。原料气分为主线气和副线气两股进料，主线气进入 反应器底部的换热器与反应后的气体进行热交换预热，预热后的主线气与直接进入中 心管的副线气混合，混合后的原料气经过中心管后进入催化床中的下行冷管预热，然 后再经过上行冷管进一步预热后进入催化床反应，反应后的气体经过塔底换热器后出 塔，去分离装置。触媒筐内的冷管采用自由伸缩且并流型，能及时移走甲醇合成反应， 缩小触媒层轴径向的温差，扩大甲醇触媒活性范围；热触媒筐中心管直接与换热器中 心管连通，气体在触媒筐中先进中心管后进冷管，对触媒还原和拉提触媒层温度非常 有利；内件下部换热器采用螺旋板式，结构紧凑，单位体积的换热面积大，有效高压 甲醇塔内件稳定性操作分析及优化 浙江大学工程硕十论文 容积利用率高，触媒装量多；采用中间自卸结构，更换触媒方便。 但在一定的生产操作条件下，甲醇塔内件会在气体的推动作用下，发生旋转。使 主线进料气体经过塔内空隙直接混入出塔气体中严重影响生产的正常运行。经过初 步分析，甲醇塔内件的旋转主要是由于内件下部的螺旋板换热器造成；其次，“均温 型”合成塔并不均温，在实际的生产过程中存在径向及轴向温差，并因此带来实际生 产过程中催化剂在生产一段时间后活性降低而减少催化荆寿命的问题。 本文根据现有的生产装置和现存的工艺介质、生产工况，对螺旋板换热器系统的 受力情况及角动量进行分析和计算，建立螺旋板换热器的动量传递、热量传递的模型， 核算螺旋板换热器不发生旋转的最大操作弹性，优化出最佳操作弹性。 甲醇塔内件稳定性操作分析及优化 浙江大学工程硕士论文 第二章文献综述 2 2 甲醇合成工艺进展 甲醇合成的工艺流程有多种，其发展的过程与新催化剂的应用，以及净化技术的 进展分不开。最早实现的是应用锌铬催化剂的高压工艺流程。高压法是在压力为 3 0 m p a ，温度3 6 0 4 0 0 下操作，此法的特点是技术成熟，投资及生产成本较高。 自铜基催化剂的发现以及脱硫净化技术解决后，出现了低压工艺流程，操作压力 4 - 5 m p a ，温度2 0 0 3 0 0 ，其代表性流程有i c i 低压法和l u r g i 低压法。中压法是 在低压法的基础上发展起来的，由于低压法操作压力低，导致设备体积相当庞大，因 此发展了1 0m p a 左右的甲醇合成中压流程。也有将合在氨与甲醇联合生产的联醇工 艺流程。从生产规模来说，目前世界甲醇装置日趋大型化，单系列年产3 0 万吨、6 0 万吨甚至1 0 0 万吨以上，新建厂普遍采用中、低压流程【1 。 下面介绍两种典型的工艺流程。 2 2 1i c i 低压甲醇工艺5 1 9 6 6 年，英国i c i 公司建立了世界上第一个低压法甲醇工厂。该法具有能耗低， 生产成本低等优点。i c i 公司同时开发了四段冷激型甲醇合成反应器。我国四川维尼 纶厂第一套年产1 0 万吨甲醇装置，引进了i c i 低压甲醇合成工艺。 合成气经离心式压缩机升压至5m p a 与循环压缩后的循环气混合，大部分混合 气经热交换器预热，于2 3 0 2 4 5 进合成塔，一少部分混合气作为合成塔冷激气， 控制床层反应温度。 在合成塔内，气体在低温高活性的铜基催化剂( i c i5 1 1 型) 上合成甲醇，反应 在2 3 0 2 7 0 及5m p 下进行，副反应少，粗甲醇中杂质含量低。 合成塔出口气经热交换器，再经水冷分离得到粗甲醇，未反应气返回循环机升压 完成一次循环。为了在合成回路中惰性气体含量维持在一定范围内，在进循环机前驰 放一股气体作为燃料，粗甲醇降压至o 3 5 m p a ，使溶解的气体闪蒸，也作为燃料使用。 i c i 低压甲醇合成工艺的特点： 由于采用低压法，合成气压缩机可选用离心式。