合成塔)

合成塔介绍LurgiLurgi公司设计的低压甲醇合成塔为管壳式结构，管内装填催化剂，在中低压条件下进行甲醇合成反应，由管间沸水移出热量，并产生中压蒸汽，以控制床层温度，延长催化剂寿命，控制副反应的发生。

其主要性能特点是：采用管内装催化剂，管间走循环沸水，用很大的换热面积来移去反应热，理论上反应时催化剂层温差较小，达到接近等温反应的目的，使合成反应几乎是在等温条件下进行，采用低循环比。

为了适合装置大型化的发展，Lurgi公司对管壳式甲醇合成塔进行了改进，发明了两段等温甲醇合成工艺（气冷-水冷双塔），该工艺有两台管壳式甲醇合成塔组成，第一合成塔采用副产中压蒸气的方式移出反应热，第二台反应器产生的反应热则通过与新鲜合成气逆流换热方式脱除，在第二台反应器中，新鲜合成气在管内通过，反应气走壳层。

目前采用该技术建设的165万吨/年甲醇装置已经投产。

与单个管壳式合成塔工艺相比，两段等温甲醇合成工艺有以下特点：与单台反应塔相比，第一反应器尺寸减少了约50%。

减少了约50%的合成气循环比。

热量回收效率高，减少了冷却成本。

单系列能力可以达到5000吨/天以上。

整个合成回路（包括循环压缩机、热交换器等）的投资减少近40%。

）瑞士卡萨利（Casale）公司最早开发是立式绝热轴径向反应器，其特点是：环形的催化剂床顶端不封闭,侧壁不开孔，造成催化剂床层上部气流的轴向流动，床层主要部分气流为径向流动。

开发的大型轴径向甲醇合成塔的主要结构特点：环形的催化剂床顶端不封闭，侧壁不开孔，造成催化剂床层上部气流的轴向流动;床层主要部分气流为径向流动；催化剂筐的外壁开有不同分布的孔,以保证气流分布；各段床层底部封闭，反应后气体经中心管流入合成塔外的换热器,回收热由于不采用直接冷激，而采用塔外热交换，各床层段出口甲醇浓度较高，所需的床层段数较少。

由于床层阻力降的明显减少（比ICI轴向型塔减），所以可增加合成塔高度和减少壁厚，可选用高径比的塔，以降低造价。

与冷激式绝热塔相比，轴径向混合流塔可节省投资，简化控制流程，减少控制仪表。

轴径向合成塔的缺点是催化剂筐需要更换，催化剂装卸复杂。

优点是大型化的潜力大。

轴径向合成塔的生产能力取决于塔的高度，合成塔过高造成催化剂装卸困难。

一般塔高为16m，相应的生产能力为5000 t/d。

）英国ICI公司多段冷激型甲醇塔，是国外甲醇装置中使用最多的塔型，为全轴向多段冷激型合成塔。

结构简单，是其独特的优点。

合成塔由塔体、多段床层及专用技术菱形分布器等组成。

菱形分布器埋于催化床中，并沿着床层不同高度的平面上各安装一组，全塔共装三～四组。

可使冷激气和反应气混合均匀。

催化剂装量大、寿命长，一般可长达6年，缺点是绝热反应，催化剂床层轴向温差大，采用原料气冷激的方法控制合成塔床层的温度，全部靠用冷原料气喷入各段催化剂床层之间以降低反应气温度。

因此在降温的同时稀释了反应气中的甲醇含量，影响了催化剂利用率。

为了防止催化剂过热，采用较大的空速，出塔气中甲醇含量不到4%，副产蒸汽量偏少，不能回收高位能的反应热，循环量较大，塔阻力较高，多为0.1 MPa～0.4MPa，因此操作费用高。

由于阻力的限制，其高径比较小，一般多在2.2～4.0，大型化后直径很大6m），不利于运输；由于ICI冷激式甲醇合成塔，其设备结构简单，装置运行可靠，操作简便，设计弹性大，用材省且要求不高，投资小，易于大，因此仍是大型甲醇厂采用的一种主要塔型，世界上最大单套能力的仍，有多套 3000 t/d 装置，据报导目前最大的已有7500 t/d的装置。

