合成塔)
精馏塔基础知识
塔基础知识1：化工生产过程中,是如何对塔设备进行定义的?答:化工生产过程中可提供气(或汽)液或液液两相之间进行直接接触机会，达到相际传质及传热目的，又能使接触之后的两相及时分开，互不夹带的设备称之为塔。
塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。
常见的、可在塔设备中完成单元操作的有精馏、吸收、解吸和萃取等，因此，塔设备又分为精馏塔、吸收塔、解吸塔和萃取塔等。
2：塔设备是如何分类的?答：按塔的内部构件结构形式，可将塔设备分为两大类：板式塔和填料塔。
按化工操作单元的特性(功能)，可将塔设备分为：精馏塔、吸收塔、解吸塔、反应塔(合成塔)、萃取塔、再生塔、干燥塔。
按操作压力可将塔设备分为：加压塔、常压塔和减压塔。
按形成相际接触界面的方式，可将塔设备分为：具有固定相界面的塔和流动相界面的塔。
3：什么是塔板效率?其影响因素有哪些?答：理论塔板数及实际塔板数之比叫塔板效率，它的数值总是小于1。
在实际运行中，由于气液相传质阻力、混合、雾沫夹带等原因，气液相的组成及平衡状态有所偏离，所以在确定实际塔板数量时，应考虑塔板效率。
系统物性、流体力学、操作条件和塔板结构参数等都对塔板效率有影响，目前塔板效率还不能精确地预测。
4：塔的安装对精馏操作有何影响?答：：(1)塔身垂直.倾斜度不得超过1/1000,否则会在塔板上造成死区,使塔的精馏效率下降;(2)塔板水平.水平度不超过正负2mm,塔板水平度如果达不到要求,则会造成液层高度不均匀,使塔内上升的气相易从液层高度小的区域穿过,使气液两相不能在塔板上达到预期的传热,传质要求.使塔板效率降低。
筛板塔尤其要注意塔板的水平要求。
对于舌形塔板，浮动喷射塔板，斜孔塔板等还需注意塔板的安装位置，保持开口方向及该层塔板上液体的流动方向一致。
（3）溢流口及下层塔板的距离应根据生产能力和下层塔板溢流堰的高度而定。
但必须满足溢流堰板能插入下层受液盘的液体之中，以保持上层液相下流时有足够的通道和封住下层上升蒸汽必须的液封，避免气相走短路。
催化剂中毒原理
中毒原理1、co和co2进入合成塔会在催化剂的作用下与氢发生以下反应CO+3H2=CH4+H2OCO2+4H2=CH4+2H2O2、生成的水蒸汽又会和催化剂--aFe发生以下反应H2O+Fe=Feo+h23H2O+2Fe=Fe2O3+3H2这样催化剂中具有活性的a-Fe被氧化成氧化亚铁和三氧化二铁。
催化剂的活性降低。
现象；1、合成塔的温度是靠3H2+N2=NH3 这一放热反应的反应热维持的，催化剂活性下降，反应热减少，合成塔温度就会下降。
2、合成是一个回路，补充进来的气体靠生成氨后排放出去，催化剂活性下降，氨的合成率下降，补充进来的气体就会在回路里大量累积，合成压力上升。
3、中毒反应也是一个放热反应，所以合成中毒时第1、2点的温度会有一个短暂的温升过程，随着催化剂活性的下降，整个合成塔的温度会急剧下降。
也就是说前面两点温度上升，后面的温度下降。
我们俗称为打交叉。
当然，前面几点的温升时间不会很长，如果中毒深的话，整个合成塔的温度都会垮下来。
外理；1关补充气阀，停止补充不合格气体，直到合成温度正常，且气体合格。
（重新补入合格气体时要对补充气管线进行置换）2关死冷副线、减少循环量，防止温度进一步下降。
3打开塔后放空阀，控制好合成压力，防止超压。
4必要时启用电炉，靠电炉提供的热量提温。
5如果中毒较深，则要将系统内的不合格气体全部放空，并用合格气体顺流程进行置换。
不能犹豫！合成的中毒反应也是一个可逆反应，只要中毒不深，发现及时，处理迅速得当。
合成温度是完全可以保住的。
只是中毒会缩短催化剂的使用寿命，所以要严禁不合格气体进入合成塔。
催化剂经长期使用后，内因接触毒物，活性会逐渐下降。
原因：①催化剂长期处于高温之下，因受热的影响，催化剂的细小晶粒逐渐长大，表面积减小，活性下降；②催化剂层温度波动频繁、温差过大，使催化剂过热或熔融，活性下降；③气流的不断冲击，破坏了催化剂的结构，活性下降；④原料气中少量引起催化剂暂时中毒的毒物，使催化剂表面不停地反复进行氧化、还原反应，活性下降等。
合成塔的设计 化工原理
化工原理课程设计一、塔设备简介塔设备是炼油、化工、石油化工、生物化工与制药等生产中广泛应用的气液传质设备。
根据塔内气液接触的部件的结构形式，可分为板式塔和填料塔两大类。
板式塔内置一定数量的塔板，气体以鼓泡或喷射形式穿过板上液层进行质、热传递，气液相组成呈阶梯变化，属逐级接触逆流操作过程。
填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流向上与液体接触进行质热传递，气液相组成沿塔高连续变化，属微分接触操作过程。
