无镜框眼镜林达超级均温反应器JWC的技术创新和应用前景 楼韧楼寿林
（杭州林达化工技术工程有限公司，杭州，310012）
摘要：在已成功投运的卧式水冷甲醇塔基础上开发了分级水冷的林达超级均温反应器，特别适用于强放热气固相催化反应，包括大型特大型甲醇合成、一步法二甲醚、焦炉气合成人工天然气、MTG、MTP、F-T 反应制汽油、甲醇－二甲醚汽油－IGCC联产等。 1 林达超级均温型反应器JWC的创新
林达公司成功开发了卧式水冷甲醇合成塔，并在短短的三年多时间里成功应用在年产廿万吨级甲醇合成装置上，创造了世界首台卧式水冷甲醇塔，日产700吨精甲醇，循环比降到2以下，出塔甲醇超过11%的世界领先水平。但是在甲醇或二甲醇－IGCC等动力联产中，为了实现更高的节能效果，需要在高CO 含量，低循环或不循环下合成甲醇或二甲醚，这就需要更强的移热能力，否则会使催化剂超温失活，为此林达公司于2007年开发了分级水冷反应器技术并已获得国家专利，这是根据甲醇合成等催化放热反应的特点和反应原理而发明的专利技术。 由于催化反应在催化剂上并不按前后相等速度进行，一般反应器前部离平衡远，反应速度快，放出反应
热也多，后部随反应接近平衡，反应速度减慢，放出反应热也少，而如前所述现有的管壳式水冷反应器，冷却剂的温度前后一样，这样如果降低冷却剂温度，加大传热温差，达到上部或前部高反应速度和强反应热Q R的移热Q E要求，则反应器下部或后部反应热Q R减小，传出热量Q E＞Q R造成反应温度下降，使反应速度进一步减慢直到催化剂活性以下就停止反应，因此难以做到前后部反应都在最佳反应温度下进行的两全其美的办法。针对这一根本矛盾，JWC超级均温反应器突破现有用同一温度的冷却剂，而采用反应器不同区段采用不同温度冷却剂来解决，使反应中换热按反应热移出的大小需要设计，具体可按反应气在催化剂层中流动方向顺序划分为前后多个块区，由冷却剂通过换热管来间接换热，对于像甲醇合成反应，反应温度在210℃~290℃范围内，可采用加压热水作载热体，在反应器内液体汽化吸热远高于冷却介质温升吸收的显热，对于更高反应温度则需用挥发性低的矿物油、导热油或熔盐作冷却剂。采用JWC分级水冷卧式水冷甲醇塔。一是前后不同催化剂块区采用分组换热管，每组换热管可根据需要与不同汽化压力、汽化温度的一个汽包连通，例如反应前期位于反应前部换热管中低压低温下汽化，增加传热温差ΔT强化传热，解决反应前部反应速度快、反应热特大的问题；位于反应后部催化反应速度和反应热减少，换热水管汽化压力和温度相应提高，减小传热温差ΔT，避免因后部反应热减小，移热过多，反应温度过低。二是汽包压力可以调节高低，随着催化剂使用时间的增加，催化反应向后部推进，后部反应热增加时，也可将后部催化剂中换热水管汽化压力降低或与低压汽包连结，使后期水管在低温低压下气化加大传热温差和传热速度。
图1配有二个汽包的JWC卧式水冷反应装置示意图
pfa喷涂图为一种JWC反应器结构简图，上图中由带封头的圆筒形壳体1，壳体1上的反应气进口2和反应气出口3，催化剂层4、多孔气体分布器7和多孔集气板8，催化剂层4中冷却介质移热的U形换热管5，换热管5两端有隔板10和11组成反应设备9，装有蒸汽压力调节阀41、42的汽包61、62，图中催化剂层4依反应气流动方向顺序划分为上下二个催化反应块区401、402，二个块区中由换热管组501、502构成换热反应块区，换热管组由U形管组成，U形管开口两端与联箱601、602……连通。换热管组501联箱
太阳能淋浴器602的进口管302与汽包62的水管72连结，换热管组501联箱601的出口管301与汽包62的汽水管92连结，构成第一个循环回路；换热管组502由图中联箱604和605用连通管800连通串连（也可以用二个以上串连）成一个换热反应块区402，换热管组502联箱606的进口管304与汽包61的水管71连结，联箱603出口管303与汽包61的汽水管91连结，构成不同汽化温度冷却介质第二个循环回路。反应气由进口2进入，经多孔分布器7进入隔板10、11和反应设备壳体1内，依次在催化反应块区以不同的换热速度反应，图中当用水作换热介质直接副产蒸汽时汽包61、62为调压汽包。上述反应器中反应气的进口2和出口3也可开在筒体二侧封头，图中水管71、72上还连有加水管51、52。
