книги из ГПНТБ / Караваев М.М. Промышленный синтез метанола

Г Л А В А IV

ОСНОВНЫЕ АППАРАТЫ И КОНТРОЛЬ ПРОИЗВОДСТВА

АППАРАТЫ ДЛЯ КОНВЕРСИИ УГЛЕВОДОРОДОВ

В процессе подготовки исходного газа для синтеза метанола наибольшее распространение получили паро-углекислотная и па- ро-углеКислотная с применением кислорода конверсии углеводо­ родного сырья. При паро-углекислотной конверсии природного га­ за используется следующее оборудование: трубчатая печь, скруббер, смеситель газовых потоков, котел-утилизатор и газодув­ ки. Основное различие в аппаратурном оформлении процессов паро-углекислотной и паро-углекислотной с применением кислоро­ да конверсий составляет реакционный аппарат.

Рис. 17. Трубчатая печь:

/, 2 — коллекторы конвертированного и исходного газа; 3 — реакцион ная труба; 4 — футеровка; 5 — горелка; 6 — дымоход.

68

Трубчатые печи (рис. 17) служат для паро-углекислотной кон­ версии природного газа при атмосферном или повышенном давле­ нии. Основной конструктивной особенностью трубчатой печи яв­ ляется большое число (от десятков до нескольких сотен) одина­ ковых трубчатых реакторов — реакционных труб. Трубы запол­ нены катализатором и объединены коллектором на входе парога­ зовой смеси и на выходе конвертированного газа. Вследствие большого числа одинаковых реакторов обеспечивается надежность

Поскольку паро-углекислотная (бескислородная) конверсия ме­ тана процесс эндотермический, тепло, необходимое для проведе­ ния реакции, поддерживают за счет обогрева реакционной зоны (труб с ка4ализатором) топочным (природным) газом. Последний сжигают в беспламенных панельных горелках (рис. 19), располо­ женных на продольной стене печи. Горелка представляет собой часть излучающей стены топки. Каждая-горелка снабжена инжек­ тором 3 для инжектирования воздуха природным газом и смеше­ ния обоих потоков. Газ и воздух смешиваются в смесительной камере, и топливная смесь поступает через распределительные ме­ таллические трубки в каналы шамотной насадки. Горелки уста­ навливают рядами по высоте боковых стен топочных камер, так что они образуют сплошные излучающие поверхности. С помощью горизонтальных коллекторов, связывающих горелки камеры, мож­ но регулировать подвод тепла по всей длине камеры; можно так­ же регулировать подвод тепла и по высоте реакционных труб.

•Описанные горелки обеспечивают постоянство соотношения газа

69

70

скин сварной аппарат с тарельчатой насадкой. Природный газ по­ ступает в башню через нижний боковой штуцер (диаметр 630 мм), поднимается вверх и выходит через верхний центральный штуцер. В верхней части башни расположено распределительное устройст­ во для равномерного орошения насадки водой. Для уменьшения уноса капель влаги вверху башни размещен каплеотбойник.

Конвертированный. газ

Газовый теплообменник (рис. 21) предназначен для подогрева парогазовой смеси и двуокиси углерода. Он представляет собой вертикальный аппарат кожухотрубного типа. Корпус и трубчатая насадка аппарата изготовлены из легированной стали 1Х18Н9Т. Парогазовая смесь подогревается до 500—600 °С за счет тепла конвертированного газа, поступающего в трубное пространство теплообменника.

Смеситель (рис. 22) служит для приготовления исходной па­ рогазовой смеси. Основные требования, предъявляемые к смесите­ лю — обеспечить тщательное смешение компонентов газа и пре­ дотвратить возможность взрыва метано-кислородных смесей. На рис. 22 показан вертикальный трубчатый смеситель, изготовлен­ ный из стали 1Х18Н9Т. Принцип работы его заключается в раз­ бивке смешиваемых газовых потоков (Н20, С02, СН4—0 2) на множество струй. С целью безопасности процесса скорость паро­ газовой смеси принимается большей скорости кислородсодержа­

71

щего компонента. Кислород вводят в трубное пространство сме­ сителя, а парогазовую смесь — в межтрубное.

Конвертор шахтного типа (рис. 23), предназначенный для про­ ведения конверсии метана и его гомологов, представляет собой вертикальный сварной аппарат из малоуглеродистой котельной

стали, футерованный внутри огнеупорным кирпичом. Конвертор заполняют катализатором ГИАП-3; над катализатором уклады­ вают куски магнезитового кирпича (кубики размером сторон 30— 50 мм), пропитанного предварительно азотнокислым никелем. Для контроля температуры над катализатором и в зоне катализатора конвертор снабжен карманами для термопар. В верхней части конвертора устанавливают смеситель. Объемная скорость газа при конверсии метана 250 ч_1, при использовании синтез-газа после производства ацетилена — до 750 ч_1. Конвертированный газ вы-’s- ходит из аппарата через нижний боковой штуцер, футерованный огнеупорным кирпичом. В газоходе на выходе из конвертора уста­ новлена термопара для замера'температуры газа.

