胡亮華，劉 維，楊 遙，黃正梁，馮再南，姚澤龍，任筱嫻

（1．杭州林達化工技術工程有限公司，浙江杭州 310012；2．浙江大學化學工程與生物工程學系，浙江杭州 310027）

臥式甲醇合成反應器氣體分布冷模試驗

胡亮華1，劉 維1，楊 遙2，黃正梁2，馮再南1，姚澤龍1，任筱嫻1

（1．杭州林達化工技術工程有限公司，浙江杭州 310012；2．浙江大學化學工程與生物工程學系，浙江杭州 310027）

建立一套臥式甲醇合成反應器氣體分布冷模試驗裝置，通過測定反應器內壓力分布和氣速分布來研究氣體分布的均勻性，試驗采用上方進氣和側面進氣方式。研究結果表明，臥式甲醇合成反應器內氣體均布性良好，而上方進氣方式能使反應器內部氣體分布更均勻。

臥式甲醇合成反應器；冷模試驗；氣體分布；均勻性

針對國內臥式甲醇合成反應器尚未大型化、規(guī)?；默F狀，杭州林達化工技術工程有限公司經多年努力，開發(fā)了能適用于大型化、低循環(huán)比工況，并具備強移熱能力的臥式甲醇合成反應器技術［1，2］，該技術已經成功運用在180 kt／a年甲醇合成工業(yè)化裝置中［3］。2007年寧夏寶塔石化集團有限公司承擔了“單臺日合成2 000噸甲醇臥式合成塔研究開發(fā)與示范”——國家科技支撐計劃課題，在此背景下，寧夏寶塔集團與杭州林達公司進行合作，在杭州林達公司已有臥式反應器的基礎上，對大型臥式甲醇合成反應器結構及工藝進行研究。該課題已于2012年10月通過了國家科技部的鑒定及驗收［4］。

臥式甲醇合成反應器結構復雜，反應器內氣體沿軸向及徑向分布均勻是保證其性能的關鍵因素，合理的氣體流道設計和適宜地控制壓降是保證氣體分布均勻的重要手段［5，6］。本項目依據杭州林達公司已有的180 kt／a甲醇合成臥式反應器技術參數來設計冷模試驗，對臥式反應器內氣體分布的均勻性進行深入研究，試驗由杭州林達公司和浙江大學聯合化學反應工程研究所共同完成。通過研究臥式反應器內流場分布和氣體流動規(guī)律，進一步探索提高氣體分布均勻性的方法，期望為臥式甲醇合成反應器的大型化提供理論支撐及設計依據。

1 冷模試驗裝置及方法

1.1 冷模試驗裝置簡介

冷模試驗裝置如圖1所示，由風機、緩沖罐、閥門、流量計、臥式反應器、水槽、水泵、傳感器、信號轉換器和計算機等組成。臥式反應器由直徑1 m、長4 m的圓柱形筒體，兩個直徑1 m的半球形封頭，換熱管、隔板、氣體分布板、支撐板等組成。試驗遵循可視化的原則，反應器主體用透明的有機玻璃制成，筒體、封頭、換熱管、隔板材質均為有機玻璃，氣體分布板和支撐板為不銹鋼孔板。氣體分布板和支撐板的孔徑均為3 mm，正方形排列，孔間距分別為30mm和25mm。

圖1 臥式反應器冷模試驗裝置示意圖

反應器上36個取樣口分布在上、中和下三個平面上，如圖2所示。上平面、中平面和下平面在同一側分別軸向均布12個取樣口；從遠離進氣口端到靠近進氣口端依次編號為1～12；兩端兩個取樣口距筒體邊緣的距離為240 mm，相鄰兩個取樣口的間距320 mm。

圖2 取樣口分布示意圖（主視圖）

三個平面中，每個取樣口沿徑向各有五個測點，其分布如圖3所示。在上平面和下平面上，第一個測點伸入深度為180 mm；在中平面上，第一個測點伸入深度為100 mm；各平面上后四個測點的伸入深度以100 mm依次遞增。

