甲醇合成反应器 分析与选择 (下)
四川维尼纶厂  王平尧

(上接本刊49期第15版)
    （2）林德（Linde）螺旋管反应器  也称等温反应器，盘管内走锅炉水，移去管外催化剂层的反应热，该反应
器已应用的最大产能为520t/d。
    该类反应器的特点是：①与鲁奇直管相比，使用螺旋冷管较好地解决了热应力问题；②通过控制蒸汽压力来调
节反应器操作温度，操作稳定可靠且催化剂床层温差较小；③合成反应在等温下进行，反应器内温度分布与理想动
力学条件相近。
    不足之处是：①设备制造难度大，投资相对较高；②不利于生产扩能和大型化。
    （3）MGC/MHI超转化反应器  MGC反应器实际上是鲁奇反应器的一种改进，其结构为双套管，催化剂装在内外
套管间，冷气从塔底进入，通过冷管（内套管）与管外催化剂层逆流换热后进入床层反应，管间是沸水，外设一个
蒸汽汽包。以10万t/a甲醇装置为例，其塔体内径2000mm，可装填30t催化剂，未反应气体经塔外换热器升温后，
依次进入四段床层，为了调节温度，在每段进口前将原料气与反应气混合后，达到降温的目的。
    3.发展趋势
    （1）大型化  最近在伊朗和沙特建设的甲醇装置产能均突破5000t/d。
    （2）多样化  气相合成反应有很多优点，降低了反应器的材质要求，使生产成本大大降低。但因原料转化率
较低，须以数倍循环气往复循环，消耗了大量的能源。各大公司开发了各式各样的多相反应器，如气-液反应器、
气-液-固反应器。据现有资料分析，液相合成甲醇的生产成本和投资均比气相法低。表3是气相法与液相法的甲醇
技术经济比较。

表3  气相法与液相法的甲醇技术经济比较
合成工艺  出口甲醇含量%   热效率   甲醇相对成本   相对投资
气相合成        5.0            86.3       1.00             100
液相合成       13.5            97.9       0.705          77

    据丁百全等介绍，三相法的合成压力低于气相法的压力。三相床的研究主要集中在浆态床与流化床方面，美国
已实现工业化，建成500t/d的甲醇装置。
    （3）中压化  甲醇合成压力经历了从高压到中压、低压的发展趋势。随着甲醇装置的大型化和国际能源日益
紧张，低压法的缺陷越来越成为甲醇装置向大型化发展的障碍。ICI和鲁奇的大型化甲醇反应器的反应压力已有中
压趋势，液相反应器的操作压力为11MPa以上。
    （4）节能降耗  节能降耗是世界甲醇装置一直追求并将继续追求的目标，各国围绕节能降耗做了大量工作。
但现有甲醇反应器的性能基本发挥到极致，要实现新的节能降耗目标，还需另辟蹊径，开发出更节能、效率更高、
热效益利用更合理的甲醇反应器，如浆态床反应器、超临界反应器、甲烷直接转化、生物反应器等。


