CN104248939B - 一种银法甲醛装置中的甲醇氧化器 - Google Patents

一种银法甲醛装置中的甲醇氧化器 Download PDF

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本发明公开了一种银法甲醛装置中的甲醇氧化器,其特征在于:包括氧化器顶盖、与氧化器顶盖法兰连接的急冷段,以及辅助系统,所述辅助系统包括汽包和循环泵,所述氧化器顶盖与急冷段之间的空间形成催化室,该催化室设有电解银催化剂层;所述急冷段包括设在催化剂层下底部的催化剂层下急冷器、设在急冷段侧面板上的急冷段侧面板冷却器,以及设在催化剂层下急冷器下方的产汽冷却器;催化剂层下急冷器、急冷段侧面板冷却器和产汽冷却器均为内部通以汽包循环热水的管式换热器,其中催化剂层下机冷器通过循环泵强制循环。本发明尽可能的减少了管板件高温下损伤,延长了氧化器的实用寿命。

Description

一种银法甲醛装置中的甲醇氧化器
技术领域
本发明属于化工生产工艺及设备技术领域,主要涉及用于银法甲醛生产工艺装置中的甲醇氧化器。
背景技术
银法甲醛生产过程中,甲醇混合气体再氧化器中的化学反应主要以下:
氧化反应
CH3OH+1/2O2→CH2O+H2O (1)
脱氢反应
CH3OH→CH2O+H2 (2)
反应过程中的副反应化学方程式:
CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O (3)
CH3OH→CO+2H2O……… (4)
CH3OH+H2→CH4+H2O……… (5)
CH3OH+O2→H COO H+H2O (6)
目前甲醛行业传统氧化器,外形均为立式圆筒形设备,一般从上到下可分为三段:上段为氧化器顶盖;中段为催化剂室和急冷段的组合;下段可设置冷却段(根据需要设置)。采用传统型氧化器的技术缺陷:
a、由于氧化器急冷段采用列管式换热器形式,上管板上面的催化剂层的温度为,630~650℃,由于上管板和换热管采用奥氏体不锈钢焊接而成,在此温度下,奥氏体不锈钢处于最最容易损坏的敏化温度,晶格粗大,特别是容易在焊接的热影响区产生晶间腐蚀,时间长了,就会在上管板的热影响区产生热裂纹,漏水。在氧化器漏水部位,局部温度偏低,甲醇的氧化反应不充分,造成单耗偏高,补焊后由于焊接热影响区的材质发生变化,会继续漏水。所以氧化器漏水的管道数量达到换热管的5~10%左右,单耗在450kg甲醛/t甲醛(37%),就必须更换氧化器。一般是3年左右更换氧化器。一般氧化器在甲醛装置中费用占到20%左右。
b、氧化器的换热管,管板是采用不锈钢的,而壳程为了减少制造成本,一般采用碳钢材质。在管程里面,由于反应后的气相温度比较高,换热管不锈钢的热膨胀系数(17.9)又远远大于壳程碳钢的热膨胀系数(11.3~13),所以换热管顶起管板的应力很大,经过计算,一台5万吨氧化器在操作时的热应力达到48吨左右,虽然采用了膨胀节来抵消部分的热应力,但是热应力存在着,特别是对于管板和换热管部分的热影响区在高温下是致命的损坏。
c、对于10万吨及以上的甲醛装置,氧化器有效直径大于φ2600,中间部分的热量带走是比较困难的,为了减少管板中间壳程由于带不出热量的弊端,只有采用加大管间距的方式,但是这时混合气体通过催化剂有效面积减少,氧化器不得不做的很大,造成的结果是单耗高,产能低。
