第49卷第2期化肥設(shè)計2011年4月Chemical Fertilizer Design低溫甲醇洗纏繞管式換熱器的優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用余建良(神華包頭煤化工分公司,內(nèi)蒙古包頭014010)摘要:介紹了新建180萬ψa煤制甲醇裝置中針對低溫甲醇洗纏繞管式換熱氣原料冷卻器進行的管程、殼程介質(zhì)互換的優(yōu)化設(shè)計過程;論逑了優(yōu)化設(shè)計面臨的問題和采取的改進措施;總結(jié)了原料氣冷卻器的生產(chǎn)運行效果和操作管理要點。關(guān)鍵詞:煤制甲醇裝置;低溫甲醇洗凈化工芑;纏繞管式換熱器;貧甲醇;優(yōu)化設(shè)計中圖分類號:TQ223.121文獻標識碼:A文章編號:1004-8901(2011)02-0023-04Optimal Design andIts Application for Spiral Tube Heat Exchanger of LowTemperature Methanol Wash PlantYU Jian-liangShenhua Baotou Coal Chemical- Engineering Sub-company, Baotou Innermongolia 014010 China)Abstract: Author has introduced the optimal design process of media interchange going in the tube and shell sides of raw gas cooler-spiral tube heatexchanger of low temperature methanol wash in allusion to the newly built plant of methanol made by coal with a capacity of 1, 800, 000 va: has dis.cussed the problems encountered in the optimal design and the improvement measures to be taken: has summarized both productive operation effect andoperational management gist for the raw gas coolerKey words: Plant of methanol made of coal; low temperature methanol wash purification process; spiral tube heat exchanger; lean methanol; opl某新建180萬ta煤制甲醇裝置為目前網(wǎng)內(nèi)最CO2。在以渣油和煤為原料的大型合成氨裝置上大規(guī)模煤制甲醇示范性裝置,包括煤氣化、凈化、甲大多采用低溫甲醇洗凈化工藝。纏繞管式換熱器醇合成3個單元裝置,其中:煤氣化采用美國CE水是林德低溫甲醇洗工藝技術(shù)的專利設(shè)備。作為煤漿氣化工藝,為7個氣化系列(5開2備),日處理種特殊結(jié)構(gòu)的管殼式換熱器,纏繞管式換熱器具煤7800(千基);凈化釆用部分變換和德國林德低有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高、能承受高壓、可實現(xiàn)多溫甲醇洗凈化工藝,為2個系列并列運行,每個系列股流換熱、無熱膨脹問題等優(yōu)點,在小溫差、大負有5臺纏繞管式換熱器;甲醇合成采用英國戴維甲荷工況下具有良好的傳熱性能。