若以天然气或石脑油为原料，蒸 甲醇塔内件稳定性操作分析及优化 浙江大学工程坝l 论殳 汽转化制气的流程中，可以用副产的蒸汽驱动透平，带动离心式压缩机，降低了能耗， 改善了全厂技术经济指标。离心式压缩机排气压力仅5m p a ，设计制造容易。而且驱 动蒸汽透平所用蒸汽的压力为4 6m p a ，压力不高，因此蒸汽系统较简单。 采用i c i5 1 0 1 型铜基催化剂，这是一种低温催化剂，操作温度2 3 0 2 7 0 ， 可在低压下( 1 5m p a ) 操作，抑制强放热的甲烷化反应及其他副反应。粗甲醇中杂 质含量低，使精馏负荷减轻。另一方面，由于采用低压法，使动力消耗隆至高压法的 一半，节省了能耗。 采用该公司专利的多段冷激式合成塔，结构简单，催化剂装卸方便，通过直接通 入冷激气调节床层温度，效果良好。设计的菱形分布器，补入冷激气，使冷热气体混 合均匀，床层温度得到控制，延长了催化剂使用寿命。 2 2 2 l u r g i 低压甲醇合成工艺1 6 l 德国鲁奇( l u r g i ) 公司开发的甲醇合成工艺采用管壳型反应器。催化剂装在管 内，反应热由管间的沸腾水带走，并副产中压蒸汽。我国齐鲁石化公司第二化肥厂引 进了鲁奇低压甲醇合成工艺。 甲醇合成原料气在离心式透平压缩机内加压至5 2m p a 与循环气以l ：5 的比例 混合，混合气在进反应器前先与反应后气体换热，升温至2 2 00 | c 左右，然后进入管壳 型合成塔。反应热传给壳程的水，产生蒸汽进入汽包，出塔气温度约2 5 0 ，含甲 醇7 左右，经换热冷却至8 5 ，然后用空气和水分别冷却，温度降至4 0 ，冷凝 的粗甲醇经分离器分离，分离粗甲醇后的气体适当放空，控制系统中惰性气体的含量。 这部分放空气体用做燃料，大部分气体进入透平压缩机加压后返回合成塔，合成塔副 产的蒸汽及部分补充的高压蒸汽一起进入过热器，过热至5 0 0 左右带动透平机。 透平用后的低压蒸汽作为甲醇精馏工段所需的热源。 2 3 国外甲醇合成反应器 甲醇合成反应器是甲醇合成生产的心脏没备，目前世界上最广泛使用的是i c i 公 司的多段段间冷激型和l u r g i 副产蒸汽管壳型合成塔，它们占世界各国合成塔总数的 三分之二以上。此外，近年来，不少国家的研究成果使新型甲醇合成塔脱颖而出，下 面介绍各类甲醇合成装置及其操作特性。 甲醇塔内件稳定性操作分析及优化浙江人学工程硕十论文 2 3 1i c i 多段段间冷激型甲醇合成塔1 5 , 7 1 i c i 甲醇合成塔是多段段间冷激型反应器，结构简单是其独特的优点。合成塔由 塔体、多段床层、气体喷头、菱形分布器等组成。塔体为单层全焊结构，所用材料具 有抗氢蚀能力，抗张强度及焊接性能均良好， 气体喷头由四层不锈钢圆锥体组焊而成，用 螺栓固定于塔顶气体入口处，使气体在塔内 均布。这种喷头具有防止气流冲击催化床特 点，因此可使催化剂免遭损坏。菱形分布器 埋于催化床中，并沿着床层不同高度的平面 上各安装一组，全塔共三组，它使冷激气和 反应气混合均匀。 菱形分布器是1 c i 型甲醇合成塔的一项 专利技术，它由导气管与气体分布器两部分 组成。管材采用含钼o 4 4 一0 6 5 的 a s t m a 2 0 9 t 1 低合金钢。 图2i c i 冷激型甲醇反麻器 导气管为双重套管，与塔外的冷激气总管相连，导气管的内套管上，每隔一定距 离，朝下设有法兰接头，与气体分布管呈垂直联接。气体分布管由两部分组成，“外 部”是菱形截面的气体混合管，它由四根长的短钢和许多短的扁钢斜横着焊于长扁钢 上构成骨构，并在外面包双层金属丝网，内层是粗网。外部是细网。“内部”是一根 双套管，内套有朝下钻有一排巾1 0 r a m 小孔，内外套管小孔间距均为8 0 m m 。 