JJD低压恒温水管式节能甲醇合成塔

1、化工进展138chemical industry and engineering progress2006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210280co、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220260。 硫技术的进步，低压低温铜系催化剂

2、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

3、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120150， 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+2hh20h

4、+1025 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+4hch3)20+h20+2002 kjlmol 动大，使升温一降温次数调温手段复杂化。例如用co+3hh4+h20+1156idlmol4段间冷绝热反应器，反应后甲醇净值为57，如4co+sh烈a-120h+3h20+4962idmol果一段进口为220，净值为增加143，则出口nco+2nh爿ch2)n+nh20+q温度达26496，即温升为43，由此，剩下的c02+ho+h20429 kjmol每段净值增加142，则每段温升保持43左右，(1)co与h2合成甲

5、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 0688,-一99 3700

6、jmol。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扩散一吸附一表面化学反应(产物)一解 和缓，折流式冷管束适用温区很狭窄的铜系甲醇催 吸一扩散，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(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

7、。 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 06805 m3，产粗醇51775 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 138x40=-552 000图2塔外热交热平衡图q反应舻51775 x 413444=2 140 6063 1q反应-t-9 06805135t=12 15118 31出塔温度 式中，l 00000为进塔未反应气，m3；9 06805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；

8、51775为反应生成粗醇，in3；4 13444为1 m3粗醇生成热，kjm3；138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)；134为反应气比热容，未反应气进热交为40，出热交为210。lom3；t为反应气出塔温度，。乒552000+2140q反应格=2 140 6063 110度160，出废锅温度为168。产生低压蒸汽ww：9=06805x134x(222-168)：27125kg，q冷进=10 000 x 033 x40=-552 00060631：222c000138210=-2 898 000q挣m=lo9 06805x134q热进=9 0680

9、5134t=-12 15119t热气经废锅生产o6 mpa低压蒸汽，其饱和温t2热m=9 0680513460=-729 07122f；墼些坠坐二坠堂 =25306。12 15119z=k口，7138433440232耗冷却水量10 000m3(进塔)=52417kgt(粗醇)60反应热气经水冷至40，冷却水由32， 式中，2 71384为0。6 mpa饱和蒸汽热焓，kjkg；升温至40，耗水量少量低压蒸汽【06rr件术一一mpa，524 kgt(粗醇)】，而冷却水33440为80水热焓，kjkg。06805134x(6040)+160935177。，9废锅出来热气(16812)，用32冷却水

10、冷却，(40一32)4180739冷却水升温至40，耗冷水量为=1320 tt(粗醇)。，一9 06805138(16840)+16093517533副产蒸汽量07398412=66308kgt(粗醇) 产生3400mpa饱和蒸汽(240)，热含 式中，16093为粗醇冷凝热，kjim3；0739为粗醇 279851kjkg，进水温度80c，热含33440kjkg，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：86871kg10 000m，2 79851334加 消耗很大6630 tt(粗醇)】。：里塑：l 17552kgt(粗醇)07393水冷式甲醇塔相当于

11、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38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。(

12、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

13、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01mpa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30-一40 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4060 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

14、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29-,33 mpa，蒸汽压力18 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32一-35 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

15、约为35，jjd水管式甲醇塔或达55以上，这意味 5060。着同样的压力容器空间中，水管式反应器将比管壳式反 (10)jjd水管式甲醇合成塔通过调整沸腾水管 应器将多装填催化剂。如我公司设计的jjd多2800 lllm 布局，适用于高co含量的工况变化，也适应惰性 低压水管式甲醇塔催化剂装填可达58t(38m3)。 气含量高的工况变化(联醇或副产氨的工况)。(3)jjd水管式甲醇塔为全径向流程，即反应(11)jjd水管式甲醇塔基本上不受高径比限 气垂直通过沸腾水管和被水管包围的催化剂柱层，制。能力大，直径不一定很大，即单塔能力增大。 从操作原理上讲曲线由多个反应放热冷却锯齿(12)设备更新时，只需更换内件部分部件，外 形阶梯组成的“肚形”曲线(如图5)，热点与起壳继续使用。 点，终点温差小于5。反应净值高，出口粗醇可(13)设计工况温和恒温等温低阻，催化剂 达55-一6，单位催化剂产醇量高。使用寿命长，催化剂成本低。6结论co与h2合成甲醇是一个强放热可逆放热反 应，合理地移走反应热是设计合成塔首先要考虑的 问题，从移走热量方式类分：有气冷