等温变换反应器分析说明

国内外各类低压甲醇塔结构

应用于等温变换反应器上存在问题及优点的分析

(中国化学工业集团公司XX工程有限公司)

“等温变换技术”是我国自己研发并有自己知识产权的专利技术，目前南京敦先化工科技有限公司、湖南安淳公司、河北正元工艺均有开起来的业绩，特别南京敦先化工科技有限公司已经有8套业绩了，有粉煤加压气化、水煤浆加压气化、固定床加压气化以及石油石化渣油制氢气化等方面业绩。从目前我们所承接的工程项目及与技术商、业主接触过程中可以知道：现在业主在新上大型煤化工项目上均想采用“等温变换技术”。“等温变换反应器”实际是由低压甲醇反应器演变而来，但“等温变换反应器”又不同与“低压甲醇反应器”，

为了业主在新技术上更好的选择以及在决策上不会有失误。本

文把国内外现有低压甲醇塔结构形式应用到变换装置上存在的

优缺点进行客观分析，以供各位业主参考及技术商进一步优化

设计，如有不妥之处请谅解：

1、日本某技术公司单管板甲醇反应器存在以下问题：

（1）厚管板受热不均匀、厚管板易出现裂纹：气侧与水侧

之间的厚管板无法实现合理操作曲线（气侧如有合理操作曲线，

气侧温差要达到100℃以上，这是变换反应的特殊需求），如果

实现合理操作曲线，则厚管板热应力不同，管板很容易出现裂

纹；

（2）结构不合理、容易造成整台设备报废：虽然采用了双

管板结构，但在结构上设计不合理。厚管板与上部水箱及厚管

板与下部催化剂床层之间全部采用焊接结构，高压外筒、气体

分部器、换热管等部件全部与厚管板直接焊接，催化剂从上部

中心管装填，而且下部设有双封头，不仅不利于催化剂装填和

自卸，一旦催化剂无法自卸，则整台设备报废（如右上侧图），

日本多段全径向结构（如右下侧图）也是单管板结构，仅是将

厚管板及水箱放到下部，仅是解决了催化剂便于装填，但右上

图结构存在的诸多问题是一样的；

（3）不适合二级变炉使用、也不适合装置大型化：该甲醇

反应器实际是是浮头式换热器结构，单管板无法承受较大负压

差，如果将反应器直径放大到DN3800，单侧承受负压差为3.5MPa时，单管板厚

度需要在550mm以上，市场上无法采购这么厚的管板。如果这种结构用于二级变炉上去，则管板是最薄弱环节，管板受负压容易出现裂纹，换热管与管板之间的焊缝易拉裂。目前运行的某技术公司浮头式甲醇合成塔（结构由鲁奇演变而来，上管板为固定管板、下部采用双封头，相对膨胀量采用管道式膨胀节消除）也属于单管板结构，已投运的设备有好多家在单管板上出现了泄露问题（如湖北三宁、河北金石等单位低压联醇装置）；

这种结构的低压甲醇塔如果应用到变换装置上是无法实现装置大型化的，主要受管板的限制，如果设备直径放大到DN3800以上，国内提供锻件的单位的锻压机已经无法提供满足压差需求的厚管板了。

（4）国内某集团运行的一台单管板式等温变换反应器仅是将低压甲醇塔应用到变换装置上，完全没有掌握等温变换反应器的设计理念：目前，变换系统气侧压力为3.378MPa、副产蒸汽压力已到3.646MPa，水侧压力已经高于气侧压力，而催化剂床层温度仅为264℃，出反应器出口温度为258℃。随着催化剂使用寿命延长，催化剂活性衰退，要想进一步提高催化剂床层温度就得提高蒸汽压力，而依靠提高蒸汽压力来提高催化剂床层温度是有限的，可能在催化剂使用到0.5～1.0年时，蒸汽压力需要提升到5.0MPa以上。

该催化剂床层没有合理操作曲线，不利于有机硫转化及防治催化剂发生水合结块；催化剂床层温度难以提升，耐硫宽温区催化剂就失去“宽温区”意义了，造成催化剂使用周期短、生产运行费用高；随着水侧与气侧压产增大，厚管板管板可能出现裂纹，造成水漏到催化剂床层，一旦发生泄露，则会出现整台设备报废现象，装置不能运行。

