论煤制甲醇合成设备的工艺设计

苏跃生

摘 要：在煤化工工业生产中，化工材料中甲醇占据着重要的生产地位，同时甲醇工艺也在不断发展和进步，其中甲醇合成设备的出现，使其生产水平大幅度提升，便同时合成设备的工艺设计问题也成为得到广泛关注。合成设备的设计合理性能够使设计甲醇合成效率有效提高，使甲醇工艺进步得到有效促进。因此需要合成设备的工艺设计加强研究。本文就甲醇合成工艺以及合成塔的工艺设计进行分析和探讨。

关键词：煤制甲醇;合成塔;合成工艺设计

一、煤制甲醇合成工艺分析

在煤制甲醇合成工艺中包括了高压、中压、低压三种，其中低压合成工艺具有设备简单、产品质量较高，并且设备简单的优势，其合成时主要催化剂为活性铜锌基，温度和合成压力保持在约250-280℃及10MPa，此工艺是现现阶段煤制甲醇的重要生产工艺;高压合成法主要催化剂为活性较低的锌铬，合成温度和压力分别为350-400℃和30MPa，此工艺成本较高、工艺复杂、产品质量稳定性较差，目前较少采用;煤制甲醇中包含了一氧化碳、氢气，对其进行净化处理后，将含硫量、氢碳比进行有效控制，合格的合成气应将上述指标控制在 0.1ppm 以下及 2.05-2.15之间。首先对入塔气利用合成设备等进行预热，形成高温甲醇气体，并将合成气温度上升至 225℃后，再将合成气由塔顶输送到合成塔内进行合成反应。合成塔根据甲醇合成状态，主要高效、新型的径向控制反应器，即束管式水床反应器进行处理，此反应器通过上下各四块的小管板，对以往的大管板进行有效替代，能够使大型化问题得以有效解决;同时将特制弯管作为换热管，能够使膨胀问题得以解决[1]。另外在换热管间进行催化剂的填充;在进行甲醇合成时，为了确保两个反应的稳定性，利用换热管内脱盐水对反应热进行冷却;通过合成塔产生低温进塔合成气以及高温气相产物，甲醇蒸汽在合成气预热器逆流换热区，随着温度下降，其被冷凝为液体，当冷却温度低于 45℃后，可对甲醇进行分离。

二、煤制甲醇工艺中甲醇合成塔工艺设计

（一）甲醇合成塔工艺

甲醇生产的核心合成设备即为合成塔，在合成塔工艺设计中需要对其结构和材料加强控制。传统合成塔的上下反应管通过焊接以及固定方式将其固定在合成塔壳体上，此焊接方式会使管板连接口与反应管之间产生温差，极容易导致反应管破裂而造成气体泄露，引发严重的安全事故。因此在甲醇合成塔工艺设计中，需要对相关数据加强把控，使其性能增强，并确保甲醇合成塔的安全性和正常使用年限。

（二）材料设计

在合成设备工艺设计强化过程中，需要根据甲醇合成塔工艺状态、运行介质材料成本投入、焊接性等，对球性封头、管程筒体、法兰锻件、壳程筒体、上下管板、反应管、补强管锻件等进行合理选择。

（三）合成塔结构的设计

在进行甲醇合成塔设计及运行过程中，需要在操作反应前，将催化剂颗粒在各根换热管间进行装填。如果出现管头泄漏的情况，会使催化剂中毒，同时需要对管头焊接质量加强控制，可对强度焊加柔性贴胀进行首先选择[2]。

对管箱进行入孔设计，使管头检修更便捷。在外壳底封头处进行催化剂自卸孔设置，可以在内件无需吊出的情况下，外壳筒体无需与上封头之间采用法兰连接，使大法兰加工制造困难的问题得以解决，同时成本节约。

在中心筒设计中采用吊出结构，因合成过程会产生一定的蜡，如中心筒孔被其堵住，中心筒无法吊出，则难以将蜡及时清除，因此需要采用可吊出的中心筒设计，有利于对其进行清理和检修。

（四）合成塔底座设计

由于大型合成塔受到运输等因素的影响，因此在进行鞍座设计时，需要避免其出现超宽等風险，可采用可拆卸式支座或裙座，将其分开进行运输，再在现场得用螺栓对合成塔及可拆支座进行连接[3]。

（五）换热管结构设计

因采用小管板结构，要求换热管均匀布设催化剂，需要采用弯管结构进行设计。根据设计要求对每根换热管进行弯制，确保其成型后进行穿管，要求其符合设备结构特点，并能够使膨胀问题有效解决。同时设计核心问题主要为：换热管和管板焊接接头强度以及密封性。在密封性良好、有振动、有间隙腐蚀的场合，可采用高强度焊加贴胀，能够使管板和换热管的拉脱强度、密封性得以有效满足，此连接方式能够符合温度和密封性要求的同时，还能免避免设备振动以及间隙腐蚀现象发生。另外为了确保焊接与密封效果，在进行换热管和管板焊接时，可采用氩弧焊方式;对液压胀管进行选择，能够避免管内壁出现冷作裂纹，并将贴胀量控制在 6% 以下[4]。

三、甲醇合成塔结构分析

入塔气主要通过透平压缩机，使气体压力达到 8.2MPa ，再将其与循环气进行混合而成，再利用出塔器对其进行换热，温度提高至 220℃;将入塔气由顶端入口送入合成塔，在换热管间装填一定粒径的催化剂，气体受催化剂的影响，促进二氧化碳、一氧化碳与氢气进行反应而形成甲醇。合成塔结构主要包括了换热管、外侧向喷射板、封头、由上下 4 块小管板组成的内件、管箱、中心筒等。通过小管板结构的运用，能够使合成塔大型化问题得以解决，同时每个小管板管箱上进行入孔设置，有利于检修工作的形展。另外合成塔内件采用径向向心流，能够使床层阻力有效降低。

四、 结束语

目前甲醇制作的核心合成设备为甲醇合成塔，也是甲醇合成工艺中的重要环节。甲醇合成塔主要为甲醇制作的重要合成装置，在合成过程中对甲醇合成反应释放的巨大热量进行利用和高效转移，在实际运行过程中，能够取得显著的效果，实现高硫煤的充分利用、资源节约等目的， 从而使煤炭行业发展得到有效促进。

参考文献：

[1]韩学琴. 煤制甲醇工艺中甲醇合成塔的设计研究[J]. 山西化工， 2018， 038（001）：104-106.

[2]陈兆. 煤制甲醇工艺中甲醇合成塔的设计[J]. 百科论坛电子杂志， 2018， 000（017）：253.

[3]赵明霞， 张萌萌， 李娜. 煤制甲醇生产工艺的优化与设计[J]. 中国化工贸易， 2018， 010（017）：20.

[4]孙巍， 杜美利. 浅析煤制甲醇工艺技术研究进展[J]. 中国化工贸易， 2019， 11（22）.