隨著國內(nèi)多家單醇合成工藝,采用2臺蒸汽上升式徑向流合成反應(yīng)位不斷深入研究和技術(shù)攻關(guān),纏繞管式換熱器得器串/并聯(lián)流程。該套煤制甲醇裝置于2010年5月·到廣泛應(yīng)用。底投煤,7月初生產(chǎn)出合格甲醇產(chǎn)品。筆者針對設(shè)180萬t/a煤制甲醇裝置采用德國林德低溫甲計階段對低溫甲醇洗纏繞式換熱器的優(yōu)化設(shè)計和醇洗凈化工藝,為2個系列并列運行每個系列有5生產(chǎn)應(yīng)用情況進行簡要介紹。臺纏繞管式換熱器。1纏繞管式換熱器的應(yīng)用低溫甲醇洗工藝包中纏繞管式換熱器的工藝設(shè)計參數(shù)見表1。低溫甲醇洗工藝是德國林德( Linde)公司開中國煤化工發(fā)的采用物理吸收法的一種酸性氣體凈化工藝。作者簡CNMHG95年畢業(yè)于成都該工藝利用甲醇在低溫、高壓下具有良好的物理科技大無機化工業(yè)工程人從界合版氨甲醇生產(chǎn)管理和工藝吸收特性來選擇性地吸收酸性氣體中的H2S和技術(shù)管理等工作。24·化肥設(shè)計2011年第49卷表1纏繞管式換熱器工藝設(shè)計參數(shù)原料氣冷卻器1原料氣冷卻器Ⅱ循環(huán)甲醉冷卻器甲醉換熱器I甲醇換熱器Ⅱ介質(zhì)變換氣/噴淋甲醇變換氣/噴淋甲醇高甲醇宮甲醇富甲醇設(shè)計溫度/℃7080-60/5055/50設(shè)計壓力/MPa操作溫度℃13.837.813.8/37.8-43.8/-29.229/-26.5操作壓力/MPa2管程1介質(zhì)CO2產(chǎn)品氣尾氣高甲醇富甲醇貧甲醇設(shè)計溫度/℃708055/50設(shè)計壓力/MPa操作溫度℃51.4/30.86/32.417.I-33.816/-23.38.2/-28.9操作壓力/MPa0.185.95.7管程介質(zhì)合成氣富甲醇富甲醇設(shè)計溫度℃70/80-60/50設(shè)計壓力/MPa28,3/30.8-20.5/-33.7-20/-23.3操作壓力/MPa5,45.85,45臺纏繞管式換熱器中,循環(huán)甲醇冷卻器、甲醇Ⅱ進行了優(yōu)化設(shè)計,將纏繞管式換熱器的管程、殼換熱器I和甲醇換熱器Ⅱ的管程均為高壓介質(zhì)殼程介質(zhì)進行了互換,即高壓介質(zhì)變換氣走管程,低程均為低壓介質(zhì)。原料氣冷卻器I的管程為高壓壓介質(zhì)尾氣走殼程。管程、殼程介質(zhì)互換后,纏繞介質(zhì)(合成氣)和低壓介質(zhì)(二氧化碳產(chǎn)品氣),原料管式換熱器的殼體壁厚變薄,設(shè)備質(zhì)量減輕50%,氣冷卻器Ⅱ的管程為低壓介質(zhì)(尾氣)。原料氣冷金屬材料節(jié)省顯著,設(shè)備投資大為減少。原料氣冷卻器I和原料氣冷卻器Ⅱ的殼程均為高壓介質(zhì)(變卻器Ⅱ管程殼程介質(zhì)互換后的變換氣冷卻工藝流換氣)。林德專利技術(shù)原料氣(變換氣)冷卻工藝流程見圖2。程見圖1。噴淋叩醇過濾器料氣冷卻器II過濾器原料氣冷卻器II變換氣分離器變換氣離器混合器混合器原料氣冷卻器I原料氣冷卻器IC0產(chǎn)品氣合成氣合成氣圖2管程、殼程介質(zhì)互換后的變換氣冷卻工藝流程圖1林德專利技術(shù)變換氣冷卻工藝流程來自上游的變換氣(5.5MPa40℃)與低溫甲3存在的問題醇洗循環(huán)氣混合,噴入少量甲醇后,一部分(約占總3.1換熱管內(nèi)結(jié)冰氣量的75%)進入原料氣冷卻器I的殼程,被管程由于纏繞管式換熱器的特殊結(jié)構(gòu),層與層之間的合成氣和二氧化碳氣體冷卻;另一部分(約占總的換熱管反向纏繞原料氣冷卻器Ⅱ的殼程變換氣氣量的25%)進入原料氣冷卻器Ⅱ的殼程,被管程和甲醇橫向交叉通過纏繞的換熱管,在相鄰換熱管的尾氣冷卻。