Котел-утилизатор (рис. 24) предназначен для получения водя-' ного насыщенного пара давлением до 5 кгс/см2 (температура ~150°С ). Котел-утилизатор устанавливают на линии конвертиро­ ванного газа после конвертора. Он состоит из двух вертикальных барабанов, внутри которых вмонтированы трубки, и из горизон­ тального барабана (паросборника). Для получения пара исполь­ зуют тепло конвертированного газа.

72

Греющий газ проходит по трубкам вертикальных барабанов. Межтрубное пространство каждого барабана соединяется с паро­ сборником для подачи в котел подогретой воды и отвода насыщен­ ного пара и паро-водяной эмульоии. Снаружи аппарат покрыт слоем теплоизоляции.

Абсорбер (рис. 25) служит для очистки конвертированного газа от двуокиси углерода раствором моноэтаноламина. Он пред­ ставляет собой цилиндрический аппарат из углеродистой стали. Внутри аппарата имеется два слоя насадки из керамических колец Рашига размером 5 0 x 5 0 x 5 мм и 25X25X3 мм. В верхней части аппарата устанавливают устройство для орошения жидкости и ме­ таллическую насадку высотой 1 м из колец, выполненных из леги­ рованной стали. Насадка предназначена для улавливания ка­ пель раствора моноэтаноламина. Конвертированный газ подают навстречу стекающему вниз по насадке раствору моноэтанолами­ на. Для извлечения двуокиси углерода насыщенный раствор мо­ ноэтаноламина регенерируют в аппарате (регенераторе) при по­ вышенной температуре.

АППАРАТЫ ДЛЯ СИНТЕЗА МЕТАНОЛА

Одним из основных аппаратов в процессе получения метанола является колонна синтеза. Она состоит из корпуса высокого дав­ ления и насадки. Насадка содержит колосниковые решетки, на которые іі-іасыпают катализатор, и газораспределительное устрой­ ство для подачи холодного газа. Для замера и регулирования тем­ пературы по слою катализатора установлены термопары.

Наиболее оптимальным режимом синтеза метанола является изотермический процесс, т. е. процесс, протекающий при постоян­ ной температуре. Степень приближения реального температурного режима к изотермическому зависит от конструкции насадки ко­ лонны. Насадки для синтеза метанола при 300 кгс/см2 на цинкхромовом катализаторе видоизменяются чаще, чем насадки ко­ лонн, работающих при низком давлении. В настоящее время нахо­ дятся в эксплуатации насадки шахтного типа, полочные несовме­ щенные, полочные совмещенные с теплообменником, с противо­ точными трубками в катализаторной коробке и нижним теплооб­ менником. Вводят в эксплуатацию колонны с комбинированной по­ лочной насадкой.

Полочная насадка несовмещенного типа проста по конструк­ ции (см. рис. 10, стр. 45). Газ после выносных теплообменников через центральную трубу насадки поступает на катализатор, по­ следовательно засыпанный на каждую полку. После каждой пол­ ки, кроме последней, предусмотрен ввод холодного газа (холод­ ных байпасов) для регулирования и поддержания оптимальной температуры в колонне. Чем больше число полок в насадке, тем лучше условия для регулирования температуры. Однако увеличе­ ние числа полок может привести к усложнению конструкции на-

73

садки, поэтому обычно в колоннах высотой 12 м ограничиваются 5—6-ю полками. Температура по высоте колонны увеличиваемся пикообразно. Повышение температуры в целом связано с экзотер­ мическим тепловым эффектом реакции синтеза метанола, а сниже­ ние обусловлено подачей холодного газа после каждой полки. Температура на входе в первую полку 310—320 °С, на выходе из последней -~390°С. Низкая температура на входе в первую полку обусловлена незначительным предварительным подогревом газа в выносном теплообменнике (вне колонны синтеза) и потерей теп­ ла в окружающую среду.

Холодные

Съемметанола, объемн.%

непосредственно в одной поковке с катализаторной коробкой. Оп­ тимальную температуру поддерживают с помощью холодных бай­ пасов. Температурный режим в данном случае более стабильный. Однако общим недостатком рассмотренных насадок является то, что реальный температурный режим отличается от изотермическо­ го; регулирование температуры идет пикообразно.

