JJD低压恒温水管式节能甲醇合成塔.doc

化 工 进 展·138· CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2006年第25卷增刊A33 JJD低压恒温水管式节能甲醇合成塔谢定中(湖南安淳高新技术有限公司，长沙410007)甲醇最早是在木材干馏中发现的，直至1834 提高总过程速度，关键是提高化学反应速度 年杜马(Dumas)等才用化学法合成纯甲醇，1923 (5)低压合成甲醇催化剂是铜含量达50％以上 年BASF公司在高温高压下和锌铬催化剂床层用 铜锌铝催化剂，其使用温度范围狭窄，为210～280CO、H2合成甲醇实现工业化近几十年，由于脱 ℃，而最佳温度范围为220～260℃ 硫技术的进步，低压低温铜系催化剂开发成功，低 (6)铜基催化剂大都用共沉冷法制成，结构疏 压合成甲醇发展很快，逐步在取代高中压条件下生 松，内表面积大，这有利于加快反应速度，同时含 产甲醇，因为低压甲醇的质量好，原料气和能耗低， 有较多金属氧化物如氧化铝，因而其导热系数小， 成本低，投资少 传热性能差，机械强度低，因而保持催化剂高活性，在高铜锌铝催化剂床层用低压法合成甲醇在国 避免过热超温是至关重要的。

内外已经普遍使用，但低压合成甲醇的合成塔形式2气冷式甲醇合成塔在不断改进之中，按移走反应热的方式，有两大类：一类是气气换热式，包括冷激式、冷管式、间接气 CO与H2反应是强放热反应，与H2、N2气体 气换热式或混合式；二类是水气换热式，其中包括 合成为氨比较，生成l mol甲醇比氨几乎要多一倍， 水管式(管内为水汽混合物)、管壳式(管外为水汽 而合成甲醇的铜系催化剂的使用温度范围只有50℃ 混合物)水管式低压甲醇合成塔是首次在山东省德 左右，合成氨的铁系催化剂使用温度120～150℃， 齐龙化肥厂使用，一次开车成功，使用8个月来， 因此如何将甲醇反应热快速移走，使其温升<50℃ 比其他形式合成塔有明显的优势 是甲醇合成反应器设计的重要问题对气固可逆放热反应，一般用未反应冷气直接1 甲醇合成反应基本理论及设计思想或间接被反应气加热，使未反应气多次加热至反应主反应 温度，反应气多次升温一降温，使之保持在催化剂CO+2H—H20H+102．5 kJlmol’ 活性温度范围之内，不超温，也不“熄灭”因为气副反应 体的比热容很小，反应放出热，温升大，即温度波2CO+4H—CH3)20+H20+200．2 kJlmol 动大，使升温一降温次数调温手段复杂化。

例如用CO+3H—H4+H20+115．6Idlmol 4段间冷绝热反应器，反应后甲醇净值为5．7％，如4CO+SH烈A-120H+3H20+49．62Id／mol 果一段进口为220℃，净值为增加1．43％，则出口nCO+2nH爿CH2)n+nH20+Q 温度达264．96℃，即温升为43℃，由此，剩下的C02+H—O+H20—42．9 kJ／mol 每段净值增加1．42％，则每段温升保持43℃左右，(1)CO与H2合成甲醇是一个可逆减体积放热 对低压高铜催化剂如此大的温度变化，会使活性过 反应，其主反应是生成甲醇，也有生成二甲醚、低 早衰退，使用寿命缩短，对于大型装置频繁更换催 碳醇、烃类CH4的副反应，还有CO变换反应的逆 化剂，不只是催化剂成本增加，而且升温还原占用 反应 生产时间，造成损失更大2)压力高、温度低有利于反应的化学平衡， 冷管气冷式甲醇反应床，其床层装有冷管束， 两者配合，应是高压高温、低压低温有利 冷管为小管径，根数多，管内未反应冷气与管外折(3)压力为50"-'80 Mea，温度200"--300℃， 流式，每根折流管中的下降管与反应气并流，上升 反应热为97 068．8,-一99 370．0 J／mol。

管与反应气逆流并流管内外传热温差上大下小，(4)在铜基催化剂上的合成甲醇的反应过程为 而逆流管下大上小，这就使床层上下传热趋于均匀①扩散一②吸附一③表面化学反应(产物)一④解 和缓，折流式冷管束适用温区很狭窄的铜系甲醇催 吸一⑤扩散，反应速度与5个过程有关，但控制过 化剂的要求但是气冷式用自身热循环，反应后热 程为③(即化学反应)过程，因为其速度最慢，要 气体加热未反应冷气体，对反应床，使之保持在催增刊 谢定中：JJD低压恒温水管式节能甲醇合成塔 ·139·讹剂活性温度范围内，不至于超温，对未反应气， 管，或把反应管置于沸水之中，反应热将沸水汽化 使之达到催化剂反应所必要最低温度如此反应热 ，为蒸汽 除产生少量低压蒸汽外，主要被冷却水带走 仍以进塔气为10 000 m3，出塔气9 068．05 m3，产粗醇517．75 m3，对塔外热交用简单热平衡计算副 产蒸汽量、冷却水耗甲 热醇 塔上 +Q反未反应 应气t气40"(2图1全塔热平衡图以全塔做热平衡的对象，进行热平衡计算Q来反应气=10 000X 1．38X40=-552 000图2塔外热交热平衡图Q反应舻517．75 X 4134．44=2 140 606．3 1Q反应-t---'9 068．05×1．35t=12 151．18 3．1出塔温度 式中，l 000．00为进塔未反应气，m3；9 068．05为以水冷前的塔外热交为热(直线框)平衡对象。