2 林达大型、特大型JWC的应用和推广前景
2.1大型、特大型甲醇合成
现有的Lurgi、DAVY及Topsφe等公司5000吨/日大甲醇装置均采用3台上下反应器。而林达也为多家用户提供过日产2000～7500吨的卧式水冷甲醇塔方案，其中根据中国石化协会化工生产力促进
中心要求，上报国家科技部组织年产180万吨大型甲醇项目示范工程集成创新备选方案，该方案采用了联合反应器流程，反应器采用林达卧式水冷反应器和均温气冷反应器各一台。
目前的甲醇合成装置普遍设备庞大和能耗较高，其主要原因是甲醇合成的强放热性、铜基合成催化剂
的低耐热性以及目前甲醇反应器的移热能力限制，需要加大合成回路循环气量，稀释入塔CO浓度，缓和反应放热并带走反应热，在合成回路中的处理气量是原料气量的6倍以上。林达卧式反应器在充分分析合成反应速度的规律和特点，采用上述分级水冷JWC超级均温反应器在突破了反应器的移热难题的结构设计后，经过数学模拟计算可以在低循环比，或无循环合成气一次性通过，出塔甲醇合量可达20％甚至30％以上，这样在同等合成气量情况下，生产能力可成倍提高。例如进塔气量560000Nm3/h，在现有循环比为5时年产甲醇30万吨，而循环比为0.5时可达年产120万吨，同时采用化整为零、壳体和内件分开、内件分组组装，突破单台能力限制，这不仅为大型化提供了很大的空间，而且成倍降低合成回路配套设备、循环机、管道投资和能耗。
2.2 甲烷化制替代天然气SNG
煤制天然气是国家发展煤化工的五个重点之一，原料气可以用Lurgi炉制取高CH4含量合成气，也可用焦炉煤气（COG），其中用COG甲烷化制SNG更具有投资低、能量转化率高（可达90%上下）的显著优势，其中核心技术是甲烷化反应。将合成气中的H2、CO、CO2进行甲烷化反应，甲烷化反应可以用硫化钼耐硫催化剂上进行或氧化铝作载体的镍催化剂上进行，人工合成天然气的技术难点主要在于甲烷化反应的强放热反应。
CO + 3H2 = CH4 + H2O +206KJ/mol (1)
CO2 + 4H2 = CH4 + 2H2O +165KJ/mol (2)
由于甲烷化反应(1)和(2)为强放热反应，反应（1）的绝热温升72℃，且合成人工天然气的反应热要比合成氨生产中的甲烷化大数拾倍，故控制合成气甲烷化过程中甲烷化反应器中的温度，以防止反应器中催化剂的过热成为一个技术难题。现有技术在甲烷化反应过程中控制温度的常规方法需要使用包括多个热交换器和气体循环机的复杂装置，以冷却流出物气体并且防止甲烷化催化剂的过热，如美国专利US4016189、US4205961、US4298694，采用绝热反应器和换热反应器，多台串联进行甲烷化反应，由于CO或CO2加H2的甲烷化反应热很大，这就要增加设备台数；二是采用循环气来降低进甲烷化反应气的CO含量来控制反应热，这就增加了动力消耗；三是绝热反应下甲烷化反应温度高达600~650℃，高温反应引起结碳，为防止结碳需补加蒸气到合成气使能耗增加。
林达开发了用JWC的均温甲烷化工艺技术，并正在进行年产1亿标方COG制SNG项目，该项目工艺流程见下图2。由COG制SNG，每1000 Nm3SNG消耗COG 2000Nm3，CO2 130M3，副产高压蒸汽 1.2吨，与国外公司高温甲烷化相比工艺优势在于：一是由高温~650℃甲烷化工艺改为均温~400℃甲烷化工艺，避免了高温甲烷化催化剂失活和结碳，大幅提高甲烷化反应平衡转化率，降低了甲烷化催化剂的用量和费用；二是由3－4台甲烷化反应器和多台废热锅炉减少到1台JWC甲烷化反应器，节省了设备和管道等投资费用；三是不需要循环，节省投资和循环机电耗；四是不用补加蒸汽防止甲烷化
中结碳，提高副产蒸汽量，大幅提高能量转化率。
图2林达JWC均温甲烷化工艺流程
2.3 化工（甲醇、二甲醚、汽油）－电力IGCC联产
近年来林达公司在甲醇化工－IGCC电力联产技术上进行大量技术研究工作，并申请了国内外专利。目前已为二个单位做过甲醇－IGCC联产技术方案。
化工－动力多联产是国内外公认的发展煤化工的高效节能技术，这一领域中目前重点研究甲醇－IGCC吸波