冷激气经导气管进入气体分布器“内部”后，自内套管的小孔流出，再经过外套 管的小孔喷出在混合管内和流过的热气流混合，并向下流动在床层中继续反应。气体 分布管的菱形截面有足够大小，使经过它的反应气体和冷激气混合均匀。外包金属网 孔眼尺寸要适当，即避免催化剂颗粒漏进，又不致阻力过大。 各分布管问的距离及其与管壁的间距要适当，以便使绝大部分( 约9 0 以上) 的 反应气体能通过混合管与冷激气混合，同时又要有足够空间使催化剂自由通过，以利 催化剂装卸。 由于这种类型的反应器塔内有多次冷激，即部分反应气体与未反应气体之间的返 混，i c l 公司的铜基催化剂的时空产率不很高，催化剂用量较大。催化床可分为四层， 甲醇塔内件稳定性操作分析及优化浙江大学工程硕j 论史 层间无空隙，每层催化床又分上、中、下三层，用热电偶测量，催化床开始控制的平 均温度约2 2 5 。c ，合成塔内，由于采用菱形分布器引入冷激气，气体分布混合均匀， 床层的同平面温差仅为2 。c 左右。同平面基本上能维持等温操作，对延长催化剂寿命 有利，床层温度是通过引入冷激气控制的，由于甲醇合成是强放热反应，催化床中气 体温度迅速上升，当反应温度过高时，反应速度就会降低而影响甲醇的产量，适当通 入冷激气可有效地控制床层温度，使反应在最佳温度附近进行，从而提高甲醇产量。 从另一角度看，i c i 冷激型塔在操作上存在些不足之处，该系统的温度控制不 够灵敏，催化床不同位置要在不同温度下操作，操作温度严格地依赖各段床层入口气 体温度，各段床层进口温度有小的变化，会导致系统大的变化，这种不可避免的温度 波动在一定程度上影响了稳定操作，另一方面合成塔允许的生产能力受到床层的压 降，即循环压缩负荷限制。 i c i 甲醇合成塔尽管在某些方面还不理想，但因其单塔生产能力大，目前还在普 遍使用。从合成燃料要求看，生产能力大是一个主要条件，在这方面，若需用较大的 合成装置时，i c i 型是一个具有吸引力的装置。 2 3 2l u r g i 管壳型甲醇合成反应器1 4 6 l l u r g i 公司设计的低压甲醇合成反应器是管壳式结构的装置，外形像一个列管式 换热器，单塔最大生产能力约1 2 5 0 吨天，两个塔合用一个换热器，一个调节供水， 一个调节蒸汽压力，用于调节塔温。 图3 鲁奇管壳式甲醇反应器 9 甲醇塔内件稳定件操作分析披优化 浙江大学工程硕十论文 在该类反应器中，催化剂装填于管内，管外走4 m p a 左右的沸腾水，反应气在管 内发生反应，放出的热量通过管壁传给沸腾水，使其汽化产生同温度的蒸汽，管中心 与沸水的温差仅1 0 余度，这类反应器的特点是： ( 1 ) 床层内温度平稳。除了进口处有一定温升外，一般在2 3 0 2 5 5 。c 之间操作， 温度变化小。另一方面，由于传热面与床层体积比大( 约8 0m 2 m 3 ) ，移热迅速，同 平面温差可忽略，有利于延长催化剂的寿命，并允许原料气中含较高浓度的c o 。 ( 2 ) 能准确、灵敏控制反应温度，床层温度是通过调节汽包压力来控制，由于 压力调节能准确控温，灵敏度达o 3 ，能适应系统负荷波动及原料气温度的改变。 ( 3 ) 以较高位能回收反应热，反应热由沸腾水转化为4m p a 的中压蒸汽，可用 于驱动循环机透平，热量利用合理。 ( 4 ) 出口甲醇含量较高，其结果是循环气量减小，循环回路设备费用减少，循 环机能耗减少，由于气体通过反应器的单程转化率高，床层中不采用冷激这种移热手 段，无气体返混，使催化剂利用率高，对于同样产量，所需催化剂装填量就少。 ( 5 ) 设备紧凑，开工方便，不需另用电加热器，丌工时可用壳程蒸汽加热。 ( 6 ) 基本避免石腊等副产物的生成。