出塔反应气，m3；517．75为反应生成粗醇，In3；4 134．44为1 m3粗醇生成热，kJ／m3；1．38为未反应 计算反应气进热交为t，出热交设为60℃，210℃ 气比热容，kJ／(m3·℃)；1．34为反应气比热容， 未反应气进热交为40℃，出热交为210℃lO／m3·℃；t为反应气出塔温度，℃乒—552000+2—140 Q反应格=2 140 606．3 110度160℃，出废锅温度为168℃产生低压蒸汽ww：—9=～=068．05x1．34—x(222-168)：271．25kg，Q冷进=10 000 X 0．33 X40=-552 000606．31：222"C000×1．38×210=-2 898 000Q挣m=lO9 068．05x1．34Q热进=9 068．05×1．34t=-12 151．19t热气经废锅生产O．6 MPa低压蒸汽，其饱和温t2热m=9 068．05×1．34×60=-729 071．22f；墼些±坠坐二坠堂 =253．06℃ 12 151．19．Z='K口，713．84—334．4023．2耗冷却水量10 000m3(进塔)=524．17kg／t(粗醇)60℃反应热气经水冷至40℃，冷却水由32℃， 式中，2 713．84为0。

6 MPa饱和蒸汽热焓，kJ／kg；升温至40℃，耗水量少量低压蒸汽【0．6rr件术一一MPa，524 kg／t(粗醇)】，而冷却水334．40为80℃水热焓，kJ／kg068．05×1．34x(60—40)+160．93×517．79废锅出来热气(168"12)，用32℃冷却水冷却，(40一32)×4．18×0．739冷却水升温至40℃，耗冷水量为=13．20 t／t(粗醇)． 一9 068．05×1．38×(168—40)+160．93×517．5 3．3副产蒸汽量0．739×8×4．12=66308kg／t(粗醇) 产生34．00MPa饱和蒸汽(240℃)，热含 式中，160．93为粗醇冷凝热，kJim3；0．739为粗醇 2798．51kJ／kg，进水温度80"C，热含334．40kJ／kg，副 折成千克数 产蒸汽上述热衡算，说气冷式热利用率低，只能产生 W：兰!竺塑堕：868．71kg／10 000m，2 798．51—334．加 消耗很大[66．30 t／t(粗醇)】 ：里塑：l 175．52kg／t(粗醇)0．7393水冷式甲醇塔相当于每吨精醇1 306 kg。

所谓水冷式，即在反应床层之中布水(沸水) 将上述热量计算列表，见表1·140· 化 工 进 展 2006年第25卷表l热量计算表图3管壳式低压甲醇塔由表1可看出，从节能的观点比较，水冷式比 1—上管板；2-_歹Ⅱ管；3---壳体；4一下管板气冷节能，其中副产蒸汽压力高，蒸汽量多3．8倍，冷却水量少79％ 另外还有如下优势 (1)水管式运行温度恒定，比气冷式运行平缓，以副产蒸汽压力调控反应床温度比气冷式简单 可靠2)水冷式用惰性气升温，还原时逐步增加H2 百分含量，升温还原安全可靠3)水冷式反应热回收与反应催化床融为一体， 气冷式反应器与反应热回收器分置，不另占地，无 连接管道4)水冷式不设电炉升温，气冷式设置电炉升温，可靠性好4水管式与管壳式甲醇合成塔水管式与管壳式甲醇合成塔都属于沸水汽化 为蒸汽移走反应热的反应器其区别在水管式是水 在管内，管外为催化反应床；管壳式是水在管外， 管内装填催化剂由此在结构细节和特性方面有很 多的不同其基本结构如图3、图4，两者结构区 图4 JJD水管式低压甲醇塔别如表2 1一内外套管；2—上管板；3—下管板；4—壳体；5—中心管；6—径向筐增刊 谢定中：JJD低压恒温水管式节能甲醇合成塔 ·141·表2水管武与管壳式甲醇合成塔结构区别 23％，这就适应了甲醇合成反应热大、冷却负荷大、 要求换热面积大的特征。

5)JJD水管式甲醇合成塔升温还原用蒸汽加热，惰性气还原，快速而安全6)JJD水管式甲醇合成塔为全径向塔，塔阻力 非常小，为0．1MPa左右7)JJD水管式甲醇合成塔催化剂装填容易如 JJD 4，2800甲醇塔，装填58t催化剂，24h即装填完 毕，比管壳式塔装填速度快得多8)操作弹性大设计可控传热温差较大，适 用催化剂不同活性阶段不同工况，例如初期操作温5水管式甲醇塔的优点度220～-230℃、合成压力3．0--一4．0 MPa的工况，(1)沸腾水管形如刺刀和刀鞘，为悬挂式，即只 后期操作温度260--一280℃、合成压力4．0～6．0 MPa 焊一端，另一端有自由伸缩空间管子受热伸缩没有 的工况第一个咖2800塔在山东德齐龙化工集团投 约束力，无需用线膨胀系数小的昂贵SAF2205双相 入使用初期：系统压力2．9--,3．3 MPa，蒸汽压力1．8 不锈钢，只用普通不锈钢管就可壳体不受管子伸缩 MPa，温度220℃运行，使用8个月后，日产量340,-V力的影响，壳体材质也要求不高，筒体上下厚度相同， 350 t，温度为230℃，压力3．2一--3．5 MPa。

无需设置加强筒体，无需用高强度20MnNimoNbR等 (9)JJD水管式甲醇合成系统简单，合成塔既是 类特型钢材，筒体材质用复合钢板即可 反应器，又是一个无需燃料的中压锅炉，在系统中 (2)容积系数大，管壳式甲醇反应器的容积利用系 不另外设置废热锅炉，进水冷的热气温度即降至数约为35％，JJD水管式甲醇塔或达55％以上，这意味 50～。