空氣冷卻器在甲醛生產(chǎn)中的應(yīng)用探討

（吉林森工江蘇分公司，江蘇 豐縣 221700）

1 甲醛生產(chǎn)流程簡介

1.1 甲醛生產(chǎn)工藝

本工藝以甲醇為原料，以電解銀為催化劑。甲醇經(jīng)計(jì)量后被泵入再沸器中，經(jīng)過蒸發(fā)作用后甲醇?xì)獗凰腿牖旌掀?；空氣?jīng)過濾后被羅茨風(fēng)機(jī)送入預(yù)熱器中，經(jīng)飽和水蒸汽加熱達(dá)到一定溫度后進(jìn)入混合器；飽和水蒸汽經(jīng)凈化后也進(jìn)入混合器。甲醛生產(chǎn)的三種原料—甲醇、空氣和飽和水蒸氣在混合器中充分混合，經(jīng)過濾器和阻火器進(jìn)入反應(yīng)器，反應(yīng)溫度為600-700℃，壓力為常壓，在電解銀催化作用下，甲醇發(fā)生氧化脫氫反應(yīng)生成甲醛，上述過程中，甲醇的蒸發(fā)方式各有不同，也有一些廠家采用甲醇鼓泡蒸發(fā)。生成物甲醛氣經(jīng)反應(yīng)器的急冷段和冷卻段降溫后進(jìn)入第一吸收塔，在第一吸收塔底部采出合格的工業(yè)甲醛溶液，第一吸收塔內(nèi)未被吸收的甲醛氣進(jìn)入第二吸收塔繼續(xù)吸收，尾氣被送至處理器中焚燒。工藝流程如圖1所示。

圖1 甲醛生產(chǎn)工藝流程圖

1.2 冷卻方式

在上述工藝過程中，需要冷卻降溫的單元有兩個(gè)：一是反應(yīng)單元，二是吸收單元。在反應(yīng)單元中，為了控制副反應(yīng)的持續(xù)發(fā)生，需要將生成物的溫度迅速降低到200℃以下，在進(jìn)入第一吸收塔之前溫度要降到80-100℃。反應(yīng)器的上段俗稱急冷段，這部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為廢熱鍋爐，在迅速降低反應(yīng)產(chǎn)物溫度的同時(shí)副產(chǎn)飽和水蒸氣，能源得到了最大限度的綜合利用。急冷段以下的冷卻段設(shè)計(jì)為列管式水冷器，在這里反應(yīng)生成物被進(jìn)一步降溫冷卻至80-100℃。在吸收單元中，以水為吸收劑，以吸收液自循環(huán)的方式連續(xù)吸收。目前，大多數(shù)廠家對(duì)吸收液的冷卻方法仍采用開式冷卻塔，即換熱器+涼水塔+循環(huán)水池的模式，少數(shù)廠家正在嘗試使用閉式冷卻塔。

2 空氣冷卻器的應(yīng)用

空氣冷卻器早在上世紀(jì)30年代開始在國外出現(xiàn)，經(jīng)過多次改進(jìn)，40年代開始在大型石化企業(yè)中應(yīng)用。我國從1963年開始進(jìn)行空氣冷卻器的研究和開發(fā)，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，空冷器不僅被應(yīng)用于石化工業(yè)中，還廣泛應(yīng)用于電力、鋼鐵企業(yè)中，為節(jié)約水資源、保護(hù)環(huán)境和提高經(jīng)濟(jì)效益起到了積極作用?？绽浞绞脚c水冷方式的對(duì)比見表1。

表1 空冷方式與水冷方式對(duì)比

3 應(yīng)用討論

3.1 空氣冷卻器在甲醛反應(yīng)單元中的應(yīng)用

根據(jù)空冷器的經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)條件，在上述甲醛生產(chǎn)工藝條件不變的情況下，把反應(yīng)器的急冷段和冷卻段的溫度設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，就可以把空冷器引入到反應(yīng)單元中，在設(shè)備投資增加有限的情況下，可以節(jié)省大量的水資源和運(yùn)行費(fèi)用，企業(yè)可以獲得長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，具體設(shè)想如下：反應(yīng)器急冷段仍按廢熱鍋爐設(shè)計(jì)，只是將出口溫度由200℃調(diào)整到150℃，溫度參數(shù)調(diào)整對(duì)急冷段的設(shè)計(jì)和制作都不增加難度，急冷段出口設(shè)計(jì)溫度降低后，換熱面積增加，制作成本增加，但是可以獲得更多的蒸汽量；將反應(yīng)器下部的冷卻段設(shè)計(jì)成干式空冷器，取代傳統(tǒng)的列管式水冷器，空冷器的入口溫度設(shè)為150℃，出口溫度設(shè)為80-100℃，出口溫度的具體數(shù)值按制作經(jīng)濟(jì)性選取，安裝位置設(shè)在反應(yīng)器下部靠近第一吸收塔，結(jié)構(gòu)形式采用鼓風(fēng)式，空氣下進(jìn)上出，在空氣出口的適當(dāng)位置設(shè)置收集管，將換熱后的熱空氣引入羅茨風(fēng)機(jī)，這樣，作為甲醛生產(chǎn)的主要原料之一的空氣就得到了預(yù)熱，可以降低空氣預(yù)熱器的熱負(fù)荷，節(jié)省能源。