一方面反应管用特殊材质；另一方面，反 应温度变化小，操作平稳，减少了副产物的形成。 ( 7 ) 避免羰基化合物生成，合成气换热器壳程内温度在1 2 0 1 8 0 之间，壳程 用了特殊材料衬里，使羰基化合物生成量大大减少。 ( 8 ) 压降小，只带有两个截止阀和一个i l 板。 浚类反应器的不足之处是对管壳结构机械设计要求高，设备复杂，制作困难，对 材料及制造方面的要求均高。反应器直径过大，在设计与制造时就有困难了，目前单 体最大生产能力是日产甲醇9 0 0 1 2 5 0 吨，要适应单系列大型化生产就受到了一定的 局限。 尽管l u r g i 反应器操作平稳，转化率高，但是存在大型化生产的限制，且整个反 应过程中的温度与最佳温度曲线有偏离。针对这些问题对反应器结构，气体流向及强 化生产上目前都在不断地改进。 除i c i 与l u r g i 两种最常见的低压甲醇合成反应器外，国外还有三菱瓦斯、三菱 重工法管壳一冷管复合型、托普索径向流动、m r f 多段径向流动、卡萨里轴径向流 动、林德等温等多种类型的甲醇反应器【4 j 。 o 甲醇塔内件稳定性操作分析及优化 浙江人学工程硕l 沦义 2 4 国内甲醇合成反应器【1 】 在对国外甲醇合成反应装置进行消化吸收的基础上，我国应该开发出新型甲醇合 成反应器，形成我国专有技术。国内已提出了以下几种新型甲醇合成装置技术，并且 均己申请了中国专利。 2 4 1 绝热管壳复合型甲醇合成反应器 这是一种单塔生产能力大，操作控制简便，催化剂寿命长，能量利用合理的反应 器。其上部为绝热层，气体升温迅速，下部为管壳外冷层，副产中压蒸汽。“绝热一 管壳外冷复合型”甲醇合成反应器除具有一般管壳式甲醇合成反应器的优点外，还具 有以下特点： ( 1 ) 当单塔生产能力大时，因上有绝热层，所以反应器直径不致太大，管板与 上、下封头的直径也不致太大，易于制造，这种塔型易于大型化。 ( 2 ) 当入塔气中有毒物时，首先中毒的是绝热层催化剂，主反应区的催化剂得 到了保护。 ( 3 ) 适用于低温活性较高的催化剂。 ( 4 ) 减少了壁效应对反应的不利影响。 2 4 2 径向与横向副产蒸汽甲醇合成反应器 径向副产蒸汽甲醇合成反应器气流径向流过床层，横向副产蒸汽甲醇合成反应器 气流轴向流过床层，这两种反应器床层内部都设有冷管副产蒸汽，这两种反应器都具 有显著的优点： ( 1 ) 床层阻力小，所以可以采用小颗粒催化剂，提高了宏观反应速率。 ( 2 ) 由于床层阻力小，所以可以采用高空速，使单塔生产能力大为提高。 ( 3 ) 床层中回收高位能反应热，副产蒸汽，能量回收比较合理。 ( 4 ) 横向流动反应器，其流道长度介于径向与轴向之间，即具有径向反应器阻 力小的特点，也具有轴向反应器流动均布好的特点。 另外还有轴径向冷管型甲醇合成塔以及新型均温甲醇合成塔等。 甲醇塔内件稳定性操作分析发优化 浙江大学工程硕士论文 2 4 3 均温型甲醇合成塔m 9 1 均温型甲醇合成塔同样是属于冷管型 甲醇合成塔，浙江工业大学楼寿林教授等 针对甲醇合成反应本身的强放热特性和甲 醇铜基催化剂耐热性差、使用温度范围狭窄 之间的矛盾，重点研究了如何进一步缩小触 煤层温差，实现全床层温度的均匀分饰的问 题，他们对逆流、并流和折流三种塔型进行 模拟计算比较，催化床层的温度分布以单管 折流型的温度分布最理想，因此他们在甲醇 合成塔的设计中采用了先并流后逆流的折 流式冷管结构( 图4 ) 。均温型甲醇合成塔 具有催化剂床层温差小，热点温度低，热稳 定性好，塔阻力小，结构可靠、检查维修方 便等特点，因此在中小型甲醇生产装置中得 到了广泛的应用。 