低溫甲醇洗纏繞管式換熱器的優(yōu)化設計及應用

第49卷第2期化肥設計2011年4月Chemical Fertilizer Design低溫甲醇洗纏繞管式換熱器的優(yōu)化設計及應用余建良(神華包頭煤化工分公司,內蒙古包頭014010)摘要:介紹了新建180萬(wàn)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(jìn)行的管程、殼程介質(zhì)互換的優(yōu)化設計過(guò)程;論逑了優(yōu)化設計面臨的問(wèn)題和采取的改進(jìn)措施;總結了原料氣冷卻器的生產(chǎn)運行效果和操作管理要點(diǎn)。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)化設計中圖分類(lèi)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(wàn)ta煤制甲醇裝置為目前網(wǎng)內最CO2。在以渣油和煤為原料的大型合成氨裝置上大規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(gè)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(zhuān)利設備。作為煤漿氣化工藝,為7個(gè)氣化系列(5開(kāi)2備),日處理種特殊結構的管殼式換熱器,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構緊湊、傳熱效率高、能承受高壓、可實(shí)現多溫甲醇洗凈化工藝,為2個(gè)系列并列運行,每個(gè)系列股流換熱、無(wú)熱膨脹問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn),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(zhù)國內多家單醇合成工藝,采用2臺蒸汽上升式徑向流合成反應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·到廣泛應用。底投煤,7月初生產(chǎn)出合格甲醇產(chǎn)品。筆者針對設180萬(wàn)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)化設計和醇洗凈化工藝,為2個(gè)系列并列運行每個(gè)系列有5生產(chǎn)應用情況進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。臺纏繞管式換熱器。1纏繞管式換熱器的應用低溫甲醇洗工藝包中纏繞管式換熱器的工藝設計參數見(jiàn)表1。低溫甲醇洗工藝是德國林德( Linde)公司開(kāi)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(jiǎn)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(wú)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(lái)選擇性地吸收酸性氣體中的H2S和技術(shù)管理等工作。24·化肥設計2011年第49卷表1纏繞管式換熱器工藝設計參數原料氣冷卻器1原料氣冷卻器Ⅱ循環(huán)甲醉冷卻器甲醉?yè)Q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計溫度/℃7080-60/5055/50設計壓力/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計溫度/℃708055/50設計壓力/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計溫度℃70/80-60/50設計壓力/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(jìn)行了優(yōu)化設計,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(jìn)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省顯著(zhù),設備投資大為減少。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(zhuān)利技術(shù)原料氣(變換氣)冷卻工藝流程見(jiàn)圖2。程見(jiàn)圖1。噴淋叩醇過(guò)濾器料氣冷卻器II過(guò)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(zhuān)利技術(shù)變換氣冷卻工藝流程來(lái)自上游的變換氣(5.5MPa40℃)與低溫甲3存在的問(wèn)題醇洗循環(huán)氣混合,噴入少量甲醇后,一部分(約占總3.1換熱管內結冰氣量的75%)進(jìn)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構,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(jìn)入原料氣冷卻器Ⅱ的殼程,被管程和甲醇橫向交叉通過(guò)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(jìn)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,防止結冰。