冷卻后的變換氣匯合進入分離器。之間、層與層之間不斷地分離和匯合,以保證噴淋變換氣中噴入少量甲醇,使甲醇與變換氣中的飽和甲醇在變換氣中均勻分布。殼程變換氣經(jīng)低溫冷水混合形成水合物防止變換氣中的飽和水在低溫卻后,甲醇和水能有效冷凝,防止結(jié)冰。下結(jié)冰,避免系統(tǒng)發(fā)生堵塞。fV凵中國煤化工程殼程介質(zhì)互2纏繞管式換熱器的優(yōu)化設(shè)計換后CNMHG換熱器的管程如果送到一口叫雙不,云山現(xiàn)部分換熱管中在設(shè)計階段對林德專利技術(shù)中原料氣換熱器甲醇濃度特低引起這部分換熱管內(nèi)結(jié)冰增加換熱第2期余建良低溫甲醇洗纏繞管式換熱器的優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用器壓降,嚴重時會損壞設(shè)備。同時另一部分換熱管內(nèi)熱管內(nèi)結(jié)冰,確保原料氣冷卻器Ⅱ的安全,設(shè)計中甲醇液體較多,從而引起換熱管內(nèi)“阻塞”。采取了以下措施。其實,變換氣走纏繞管式換熱器管程時的流速(1)將變換氣總管上的噴淋甲醇混合器位置比變換氣走殼程時的流速高,換熱管內(nèi)介質(zhì)呈螺旋盡可能地前移,以保證混合器后有足夠的直管段距狀流動,處于紊流狀態(tài)。由于換熱管內(nèi)介質(zhì)螺旋流離,使甲醇溶液與變換氣充分混合動,變換氣中噴入的甲醇溶液大部分分布于氣相(2)為了提高可靠性,在原料氣冷卻器Ⅱ的變中,少部分甲醇溶液因離心力作用會沿著換熱管內(nèi)換氣人口管道上再設(shè)置1個甲醇噴淋混合器壁外側(cè)下流,起到防止結(jié)冰的作用。由于結(jié)構(gòu)原(3)在原料氣冷卻器Ⅱ的管程設(shè)置差壓測量因,纏繞管式換熱器的殼程存在很多氣體滯流的區(qū)及報彆指示,監(jiān)視換熱器管程進、出口的差壓變化。域,纏繞管式換熱器管程的流動狀況要優(yōu)于殼程優(yōu)化后的變換氣冷卻工藝流程見圖3。因此,如果能確保噴淋甲醇的連續(xù)性、均勻性及噴噴淋甲醇淋量,換熱器管程的變換氣就不會結(jié)冰。甲醇的噴過濾器淋與混合是在進入換熱器之前的管道中完成的,變早混合器原料氣冷卻器II換氣中的少量液體在換熱器中存在偏流問題的可變換氣能性比較小混合器分離器3.2換熱器換熱面積減小原料氣冷卻器ICO2產(chǎn)品氣合成氣林德公司指出,原料氣換熱器Ⅱ的管程、殼程介質(zhì)互換后換熱器的換熱面積由3491m2減小至圖3優(yōu)化后的變換氣冷卻工藝流程2624m2,可能不能滿足工藝要求。5應(yīng)用效果由于纏繞管式換熱器的結(jié)構(gòu)特殊,換熱管內(nèi)呈螺旋狀流動的強化作用,變換氣由殼程改走管程在低溫甲醇洗進行管道吹掃和系統(tǒng)水聯(lián)運前時,介質(zhì)的流速有了顯著的提高,換熱系數(shù)得到增斷開原料氣冷卻器I和原料氣冷卻器Ⅱ的法蘭接加;纏繞管式換熱器層與層之間換熱管反向纏繞,口并加設(shè)隔離盲板將換熱器前的管道吹掃、沖洗這種特殊結(jié)構(gòu)極大地改變了介質(zhì)的流動狀態(tài)形成千凈。