一种新型甲醛氧化反应器的设计与应用

一种新型甲醛氧化反应器的设计与应用

盔甲氧化反应是盔甲生产的重要设备。它的优点直接影响到盔甲产品的质量，影响到公司经济效益的提高。国内外甲醛生产厂家和设计单位对此作了大量的研究和实践,但因该设备工作条件苛刻,以前设计的甲醛反应器均存在这样或那样的问题,影响了反应器功效的发挥。通过对甲醛氧化反应器工作机理的分析和研究,结合我公司甲醛生产实践,我公司设计出了一种新型的甲醛氧化反应器。该新型反应器投入使用后,在节水、节能、延长设备使用寿命方面效果明显。现将其结构特点及应用情况介绍如下。1甲醛氧化反应器空气混合我公司甲醛生产以精甲醇为原料,采用浮石银法生产工艺。98%的精甲醇在甲醇蒸发器内蒸发,然后与一定比例的空气混合,并加入配料蒸汽,经过热器加热到100～130℃,再经过滤器、阻火器进入甲醛氧化反应器。在反应器内,甲醇、空气、水蒸气三元气体被电炉点火升温后,在银催化剂作用下,甲醇发生氧化和脱氢反应生成高温甲醛气体,冷却到100℃以下后经吸收塔吸收,得到37%的甲醛溶液。2国内铬氧化反应的结构和性能2.1高温甲醛气体法该氧化反应器由上、下2部分组成。上部为反应段,甲醇、空气、水蒸气三元混合气体在进入被电炉点火加热的催化剂层时发生甲醇氧化反应并放出热量,进而发生甲醇脱氢反应,生成甲醛气体;下部为列管式冷却器,生成的高温甲醛气体在此被冷却水迅速冷却到100℃以下送出。冷却水在常压下排放,虽然达到了冷却的目的,但工艺余热未被利用,浪费了大量的热能,并且消耗大量的冷却水。这种型式的甲醛氧化反应器是为了防止甲醛气体在高温下停留时间过长,发生副反应生成甲酸,对后续设备和管道造成腐蚀,影响产品质量而设计的。研究和试验证明:高温甲醛气体在温度低于280℃后,其副反应并不明显,产品酸值也没有增加。这就为充分利用工艺余热、设计新的甲醛氧化反应器提供了可靠依据,二段式甲醛氧化反应器逐渐被淘汰已成必然。我公司一期5000t/a甲醛装置中的氧化器就是这种类型。2.2甲醛冷却段的选择此氧化器由3部分组成,上段为氧化段,反应过程与二段式氧化器相同;中段为余热回收段,从氧化段来的高温甲醛气体走管程,水和水蒸气走壳程,利用高温热能生产低压蒸汽;下段为气体冷却段,从余热回收段来的甲醛气体走管程,冷却水走壳程,逆向换热后将甲醛冷却到100℃以下。该种反应器充分利用了工艺余热,在节能、节水方面成效显著。但也使反应器的工作条件恶化,使余热回收段高温侧管板、管板与换热管的连接部位处在高温(600～730℃)下,既要承受压力,又要受到高温、高速气体的冲击和磨蚀,管子与管板连接处极易损坏,加之奥氏体不锈钢在使用温度高于525℃时材料的强度、塑性及抗氧化性显著下降,造成损坏处无法修复,导致设备使用寿命短,甚至1～2a即报废。3热压保护筒体我公司扩建10kt/a甲醛装置时,以节约冷却水量、利用化学反应余热副产0.5MPa低压蒸汽并延长设备使用寿命为目的,在分析、研究国内甲醛反应器的基础上,设计了新型甲醛氧化反应器(图1)。该反应器工作机理与三段式甲醛反应器相同,但结构上有很大不同(图2)。(1)氧化室高温反应段筒体内壁加装硅酸铝耐火纤维层进行绝热保护,筒体外壁采用汽液冷却,避免筒体材料在高温下出现强度、塑性及抗氧化性显著下降的情况。(2)高温侧管板(图2件号3)采用特殊形式的挠性管板,此管板比固定平管板薄,管板内外壁温差小,在同样操作条件下,内外壁膨胀差小,产生的温差应力小,有补偿热应力引起的变形能力,能适应管内管间物料温差较大的操作。挠性管板因有折边圆弧,也减小了管板边缘的应力集中。(3)管板热端面覆盖硅酸铝耐火纤维层绝热,有效地降低了管板两侧的温差。(4)换热管热端加装保护套管(图2件号2),保护换热管与管板的焊接接头及焊接热影响区不受高速气体的冲击和磨蚀。(5)变径筒(图2件号12)加大壳程直径,保证管束的边缘与壳体间有足够的环隙,使汽水混合物流动畅通。(6)升气管出口开在壳程最高点处,使管板下面壳程内无死气层存在,避免出现局部过热造成高温端管板与换热管间的泄漏。4新型氧化器的经济效益该新型甲醛反应器自投入我公司二期甲醛生产以来,已使用了3a,未发生过任何故障,各项指标都达到了设计要求。同我公司原有旧氧化器相比,成效显著。以年产10kt甲醛计算,新型氧化器每年可产0.5MPa低压蒸汽4020t,蒸汽按目前最低价50元/t计,年获利20.1万元。同时,每年还可节省冷却水80kt,水价按0.05元/t计,年节约水费0.4万元。仅此2项合计,每年可增收节支20.5万元,经济效益十分可观。5脱氢反应(1)催化剂应分层装填。浮石银催化剂粒径为2～6mm,底层粒径为4～6mm,中层为3～4mm,上层为2～3mm,重量分配相应为总装填量的40%～60%、10%～20%和20%～50%。这样可使反应气一进入催化剂层就发生强烈的氧化反应,使温度迅速达到600℃,进行脱氢反应,以提高甲醇总转化率。(2)废热锅炉壳程内应在电炉点火前充满水,防止发生水击而损坏废锅。(3)电炉点火升温,