近幾十年，由于脫硫技術(shù)的進步，低壓低溫銅系催化劑開發(fā)成功，甲醇生產(chǎn)能耗大大降低，甲醇質(zhì)量大大提高。低壓合成甲醇發(fā)展很快，逐步取代了高中壓法生產(chǎn)甲醇。

    低壓合成技術(shù)中，合成塔是節(jié)能降耗的關(guān)鍵。低壓甲醇合成塔按移走反應(yīng)熱的方式，有兩大類：一類是氣氣換熱式，包括冷激式、冷管式、間接氣氣換熱式或混合式；二類是水氣換熱式，包括水管式（管內(nèi)為水汽混合物）、管殼式（管外為水汽混合物）。JJD低壓恒溫水管式低壓甲醇合成塔于2005年12月首次在山東省德齊龍化肥廠使用，20個月后，該廠投入了第二套，目前裝置已運行8個月，長期穩(wěn)定運行表明，JJD低壓恒溫水管式甲醇合成塔比其他形式的合成塔有明顯的優(yōu)勢。下面對不同型式的甲醇塔進行分析比較。

    CO與H₂生成甲醇的反應(yīng)，是強放熱反應(yīng)，與H₂、N₂氣體合成氨比較，每生成1 mol甲醇，反應(yīng)熱比氨幾乎要多一倍，而合成甲醇的銅系催化劑使用溫度范圍只有50 ℃左右，合成氨的鐵系催化劑使用溫度范圍有120～150℃，因此如何將甲醇反應(yīng)熱快速移走，使其溫升小于50 ℃是甲醇合成反應(yīng)器設(shè)計的重點。

    冷激式合成甲醇反應(yīng)器，是氣冷式反應(yīng)器的一種，它是用未反應(yīng)冷氣與反應(yīng)熱氣直接混合，達到移熱降溫的目的，即反應(yīng)氣絕熱反應(yīng)一次，醇含量增大，溫度升高，再用未反應(yīng)冷氣與反應(yīng)熱氣混合，醇含量降低，溫度降低，這就是冷激式反應(yīng)器。未反應(yīng)氣多次加熱至反應(yīng)溫度，反應(yīng)氣多次升溫—降溫，使溫度保持在催化劑活性范圍之內(nèi)，不超溫，也不“熄滅”。因為氣體的熱容很小，反應(yīng)放出的熱量多，溫升大，即溫度波動大，使升溫—降溫次數(shù)多，調(diào)溫手段復(fù)雜化。例如用四段間冷絕熱反應(yīng)器，反應(yīng)后甲醇凈值為5.7%，如果一段進口為220℃，凈值為增加1.43%，則出口溫度達264.96℃，即溫升為43℃，由此，剩下的每段醇凈值增加1.42%，則每段溫升保持43℃左右，對低壓高銅催化劑，如此大的溫度變化，會使活性過早衰退，使用壽命縮短，對于生產(chǎn)裝置，頻繁更換催化劑，不只是催化劑成本增加的問題，而且升溫還原占用生產(chǎn)時間，造成的損失更大。

    冷管式甲醇合成反應(yīng)器是氣冷式反應(yīng)器另一種類型。冷管結(jié)構(gòu)有單管并流、單管折流等等。目前應(yīng)用較多的是單管折流式，其反應(yīng)床床層冷管束為小管徑，根數(shù)多，管內(nèi)未反應(yīng)冷氣的流動呈折流形式，每根折流管中的下降管與反應(yīng)氣并流，上升管與反應(yīng)氣逆流。并流管內(nèi)外傳熱溫差上大下小，而逆流管傳熱溫差下大上小，這就使床層上下傳熱趨于均勻和緩。折流式冷管束適合溫區(qū)很狹窄的銅系甲醇催化劑，但是氣冷折流式反應(yīng)器仍是反應(yīng)氣自身熱循環(huán)，反應(yīng)后熱氣體加熱未反應(yīng)冷氣體，使反應(yīng)氣體保持在催化劑活性溫度范圍內(nèi)，不致于超溫，又使未反應(yīng)氣達到反應(yīng)所必要的最低溫度。冷管式和冷激式甲醇反應(yīng)器的反應(yīng)熱以設(shè)置前置式熱回收器或后置熱回收器產(chǎn)生低壓蒸汽（0.4～0.5MPa），反應(yīng)熱主要靠加大循環(huán)量，再水冷器冷卻，因此熱回收利用率低，其中冷激式循環(huán)量為補氣量的10倍，循環(huán)電耗大。

    所謂相變法，即在反應(yīng)床層之中布水（沸水）管，或沸水置于反應(yīng)管之外，反應(yīng)熱將沸水汽化為蒸汽。外設(shè)氣氣換熱器，以出塔反應(yīng)熱氣加熱未反應(yīng)冷氣。產(chǎn)中壓蒸汽，產(chǎn)汽量大，反應(yīng)氣進水冷溫度低，耗冷卻水少。