系統(tǒng)水聯(lián)運時在換熱器的入口法蘭處安裝強烈的湍流效果,殼程的流通面積通過層間距進行過濾網(wǎng),防止雜質(zhì)進入換熱器內(nèi),造成換熱器堵塞較大幅度的調(diào)整;殼程的墊條等部件對介質(zhì)的流動2010年6月低溫甲醇洗系統(tǒng)引變換氣開車,在近6不斷擾動。以上3個方面的共同作用,使纏繞管式個月的運行期間,2個低溫甲醇洗系列最高負荷達換熱器的傳熱性能得到顯著提高。通過設(shè)計單位到95%,單系列最高負荷達到110%。從實際運行計算,換熱器的管程、殼程介質(zhì)互換后的換熱面積情況來看,低溫甲醇洗變換氣冷卻系統(tǒng)運行正常。是完全能夠滿足工藝要求的。噴淋甲醇流量正常,原料氣冷卻器Ⅱ管程變換氣進3.3換熱器阻力降增加出口壓差約20kPa(最高35kPa),原料氣冷卻器I換熱器的管程殼程介質(zhì)互換后,換熱器的阻和原料氣冷卻器Ⅱ進出口介質(zhì)的各項工藝參數(shù)達力降發(fā)生變化。高壓的變換氣走管程后,換熱器的到設(shè)計值換熱器設(shè)備運行正常,完全能滿足工藝管程阻力降增加,可能會影響2臺并聯(lián)的原料氣冷生產(chǎn)的要求。卻器I和原料氣冷卻器Ⅱ的變換氣氣量分布。通在低溫甲醇洗系統(tǒng)運行期間,共發(fā)生2次貧甲過設(shè)計單位計算,換熱器的管程及殼程的阻力降均醇泵聯(lián)鎖停車事故造成噴淋甲醇中斷。貧甲醇泵小于30kPa,均能滿足工藝要求。第1次停車時,變換氣未切出低溫甲醇洗系統(tǒng),貧甲34換熱器殼程的安全醇泵在不到7min內(nèi)啟動備用泵,噴淋甲醇恢復正換熱器的管程殼程介質(zhì)互換后,高壓介質(zhì)變常流量,期間原料氣冷卻器Ⅱ管程變換氣的進出口換氣走管程,低壓介質(zhì)尾氣走殼程。為保證換熱器壓差最高上漲至35kPa。第2次停車時,低溫甲醇殼程的安全,需要在換熱器的殼程或尾氣出口管道洗系統(tǒng)的變換氣被及時切斷,移至變換單元放空上設(shè)置安全閥。中國煤化工4采取的措施CNMHG要及時切斷低為防止變換氣中飽和水冷卻后在換熱器的換(下轉(zhuǎn)第37第2期陳鵬高壓法三聚氰胺裝置刺刀管式反應(yīng)器運行工況淺析37·4.2嚴格控制反應(yīng)器負荷胺的產(chǎn)量,同時生成的甲胺會腐蝕刺刀管。(1)反應(yīng)器的負荷不能過大,正常情況下最高(2)尿素溶液中的油含量對反應(yīng)器結(jié)垢影響不能超過120%。否則,將會導致反應(yīng)器的轉(zhuǎn)化率很大,應(yīng)嚴格控制油含量在20×10°之內(nèi)降低(3)要嚴防液氨進入反應(yīng)器,避免甲胺的生(2)反應(yīng)器的負荷不能過小,如無特殊情況,成,防止剌刀管受到腐蝕。不要控制過低,否則經(jīng)濟上不合理。(3)反應(yīng)器加負荷時不能過快,否則,將會導S結(jié)語致反應(yīng)器的內(nèi)部溫度快速降低,從而增加堵塞刺刀通過對刺刀管式反應(yīng)器運行中出現(xiàn)的問題的管的風險。分析和解決,使我們對刺刀管式反應(yīng)器有了較為全(4)反應(yīng)器的投料負荷不能過高,因為生成三面的了解,同時積累了一定的操作經(jīng)驗,從而為在聚氰胺的反應(yīng)為強吸熱反應(yīng),投料負荷越髙,反應(yīng)吸日常生產(chǎn)過程中穩(wěn)定操作刺刀管式反應(yīng)器,保證該收的熱量越多,需要補充的熱量也越多,而反應(yīng)器在設(shè)備安穩(wěn)長周期運行奠定基礎(chǔ)。投料初期尚未建立循環(huán),刺刀管供給的熱量無法傳遞參考文獻:到中心管,中心管內(nèi)因而成為低溫區(qū),易結(jié)晶堵塞。