甲醇合成反应器 分析与选择 (上)
四川维尼纶厂 王平尧
甲醇反应器是甲醇生产的重要设备，历经多年发展，其设计制造技术日臻成熟且趋于大型化。国内甲醇合成反
应器历经引进、模仿、改进到自主研发取得了较大成就，同时在反应器内件改进与研制方面也得到了较快发展，产
生了一批有较强研发实力的科研单位。在琳琅满目的设备面前，如何选择一种合适的反应器成为甲醇装置投资建设
必须面对解决的首要问题。
国 外主要反应器
1.主流反应器
（1）ICI冷激型反应器
ICI冷激型甲醇合成塔是针对51-1型铜基催化剂的时空产率低、催化剂用量大、床层控温困难，催化剂易失
活等缺陷而开发的一种绝热型轴向流动的低压合成反应器，由塔体、喷头、菱形分布器等组成。合成气预热到230～
250℃，进入反应器，段间用菱形分布器将冷激气喷入床层中间降温。根据规模大小，一般有3～6个床层，典型的
是4个，上面3个为分开的轴向流床，最下面1个为轴-径向流床。在5MPa、230～270℃条件下合成甲醇。ICI低
压反应器与高压反应器主要参数对比见表1。
表1 ICI反应器与高压反应器主要参数对比
项目 高压法 低压法
催化剂 ZnO-Cr2O3 Cu-ZnO-Al2O3
温度（℃） 350 255
压力（MPa） 35 5～10
副产物（%） 2～5 0.2
能耗（GJ/t） 42 36
与高压反应器相比，该类反应器的特点是：①结构简单，塔内未设置电加热器或换热器，催化剂利用效率较高。
由于采用菱形分布器，保证了反应气体和冷激气体的均匀混合；②适于大型化甲醇装置，易于安装维修；③高活性、
高选择性催化剂选择余地大，国内外生产的催化剂如美国的UCI C79-2、G106催化剂、ICI生产的ICI51-1、51-2、
51-3催化剂、西南化工研究院开发的C302和兰化院生产的NC系列催化剂等均能应用。
缺点是：①床层温度随其高度的变化而不同，不同高度的催化剂活性不同，整体活性不能有效发挥，也容易因
温度控制不好，导致催化剂局部过热而影响催化剂的使用寿命；②反应器结构松散，出口的甲醇浓度低，导致大部
分原料气不能参与合成反应，必须保持10倍左右的循环气量，压缩能耗高（约占总能耗的24%），同时相同产能的
反应器体积比鲁奇反应器大，其一次性投资也较鲁奇的多；③能源利用不合理，不能回收反应热，产品综合能耗较
高；④催化剂时空产率不高，用量大。
迄今为止，有50多套装置采用该反应器，其中最大的是1999年在智利投产的2850t/d甲醇装置。四川维尼纶
厂在上世纪70年代初引进该反应器，经过10多年的运行，始终难以达到设计生产能力。1997年技术改造时，将
该反应器改为MRF-Z反应器。
（2）鲁奇管壳型甲醇合成塔
该反应器也是一种轴向流动的低压反应器，采用管壳式结构。操作条件是：5.2～7MPa、230～255℃，列管内
装催化剂，管外为沸腾水。反应热被沸水移走。两种气体分别呈轴向流动，合成塔壳程的锅炉水是自然循环的，通
过控制沸腾水的蒸汽压力，可以保持恒定的反应温度。该塔使用高含量铜催化剂时，可得到较高的单程转化率，其
最大生产能力为1500t/d。根据国内应用的情况来看，大部分催化剂均可使用，对生产影响不大。
与ICI反应器相比，该反应器的优点是：①热量利用合理，每吨甲醇副产4MPa蒸汽1.4t，副产的蒸汽可用于
驱动离心式压缩机，也可用于天然气蒸汽转化，装置正常运行时不需外供蒸汽；②合成反应几乎是在等温条件下进
行，副反应少，粗甲醇杂质少，用双塔精馏即可达到国家标准；③催化剂床层温度易控制，床层的温差较小，操作
平稳；④出口甲醇浓度较高（甲醇含量约7%），总循环气量比ICI几乎少一半；⑤相同产能下，催化剂用量较少。
缺点是：①壳体和管板、反应管之间用焊接结构，为消除热应力，对塔体的制造、材料的要求均比较高，结构
复杂，制造难度大，维护成本高；②列管占用了反应器大量的空间，催化剂的装填量仅占反应器的30%；③由于管
内外传热温差较小，所需传热面积大，比冷面达125m2/m3；④因用副产蒸汽从催化剂床层移热，受蒸汽压力限制，
在催化剂寿命后期难以提高反应温度；⑤限于列管长度，扩大生产时，只能增加列管数量，扩大反应器的尺寸，生