1.2 試驗條件及方法

試驗在室溫下進行，以空氣模擬反應氣體，使用外形尺寸與工業(yè)甲醇催化劑相近的填料模擬催化劑。該填料由湖州雙林四星光整機械材料廠制造，形狀為直切面圓柱體，規(guī)格為φ5×5 mm，堆積密度約為1．32 g／ml。風機選用羅茨鼓風機，風量≤45 m3／min，升壓≤90 kPa；帶水冷系統(tǒng)。流量計選用玻璃轉子流量計，量程分別為600 m3／h和1000 m3／h。

圖3 各取樣口徑向測點分布示意圖（側視圖）

試驗過程中，空氣經風機壓縮升壓后進入緩沖罐，由閥門調節(jié)流量和流量計計量后進入臥式反應器，再經氣體分布板、催化劑床層、多孔支撐板后，從臥式反應器右下側的氣體出口排出。試驗風量為1700m3／h，試驗裝置中填料床層的最大截面積為4 m2，最小表觀氣速約為0．118 m／s。試驗采用兩種進氣方式，分別為上方進氣和側面進氣。上方進氣，從筒體頂部四個進氣口進氣，四個進氣口的風量相同；側面進氣，從右側封頭處的一個進氣口進氣。試驗中，使用U形管壓差計分別測量上平面、中平面、下平面的壓力分布；使用熱線風速儀（TSI9515）測量氣速，其量程為0～20 m／s，精度為±0．025 m／s，分辨率為0．01 m／s。用熱線風速儀測量中平面的氣速分布，與壓力分布測量所使用的位置相同。

2 試驗結果與分析

試驗考察了上方進氣和側面進氣這兩種進氣方式對氣體分布均勻性的影響，通過測定上平面、中平面和下平面上的壓力分布和氣速分布來判斷反應器內氣體分布的均勻性。

2.1 壓力分布

圖4為上方進氣時上平面、中平面和下平面的壓力分布。圖中，取筒體遠離出氣口一側的端面作為x軸的零點，筒體外壁面作為y軸的零點，壓力作為Z軸（下同）。

由圖4可以看出，在三個平面上，軸向壓力分布（x軸）均呈現從左到右（排氣口在右側）逐漸降低的趨勢；同一取樣點的徑向壓力分布（y軸）較為均勻；同一水平位置的壓力（z軸）隨著高度的降低逐漸變小。由于臥式反應器的氣體出口設置在右側封頭的下部，使得臥式反應器內的氣體流動方向為從上往下和從左往右（整體上），這必然導致左側和上方的壓力較高。

圖5 側面進氣時三個平面上的壓力分布圖

由圖5可以看出，側面進氣時三個平面上的壓力變化規(guī)律與上方進氣時變化規(guī)律一致。

對36個取樣點測出的所有壓力數據，用極差來表征壓力的變化范圍。極差定義為壓力數據中最大值和最小值之間的差值。兩種進氣方式下三個平面上壓力的最大值、最小值和極差如表1所示。

表1 兩種進氣方式下三個平面上壓力分布統(tǒng)計Pa

由表1可知，在兩種進氣方式下，中平面上壓力的極差均小于上平面和下平面上壓力的極差，表明中平面上的壓力分布更為均勻。上平面和下平面分別受到右側進氣口和排氣口的影響，導致壓力波動更大；而經過催化劑床層對氣體的再分布，中平面受到的影響相對較小，因此中平面上的壓力分布相對均勻。對比兩種進氣方式壓力的極差，側面進氣時三個平面上壓力的極差顯著增大。這可能是由于側面進氣時，右側進氣和右側出氣兩種效應的疊加，使得反應器內左側的壓力更高，整個反應器內壓力分布均勻性變差。

取三個平面上同一取樣口5個徑向位置壓力，以其平均相對偏差對徑向壓力分布進行評價。兩種進氣方式下，徑向壓力的平均相對偏差沿軸向的分布如圖6所示。上方進氣時，上平面、中平面和下平面上徑向壓力平均相對偏差的最大值分別為0．63%、0．68%和0．35%；側面進氣時，上平面、中平面和下平面上徑向壓力平均相對偏差的最大值分別為1．19%、0．81%和0．33%。總體而言，兩種進氣方式下三個平面上徑向壓力的平均相對偏差都小于1．20%，表明氣體分布較為均勻。與側面進氣相比，上方進氣時上平面和中平面的徑向壓力分布更為均勻。