d、对于12万吨的甲醛装置,氧化器的有效直径φ2800,氧化器触媒室直径φ2900,氧化器壳程外径φ4000,加上伸出的接管,氧化器的最大运输外径达到φ4600,是运输高度的极限值,所以银法甲醛装置的极限产能,也就是12万吨。
e、传统型氧化器的致命缺陷:1、氧化器是易损件,3年左右就要更换,费用大;2、氧化器最大产能只能到12万吨,甲醛装置的大型化受到致命的制约;3、运输过程受限制,设计到12万吨甲醛装置几乎是最大的了;4、大型氧化器单耗偏高,操作困难。
发明内容
发明目的:针对上述存在的问题和缺陷,本发明提供了一种银法甲醛装置中的甲醇氧化器,尽量减少管板件高温下损伤,延长了氧化器的实用寿命。
技术方案:为实现上述发明目的,本发明采用以下技术方案:一种银法甲醛装置中的甲醇氧化器,其特征在于:包括氧化器顶盖、与氧化器顶盖法兰连接的急冷段,以及辅助系统,所述辅助系统包括汽包和循环泵,所述氧化器顶盖与急冷段之间的空间形成催化室,该催化室设有电解银催化剂层;所述急冷段包括设在催化剂层下底部的催化剂层下急冷器、设在急冷段侧面板上的急冷段侧面板冷却器,以及设在催化剂层下急冷器下方的产汽冷却器;催化剂层下急冷器、急冷段侧面板冷却器和产汽冷却器均为内部通以汽包循环热水的管式换热器,其中催化剂层下机冷器通过循环泵强制循环。
所述氧化器顶盖外壁横向设有混合气体进口,内部设有截头锥形气体分配器。
所述电解银催化剂层厚度为15~20mm。
所述催化剂层下急冷器为联排管式换热器,产汽冷却器为多做联排管式换热器,急冷段侧面板冷却器采用半管换热器。
所述催化剂层为多层结构,每层电解银的粒径不同。
有益效果:与传统技术相比,本发明具有以下优点:
1、氧化器采用优质不锈钢换热管在催化剂层下无焊接,所以不存在焊接热影响区,氧化器使用寿命增加,设计寿命10年左右,氧化器不再是易损件;
2、氧化器催化剂层下的联排“热管”通汽包热水,采用强制循环带走反应热,不存在换热管和壳程之间热应力比较难消除的问题,避开了管板和换热管部分的热影响区在高温下是致命损坏的难题;
3、设备的紧凑化设计,解决了氧化器有效直径太大的问题。现设计20万吨氧化器急冷段最大运输尺寸:□3300长×3300宽×3500高;30万吨氧化器急冷段最大运输尺寸:□3900长×3900宽×4000高。完全可以实现甲醛装置的大型化;
4、由于采用了特殊的结构及设计,产品单耗会更低,按照一般传统型氧化器的单耗为:445kg甲醇/t甲醛,而新设计的氧化器单耗为:437kg甲醇/t甲醛,每吨37%甲醛水溶液可以降低单耗8kg;
5、氧化器的换热面积增加30%左右,副产蒸汽量会增加20%左右;由于结构的限制,传统型氧化器的副产蒸汽工作压力一般为0.2Mpa,而最新型氧化器副产蒸汽工作压力可设计为0.4Mpa,副产蒸汽的品味提高了。
附图说明
图1为本发明所述甲醇氧化器的结构示意图。
其中,氧化器顶盖1、催化室2、急冷段3、混合气体进口4、截头锥形气体分配器5、催化剂层6、催化剂层下急冷器7、急冷段侧面板冷却器8、产汽冷却器9、气泡10、循环泵11。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,进一步阐明本发明,应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示,本发明所述的银法甲醛装置中的甲醇氧化器,主要包括:氧化器顶盖、催化室、急冷段和辅助系统,其中急冷段包括催化剂层下急冷器、急冷段侧面板冷却器、急冷段产汽冷却器;氧化器顶盖通过法兰与急冷段连接,且它们之间的空间就形成催化室;而辅助系统主要包括循环泵和气泡,用于提供工艺水带走回收热量,并产生副产蒸汽。以下介绍各部件的用途:
氧化器顶盖:氧化器顶盖:氧化器顶盖与催化室急冷段之间采用设备法兰连接,混合气体从顶盖部位的横向进入,由于顶盖内腔所设置的锥形分配锥的阻挡,使气体呈弧形从分配锥顶部均匀的进入分配锥,然后均匀的扩散到下面的催化剂层。
急冷段和催化室焊接为整体,其中:
催化剂室,圆形,内装电解银催化剂层,厚度为15~20mm,甲醇混合气体通过催化剂层发生化学反应,使甲醇氧化反应和脱氢反应生成甲醛,电解银反应温度为620±20℃,距催化剂上部60~80mm处设置点火电阻丝支撑在一个圆形绝缘支架上,开车时用来点火,推动初始反应的进行。电解银催化剂按一定比例的粒径大小逐层铺装在催化剂层的铜网上面,催化剂铺装均匀,边缘铺装采用特殊结构达到紧实,同时为了保证周边的反应充分,设置隔热层。
催化剂层下急冷器,方形,采用联排的“热管”组成,内部通以汽包的循环热水,采用强制循环迅速带走反应热,使反应气体的温度急冷到300℃以下。
急冷段侧面板冷却器,急冷段侧面板冷却器,使侧面板的温度极速降到300℃以下,减少副反应的产生。
急冷段产汽冷却器,方形,采用联排的“热管”组成,和件7,汽包连接,形成水/汽循环系统,通过冷热介质交换,将转化气热量吸收,最终使甲醛气体迅速冷却到170℃以下,联排“热管”内的脱盐水变成0.2~0.3Mpa的水蒸气,通过汇集,通向件7汽包。
本发明所述甲醇氧化器的使用方法和操作过程:
加热到95~110℃甲醇混合气体由氧化器顶盖横向进入,碰撞到顶盖内腔所设置的锥形分配锥,使气体呈弧形从分配锥顶部均匀的进入分配锥,然后均匀的扩散到下面的催化剂层。
然后,甲醇混合气体通过催化剂室,电解银催化剂的厚度为15~20mm,甲醇混合气体通过催化剂层发生化学反应,使甲醇氧化反应和脱氢反应生成甲醛,电解银反应温度为620±20℃,距催化剂上部60~80mm处设置点火电阻丝支撑在一个圆形绝缘支架上,开车时用来点火,推动初始反应的进行。
控制通过银催化剂层的气体速度的时间,一般控制在0.007~0.01s,时间过于短,反应不充分,时间过于长,则副反应增加;同时控制反应的温度在:620~650℃之间,这样副反应会减少,甲醛的单耗也会达到最佳水平。
由于第2个反应是脱氢反应,而脱氢反应是可逆反应,为防止反应以后的气体回到甲醇原材料,既使反应的得率达到最佳水平,所以反应完毕的气体必须迅速急冷到350~400℃左右,这个任务由催化剂层下急冷器(催化剂层下急冷器)来完成。催化剂层下急冷器通以120~140℃的循环热水(根据气泡设定的蒸汽压力而决定的循环水温度)。循环热水的强制循环,是通过汽包,循环管道,急冷冷却器循环泵来完成的。
经过催化剂层下急冷器的甲醛反应气体,再通过急冷段侧面板冷却器(由N组联排热管组成),要求通过急冷段侧面板冷却器后的反应气体温度降到120~150℃左右。急冷段侧面板冷却器上部用急冷段产汽冷却器上升管和汽包相连接,产生的蒸汽通过管道进入汽包;汽包里的水通过件9(急冷段产汽冷却器下降管)流向急冷段侧面板冷却器的下部,这样就产生了自循环,不断的将氧化器内部的反应热带出来。产生的蒸汽压力一般为:0.2~0.4Mpa,此部分蒸汽可用于系统及外供。冷却至120~150℃左右的甲醛气体,通过反应器出口,流向吸收塔进行进一步冷却和吸收。