74

Комбинированная полочная насадка с дополнительным тепло­ обменником из двойных трубок (трубки Фильда) в верхней части колонны (рис. 26) лишена этих недостатков. В такой колонне уве­ личивается отвод тепла с первых слоев катализатора — зоны наи- * более интенсивного выделения тепла (здесь скорость образова­ ния метанола максимальная). При введении теплообменных тру­ бок в верхнюю зону катализатора не только улучшаются условия ^ синтеза, но и повышается температура начала реакции. Ход газа , следующий: основной поток газа поступает сверху и распростра­ няется между корпусом и насадкой колонны. Затем' газ поступает в межтрубное пространство теплообменника, расположенного в нижней части колонны. Здесь он нагревается за счет тепла реак­ ционного газа. Затем по центральной трубе, в которой установлен электроподогреватель, газ поступает в верхнюю часть колонны и проходит трубки Фильда, размещенные непосредственно в слое катализатора. В трубках Фильда газ дополнительно нагревается. Температура по ходу газа меняется следующим образом. Газ на­ гревается в центральной трубе с 275 до 290 °С, во внутренней труб­ ке Фильда с 290 до 295 °С, а в наружной с 295 до 335 °С. За счет тепла реакции в зоне катализатора температура газа в полке с трубками Фильда повышается с 335 до 381 °С, поэтому для сни­ жения температуры до 345 °С после этой полки подают холодный газ. После катализаторных полок прореагировавший газ посту­

. лирования температуры в колонне на полки катализатора вводят холодные байпасы. Температуру можно также регулировать пода­ чей холодного газа в нижнюю часть центральной трубы. В комби­ нированной насадке сохраняются преимущества полочной конст­ рукции и в то же время создается возможность регулирования тем­ пературного режима в узких пределах.

Одной из наиболее ранних внедренных в производство метано­ ла насадок является колонна синтеза с трубчатой катализаторной коробкой. Ход газа в колонне и температурный режим показаны

•на рис. 27. Температуру в зоне катализатора поддерживают путем отвода тепла.исходным газом, который проходит по теплообмен­ ным трубкам, расположенным непосредственно е слое катализа­ тора. Подачей холодного байпаса можно изменить температуру

газа только до поступления на катализатор.

Как видно из зависимости распределения температуры по вы­ соте слоя катализатора, в нижней части слоя поддерживается оп­ тимальная температура синтеза. В зоне наиболее интенсивного протекания реакции, примерно в середине верхней половины слоя катализатора, необходимый отвод тепла не обеспечивается. Раз­ рабатывают новые типы насадок, которые обеспечивают поддержа­ ние оптимального температурного режима в зоне катализа, эффек­ тивное использование тепла реакции, и в то же время они остают­ ся несложными в конструктивном оформлении. Последнее условие

75

особенно важно ввиду создания агрегатов большой мощности, где простота и надежность являются основной гарантией длительной и непрерывной работы агрегата.

На рис. 28 показана колонна синтеза с насадкой совмещенного типа, в которой тепло из зоны реакции отводится посторонним теп­ лоносителем (водой). После каждой полки расположены змееви­ ки теплообменника 2, в которых при давлении синтеза циркулиру­ ет и нагревается дистиллированная вода. Горячая дистиллирован­ ная вода высокого давления охлаждается в котле-утилизаторе 3, установленном над колонной. В приведенной конструкции насад­ ки температура по высоте слоя катализатора меняется по зависи­ мости, близкой к изотермической. Дополнительно при рекуперации тепла реакции получают технологический пар. В производстве ме­ танола пар используют при конверсии углеводородов и для при­ вода турбоциркуляционных компрессоров.

76

Количество загружаемого катализатора меняется в зависимо­ сти от вида насадки, поэтому и производительность колонн синте­ за колеблется от 100 до 150 т/сут.

Конструкции колонны синтеза метанола при низком давлении существенно отличаются от описанных выше. Вследствие сниже­ ния температуры синтеза до 220—280°С колонна не имеет насад­ ки. Температурный режим поддерживают с помощью холодных байпасов. В технологических схемах производства метанола, ра­ ботающих при 40—60 кгс/см2, используют колонну синтеза шахт­

кая (220—280 °С). Для регулирования температуры в слое катали­ затора по высоте колонны предусмотрен ввод холодных байпасов. Температурная зависимость по высоте насадки имеет пикообраз­ ный характер.

Конденсацию паров метанола на установках средней мощно­ сти с использованием цинк-хромового катализатора обычно про­ водят в конденсаторах типа «труба в трубе». Они смонтированы из расположённых друг над другом элементов, которые состоят из двух труб: наружной трубы низкого давления и внутренней — высокого давления. По трубам высокого давления проходит цир­ куляционный газ, в межтрубном пространстве — охлаждающая вода. Такие элементы собирают в несколько секций, которые при­ соединяют к общему коллектору. Конденсаторы этого типа обла­ дают высокими коэффициентами теплопередачи в результате больших скоростей газа и воды, но громоздки и дороги вследствие большого расхода металла. В процессе работы холодильники за­ биваются, что уменьшает коэффициент теплопередачи.

В последнее время на крупных одноагрегатных установках как при высоком, так и при низком давлении широко применяют бо­

77