圖6 徑向壓力平均相對偏差沿軸向的分布曲線

2.2 氣速分布

試驗測定了兩種進氣方式下中平面的氣速，氣速分布如圖7所示。中平面上的氣速在平均值上下小幅波動，整個平面上的氣速分布都較為均勻；與上方進氣相比，側面進氣時的波動略大。

圖7 兩種進氣方式下中平面上的氣速分布圖

由表2可以看出，上方進氣時中平面上氣速的波動范圍為0．35～1．15 m／s，側面進氣時中平面上氣速的波動范圍為0．39～1．14 m／s，上方進氣時波動范圍略大；上方進氣時平均氣速為0．78 m／s，側面進氣時平均氣速0．72 m／s，上方進氣時平均氣速略大；上方進氣時氣速的平均相對偏差和方差分別為0．153和0．021，側面進氣時氣速的平均相對偏差和方差分別為0．188和0．031，氣速的平均相對偏差和方差均反映了中平面上氣速分布的均勻性。實驗結果表明，與側面進氣相比，上方進氣時中平面上的氣速分布更加均勻。

表2 兩種進氣方式下中平面上氣速分布統(tǒng)計

3 結 論

通過測定反應器上、中、下三個平面上的壓力分布和氣速分布，驗證了臥式甲醇合成反應器內良好的氣體分布。采用上方進氣的方式，反應器內氣體分布更均勻。

在填料床層上方放置有均布開孔的氣體分布板，這對氣體流向及控制床層壓降有很大的調節(jié)作用。后續(xù)的研究中可以考慮采用非均布開孔的分布板，孔徑和孔間距根據氣速來調整，即高氣速區(qū)域減小孔徑，增大孔間距，從而增加流動阻力，限制氣體通過；而在低氣速區(qū)域增大孔徑，減小孔間距，使流動阻力減小，利于氣體通過。通過優(yōu)化氣體分布板的結構，以期反應器內氣體更加均布。

［1］樓韌，馮再南，粟楊，等．臥式水冷反應器技術開發(fā)及其在現代煤化工領域應用分析［J］．煤化工，2011，39（2）：9～12．

［2］杭州林達化工技術工程有限公司．橫向管式換熱反應設備：CN200420116978．6［P］．2006-12-13．

［3］樓韌，馮再南，姚澤龍，等．林達大型臥式水冷甲醇合成塔開發(fā)應用及前景展望［J］．天然氣化工，2008，33（6）：43～46．

［4］大型煤基甲醇生產裝備及技術研究開發(fā)項目通過驗收［EB／OL］．http：／／www．nxmy．com／snyw／15265．htm．2012-10-15．

［5］李瑞江，陳春燕，吳永強，等．大型徑向流反應器中流體均布參數的研究［J］．化學工程，2009，38（10）：28～31．

［6］張成芳，朱子杉，徐懋生，等．徑向反應器流體均布設計的研究［J］．化工學報，1979，28（1）：67～90．

Gas Distribution Cold-Flow Model Experiment in Horizontal Methanol Synthesis Reactor

HU Liang-hua1,LIU Wei1,YANG Yao2,HUANG Zheng-liang2, FENG Zai-nan1,YAO Ze-long1,REN Xiao-xian1
（1．Hangzhou Linda Chemical Technology Engineering Ltd．，Hangzhou Zhejiang 310012，China；2．Joint Institute for Chemical Reaction Engineering of Zhejiang University，Hangzhou Zhejiang 310027，China）

Construct a set of gas distribution cold-flow model experiment unit for the horizontal methanol synthesis reactor，to study the gas distribution uniformity by measuring the pressure distribution and gas velocity distribution in the reactor．Both ways of air inlet are used，which are top inlet and side inlet in the experiment．The results show that gas distribution uniformity is good in horizontal methanol synthesis reactor，and the gas top inlet way could make gas distribution more evenly within the reactor．

horizontal methanol synthesis reactor；cold-flow model experiment；gas distribution；uniformity

TQ223．12＋1

A

1003-6490（2014）01-0075-04

2013-05-29

胡亮華（1986－），男，江西新余人，助理工程師，主要從事煤化工工藝設計及技術開發(fā)工作。