    以200 kt/a甲醇，即小時產(chǎn)粗醇22139.33 m³，出塔醇含量為6.5%為例，產(chǎn)汽量，冷卻水耗量如下。

    進塔未反應(yīng)氣，氣量343279.62 m³，溫度40℃，出塔反應(yīng)氣經(jīng)塔外熱交后進水冷，氣量303326.27/m³，溫度70℃，產(chǎn)生34.00MPa飽和蒸汽(240℃)，熱焓2798.51 kJ/kg，進水溫度70℃，熱焓334.40 kJ/kg。

    以全塔( 虛線框 )做物料衡算，結(jié)果如下：

    Q_{反應(yīng)熱}=91533731.52

    Q_冷進=18949035.02

    Q_熱出=28452004.12

    Q_蒸汽= Q_{反應(yīng)熱}+ Q_冷進－ Q_熱出=82030762.40

 

     W=

 

    耗冷卻水量                                    

    70℃反應(yīng)熱氣經(jīng)水冷至40℃，冷卻水由32℃升溫至40℃，耗水量：

    W=471190.14 kg/h=15.77 t

    由此可以看出：床內(nèi)相變法換熱的甲醇塔，反應(yīng)利用率高，副產(chǎn)中壓蒸汽多，噸粗醇為1114.5 kg，冷卻水耗少，為15.77t。

圖1

    Lurgi管殼式低壓甲醇合成反應(yīng)器，類似于列管式換熱器，管外是沸騰的水，管內(nèi)裝填催化劑。管殼式反應(yīng)器其最大優(yōu)點是利用反應(yīng)熱產(chǎn)生中壓蒸汽，催化管內(nèi)溫度從上至下是恒定的，但管中心溫度略高于管周邊溫度。但Lurgi反應(yīng)器存在以下缺點：① 反應(yīng)氣在管內(nèi)軸向流動，阻力大；② 殼體、管板、催化劑管都采用焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)力很大，為消除應(yīng)力，要求材質(zhì)高，制作難度大；③ 受結(jié)構(gòu)的限制，反應(yīng)氣壓力與蒸汽壓力差不能很大，傳熱溫差較小，要求管數(shù)小而多，每立方米催化劑要求125 m²，因而容積系數(shù)��；④ 催化劑列管長度不能太長，因而反應(yīng)器產(chǎn)能受高度限制，目前的管殼式低壓甲醇反應(yīng)器，單塔最大能力為日產(chǎn)1500～1700 t。

    JJD低壓恒溫水管式甲醇塔，簡稱JJD水管式甲醇合成塔，就是床內(nèi)相變法換熱甲醇塔，管外為催化反應(yīng)床，管內(nèi)為沸水，通過汽化產(chǎn)生蒸汽，移走反應(yīng)熱�；�本結(jié)構(gòu)由三部分兩個系統(tǒng)組成，包括催化劑反應(yīng)系統(tǒng)，受壓外殼，蒸汽發(fā)生和水汽循環(huán)系統(tǒng)，如圖2。催化劑反應(yīng)系統(tǒng)為徑向反應(yīng)筐，包括帶有眾多小孔的筒體、眾多小孔的中心管，筒體內(nèi)懸掛數(shù)量若干的水管。蒸汽發(fā)生和水汽循環(huán)系統(tǒng)由受熱的水管、水室、蒸汽室和反應(yīng)器頂上的汽包，以及連接汽包水室、蒸汽室的上升管、下降管等組成。水管為雙套管，水室和蒸汽室由三塊焊有管子的管板組成，下板焊有外套管，中板焊有內(nèi)套管。有一些短管通過上板、中板和下板，并與三板相焊。

    徑向筐及水管系統(tǒng)固定在外殼上部支承圈上。

    反應(yīng)氣的流程是，190℃未反應(yīng)氣由下部三通旁側(cè)口進去，沿外殼與徑向筐環(huán)隙由下而上進入催化床，徑向由外圈向中心流動，邊流動邊反應(yīng)，生成甲醇，反應(yīng)后氣體溫度為220 ℃，甲醇含量為6.5%，進入中心管。由上而下經(jīng)塔下三通出來，進塔外冷卻器。被冷的未反應(yīng)氣冷卻至70℃。

    水循環(huán)的流程是，水從汽包下來進入水室，均勻進入各內(nèi)管，由上而下在管的最下端折轉(zhuǎn)到外管，吸收管外反應(yīng)熱，部分水被汽化，比重較小的汽水混合物上升至汽室，再由連接管上升至汽包。蒸汽外送至蒸汽管網(wǎng)，給水補充至汽包，如此構(gòu)成一個無動力的水汽循環(huán)。