采用本发明后,37%甲醛水溶液的质量指标符合国标(GB/T9009-2011)优级,甲醛水溶液37%的主要指标:
本发明相比现有设备和工艺优点如下:
1、生产能力:传统型的氧化器最大生产能力为12万吨/年,超过12万吨的氧化器非常容易损坏,所以12万吨的氧化器是一个极限;本发明的单台氧化器最大生产能力可以达到30万吨;为甲醛装置的大型化打下了基础。
2、甲醛装置的单耗:传统型氧化器的甲醇单耗保证值为:445kg甲醇/t甲醛(37%);本发明的甲醇单耗保证值为:437kg甲醇/t甲醛(37%);每吨37%甲醛的单耗低于传统型8公斤,按目前市场价2.8元/公斤计算,每吨甲醛产品可以节约原材料22.4元,一条20万吨的甲醛生产线,每年可以节约成本448万元。
3、氧化器的副产蒸汽:传统型氧化器向外可供应副产蒸汽为:100kg甲醇/t甲醛(37%),0.2~0.4Mpa;本发明氧化器向外可供应副产蒸汽为:150kg甲醇/t甲醛(37%)0.2~0.4Mpa;按每吨蒸汽价格180元计算,每吨甲醛产品可以多产生经济效益9元,一条20万吨的甲醛生产线,每年可以多创造经济效益180万元。
4、运输问题:传统型12万吨氧化器最大的运输直径尺寸达到4.5米,所以12万吨甲醛装置受运输条件的限制是极限产能;而本发明30万吨氧化器最大的运输直径尺寸也是4.5米,所以在30万吨以内的氧化器不受运输条件的限制。
5、传统型氧化器由于结构问题,容易在管板和换热管热影响区产生热裂纹,所以氧化器是易损件,3年左右要更换氧化器;本发明氧化器由于结构合理,氧化器不再是易损件,氧化器的期望寿命为10年;以20万吨氧化器为例,10年内最少要更换2台,按每台:300万元(设备费)×2+50(更换和运输费)×2=700万元,既10年内节约设备投资700万元。摊派节约年设备费70万元。解决了困惑甲醛行业更换氧化器难题。
6、本发明氧化器操作简单,采用自动化控制。
7、本发明设计合理,无环境污染问题。

Claims (5)

1.一种银法甲醛装置中的甲醇氧化器,其特征在于:包括氧化器顶盖、与氧化器顶盖法兰连接的急冷段,以及辅助系统,所述辅助系统包括汽包和循环泵,所述氧化器顶盖与急冷段之间的空间形成催化室,该催化室设有电解银催化剂层;所述急冷段包括设在催化剂层下底部的催化剂层下急冷器、设在急冷段侧面板上的急冷段侧面板冷却器,以及设在催化剂层下急冷器下方的产汽冷却器;催化剂层下急冷器、急冷段侧面板冷却器和产汽冷却器均为内部通以汽包循环热水的管式换热器,且换热管在催化剂层下无焊接,其中催化剂层下急冷器通过循环泵强制循环。
2.根据权利要求1所述银法甲醛装置中的甲醇氧化器,其特征在于:所述氧化器顶盖外壁横向设有混合气体进口,内部设有截头锥形气体分配器。
3.根据权利要求1所述银法甲醛装置中的甲醇氧化器,其特征在于:所述电解银催化剂层厚度为15~20mm。
4.根据权利要求1所述银法甲醛装置中的甲醇氧化器,其特征在于:所述催化剂层下急冷器为联排管式换热器,产汽冷却器为多做联排管式换热器,急冷段侧面板冷却器采用半管换热器。
5.根据权利要求1所述银法甲醛装置中的甲醇氧化器,其特征在于:所述催化剂层为多层结构,每层电解银的粒径不同。
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