或二甲醚－IGCC，汽油－IGCC动力联产，而当甲醇合成或二甲醚合成实现低循环或无循环，其节能优势是非常显著的，如在单产甲醇或二甲醚装置中采用无循环合成虽可大幅提高生产能力，但所需面对的问题是合成放空气量的增加，会导致气耗增加影响经济效益，因此采用合成放空气去燃气、蒸汽发电则成为最好的组合，即形成整体煤气化联合循环发电（IGCC）产业，化工与电力联产无疑比化工和电力分别生产能显著提高能量利用率和经济效益。该化工－电力联产技术组合框图如下图3。
化学品合成
图3化工－电力联产技术组合框图
说明：1、化学品合成可以是甲醇、二甲醚或汽油合成，可以用一个反应器一步合成甲醇或二甲醚，
也可以用二个反应器串联分步合成，如合成气经甲醇合成二甲醚或汽油。
2、在气化、净化、合成工序中都有热回收付产蒸汽供蒸气发电等用。
下面举例说明利用本文前述JWC反应器实现无循环合成甲醇、二甲醚或汽油与IGCC联产。
例1：用煤制合成气化工－电力多联产系统，原料煤耗量31.6kg/s，进气化煤等供料有效能（以下简称火用）总火用883.3MW，经过净化进合成的净化合成气的气量2.778kmol/s，气体组成及各流量见表1。在化工合成工序合成气一次通过合成甲醇，在5Mpa压力下经换热器用出塔气加热到220℃左右的合成气进入甲醇合成反应器，在甲醇催化剂作用下，在约220~270℃温度下甲醇合成气中的H2和CO、CO2进行合成CH3OH，甲醇合成反应器中换热管组内水的汽化温度可根据需要独立调节达到保持甲醇合成催化剂层中反应温度均匀、温差小，出合成塔气体中甲醇含量25.1%，经换热器换热和冷却器冷却到约35℃，在气液分离器中分离液相产品甲醇和驰放气，其中甲醇产量为14.66kg/s，驰放气经膨胀机回收能量去燃气发电，出燃气发电的热气体在蒸汽发电工序回收热量产生蒸汽与气化、净化和合成送来蒸汽一起发电，烟气排出，获得的电力除自用电外可外输电188MW。具体数据见表2中例1。
表1进化工合成气体组成
叠衣板
成分H2CO N2CH4CO2H2O CH3OH 总量mol % 40.04 57.21 2.1 0.06 0.59 0 0 100 Kmol/s 1.122 1.589 0.058 0.002 0.016 0 0 2.778 作为对比折合分产：用例1气化同样气量所得粗合成气单产甲醇不发电，为此合成气在净化工序中经CO变换和脱CO2得合成气组成氢碳比为2，进甲醇合成5进行合成甲醇，甲醇合成可用已知技术例如Lurgi管壳合成塔，循环气和原料合成气的mol气量比为5左右，制得甲醇产量与本例联产相等14.66kg/s时需原料燃料煤火用为665.2MW，单产每吨甲醇能耗为45.3GJ/T，化工产品能量转化率48%，而联产能耗30.77GJ/T。而IGCC整体煤气化联合循环发电单产电力输出188MW时，由热转化效率为43.5%，算得需432.2MW原燃料，即当IGCC和甲醇分产时获得本例同样的甲醇产品和转出电力时总原燃料煤需665.2＋432.2＝1097.4MW，即分产时能量总效率为46.2%。本例中联产用耗原燃料煤883.3MW，总能量效率为57.4%，相对节能率＝1－883.3/1097.4＝0.195，即19.5%。具体数据见表2中例1。
例2：煤制合成气二甲醚－电力多联产系统，反应器用铜基甲醇催化剂A和γ氧化铝或分子筛脱水催化剂B组成的双功能催化剂替代例1中铜基甲醇合成催化剂，在6Mpa压力和280℃上下温度下合成二甲醚，二甲醚合成中催化剂温度同样可用卧式水冷换热管组中移热介质则如水的汽化温度和压力来调节控制达到缩小温差、温度均匀平衡的目的，用表1同样气量和组成合成气2.778kmol/s，不循环一次合成得10.43kg/s二甲醚，未反应合成弛放气去燃气/蒸汽联合发电，除自用外可外供175MW，吨二甲醚能耗46.21GJ/T，总火用利用率为53.59%，折合分产时用现有一步法生产二甲醚技术，得联产同样10.
太阳能灯笼
43kg/s二甲醚，产品能耗63.2GJ/T。同样输出电力175MW 单产电力IGCC，需原燃料402.3MW，分产需总原燃料1061.3MW，联产比分产相对节能率16.76%。具体数据见表2中例2。
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