图4 均温型甲醇合成塔示意图 在均温型甲醇合成塔中，塔底的换热器对原料气的预热与反应余热的利用有着至 关重要的作用。通常采用的换热器类型有列管式换热器和螺旋板式换热器。巨化公司 合成氨厂的4 群甲醇塔采用的是螺旋板换热器。 均温型甲醇塔主要是在单管甲醇塔的基础上进行重新设计的。单管甲醇塔主要 由承受高压的外筒以及触媒筐和换热器构成的内筒所组成，原料气由甲醇塔上部进入 内外筒环隙从上到下流经低部，再经换热器与反应器换热后进入触媒筐的中心管由下 向上流经项部，然后原料气又经中心管外面的套管下流，经触媒筐花板下面的分气盒 再分流到各冷管，原料气从管内向上流动吸收管外触媒层反应热直到顶部流出进入触 媒层反应，该塔用原料气移去触媒层反应热，同时原料气又预热至反应温度。然而由 于该塔的冷管面积小，采用的是逆流换热，触媒层温差较大，触媒易过热失活。均温 型甲醇塔主要有触媒筒壁、触媒床层、下冷管、触媒筒盖板、填料盒、填料、引气管、 集气管和分气管所组成。 甲醇塔内件稳定性操作分析及优化浙江人学工程预十论文 2 5 螺旋板式换热器 螺旋板换热器，由两块平板卷制成螺旋形，中心由隔板分隔。横截面如图5 所示： 图5 等速螺旋标注 与列管式换热器相比，螺旋板换热器具有如下优点： 1 传热效率高。由于螺旋板式换热器的螺旋通道和定距柱的共同作用，流体可以在 较低的雷诺数时形成湍流，增强换热。 2 不易结垢。在螺旋板换热器中，介质走的是单一通道，一旦沉积污垢，局部的流 动速度将相应的得到提高，加强对污垢的冲刷作用。 3 结构紧凑。一台直径为1 5 m 的，宽为1 8 m 的螺旋板换热器，其传热面积可达2 0 0 m 2 ， 而单位体积的传热面积约为管壳式换热器的三倍。 4 温差应力小。螺旋板式换热器的特点是允许膨胀。另外螺旋体之间的温差远小于 其他换热器冷热流体白j 的温差。 5 制造简单。与其它类型的换热器相比，制造工时最少，机械加工量小，材料是板 材，容易卷制，制造成本低。 螺旋板换热器的以下特点限制了它的使用： 1 承压能力受限制。由于螺旋板的直径较大，而厚度较小，刚度差，每一圈均承受 压力，当两通道的压力差达到一定程度，即达到或接近临界压力时，螺旋板就会 被压瘪而丧失稳定性。另外由于螺旋板换热器的流动特点，必然有一块螺旋板处 于负压状态工作。 2 修理困难。螺旋板换热器虽然不易泄漏，但由于结构上的限制，一旦发生泄漏时 o 砷 甲醇塔内件稳定性操作分析及优化 浙江人学t 程硕士论文 不易修理，往往只能整台报废，因此处理腐蚀性介质时，应选用耐腐蚀性好的材料。 3 通道的清洗。由于螺旋通道一般较窄，螺旋板上焊有维持通道宽度的定距柱，这 使得机械清洗困难。国内一般采用蒸汽吹洗的方法。 现有的螺旋板换热器的研究一般集中在换热的计算方面。而对换热器的螺旋板的 受力及换热器的角动量的计算投入的研究很少。 螺旋板换热器的操作形式一般有以下三类| lo j ： 1 两流体在螺旋通道的两侧均作螺旋流动。通常是冷流体由外周边流向中心并排出， 热流体由中心流向外周排出，可以实现严格的逆流传热，常用于液- 液换热。( 如图6 a ) 2 一种流体在螺旋流道内进行螺旋流动，而另一种流体在另外的一条流道内作轴向 流动。这种形式适合于两侧流体的流率差别很大的情况，常用作冷凝器和气体冷却器 等。f 如图6 b ) 3 在这种形式中，一种流体在螺旋流道内进行螺旋流动，而另一种流体在另- - n 的 流道内作轴向流动和螺旋流动的组合。这种形式适合于蒸汽的冷凝冷却。( 如图6 c ) 图6 螺旋板换热器的三种操作方式 2 5 1 理论分析 目前研究较多的集中在第一类的螺旋板换热器【“1 2 】，即两流体在螺旋通道的两侧 均作螺旋流动。通常是冷流体由外周边流向中心并排出，热流体由中心流向外周排出， 可以实现严格的逆流传热。 