为了弥补冷激塔的不足，上世纪80年代，ICI公司又开发出两款冷管型塔，其中之一就是称之为LCM的水冷型塔，同鲁奇等温列管式甲醇合成塔所不同的是管内走水，管外装催化剂，这样就可以通过其膨胀圈结构较好地解决列管的膨胀问题，而且它还采用了径向流催化床结构，既能减少阻力，又可以增加传热系数。

目前世界上大型甲醇装置中,有很多采用多段冷激式甲醇合成塔。

近年来，在原来的基础上，对冷激式合成塔进行了大量、多方面的改进和完善，陆续推出了一系列冷激式合成塔的改进型。

冷激式合成塔有以下特点：合成塔单系列生产能力大，适合大型或超大型装置。

甲醇合成塔设备结构简单，催化剂装卸方便。

采用特殊设计的分布系统进行冷激，温度控制较为方便。

不能回收甲醇合成产生的高位热能，合成回路循环气量大。

存在催化剂段间返混现象，合成塔出口甲醇含量低。

催化剂时空产率不高，用量较大。

（1）甲醇合成是在一定温度、压力和催化剂作用下,CO、CO2 与H2 反应,主要生CH3OH和H2O的放热可逆复杂反应过程,其主要反应方程式如下:CO + 2H2 ---CH3OHCO2 + 3H2--- CH3OH +H2O甲醇生产普遍采用CuO - ZnO - Al2O3 或CuO - ZnO - Cr2O3 系列催化剂,活性区域在473～563 K之间,最佳活性使用温区在500 ～530 K之间。

活性温区而甲醇合成反应又是一个强烈放热反应,虽然对化学反应来说,温度升高会使分子运动加快,分子内的有效碰撞增多,并使分子有效结合的机会增加,使甲醇合成反应加快;但是由于CO、CO2 与H2 生成CH3OH的反应是可逆放热随着温度增高逆反应的化学平衡常数增大,对甲醇生成不利。

因此,要求甲醇反应放出的热量,应及时移走。

另外,从上述化学反应方程式可以看出,CO2 与H2 生成CH3OH的反应是一个体积缩小的反应,提高合成的压力有利于反应;由于催化剂厂家开发了高活性的催化剂,近年来,低压甲醇合成工艺得到了广泛的应用。

　国内外低压甲醇合成塔介绍国内外使用的低压甲醇塔主要有英国的IC I绝热型冷激塔、德国Lurgi管壳式低压合成塔、丹麦托普索低压径向合成塔、日本东洋( TEC)工程公司低压合成塔、瑞士卡萨利IMC低压合成塔等。

国内开发的有华东理工大学绝热等温低压合成塔等。

不同工艺的甲醇合成流程许多基本步骤是相同的,主要包括甲醇合成和甲醇分离,其主要区别在于移热和热量回收方式不同。

从合成塔结构上,各开发商采用不同的换热结构,力争用较小的换热器置换出较多的反应热,使塔利用系数增加,多装催化剂。

IC I低压冷激式甲醇合成塔冷激式甲醇合成塔采用四段绝热床层,层间采取三次冷激。

CO、CO2 及少量CH4 组成的合成气经过变换反应以调节CO /CO2 值,然后用离心压缩机升压到5MPa,送入温度为270 ℃、装有低温活性铜系催化剂的冷激式反应器,反应后的气体进行冷却分离出甲醇,未反应的气体经压缩升压与新鲜原料气混合再次进入反应器,反应中所积累的甲烷气作为弛放气返回转化炉制取合成气。

这种形式的甲醇塔虽然结构简单,生产能力较大,但是床层轴向温差大,出口浓度低,合成效率低。

为了降温而进行的分段式冷激,虽避免了反应中局部温度过高烧坏催化剂,但同时也降低了反应器单位体积的转化率,造成循环气量增加,压缩功耗加大,反应热的回收利用效率也降低。