产操作弹性小。
一般认为该反应器不适用于大型甲醇装置，鲁奇经过改进，将合成压力提高到7～10MPa，第一套2000t/d的
甲醇装置在马来西亚建成，2003年以来采用该反应器建成的甲醇装置多达21套，产能在1000～2500t/d。即将在
伊朗建成的5000t/d甲醇装置则采用两套反应器串联，该反应器可适用于石油和天然气原料。山东齐鲁第二化肥厂
及河南安阳甲醇厂（原料为煤）、四川维尼纶厂、陕西榆林及河南濮阳三化的天然气甲醇装置均采用该类反应器。
国内已能设计，产能可达30万t/a，应用效果也不错。
（3）日本东洋公司MRF反应器
MRF(Multi-stage-indirect-cooling Type Radial Folw）反应器是日本东洋公司与三井化学公司联合开发的
一种多段、间接冷却的径向反应器，由壳体、催化剂床层、催化剂筐、列管及集气盒组成。反应器内装有一直径较
小的内胆，以改变物料流向，在其中心轴向安装一个带外壳的集束管，用于收集反应后的气体，外壳开有直径小于
催化剂颗粒的小孔，收集的反应气沿径向从外壳上的小孔流入，管束内通过反应后的高温气体。反应器内还有冷却
管束和催化剂托架，沿轴心均匀布置。冷却管束为双层同心管，沸水从内管导入内外管间的环隙，吸收反应热后生
成高压蒸汽驱动蒸汽透平。催化剂填装在冷却管束外面，垂直地安装在催化剂床层，与水平径向流动的合成气垂直。
锅炉给水从炉底通入冷却管，产生的蒸汽汇集在蒸汽室内。冷却管的排列是MRF反应器的专利。其外型为圆筒状，
有上下两个端盖，下端盖可以拆卸，便于将中心集气管抽出，以方便催化剂装填和内部设施检修。
该反应器于1988年最初应用在特立尼达-多巴哥的1200t/d甲醇装置的改造上。该装置采用ICI冷激反应器。
TEC为验证该反应器，在该装置合成工序改造时，安装了一个260t/d的小型MRF反应器并于1990年6月投运，完
全达到预期目标。据TEC称，该装置易于从现在的2500～2800 t/d放大到5000 t/d，国内有四川维尼纶厂的两套
甲醇装置及四川泸州天然气化工厂的40万t/a甲醇装置采用该反应器。
国内装置采用ICI51-7/8催化剂，目前还没有针对MRF反应器开发新的催化剂，从运行的情况来看，产能未受
影响，基本能达到设计能力，但杂质含量较偏高，且有甲胺和石蜡生成。
冷却管是MRF反应器的核心部件，表2是MRF反应器与普通反应器对比。
表2 MRF-Z反应器与普通反应器对比
项 目 MRF-Z反应器 普通反应器
催化剂的相对体积 0.68 1.00
反应器数量 1 1
反应器相对总质量 1.25 1
反应器内总管数 950 n/a
相对换热面积 0.91 1.00
天然气消耗量 0.93 1.00
天然气及催化剂费用 0.92 1.00
该反应器的优点是：①气体径向流动，流道短，空速小，因此压降小，约为轴向反应器的1/10；②合成气垂
直流经冷却列管，床层与冷管之间的传热效率较高；③单程转化率较高，循环气量较小；④由于降低了压降和循环
气量，循环系统的能耗从冷激反应器111.6MJ/t降到57.6MJ/t。
其缺点是：催化剂床层的温度难控制，沿径向位于冷却管远端的催化剂容易出现局部过热而产生石蜡、氨、甲
胺等，使粗甲醇的杂质含量增高。
2.其他反应器
（1）托普索（Topsoe）管壳式反应器
该反应器是一种径向复合式反应器，一组3个。在反应器之间移去反应热。由于使用了高活性、小粒度催化剂，
床层压降为0.2～0.3MPa，反应器直径和壁厚均比其他反应器小，反应器的空速和甲醇出口浓度得到提高，造价较
低。1997年在挪威投产的2400t/d甲醇装置采用该反应器。
其特点是：①利用平衡曲线限制绝热升温，控制各段出口温度，增大循环比，使各段出口温度控制在催化剂耐
热温度以内；②允许使用小颗粒催化剂。
其缺点是：①循环气量大，能耗和循环回路的设备费用增加；②床层内气体呈轴向流动，压降较大；③由于气
体分布不均匀，反应气体的线速度与接触时间不断变化，造成床层各部分催化剂的利用程度不同，催化剂性能得不
到充分发挥；④因采用多个反应器，设计、制造复杂。国内还未有使用该反应器的报道。(未完待续)