空气冷却器在甲醛生产中的应用探讨

（吉林森工江苏分公司，江苏 丰县 221700）

1 甲醛生产流程简介

1.1 甲醛生产工艺

本工艺以甲醇为原料，以电解银为催化剂。甲醇经计量后被泵入再沸器中，经过蒸发作用后甲醇气被送入混合器；空气经过滤后被罗茨风机送入预热器中，经饱和水蒸汽加热达到一定温度后进入混合器；饱和水蒸汽经净化后也进入混合器。甲醛生产的三种原料—甲醇、空气和饱和水蒸气在混合器中充分混合，经过滤器和阻火器进入反应器，反应温度为600-700℃，压力为常压，在电解银催化作用下，甲醇发生氧化脱氢反应生成甲醛，上述过程中，甲醇的蒸发方式各有不同，也有一些厂家采用甲醇鼓泡蒸发。生成物甲醛气经反应器的急冷段和冷却段降温后进入第一吸收塔，在第一吸收塔底部采出合格的工业甲醛溶液，第一吸收塔内未被吸收的甲醛气进入第二吸收塔继续吸收，尾气被送至处理器中焚烧。工艺流程如图1所示。

图1 甲醛生产工艺流程图

1.2 冷却方式

在上述工艺过程中，需要冷却降温的单元有两个：一是反应单元，二是吸收单元。在反应单元中，为了控制副反应的持续发生，需要将生成物的温度迅速降低到200℃以下，在进入第一吸收塔之前温度要降到80-100℃。反应器的上段俗称急冷段，这部分结构设计为废热锅炉，在迅速降低反应产物温度的同时副产饱和水蒸气，能源得到了最大限度的综合利用。急冷段以下的冷却段设计为列管式水冷器，在这里反应生成物被进一步降温冷却至80-100℃。在吸收单元中，以水为吸收剂，以吸收液自循环的方式连续吸收。目前，大多数厂家对吸收液的冷却方法仍采用开式冷却塔，即换热器+凉水塔+循环水池的模式，少数厂家正在尝试使用闭式冷却塔。

2 空气冷却器的应用

空气冷却器早在上世纪30年代开始在国外出现，经过多次改进，40年代开始在大型石化企业中应用。我国从1963年开始进行空气冷却器的研究和开发，经过半个世纪的发展，空冷器不仅被应用于石化工业中，还广泛应用于电力、钢铁企业中，为节约水资源、保护环境和提高经济效益起到了积极作用。空冷方式与水冷方式的对比见表1。

表1 空冷方式与水冷方式对比

3 应用讨论

3.1 空气冷却器在甲醛反应单元中的应用

根据空冷器的经济设计条件，在上述甲醛生产工艺条件不变的情况下，把反应器的急冷段和冷却段的温度设计参数进行调整，就可以把空冷器引入到反应单元中，在设备投资增加有限的情况下，可以节省大量的水资源和运行费用，企业可以获得长远的经济效益，具体设想如下：反应器急冷段仍按废热锅炉设计，只是将出口温度由200℃调整到150℃，温度参数调整对急冷段的设计和制作都不增加难度，急冷段出口设计温度降低后，换热面积增加，制作成本增加，但是可以获得更多的蒸汽量；将反应器下部的冷却段设计成干式空冷器，取代传统的列管式水冷器，空冷器的入口温度设为150℃，出口温度设为80-100℃，出口温度的具体数值按制作经济性选取，安装位置设在反应器下部靠近第一吸收塔，结构形式采用鼓风式，空气下进上出，在空气出口的适当位置设置收集管，将换热后的热空气引入罗茨风机，这样，作为甲醛生产的主要原料之一的空气就得到了预热，可以降低空气预热器的热负荷，节省能源。

将反应器急冷段的出口温度设计成150℃的理由有两个：一是提高急冷段的换热面积，增加蒸汽的回收量；二是降低空冷器的入口温度。因为空冷器的入口温度过高，将导致热阻增加，传热效率下降，同样的热负荷，需增加换热面积，经济上不合算。空冷器的出口温度设计成80-100℃是根据甲醛的物性和吸收机理确定的，对于气相甲醛，吸收液的温度越低越有利于提高吸收效果，但是温度过低，甲醛溶液易聚合。

3.2 空气冷却器在甲醛吸收单元中的应用

甲醛吸收属放热反应，在吸收过程中需要通过循环液不断地将热量移除，传统方式都是采用水冷器来冷却循环液，用湿式空冷器来取代水冷器完全可行。首先，从工艺条件上看，空冷器适合甲醛生产。根据生产工艺要求，第一吸收塔循环液的温度要由80℃冷却到40-50℃，忽略冷却液循环系统的热损失，将空冷器的进口温度设为80℃，出口温度设为46℃，在我国淮河以北的大部分地区可以保证空冷器的接近温度不低于15℃的要求，符合空冷器设计条件，选用湿式空冷器可以根据环境温度的变化来调整空冷器的运行方式，以满足出口温度要求，确保夏季高温环境中得到理想的冷却效果；其次，从节水和节约设备维护费用出发，空冷器显然比水冷器要优越。

3.3 制约空冷器应用的原因

目前制约空冷器在甲醛行业推广应用的主要原因是造价较高。与水冷器相比，空冷器的造价令业主望而却步，尽管空冷器的节能效果和环保优势突出，运行维护费用较低，但这种优势需要在长期的设备运行中才能显示出来。对于甲醛这类投资相对较小的化工行业，企业主往往把设备投资费用作为选型的优先因素。在上述工艺中，以年产量5万吨的国产设备为例，选用常规水冷设备，冷却部分约占设备总造价的15%左右，如果把反应器的冷却段和吸收单元的水冷设备都改用空冷器，冷却设备的造价占比将超过35%，业主难已接受。另一原因是装置设计需要有创意，反应器冷却段按管式水冷器设计各方面条件都很成熟，且设备结构易于装置的整体布局，应用效果也得到使用厂家的长期认可。但是，如果按空冷器设计，由于具有一定的风险性，这对设计单位是个严峻考验。

我国水资源短缺的矛盾日益突出，即将开征的水资源税，是国家出台的又一项重要的水资源保护措施，由于政府对环保排放监控力度的加大和民众节能环保意识的增强，空冷器这一节能环保设备将获得更加广阔的应用前景。

4 结语

空冷器用于甲醛生产，具有长远的经济效益和良好的社会效益。在设计和使用中应当着重考虑以下问题。

(1)装置统筹设计要更利于节能效果的发挥。将反应器的出口温度、吸收塔底温度、吸收塔顶温度统筹兼顾，在符合工艺要求的前提下，以经济性确定最佳值，选定最合适的空冷器的进出入口温度。

(2)计算中要引用准确的当地气象参数。如室外计算温度、夏季每年不保证五天的日平均干球温度、最热月平均相对湿度等。

(3)装置整体新建和局部改造所需的设备参数不同，空冷器的方案设计要反复论证以求科学完善，在满足工艺要求的前提下把设备的制造成本降到最低。

(4)除设计防冻、降噪措施外，还要根据甲醛的物性设计防聚合、管内机械清理等辅助设施。

[1]赖周平，张荣克. 空气冷却器[M].北京：中国石化出版社，2010.

[2]戴自庚等. 甲醛生产[M].成都：电子科技大学出版社，1993.