如果应用与粉煤加压气化变换装置，CO含量高，需要向系统添加蒸汽，会造成催化剂床层泡在水中，催化剂中钾盐流失、短时间内催化剂活性迅速下降，更会造成催化剂发生水合，反应器内部催化剂结成整块，不仅催化剂床层阻力大，催化剂难以自卸，造成整台设备报废。这是业主在大型装置上必须要考虑的首要问题，大型装置投资可能在几十亿甚至几百亿，一旦发生这种事故则造成几十亿甚至几百亿的投资装置无法运转，给业主带来经济损失太大。

该种反应器具有以下优点：

（1）消除运行过程中热应力效果好：该结构甲醇反应器换热管为盲肠式，一端固定、一端自由伸缩，消除热应力方面是任何低压甲醇塔不可比拟的；

（2）水侧与侧气之间焊接点少、焊缝易保证质量：该结构水侧与气侧之间焊接点仅在上管板上，焊接易焊接，易保证焊接质量；

2、板式甲醇反应器存在以下问题：

板式甲醇反应器受热元件为两层薄钢板焊接后再冲压而

形成带有腔体的换热板，腔体内走水，板外走气。采用全径

向结构催化剂床层时，换热板由内向外按照同心圆布置若干

层，由于换热板是长方形平板，随着催化剂床层直径增大，

则单一换热板的宽度也增加，如果甲醇塔直径在DN3500时，

外围换热板的宽度则达到500mm以上。该结构甲醇反应器如

果应用到变换反应器中会存在以下问题：

（1）焊缝多、安全系数低：换热元件为换热板，换热板

是由两块δ=2.5mm的钢板焊接而成，如果最外一层换热板高

度为9000mm，则这块换热板周的焊缝总长度（9+0.5）×2=19m，如果一台DN3500的甲醇反应器，所有换热板周边的焊缝总长在16.8公里以上。国内技术公司制造

一台ф2800、H

板高=7500mm、V

催

=39.0m3的低压甲醇反应器，仅换热板周边焊缝累

计起来就达到6公里，如果这种结构应于等温变换反应器内，泄漏几率大大增加；

（2）不利设置合理操作曲线、满足不了变换工艺特殊需求：单块换热板高换热面积为9×2×0.5=9m2、外围换热总面积为3.5×3.14÷0.5×9≈197.82m2，无论如何调整，每一周的换热面积太大。如果气体沿催化剂床层由外向内径向流动，催化剂床层温度只会是同一温度，不会出现合理操作曲线；

如果将气体改为由内向外径向流经催化剂床层，催化剂床层吸灰能力大幅度下降，与入口气体接触的催化剂失去活性速率非常快，床层阻力会迅速上升。我们按照内圈直径为700mm计算，则内圈径向催化剂床层截面积为0.7×3.14×9≈19.971m2，在同样积灰厚度前提下，内圈积灰能力仅是外圈的19.971÷197.82≈1/10；

（3）换热板承压能力差、易造成水路不流畅：板式甲醇反应器受热元件为两层厚度为2.5mm薄钢板进行周边焊接及中间部位采用电阻焊而形成上图的结构，然后再冲压到9.0MPa而形成带有腔体的换热板。腔体内走水，板外走气。在已运行的甲醇装置上，气侧为5.0MPa、水侧为2.5MPa、换热板承受负压差在2.5MPa 工况下，部分换热板已经变形，造成水路流通不畅。

如果用于加压气化压力为4.0MPa、6.5MPa或8.7MPa变换装置，换热板承受的负压差或正压差则会出现在3.5MPa以上，更会造成水路不通畅。

如果采用厚板加工换热板，在充压鼓起时，充水压力要大幅度提高，但带来的是换热变环边焊缝易被撕裂，造成环边焊缝使用寿命短，运行中易造成泄漏事故。

（4）热应力消除差、随着直径增大、膨胀节易断裂几率增加：板式甲醇反应