而各类模型的计算方法大部分是采用q = a x k x 而计算，其中 = 坠掣 l n t 2 一t 1 。欧瓣。，强灏，骥舷 甲醇塔内件稳定件操作分折及优化 浙江大学t 程硕士论文 当圭 急 2 时，可以近似地用算术平均温差值代替对数平均温差，误差 4 ， 即死：望1 1 生姜型，q 为总换热量，a 为传热面积，k 为总传热系数。 1 换热量q 的计算 q 的计算一般由换热器的工作要求直接决定。 1 ) 热流体q l = w i c p l ( t l 一丁z ) 或q 1 = w i j ( , 2 c p , d t q l 热流体放出的热量，w w i 热流体的质量流量，k g s c p l 热流体的定压比热容，j ( k g 。c ) t 1 、t 2 热流体的进出口温度， 2 ) 冷流体9 2 = w a c p ：( t ：一f 1 ) 或q 2 = 2 2 c p 2 d t q 2 冷流体放出的热量，w w 2 冷流体的质量流量，k g s c p 2 冷流体的定压比热容，j ( k ) t 1 、t 厂冷流体的进出口温度， 2 总传热系数k 的计算 现有的模型以定性温度下流体的物理性质来描述整个温度区间内的流体的特性， 根据定性温度计算流体的传热系数。具体计算中根据串联热阻的概念： 上：一1 + y 至十垒+ 上 k口】一五，丑wa 2 其中，著为垢层总热阻，砉为板材热阻，n 一、q ：为流体传热系数a ( 1 ) 垢层总热阻一般根据工厂的经验数据设定。 ( 2 ) 螺旋通道的当量直径 ，hb 2 h b 砒= 4 - = 2 ( h + 6 、h + b h 有效板宽，m 卜通道宽度，m 甲醇塔内件稳定性操作分析发优化 浙江大学工程硕士论文 ( 3 ) 通道内流速c o 的计算 y = 一 h b 流体流速，m s v 流体的体积流量，m 3 s h 有效板宽，i n 卜通道宽度，m ( 4 ) r e 的计算 r e ：皇坐 d e 通道的当量直径，m 一流体的粘度，p a s 流体的流速，m s p 流体的密度，k m 3 ( 5 ) 普兰特准数p r p r ：型 c 广流体的定压比热容，j ( k g ) u 流体的粘度，p a s 卜流体的导热系数，w ( m ) ( 6 ) 通道给热系数a 的计算 采用经验公式进行计算或者根据实验的结果建立与雷诺数r c 和普兰特准数p r 之间的函数关系。 ( 7 ) 压力损失计算计算详见【1 3 】 3 传热面积a 的计算1 2 j 在a t m 、9 、k 的问题得到解决的前提下，大部分的文献作者都将自己的主要精 力用于螺旋板的换热面积的计算。文献中一般按照以下两种模型求取螺旋板的面积： ( 1 ) 采用等速螺旋线描述整块螺旋板 根据等速螺旋线的极坐标方程，：h + 鱼生口，对螺旋线进行积分得到螺旋板换 丌 甲醇塔内件稳定性操作分析及优化 浙江大学工程颁士论文 热器的面积的计算公式。 ( 2 ) 采用半圆对螺旋板分段进行描述 另外一般认为最外层的螺旋板不参与换热，因此不包括记入换热面积。 上面的模型中以定性温度下流体的物理性质来描述整个温度区问内的流体的特 性，这在一定程度上简化了模型，也在一定的程度上限制了模型的精确度。另外，对 数平均温差的使用缺乏相应的理论根据，对数平均温差实际是简单并流和简单逆流模 型的结果，这个模型的三个基本假设包括： 【1 冷热流体的比热容c p 。、c 。h 在整个传热面上都是常量： 【2 总的传热系数k 在整个传热面上不变： 3 】换热器无散热损失。 其中假设 1 】、 2 在流体物理性质温度变化范围较大的情况下不能够很好的与事 实相符。