国内甲醇反应器现状

    国内甲醇装置主要以煤为原料，在各种甲醇原料中，煤占77%、天然气占10.3%、重油占9.3%。在各种生产工
艺中，低压法占14%、高压法占19%、联醇法占67%。国内以煤为主要原料的联醇企业，在提高甲醇收率，延长催
化剂活性期等方面对甲醇反应器进行了模仿和改进，取得了一些积极的成果。
    1.模仿改进的反应器
    国内模仿改进的甲醇反应器以冷管式为主，包括单管逆流、双套管并流、三套管并流及单管并流等反应器，其
共同特点是：都带有催化剂筐、可以与反应器外筒分开；内部换热式，未反应的冷气体与反应后的热气体间接交换
热量；适合于中小型的甲醇装置；维修方便，制造容易。
    （1）单管逆流反应器  我国早期使用的甲醇合成反应器大多是单管逆流式，设计产能可达100t/d，第一套装
置在吉林化学工业公司投产，而后相继应用于兰州、太原、西安等地甲醇装置。该反应器的特点是结构简单，生产
稳定，但由于管内原料气与催化剂床层反应器的逆流换热方式与产生的反应热不相适应，温差不易控制，甲醇杂质
含量高，产品质量较差。
    （2）三套管并流反应器  我国使用最多的一种甲醇合成反应器，该类反应器在设计时可合理地安排冷管位置，
适当加高绝热层，在塔上部设有1m以上的绝热层，把热位置提前，使冷管的换热与反应要求相适应，加宽反应区，
使尾部温度平坦，减少副反应。该类反应器的缺陷在于绝热层升温较快，对铜基催化剂影响较大。
    （3）单管并流反应器  单管并流是一种合成塔内件，该反应器的基本结构仍是冷管型反应器，其原理与三管
并流相似，所不同的是结构更简单。具有甲醇产量高、温度分布合理等特点，主要应用于联醇装置。
    （4）U型冷却管反应器  华东理工大学完成了φ1000mm的U型冷却管反应器设计并成功应用于上海吴泾化工
厂，是一种高压法反应器。
    2.国内研发进展
    国内有大批从事甲醇反应器及其塔内件开发的研究人员，其开发主要反应器有复合式及等温式等，形成了以林
达公司、华东理工大学为代表的甲醇反应器开发商。
    （1）绝热-管壳式反应器  由华东理工大学开发成功，该反应器由绝热段与管壳段两部分组成。催化剂填充在
管壳段，反应热传给管外的沸水，以蒸汽的形式回收热量，通过调节蒸汽压力来实现催化床的等温分布。该反应器
是基于鲁奇列管式反应器的改进型并有一定创新，为了解决鲁奇反应器的壁效应问题，将原反应器的列管从38根
增加到44根，高度不变，改变了床层内径与催化剂颗粒直径之比，产能相同时反应器体积较小，可节约设备投资。
    （2）内冷-管壳式反应器  由华东理工大学开发成功，该反应器由主反应器和副反应器两部分组成。副反应器
为内冷反应器、主反应器为管壳式反应器。原料气经副反应器的冷管升温后进入主反应器的列管内催化床，在接近
等温下反应，反应放出的热量通过壳程的冷却水排出。反应后的气体从主反应器出来后又进入副反应器的催化层继
续反应。此时反应已进入后期，反应温度低于主反应器催化床的反应温度，对化学平衡比较有利。该反应器具有产
品收率和原料转化率高，催化剂使用寿命长，单系列产能大，能量利用合理，副产蒸汽及床层温度合理等优点。
    （3）径向流动反应器  华东理工大学和宁波设计院开发了径向副产蒸汽固定床甲醇合成反应器。该反应器在
径向反应器内设置了一组水冷管，使反应产生的热量以蒸汽形式排出。该反应器与轴向反应器相比，同产能下，可
减少催化剂用量20%～30%，有效利用率可提高15%～20%，是一种工业化前景较好的大型甲醇合成反应器。
    （4）林达等温反应器  林达等温型反应器包括等温型和前置式副产蒸汽型反应器。等温型反应器采用在催化
剂床层可自由伸缩活动装配的冷管束，用管内冷气吸收管外反应热，管内冷气与催化剂床层反应气并流换热和逆流
间接换热。该反应器的使用厂家有12家，最大产能为30万t/a甲醇装置，总产能为117万t/a。
    前置式副产蒸汽反应器于1994年开发成功，该反应器由催化剂筐、换热器和锅炉组成。首套装置于1994年在
广州氮肥厂成功投运，目前有7套装置应用，其中5万t/a的装置4套，塔径φ1400mm，3万t/a的装置2套，塔
径φ1200mm，7万t/a的装置1套。表4为前置式与中置式反应器的对比情况。

表4   前置式反应器与中置式反应器对比
比较项目    前置式反应器    中置式反应器
回收蒸汽    位能高，产量多    位能低，产量少
结   构        较简单            较复杂


反应器的选择

    反应器的选择应该考虑以下因素：
    （1）原料  每一种反应器均根据特定的原料组成进行研究和开发，同一类反应器应用不同原料时，能否达到
预期的效果，需要进行验证。
    （2）侧重点  反应器侧重点有：侧重于节能、单产扩大、降低产品副产物、装置结构紧凑、节约用地。
    （3）装置规模  不同反应器适用于不同规模的生产，从小规模放大若干倍和将大反应器缩小若干倍，都会遇
到工程问题，并可能导致生产成本上升。
    （4）制造与检维修  不同反应器结构不同，对设备供应商的依赖程度不同，结构简单的维修简单，容易仿制
和扩能；结构复杂的，对设备供应商的依赖程度高，生产维护成本高，制造难度大，不易扩能。
    （5）投资及可获得性  选择国外反应器，具有使用厂家多，技术成熟，制造经验丰富，运行比较可靠等优点，
但投资比较高；国内反应器针对性较强，新开发的反应器大多适用于以煤或重油为原料的装置，生产规模一般较小。
但具有技术支持方便，价格便宜。

    甲醇合成反应器的选择应结合原料特点、催化剂是否能实现国产化、产品的质量等级等各方面因素综合考虑。
目前，30万t/a以下规模的甲醇装置可以采用国产反应器，但30万t/a以上规模的反应器尚待进一步验证。（全
文完）