下結冰,避免系統發(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)化設計換后CNMHG換熱器的管程如果送到一口叫雙不,云山現部分換熱管中在設計階段對林德專(zhuān)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結冰增加換熱第2期余建良低溫甲醇洗纏繞管式換熱器的優(yōu)化設計及應用器壓降,嚴重時(shí)會(huì )損壞設備。同時(shí)另一部分換熱管內熱管內結冰,確保原料氣冷卻器Ⅱ的安全,設計中甲醇液體較多,從而引起換熱管內“阻塞”。采取了以下措施。其實(shí),變換氣走纏繞管式換熱器管程時(shí)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(shí)的流速高,換熱管內介質(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(dòng),處于紊流狀態(tài)。由于換熱管內介質(zhì)螺旋流離,使甲醇溶液與變換氣充分混合動(dòng),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(huì )沿著(zhù)換熱管內換氣人口管道上再設置1個(gè)甲醇噴淋混合器壁外側下流,起到防止結冰的作用。由于結構原(3)在原料氣冷卻器Ⅱ的管程設置差壓測量因,纏繞管式換熱器的殼程存在很多氣體滯流的區及報彆指示,監視換熱器管程進(jìn)、出口的差壓變化。域,纏繞管式換熱器管程的流動(dòng)狀況要優(yōu)于殼程優(yōu)化后的變換氣冷卻工藝流程見(jiàn)圖3。因此,如果能確保噴淋甲醇的連續性、均勻性及噴噴淋甲醇淋量,換熱器管程的變換氣就不會(huì )結冰。甲醇的噴過(guò)濾器淋與混合是在進(jìn)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(wèn)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(mǎn)足工藝要求。5應用效果由于纏繞管式換熱器的結構特殊,換熱管內呈螺旋狀流動(dòng)的強化作用,變換氣由殼程改走管程在低溫甲醇洗進(jìn)行管道吹掃和系統水聯(lián)運前時(shí),介質(zhì)的流速有了顯著(zhù)的提高,換熱系數得到增斷開(kāi)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,口并加設隔離盲板將換熱器前的管道吹掃、沖洗這種特殊結構極大地改變了介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)形成千凈。系統水聯(lián)運時(shí)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(guò)層間距進(jìn)行過(guò)濾網(wǎng),防止雜質(zhì)進(jìn)入換熱器內,造成換熱器堵塞較大幅度的調整;殼程的墊條等部件對介質(zhì)的流動(dòng)2010年6月低溫甲醇洗系統引變換氣開(kāi)車(chē),在近6不斷擾動(dòng)。以上3個(gè)方面的共同作用,使纏繞管式個(gè)月的運行期間,2個(gè)低溫甲醇洗系列最高負荷達換熱器的傳熱性能得到顯著(zhù)提高。通過(guò)設計單位到95%,單系列最高負荷達到110%。從實(shí)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(lái)看,低溫甲醇洗變換氣冷卻系統運行正常。是完全能夠滿(mǎn)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(jìn)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(jìn)出口介質(zhì)的各項工藝參數達力降發(fā)生變化。高壓的變換氣走管程后,換熱器的到設計值換熱器設備運行正常,完全能滿(mǎn)足工藝管程阻力降增加,可能會(huì )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運行期間,共發(fā)生2次貧甲過(guò)設計單位計算,換熱器的管程及殼程的阻力降均醇泵聯(lián)鎖停車(chē)事故造成噴淋甲醇中斷。貧甲醇泵小于30kPa,均能滿(mǎn)足工藝要求。第1次停車(chē)時(shí),變換氣未切出低溫甲醇洗系統,貧甲34換熱器殼程的安全醇泵在不到7min內啟動(dòng)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(jìn)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(chē)時(shí),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的變換氣被及時(shí)切斷,移至變換單元放空上設置安全閥。