[]王會串三聚氰胺的生產(chǎn)技術(shù)和應(yīng)用前景[]精細與專用化學4.3嚴格保證進出口管線的氨量品,2007(6):33-36要嚴格保證反應(yīng)器進出口管線上的氨量,避免21鵬,馮占利高體法三聚氰酸裝置C,汽提塔技術(shù)改造因斷氨造成三聚氰胺大量結(jié)晶,堵塞進出口管線[3]陳鵬.三聚氰胺裝置廢水處理工藝技術(shù)[J].化肥設(shè)計,2008,46從而導致反應(yīng)器停車進行機械處理。4.4嚴格控制原料的純度[4]陳鵬高壓法三聚氰胺裝置尾氣冷凝器技術(shù)改造{].化肥設(shè)(1)嚴格控制進入反應(yīng)器熔融尿素中水的質(zhì)計,2009,47(5):51-53量分數(shù)在0.2%之內(nèi)。因為在有水存在的情況下,[5]陳鵬陳立春馮曉華等高壓法三聚氰胺生產(chǎn)技術(shù)的進展與應(yīng)用[J].化肥設(shè)計,2010,48(4):15-20尿素被水解成氨和二氧化碳,因此減少了三聚氰收稿日期:2011-03-03(上接第25頁)溫甲醇洗系統(tǒng)的變換氣,將變換氣移至變換單元放甲醇洗系統(tǒng),細小的固體顆粒附著在纏繞管式換熱空,以防止變換氣中的飽和水在纏繞管式換熱器的器的換熱管內(nèi),或隨甲醇溶液的循環(huán)進入其他換熱換熱管中結(jié)冰,堵塞管道,凍壞換熱器。器的換熱管,影響換熱器的換熱效果。如果纏繞管式2)為確保纏繞管式換熱器的安全,需要設(shè)置換熱器換熱管內(nèi)產(chǎn)生結(jié)垢傳熱系數(shù)下降后換熱管的噴淋甲醇的低流量聯(lián)鎖停車。清洗非常困難。如果設(shè)置氣化粗煤氣過濾器,可以大(3)設(shè)置貧甲醇泵跳車低溫甲醇洗系統(tǒng)停車幅減少粗煤氣中的煤灰?guī)氲蜏丶状枷聪到y(tǒng)。大聯(lián)鎖。變換和低溫甲醇洗為2個系列并列運行,7結(jié)語均在變換和低溫甲醇洗設(shè)置工藝氣壓力調(diào)節(jié)放空系統(tǒng)。在2個系列正常運行時,系統(tǒng)根據(jù)2個系列(1)原料氣換熱器Ⅱ的管程、殼程介質(zhì)互換后,設(shè)備質(zhì)量減輕50%,設(shè)備投資大幅降低。優(yōu)化的阻力自由分配工藝氣量。如果1個系列的貧甲醇設(shè)計后采取的各項措施科學合理,可以很好地保護泵跳車后,貧甲醇中斷,該系列工藝氣的阻力在較纏繞管式換熱器,完全能滿足生產(chǎn)需要。短的時間內(nèi)減小,低于另1個系列工藝氣的阻力,引起工藝氣“偏流”,影響另1個系列的穩(wěn)定運行導應(yīng)用,可以在新建的低溫甲醇洗系統(tǒng)中進行推廣。致送下游甲醇合成裝置的合成氣流量大幅波動合如果可行的話,還可以對原料氣冷卻器I進行優(yōu)化成氣中的CO2和硫含量不合格。設(shè)置貧甲醇泵跳钅設(shè)計,將殼程介質(zhì)變換氣與管程介質(zhì)二氧化碳產(chǎn)品低溫甲醇洗系統(tǒng)停車大聯(lián)鎖,及時將變換氣移至變氣進行互換,以進一步降低設(shè)備投資。換單元放空,可以保證正在運行系列的穩(wěn)定運行。參考文獻(4)由于上游氣化裝置未設(shè)置粗煤氣過濾器,口]張中國煤化工與應(yīng)用[J壓力容氣化粗煤氣中夾帶的細小煤灰較多。氣化粗煤氣[2]張中的煤灰(經(jīng)變換單元配氣部分)和變換催化劑粉CNMHG工程應(yīng)用[門]大氮肥,2004(1):9-11塵在洗氨塔中洗滌不徹底,不可避免地要帶入低溫收稿日期02-25