成达大型化径向耐硫变换反应器的开发及应用
周 芳，许 斌，姜 波
（中国成达工程有限公司，四川 成都610041）
［摘 要］介绍3 600 mm全径向耐硫变换反应器的开发及在大型煤化工装置中的应用情况。实践表明，成达大型化径向耐硫变换反应器结构可靠、运行稳定，设备阻力降和床层温度分布等各项指标均达到或优于引进装备（内件）的水平，且投资省，具有广阔的应用前景。
［关键词］ 全径向耐硫变换反应器；开发；大型煤化工装置；工程应用
［中图分类号］ TQ 113.26+4.2 ［文献标志码］ B［文章编号］ 1004-9932（2016）
在大型煤化工装置中，变换反应器的设计压力和温度较高，且催化剂装填量很大，若采用传统的轴向反应器，设备运行阻力降高，设备直径大，不仅运输困难，而且设备的外壳壁厚过厚，板材的采购和加工都非常困难，设备投资也高。因此，目前国内外的耐硫变换反应器大多向着径向方向发展，其优点是设备阻力降低，设备直径小，投资省。
宁夏和宁化学有限公司煤化工项目包括400 kt/a合成氨及配套的尿素装置和300 kt/a甲醇装置（以下简称“宁夏和宁项目”），煤气化采用6.5 MPa多元料浆加压气化技术，净化采用耐硫变换和低温甲醇洗技术，以制备合格的氨合成气和甲醇合成气。其中，变换系统同时为合成氨装置和甲醇装置服务，其关键设备——第一耐硫变换反应器采用中国成达工程有限公司自主开发的全径向结构，设计压力高达7.0 MPa，设计温度高达480 ℃，催化剂装填量接近80 m3。运行实践表明，全径向耐硫变换反应器结构可靠、运行稳定，设备阻力降和温度分布等各项指标均达到或优于引进装备（内件）的水平，实现了装置的大型化，节省了投资，具有广阔的应用前景，可供大型煤化工装置选用。另外，该全径向耐硫变换反应器经过局部调整后，还可用于气头合成氨装置的高温及低温变换工序，尤其适合于增产节能改造项目，有一定的推广前景。
1 全径向耐硫变换反应器开发的提出
目前，煤化工装置中广泛采用的耐硫变换反应器通常为轴向反应器，而对于大型煤化工装置，一般采用径向反应器或多台轴向反应器并联，而径向反应器的关键内件基本上靠进口。表1列出了宁夏和宁项目和国内某1 800 kt/a甲醇装置耐硫变换反应器的相关工艺参数。
表1 宁夏和宁项目与国内某1 800 kt/a甲醇装置耐硫变换反应器的相关工艺参数
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项 目 |
入口气量/m3·h-1 |
入口CO含量(体积分数)/% |
出口CO含量 (体积分数)/% |
反应器尺寸 /m |
内件 |
催化剂 |
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1 800 kt/a甲醇装置 |
394 000 |
43.73 |
6.28 |
φ3.1×18.0 |
卡萨利 |
JM |
|
宁夏和宁项目 |
430 000 |
45.00 |
5.80 |
φ3.6×17.9 |
成达 |
国产 |
注：1 800 kt/a甲醇装置的变换工序通常设置为2个系列，表中数据为单系列数据。
据表1可知，对于宁夏和宁项目，因第一变换反应器正常入口气量比某1 800 kt/a甲醇装置单系列变换反应器入口气量还要大，若采用1台传统的轴向反应器，反应器内径将高达 4 200 mm，且因设计温度和设计压力较高，对应设备壁厚接近200 mm，板材的采购和加工都非常困难，设备投资将很高。从投资和节能两方面综合考虑，并结合多年来成达在径向反应器设计中积累的经验，提出了开发径向反应器的思路。
2 成达全径向耐硫变换反应器的技术特点
2.1 主要创新点
（1）设备整体及内件的结构型式由成达自主开发，具有自主知识产权，可以完全国产化。
（2）开发建立了耐硫变换反应器的工艺计算模型以及反应器内气体的流体计算数学模型，可准确模拟预测以及优化工况，提高反应效率。
（3）建立了耐硫变换反应器的有限元设备分析模型，可优化设备设计，有效降低设备投资。
2.2 整体工艺结构
该变换反应器采用圆筒形格栅结构的催化剂筐，设置1个床层，装填小颗粒耐硫变换催化剂（φ2.5 mm圆柱体），通过催化剂床层内侧集流道气体分布器的开孔来保证气体的均匀分布。
2.3 气体分布器的设计
径向反应器设计是否成功，最重要的是看流体能否均匀地通过催化剂床层。而径向流动有π形流动与Z形流动2种形式，如图1所示。
更多内容详见《中氮肥》2016年第2期