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1 甲醛生產流程簡介

1.1 甲醛生產工藝

本工藝以甲醇為原料，以電解銀為催化劑。甲醇經計量后被泵入再沸器中，經過蒸發作用后甲醇氣被送入混合器；空氣經過濾后被羅茨風機送入預熱器中，經飽和水蒸汽加熱達到一定溫度后進入混合器；飽和水蒸汽經凈化后也進入混合器。甲醛生產的三種原料—甲醇、空氣和飽和水蒸氣在混合器中充分混合，經過濾器和阻火器進入反應器，反應溫度為600-700℃，壓力為常壓，在電解銀催化作用下，甲醇發生氧化脫氫反應生成甲醛，上述過程中，甲醇的蒸發方式各有不同，也有一些廠家采用甲醇鼓泡蒸發。生成物甲醛氣經反應器的急冷段和冷卻段降溫后進入第一吸收塔，在第一吸收塔底部采出合格的工業甲醛溶液，第一吸收塔內未被吸收的甲醛氣進入第二吸收塔繼續吸收，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：一是反應單元，二是吸收單元。在反應單元中，為了控制副反應的持續發生，需要將生成物的溫度迅速降低到200℃以下，在進入第一吸收塔之前溫度要降到80-100℃。反應器的上段俗稱急冷段，這部分結構設計為廢熱鍋爐，在迅速降低反應產物溫度的同時副產飽和水蒸氣，能源得到了最大限度的綜合利用。急冷段以下的冷卻段設計為列管式水冷器，在這里反應生成物被進一步降溫冷卻至80-100℃。在吸收單元中，以水為吸收劑，以吸收液自循環的方式連續吸收。目前，大多數廠家對吸收液的冷卻方法仍采用開式冷卻塔，即換熱器+涼水塔+循環水池的模式，少數廠家正在嘗試使用閉式冷卻塔。

2 空氣冷卻器的應用

空氣冷卻器早在上世紀30年代開始在國外出現，經過多次改進，40年代開始在大型石化企業中應用。我國從1963年開始進行空氣冷卻器的研究和開發，經過半個世紀的發展，空冷器不僅被應用于石化工業中，還廣泛應用于電力、鋼鐵企業中，為節約水資源、保護環境和提高經濟效益起到了積極作用。空冷方式與水冷方式的對比見表1。

表1 空冷方式與水冷方式對比

3 應用討論

3.1 空氣冷卻器在甲醛反應單元中的應用

根據空冷器的經濟設計條件，在上述甲醛生產工藝條件不變的情況下，把反應器的急冷段和冷卻段的溫度設計參數進行調整，就可以把空冷器引入到反應單元中，在設備投資增加有限的情況下，可以節省大量的水資源和運行費用，企業可以獲得長遠的經濟效益，具體設想如下：反應器急冷段仍按廢熱鍋爐設計，只是將出口溫度由200℃調整到150℃，溫度參數調整對急冷段的設計和制作都不增加難度，急冷段出口設計溫度降低后，換熱面積增加，制作成本增加，但是可以獲得更多的蒸汽量；將反應器下部的冷卻段設計成干式空冷器，取代傳統的列管式水冷器，空冷器的入口溫度設為150℃，出口溫度設為80-100℃，出口溫度的具體數值按制作經濟性選取，安裝位置設在反應器下部靠近第一吸收塔，結構形式采用鼓風式，空氣下進上出，在空氣出口的適當位置設置收集管，將換熱后的熱空氣引入羅茨風機，這樣，作為甲醛生產的主要原料之一的空氣就得到了預熱，可以降低空氣預熱器的熱負荷，節省能源。

將反應器急冷段的出口溫度設計成150℃的理由有兩個：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。因為空冷器的入口溫度過高，將導致熱阻增加，傳熱效率下降，同樣的熱負荷，需增加換熱面積，經濟上不合算。空冷器的出口溫度設計成80-100℃是根據甲醛的物性和吸收機理確定的，對于氣相甲醛，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用

甲醛吸收屬放熱反應，在吸收過程中需要通過循環液不斷地將熱量移除，傳統方式都是采用水冷器來冷卻循環液，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。根據生產工藝要求，第一吸收塔循環液的溫度要由80℃冷卻到40-50℃，忽略冷卻液循環系統的熱損失，將空冷器的進口溫度設為80℃，出口溫度設為46℃，在我國淮河以北的大部分地區可以保證空冷器的接近溫度不低于15℃的要求，符合空冷器設計條件，選用濕式空冷器可以根據環境溫度的變化來調整空冷器的運行方式，以滿足出口溫度要求，確保夏季高溫環境中得到理想的冷卻效果；其次，從節水和節約設備維護費用出發，空冷器顯然比水冷器要優越。

3.3 制約空冷器應用的原因

目前制約空冷器在甲醛行業推廣應用的主要原因是造價較高。與水冷器相比，空冷器的造價令業主望而卻步，盡管空冷器的節能效果和環保優勢突出，運行維護費用較低，但這種優勢需要在長期的設備運行中才能顯示出來。對于甲醛這類投資相對較小的化工行業，企業主往往把設備投資費用作為選型的優先因素。在上述工藝中，以年產量5萬噸的國產設備為例，選用常規水冷設備，冷卻部分約占設備總造價的15%左右，如果把反應器的冷卻段和吸收單元的水冷設備都改用空冷器，冷卻設備的造價占比將超過35%，業主難已接受。另一原因是裝置設計需要有創意，反應器冷卻段按管式水冷器設計各方面條件都很成熟，且設備結構易于裝置的整體布局，應用效果也得到使用廠家的長期認可。但是，如果按空冷器設計，由于具有一定的風險性，這對設計單位是個嚴峻考驗。

我國水資源短缺的矛盾日益突出，即將開征的水資源稅，是國家出臺的又一項重要的水資源保護措施，由于政府對環保排放監控力度的加大和民眾節能環保意識的增強，空冷器這一節能環保設備將獲得更加廣闊的應用前景。

4 結語

空冷器用于甲醛生產，具有長遠的經濟效益和良好的社會效益。在設計和使用中應當著重考慮以下問題。

(1)裝置統籌設計要更利于節能效果的發揮。將反應器的出口溫度、吸收塔底溫度、吸收塔頂溫度統籌兼顧，在符合工藝要求的前提下，以經濟性確定最佳值，選定最合適的空冷器的進出入口溫度。

(2)計算中要引用準確的當地氣象參數。如室外計算溫度、夏季每年不保證五天的日平均干球溫度、最熱月平均相對濕度等。

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

(4)除設計防凍、降噪措施外，還要根據甲醛的物性設計防聚合、管內機械清理等輔助設施。

[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[M].成都：電子科技大學出版社，1993.