二、板式精馏塔的设计板式塔种类很多，但其设计原则基本相同，通常按如下的步骤进行设计：（1）根据设计任务和工艺要求，确定设计方案；（2）确定塔高，塔径等工艺尺寸；（3）确定塔板类型，设计塔板工艺尺寸（溢流装置，塔板布置，升气道排列等）；（4）进行流体力学验算，绘制负荷性能图；（5）附属设备及管道的计算与选型。
三、设计题目：酒精生产过程精馏塔的设计四、原始数据及条件生产能力：年处理量乙醇—水混合液18500吨（按7200小时计算）原料：乙醇含量为55%（质量分数，下同）的常温液体分离要求：塔顶乙醇含量不低于91.5%塔底乙醇含量不高于1%化工原理设计过程一、精馏塔全塔物料衡算: 原料组成（摩尔分数，下同）F: 进料量（kmol/s）D: 塔顶产品流量（kmol/s）W:塔底残夜流量（kmol/s）原料乙醇组成:塔顶组成：塔底组成：=3600)=0.02638 物料衡算式：F=D+WF =D +W联立解得W=0.01590（kmol/s）D=0.01048（kmol/s）二、常压下乙醇-水气液平衡组成（摩尔）与温度关系1、温度利用表中数据由插入法可求得、=解得=81.4℃=解得℃=解得℃2、密度已知：混合液的密度：=+(为平均相对分子质量)混合气体密度：①塔顶温度℃气相组成=解得=82.54%②进料温度=81.4℃气相组成= 解得=58.45%③（1）精馏段液相组成：==0.5658气相组成:==70.50%所以=46kg/kmol=46kg/kmol（2）提馏段液相组成: = =16.37%kg/kmol气相组成:= =31.49%所以kg/kmol=46kg/kmol由不同温度下乙醇和水的密度可求得、的乙醇和水的密度（单位：kg/）塔顶温度℃=733.6=970.90+=824.26塔顶温度℃W=736.79=972.78+=952.30=717.01p ww=959.27+p w=956.04因为===888.28===890.15======33.85kg/kmol===22.59kg/kmol==45kg/kmol====37.33kg/kmol==26.41kg/kmol==1.33==1.85==0.751V ρ==1.592V ρ==1.043、 混合液体的表面张力二元有机物-水溶液表面张力可用下列公式计算以下公式中，下角标w,0,s 分别代表水，有机物及表面积部分；w x 、0x 指主体部分的分子数，w v 、0v 指主体部分的分子体积；w σ、0σ为纯水、有机物的表面张力；对乙醇q=2.cDccD m V ρ===62.43cWccW m V ρ===64.15ml==cFccF m Vρ=62.70ml==wFwwF m Vρ=18.54ml==wWwwW m Vρ=18.76ml由不同温度下的乙醇和水的表面张力，求得wF Dt t t ,,下的乙醇和水的便面张力（单位：N/m ）乙醇表面张力=cFσ=17.02=cD σ=17.29=cW σ=15.33（1）水的表面张力=wF σ=62.33= wD σ=62.88=wW σ=59.04（2）塔顶表面张力cD D wD D cD D wD D V x V x V x V x +--=)1[(])1[(cD2wD ϕϕ==4.626)log(cD2wD ϕϕ=B =log (4.626) =-2.3348])[(441.03/23/2wDwD cDcD V qV Tq Q σσ-⨯==0.441[-62.88]=- 0.7622Q B A +==-2.3348- 0.7622=-3.0970联立方程组),log(cD2wD ϕϕ=A 1scD swD =+ϕϕ解得=scDϕ0.9721，swD ϕ=0.02794/1Dσ=0.0279+0.9721=2.0608 D σ=18.0369（3）原料表面张力cF2wF ϕϕ=cFF wF F cF F wF F V x V x V x V x +--)1[(])1[(==0.2363)log(cF2wF ϕϕ=B =log (0.2363)=-0.6265])[(441.03/23/2wFwF cFcF V qV Tq Q σσ-⨯==0.441[-62.33]=-0.7520Q B A +==-0.6265-0.7520=-1.3786联立方程组)log(scF2swF ϕϕ=A ,1scF swF =+ϕϕ解得swF ϕ=0.1847sc Fϕ=0.81534/1Fσ=0.1847+0.8153=2.1750 F σ=22.3788（4）塔底表面张力：scW2swW ϕϕ=cWW wW W cW W wW W V x V x V x V x +--)1[(])1[(==73.0007cW2wW log(ϕϕ=B ）=l og (73.0007) =1.8633])[(441.03/23/2wWwWcWcW V qV Tq Q σσ-⨯==0.441[-59.04]= -0.6973Q B A +==1.8633 -0.6973=1.1660联立方程组 1),log(scW swW ScW2SwW =+=ϕϕϕϕA解得swWϕ=0.9397 scW ϕ=0.060264/1wσ=0.9397+0.