Lurgi低压管壳式甲醇合成塔管壳式甲醇合成塔采用列管式结构。

管程装填催化剂,壳程加入锅炉水,沸腾后移走热量,反应温度由控制反应器壳程中沸水的压力来调节,操作温度260 ℃,操作压力5～6 MPa。

该型式塔催化剂床层的温差较小,操作比较转化率也较高,还能副产中压蒸汽,但由于壳程占据了很大的空间,催化剂的装填系数小(仅35% ) 。

这种塔为解决热膨胀应力问题,必须采用两种不同膨胀系数的特殊的不锈钢材质,管材需要进口,供货周期很长,设备造价也很高。

来为了适应大型甲醇( 2 500 t/d以上)生产的需要,Lurgi公司开发了管壳式和冷管式合成塔串联的组合型合成装置,分别采用水冷和气冷移热,预热后的气体从顶部离开,进入管壳式合成塔的管内催化剂床层反应,管外通入锅炉给水,沸腾后带走热量,出塔气体进入冷管式合成塔上部催化剂床层继续反应,出冷管的塔气体回收热量,温度降低后进入甲醇分离器进行分离。

气体作为循环气进行再循环,由于采用串联式合成塔,故循环量比较小,可节省能耗。

Lurgi工艺利用反应热副产中压蒸汽,能较好的回收能量,其经济性和操作可靠程度更好。

　日本东洋的MRF甲醇合成塔日本东洋工程公司( TEC)的MRF甲醇合成塔采用立式双层水冷管,该水冷管呈立式,锅炉给水从底部进入冷却管,产生的蒸汽汇集在蒸汽室,反应气体在催化剂床层中呈径向流动,压降小,因此塔阻力小,气体循环所需要的动力大幅度减少,冷却传热系数也高。

由于刺刀式为立式,而且是顶部,因而脏物不会不会发生干烧外管的现象。

反应器制作时轴向长度可以加大,由于反应器内设有换热器和冷却器,易于使催化剂床层的温度均匀一致,甲醇生成的浓度和速度可大幅度提高,反应温度容易控制,催化剂用量减少,反应器的结构很紧凑。

但此反应器零部件较多,制造复杂,价格比较昂贵。

目前,该塔在泸天t/ a甲醇装置中使其效果很好。

　瑞士卡萨利的IMC甲醇合成塔瑞士卡萨利公司在卧式塔的基础上,又开发了IMC甲醇合成塔,该塔冷却元件为埋入催化剂床层内的换热板。

每块换热板是由两块SS304金属板焊接而成的,两块金属板沿着周长焊接,同时表面上点焊,然后冲压制成,最终外型类似一个枕头。

换热板径向放置,并且沿着同心的扇形排开,使底部得到支撑。

换热板外边填装催化剂,催化剂下部填装耐热的惰性铝球,可以起到支撑催化剂的作用。

换热板内走锅炉给水,将反应热走,并且可副产中压蒸汽。

　丹麦Nissui - Top soe的工艺托普索公司为适应大型甲醇装置的需要,近年来开发了三塔绝热径向合成塔串合成装置,塔间用水移热,在60万t/ a以下的装置中可以单塔运行,并且入塔新鲜气先经过保护催化剂,确保新鲜气彻底脱硫、脱砷,然后与循环气混合后进入合成塔。

由于该公司选择高活性、高选择性、高操作弹性的催化剂(MK -可在单塔体积不大的情况下,装填30～40 m3催化剂即可生产50～60万t/ a甲醇。

与其他工艺相比,托普索工艺中合成塔的进出口温差较小,仅为32 ℃,塔的单层转化率高,可达到15% ,其他工艺的单层转化率最高仅为7% ～8%;该工艺的催化剂装填量相对较少,同等条件下仅用29. 9 t,而其他工艺需要60 t左右。

但该工艺为了确保脱硫,新鲜气与循环气只做到了缸外混合,与缸内混合相比,压缩时高压段与循环段匹配有一定的难度甲醇生产装置大型化可以明显降低产品投资和产品成本。

甲醇装置大型化已经成为我国甲醇工业发展的趋势。

甲醇合成的核心设备是合成塔。

选择稳定、节能、高产率、经济的合成塔对生产厂家至关重要。

从操作、结构、材料及维修等方面考虑，对甲醇合成塔的基本要求有：、稳定性好，结构可靠；、在操作上要求催化剂温度易于控制，调节灵活；合成反应器的转化率高；催化剂生产强度大，活性高而且稳定；能回收高位能的反应热；床层中气体分布均匀；压降低。