將反應(yīng)器急冷段的出口溫度設(shè)計(jì)成150℃的理由有兩個(gè)：一是提高急冷段的換熱面積，增加蒸汽的回收量；二是降低空冷器的入口溫度。因?yàn)榭绽淦鞯娜肟跍囟冗^高，將導(dǎo)致熱阻增加，傳熱效率下降，同樣的熱負(fù)荷，需增加換熱面積，經(jīng)濟(jì)上不合算。空冷器的出口溫度設(shè)計(jì)成80-100℃是根據(jù)甲醛的物性和吸收機(jī)理確定的，對(duì)于氣相甲醛，吸收液的溫度越低越有利于提高吸收效果，但是溫度過低，甲醛溶液易聚合。

3.2 空氣冷卻器在甲醛吸收單元中的應(yīng)用

甲醛吸收屬放熱反應(yīng)，在吸收過程中需要通過循環(huán)液不斷地將熱量移除，傳統(tǒng)方式都是采用水冷器來冷卻循環(huán)液，用濕式空冷器來取代水冷器完全可行。首先，從工藝條件上看，空冷器適合甲醛生產(chǎn)。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，第一吸收塔循環(huán)液的溫度要由80℃冷卻到40-50℃，忽略冷卻液循環(huán)系統(tǒng)的熱損失，將空冷器的進(jìn)口溫度設(shè)為80℃，出口溫度設(shè)為46℃，在我國淮河以北的大部分地區(qū)可以保證空冷器的接近溫度不低于15℃的要求，符合空冷器設(shè)計(jì)條件，選用濕式空冷器可以根據(jù)環(huán)境溫度的變化來調(diào)整空冷器的運(yùn)行方式，以滿足出口溫度要求，確保夏季高溫環(huán)境中得到理想的冷卻效果；其次，從節(jié)水和節(jié)約設(shè)備維護(hù)費(fèi)用出發(fā)，空冷器顯然比水冷器要優(yōu)越。

3.3 制約空冷器應(yīng)用的原因

目前制約空冷器在甲醛行業(yè)推廣應(yīng)用的主要原因是造價(jià)較高。與水冷器相比，空冷器的造價(jià)令業(yè)主望而卻步，盡管空冷器的節(jié)能效果和環(huán)保優(yōu)勢突出，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較低，但這種優(yōu)勢需要在長期的設(shè)備運(yùn)行中才能顯示出來。對(duì)于甲醛這類投資相對(duì)較小的化工行業(yè)，企業(yè)主往往把設(shè)備投資費(fèi)用作為選型的優(yōu)先因素。在上述工藝中，以年產(chǎn)量5萬噸的國產(chǎn)設(shè)備為例，選用常規(guī)水冷設(shè)備，冷卻部分約占設(shè)備總造價(jià)的15%左右，如果把反應(yīng)器的冷卻段和吸收單元的水冷設(shè)備都改用空冷器，冷卻設(shè)備的造價(jià)占比將超過35%，業(yè)主難已接受。另一原因是裝置設(shè)計(jì)需要有創(chuàng)意，反應(yīng)器冷卻段按管式水冷器設(shè)計(jì)各方面條件都很成熟，且設(shè)備結(jié)構(gòu)易于裝置的整體布局，應(yīng)用效果也得到使用廠家的長期認(rèn)可。但是，如果按空冷器設(shè)計(jì)，由于具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性，這對(duì)設(shè)計(jì)單位是個(gè)嚴(yán)峻考驗(yàn)。

我國水資源短缺的矛盾日益突出，即將開征的水資源稅，是國家出臺(tái)的又一項(xiàng)重要的水資源保護(hù)措施，由于政府對(duì)環(huán)保排放監(jiān)控力度的加大和民眾節(jié)能環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，空冷器這一節(jié)能環(huán)保設(shè)備將獲得更加廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

空冷器用于甲醛生產(chǎn)，具有長遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。在設(shè)計(jì)和使用中應(yīng)當(dāng)著重考慮以下問題。

(1)裝置統(tǒng)籌設(shè)計(jì)要更利于節(jié)能效果的發(fā)揮。將反應(yīng)器的出口溫度、吸收塔底溫度、吸收塔頂溫度統(tǒng)籌兼顧，在符合工藝要求的前提下，以經(jīng)濟(jì)性確定最佳值，選定最合適的空冷器的進(jìn)出入口溫度。

(2)計(jì)算中要引用準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)貧庀髤?shù)。如室外計(jì)算溫度、夏季每年不保證五天的日平均干球溫度、最熱月平均相對(duì)濕度等。

(3)裝置整體新建和局部改造所需的設(shè)備參數(shù)不同，空冷器的方案設(shè)計(jì)要反復(fù)論證以求科學(xué)完善，在滿足工藝要求的前提下把設(shè)備的制造成本降到最低。

(4)除設(shè)計(jì)防凍、降噪措施外，還要根據(jù)甲醛的物性設(shè)計(jì)防聚合、管內(nèi)機(jī)械清理等輔助設(shè)施。

[1]賴周平，張榮克. 空氣冷卻器[M].北京：中國石化出版社，2010.

[2]戴自庚等. 甲醛生產(chǎn)[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，1993.