合成塔)

合成塔介绍

德国Lurgi

德国Lurgi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%。

（2）瑞士卡萨利（Casale）

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。

Casale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,回收热量。

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轴向型塔减少24%），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。

（3）英国ICI

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（4～6m），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，易于大型化，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属ICI，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,主要生成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 ---CH3OH

CO2 + 3H2--- CH3OH +H2O

目前,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。活性温区较窄,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的反应是可逆放热反应,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, CO、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。

2国内外低压甲醇合成塔介绍

目前,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MRF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。

2. 1IC I低压冷激式甲醇合成塔

ICI冷激式甲醇合成塔采用四段绝热床层,层间采取三次冷激。由H2、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。

2. 2Lurgi低压管壳式甲醇合成塔

Lurgi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250～260 ℃,操作压力5～6 MPa。该型式