一種新型甲醛氧化反應器的設計與應用

盔甲氧化反應是盔甲生產的重要設備。它的優點直接影響到盔甲產品的質量，影響到公司經濟效益的提高。國內外甲醛生產廠家和設計單位對此作了大量的研究和實踐,但因該設備工作條件苛刻,以前設計的甲醛反應器均存在這樣或那樣的問題,影響了反應器功效的發揮。通過對甲醛氧化反應器工作機理的分析和研究,結合我公司甲醛生產實踐,我公司設計出了一種新型的甲醛氧化反應器。該新型反應器投入使用后,在節水、節能、延長設備使用壽命方面效果明顯。現將其結構特點及應用情況介紹如下。1甲醛氧化反應器空氣混合我公司甲醛生產以精甲醇為原料,采用浮石銀法生產工藝。98%的精甲醇在甲醇蒸發器內蒸發,然后與一定比例的空氣混合,并加入配料蒸汽,經過熱器加熱到100～130℃,再經過濾器、阻火器進入甲醛氧化反應器。在反應器內,甲醇、空氣、水蒸氣三元氣體被電爐點火升溫后,在銀催化劑作用下,甲醇發生氧化和脫氫反應生成高溫甲醛氣體,冷卻到100℃以下后經吸收塔吸收,得到37%的甲醛溶液。2國內鉻氧化反應的結構和性能2.1高溫甲醛氣體法該氧化反應器由上、下2部分組成。上部為反應段,甲醇、空氣、水蒸氣三元混合氣體在進入被電爐點火加熱的催化劑層時發生甲醇氧化反應并放出熱量,進而發生甲醇脫氫反應,生成甲醛氣體;下部為列管式冷卻器,生成的高溫甲醛氣體在此被冷卻水迅速冷卻到100℃以下送出。冷卻水在常壓下排放,雖然達到了冷卻的目的,但工藝余熱未被利用,浪費了大量的熱能,并且消耗大量的冷卻水。這種型式的甲醛氧化反應器是為了防止甲醛氣體在高溫下停留時間過長,發生副反應生成甲酸,對后續設備和管道造成腐蝕,影響產品質量而設計的。研究和試驗證明:高溫甲醛氣體在溫度低于280℃后,其副反應并不明顯,產品酸值也沒有增加。這就為充分利用工藝余熱、設計新的甲醛氧化反應器提供了可靠依據,二段式甲醛氧化反應器逐漸被淘汰已成必然。我公司一期5000t/a甲醛裝置中的氧化器就是這種類型。2.2甲醛冷卻段的選擇此氧化器由3部分組成,上段為氧化段,反應過程與二段式氧化器相同;中段為余熱回收段,從氧化段來的高溫甲醛氣體走管程,水和水蒸氣走殼程,利用高溫熱能生產低壓蒸汽;下段為氣體冷卻段,從余熱回收段來的甲醛氣體走管程,冷卻水走殼程,逆向換熱后將甲醛冷卻到100℃以下。該種反應器充分利用了工藝余熱,在節能、節水方面成效顯著。但也使反應器的工作條件惡化,使余熱回收段高溫側管板、管板與換熱管的連接部位處在高溫(600～730℃)下,既要承受壓力,又要受到高溫、高速氣體的沖擊和磨蝕,管子與管板連接處極易損壞,加之奧氏體不銹鋼在使用溫度高于525℃時材料的強度、塑性及抗氧化性顯著下降,造成損壞處無法修復,導致設備使用壽命短,甚至1～2a即報廢。3熱壓保護筒體我公司擴建10kt/a甲醛裝置時,以節約冷卻水量、利用化學反應余熱副產0.5MPa低壓蒸汽并延長設備使用壽命為目的,在分析、研究國內甲醛反應器的基礎上,設計了新型甲醛氧化反應器(圖1)。該反應器工作機理與三段式甲醛反應器相同,但結構上有很大不同(圖2)。(1)氧化室高溫反應段筒體內壁加裝硅酸鋁耐火纖維層進行絕熱保護,筒體外壁采用汽液冷卻,避免筒體材料在高溫下出現強度、塑性及抗氧化性顯著下降的情況。(2)高溫側管板(圖2件號3)采用特殊形式的撓性管板,此管板比固定平管板薄,管板內外壁溫差小,在同樣操作條件下,內外壁膨脹差小,產生的溫差應力小,有補償熱應力引起的變形能力,能適應管內管間物料溫差較大的操作。撓性管板因有折邊圓弧,也減小了管板邊緣的應力集中。(3)管板熱端面覆蓋硅酸鋁耐火纖維層絕熱,有效地降低了管板兩側的溫差。(4)換熱管熱端加裝保護套管(圖2件號2),保護換熱管與管板的焊接接頭及焊接熱影響區不受高速氣體的沖擊和磨蝕。(5)變徑筒(圖2件號12)加大殼程直徑,保證管束的邊緣與殼體間有足夠的環隙,使汽水混合物流動暢通。(6)升氣管出口開在殼程最高點處,使管板下面殼程內無死氣層存在,避免出現局部過熱造成高溫端管板與換熱管間的泄漏。4新型氧化器的經濟效益該新型甲醛反應器自投入我公司二期甲醛生產以來,已使用了3a,未發生過任何故障,各項指標都達到了設計要求。同我公司原有舊氧化器相比,成效顯著。以年產10kt甲醛計算,新型氧化器每年可產0.5MPa低壓蒸汽4020t,蒸汽按目前最低價50元/t計,年獲利20.1萬元。同時,每年還可節省冷卻水80kt,水價按0.05元/t計,年節約水費0.4萬元。僅此2項合計,每年可增收節支20.5萬元,經濟效益十分可觀。5脫氫反應(1)催化劑應分層裝填。浮石銀催化劑粒徑為2～6mm,底層粒徑為4～6mm,中層為3～4mm,上層為2～3mm,重量分配相應為總裝填量的40%～60%、10%～20%和20%～50%。這樣可使反應氣一進入催化劑層就發生強烈的氧化反應,使溫度迅速達到600℃,進行脫氫反應,以提高甲醇總轉化率。(2)廢熱鍋爐殼程內應在電爐點火前充滿水,防止發生水擊而損壞廢鍋。(3)電爐點火升溫,