而假设 3 在一般的换热器模型中都认为可以满足，对于螺旋板换热器外层 空间温度略高于冷流体的进料温度，认为可以忽略换热器的外壳散热。 2 5 2 其它模型 在o l a fs t r e l o w l l4 建立的板式换热器的一般计算方法中，采用矩阵的形式描述板 式换热器的各种操作行为，并将螺旋板换热器作为板式换热器的一种操作方式进行求 解。如下图7 所示，将螺旋板换热器展开成为一般的板式换热器，并建立模型。在 o l a fs t r e l o w 的算法中，采用局部区间的定性温度来代替全局的定性温度，无疑的在 精确度方面将有一定程度的提高。 而在换热器系统的模拟、优化与综合| l5 j 一书中，建立了一个基于等速螺线的 螺旋板换热器的2 维模型。在该模型中，将换热器的圈层分为起始圈、最末圈和其它 圈建立微分方程，与其它的换热器模型不同，采用微元的实际温度柬确定流体的物理 性质，模型的精确度得到了相当的保证。 图7o l a f s t r e l o w 换热器 甲醇塔内件稳定性操作分析成优化 浙江大学t 程硕士论文 第三章结果与讨论 3 1 合成塔内件旋转原因的初步分析 通过对合成塔内件的受力情况及角动量的变化的分析，认为甲醇合成塔的内件的 旋转可能有如下两方面的原因： 1 稳定流动条件下，流体对合成塔内件的作用力的推动作用； 对稳定流动的系统施加一个固定的推动力矩，系统将在这个力矩的作用下向力矩 的方向发生旋转。 2 由流量变化引起的流体角动量的变化引发的不平衡。 流体流量的变化将会导致流体角动量的变化，出于系统角动量守恒的要求，需要 系统产生一个相反方向的角动量。 针对第一个原因，我们首先进行了单螺旋通道的定性分析，即流体走如图8 所示 的热流体通道，而保持冷流体通道内无大范围定向流动。我们进行了简易模拟试验： 以橡皮管代替螺旋板换热器的流体通道，采用水为流动介质，从中央垂直注入橡皮管， 将橡皮管固定在泡沫平板上，置于静水中。流体从中央垂直注入橡皮管，沿图示中热 流体方向流出。在流体流动稳定后，去除固定，整个橡皮盘管将向流体射出的相反方 向运动，旋转至一定角度，然后系统将保持稳定。 图8 单螺旋通道流动示意图 甲醇塔内件稳定性操作分析发优化 浙江大学t 程硕七论文 从以上的结果可以看到，由于流体的流动，系统将受到一个持续的力矩作用，并 且在流量保持不变的条件下，这个力矩可以保持一定的大小和方向。 然后保持流体进口的流动方向不变，将图示中的热流体出口方向，调整到与螺旋 平面垂直方向，则发现在流体流量保持稳定的情况下，系统将保持稳定。若将热流体 流量忽然减小，整个系统将向热流体的流动方向旋转：将流量忽然调大，则整个系统 将发生向热流体流动相反方向的旋转。 3 2内件旋转问题的相关计算 从前面的分析中，了解到合成塔内件的旋转问题主要有以下两方面的原因： 1 稳定流动条件下，流体对合成塔内件的作用力的推动作用： 2 由流量变化引起的流体的角动量的变化引发的不平衡。 而这两方面的原因往往同时作用在系统之上，并且相互影响，因此需要建立螺旋 板通道内的流体流动产生的系统角动量与流量之间的函数关系，以及进出合成塔的气 体对系统的推力或推力矩与流量间的函数关系。并且进一步得到合成塔内件的无旋转 运转条件和固定合成塔内件所需力矩的计算式。为了校验模型，还需要有流量变化引 起的角位移的计算方程，而角位移的计算过程中，需要使用系统的转动惯量公式。 3 2 1 螺旋板角动量计算模型 在螺旋板角动量计算模型中，根据实际情况，并考虑到模型一般性的需要，做出 如下的假设： 1 螺旋板的俯视截面可以采用等速螺线描述【1 1 11 2 1 ： r e = o + 日曰 ( 1 ) 螺旋通道的边界方程为