中國煤化工4采取的措施CNMHG要及時(shí)切斷低為防止變換氣中飽和水冷卻后在換熱器的換(下轉第37第2期陳鵬高壓法三聚氰胺裝置刺刀管式反應器運行工況淺析37·4.2嚴格控制反應器負荷胺的產(chǎn)量,同時(shí)生成的甲胺會(huì )腐蝕刺刀管。(1)反應器的負荷不能過(guò)大,正常情況下最高(2)尿素溶液中的油含量對反應器結垢影響不能超過(guò)120%。否則,將會(huì )導致反應器的轉化率很大,應嚴格控制油含量在20×10°之內降低(3)要嚴防液氨進(jìn)入反應器,避免甲胺的生(2)反應器的負荷不能過(guò)小,如無(wú)特殊情況,成,防止剌刀管受到腐蝕。不要控制過(guò)低,否則經(jīng)濟上不合理。(3)反應器加負荷時(shí)不能過(guò)快,否則,將會(huì )導S結語(yǔ)致反應器的內部溫度快速降低,從而增加堵塞刺刀通過(guò)對刺刀管式反應器運行中出現的問(wèn)題的管的風(fēng)險。分析和解決,使我們對刺刀管式反應器有了較為全(4)反應器的投料負荷不能過(guò)高,因為生成三面的了解,同時(shí)積累了一定的操作經(jīng)驗,從而為在聚氰胺的反應為強吸熱反應,投料負荷越髙,反應吸日常生產(chǎn)過(guò)程中穩定操作刺刀管式反應器,保證該收的熱量越多,需要補充的熱量也越多,而反應器在設備安穩長(cháng)周期運行奠定基礎。投料初期尚未建立循環(huán),刺刀管供給的熱量無(wú)法傳遞參考文獻:到中心管,中心管內因而成為低溫區,易結晶堵塞。[]王會(huì )串三聚氰胺的生產(chǎn)技術(shù)和應用前景[]精細與專(zhuān)用化學(xué)4.3嚴格保證進(jìn)出口管線(xiàn)的氨量品,2007(6):33-36要嚴格保證反應器進(jìn)出口管線(xiàn)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晶,堵塞進(jìn)出口管線(xiàn)[3]陳鵬.三聚氰胺裝置廢水處理工藝技術(shù)[J].化肥設計,2008,46從而導致反應器停車(chē)進(jìn)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(1)嚴格控制進(jìn)入反應器熔融尿素中水的質(zhì)計,2009,47(5):51-53量分數在0.2%之內。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(jìn)展與應用[J].化肥設計,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(yè))溫甲醇洗系統的變換氣,將變換氣移至變換單元放甲醇洗系統,細小的固體顆粒附著(zhù)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,或隨甲醇溶液的循環(huán)進(jìn)入其他換熱換熱管中結冰,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,需要設置換熱器換熱管內產(chǎn)生結垢傳熱系數下降后換熱管的噴淋甲醇的低流量聯(lián)鎖停車(chē)。清洗非常困難。如果設置氣化粗煤氣過(guò)濾器,可以大(3)設置貧甲醇泵跳車(chē)低溫甲醇洗系統停車(chē)幅減少粗煤氣中的煤灰帶入低溫甲醇洗系統。大聯(lián)鎖。變換和低溫甲醇洗為2個(gè)系列并列運行,7結語(yǔ)均在變換和低溫甲醇洗設置工藝氣壓力調節放空系統。在2個(gè)系列正常運行時(shí),系統根據2個(gè)系列(1)原料氣換熱器Ⅱ的管程、殼程介質(zhì)互換后,設備質(zhì)量減輕50%,設備投資大幅降低。優(yōu)化的阻力自由分配工藝氣量。如果1個(gè)系列的貧甲醇設計后采取的各項措施科學(xué)合理,可以很好地保護泵跳車(chē)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(mǎn)足生產(chǎn)需要。短的時(shí)間內減小,低于另1個(gè)系列工藝氣的阻力,引起工藝氣“偏流”,影響另1個(gè)系列的穩定運行導應用,可以在新建的低溫甲醇洗系統中進(jìn)行推廣。致送下游甲醇合成裝置的合成氣流量大幅波動(dòng)合如果可行的話(huà),還可以對原料氣冷卻器I進(jìn)行優(yōu)化成氣中的CO2和硫含量不合格。設置貧甲醇泵跳钅設計,將殼程介質(zhì)變換氣與管程介質(zhì)二氧化碳產(chǎn)品低溫甲醇洗系統停車(chē)大聯(lián)鎖,及時(shí)將變換氣移至變氣進(jìn)行互換,以進(jìn)一步降低設備投資。換單元放空,可以保證正在運行系列的穩定運行。參考文獻(4)由于上游氣化裝置未設置粗煤氣過(guò)濾器,口]張中國煤化工與應用[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工程應用[門(mén)]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