圖2  反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意

1—短管；2—上管板；3—中管板；4—下管板；5—內(nèi)外套管；6—中心管； 7—徑向筐；8—殼體；9—卸料管

    （1）懸掛式沸騰水管，如刺刀和刀鞘，只焊一端，另一端有自由伸縮空間。與現(xiàn)有的甲醇塔比較（包括管殼式在內(nèi)），有諸多優(yōu)點，見表1：

    管子受熱伸縮沒有約束力，無需線膨脹系數(shù)小昂貴的SAF2205雙相不銹鋼，用普通不銹鋼管即可。殼體沒有管子伸縮力的影響，對殼體材質(zhì)要求也不高，筒體上下厚度相同，無需加強，無需用高強度的20MnNiMoNbR等類特型鋼材，用復(fù)合鋼板即可。

    （2）三管板結(jié)構(gòu)，一定數(shù)量小短管穿過三管板，管板應(yīng)力小，徑向軸向變形都很小，即使4 m以上直徑的塔，管板也不會很厚。

    （3）JJD水管式甲醇塔水管基本不受長度限制，徑向流程，塔的高徑比大，單塔能力大。直徑4.2m的單塔可達到500 kt/a的能力。

    （4）容積系數(shù)大，管殼式甲醇反應(yīng)器的容積利用系數(shù)為35%左右，JJD水管式甲醇塔在55%以上，這意味著同樣大小的壓力容器，水管式反應(yīng)器將比管殼式反應(yīng)器多裝填催化劑。如我公司設(shè)計的JJD φ2800 mm低壓水管式甲醇塔，裝填催化劑可達58 t（38m³）。

    （5）JJD水管式甲醇塔為全徑向流程，即反應(yīng)氣垂直通過沸騰水管和被水管包圍的催化劑床層，從操作原理上講曲線為由多個反應(yīng)放熱——冷卻鋸齒形階梯組成的“肚形” 曲線，如圖3，熱點與起點，終點溫差小于 5℃。反應(yīng)凈值高，出口粗醇可達5%～6%，單位催化劑產(chǎn)醇量高。

圖3   JJD水管式甲醇反應(yīng)曲線

    （6）JJD水管式甲醇塔單位容積傳熱面積大。φ2800 mm塔傳熱面積比管殼式塔大23%，這就適應(yīng)了甲醇合成反應(yīng)放熱量大，要求換熱面積大的特性。

    （7）JJD水管式甲醇合成塔升溫還原用蒸汽加熱、惰性氣還原，快速而安全。

    （8）JJD水管式甲醇合成塔為全徑向塔，塔阻力非常小，為0.1MPa左右。

    （9）JJD水管式甲醇合成塔催化劑裝填容易。如JJDφ2800 mm甲醇塔，裝填5.8 t催化劑，24小時即裝填完畢，比管殼式塔裝填速度快得多。

    （10）催化劑使用壽命長，單位催化劑產(chǎn)醇多，操作彈性大，設(shè)計可控傳熱溫差較大，適宜催化劑在不同活性階段不同工況性能的發(fā)揮。例如初期二年內(nèi)操作溫度220～240℃，三至六年為使用中期，操作溫度240～260℃。第一個φ2800 mm塔在山東德齊龍化工集團投入使用初期：系統(tǒng)壓力2.9～3.3MPa，蒸汽壓力1.8MPa，溫度220℃運行，使用14個月后，日產(chǎn)量340～350t，溫度為235℃，壓力3.2～3.5MPa。

    （11）JJD水管式甲醇合成系統(tǒng)簡單，合成塔既是反應(yīng)器，又是一個無需燃料的中壓鍋爐，在系統(tǒng)中不另外設(shè)置廢熱鍋爐，進水冷的熱氣溫度即降至60～70℃。

    （12）JJD水管式甲醇合成塔通過調(diào)整沸騰水管布局，適用于高CO含量的工況，也適應(yīng)惰性氣含量高的工況（聯(lián)醇或副產(chǎn)氨的工況）。

    （13）設(shè)備更新時，只需更換部分內(nèi)件，外殼可以繼續(xù)使用。

    CO與H₂合成甲醇是一個強放熱可逆反應(yīng)，合理地移走反應(yīng)熱是設(shè)計合成塔首先要考慮的問題，從移走熱量方式來分：有氣氣換熱法（即氣冷式）與相變吸熱法（即水冷式），水冷式比氣冷式節(jié)能，控制運行平穩(wěn)。水冷式中有水管式和管殼式，水管式又比管殼式優(yōu)勢更多。

    JJD水管式甲醇合成的特點是相變吸熱法冷卻移走反應(yīng)熱，結(jié)構(gòu)為內(nèi)外筒、徑向催化床、三管板、懸掛式雙套水管束、無動力水汽循環(huán)系統(tǒng)、裝卸催化劑裝置簡便。

    JJD水管式甲醇合成塔運行表明，它有容積利用系數(shù)高、單塔能力大、無需昂貴的雙相不銹鋼管材、阻力小、副產(chǎn)中壓蒸汽多、循環(huán)電耗小、冷卻水耗小、升溫還原容易、操作控制簡單、運行彈性大、適用性強、裝卸催化劑容易等優(yōu)點，易于單塔大型化，因此應(yīng)用前景很好。