=2.724w σ=55.0590(一) 精馏段的平均表面张力1σ==20.7079(二) 提馏段的平均表面张力2σ==38.71894、 混合物的黏度1t =79.89查表水μ=0. 3556mPa.s 醇μ=1.11mPa.s2t =90.07查表45.90 .31480==’’醇水μμ 精馏段黏度：=+=)-1111x x （水醇μμμ1.11mPa.s提馏段的黏度：=+=)-1''222x x （水醇μμμ0.9450.4180mPa.s5、 相对挥发度由F x =0.3235，F y =0.5845得F α==2.9418由D x =0.8081，D y =0.8254D α==1.1226由Wx =0.003937 , W y =0.04539W α===12.0297精馏段的平均相对挥发度： 1α==2.0322提馏段的平均相对挥发度： 2α==7.48586、 气液相体积流量计算根据x-y图查图计算或由解析法求得=0.5352min R =1.15取R=2min R =2.30精馏段 L=RD=2.30=0.02410kmol/s V=(R+1)D=(2.30+1)=0.03458kmol/s 已知1L M =33.85kg/kmol,=37.33kg/kmol1L ρ =888.28kg/,1V ρ=1.59 kg/则质量流：L1=∙L=33.84×0.02410=0.8155 kg/sV1=∙V=0.37.74×0.03458=1.3050 kg/s体积流量：LS1=L1/PL1=0.8155/888.28=9.1807×10-4 m3/sVs1=V1/Pv1=1.3050/1.59=0.8208 m3/s（1） 提馏段，因本设计为饱点液体进料 q=1L ’=L+qF=0.02410+1×0.02638=0.05048 kmol/s V’=V+(q-1)F=0.03458 kmol/s已知：=22.59kg/kmol,=26.41kg/kmo,=890.15 kg/,ρ v 2 =1.04 kg/则质量流：L2=∙L’=22.59×0.05408=1.1403 kg/sV2=∙V ’=26.41×0.03458=0.9133/s体积流量：LS2=L2/PL2=1.1403/890.15=1.281×10-3 m3/sVs2=V2/Pv2=0.9133/1.04=0.8782 m3/s三、 理论塔板的计算理论板：指离开此板的气液相平衡，而且塔板上液相组成均匀。
年产30万吨合成氨合成工段-物料衡算部分
年产30万吨合成氨合成工段设计物料衡算部分1 总论氨是最为重要的基础化工产品之一，其产量居各种化工产品的首位; 同时也是能源消耗的大户，世界上大约有10 %的能源用于生产合成氨。
氨主要用于农业,合成氨是氮肥工业的基础，氨本身是重要的氮素肥料，其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各种铵盐肥料，这部分约占70 %的比例，称之为“化肥氨”；同时氨也是重要的无机化学和有机化学工业基础原料，用于生产铵、胺、染料、炸药、制药、合成纤维、合成树脂的原料，这部分约占30 %的比例,称之为“工业氨”。
世界合成氨技术的发展经历了传统型蒸汽转化制氨工艺、低能耗制氨工艺、装置单系列产量最大化三个阶段。
根据合成氨技术发展的情况分析, 未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变, 其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期, 改善经济性”的基本目标, 进一步集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术的研究开发[1]。
(1) 大型化、集成化、自动化, 形成经济规模的生产中心、低能耗与环境更友好将是未来合成氨装置的主流发展方向。
以Uhde公司的“双压法氨合成工艺”和Kellogg 公司的“基于钌基催化剂KAAP 工艺”,将会在氨合成工艺的大型化方面发挥重要的作用。
氨合成工艺单元主要以增加氨合成转化率(提高氨净值) ,降低合成压力、减小合成回路压降、合理利用能量为主，开发气体分布更加均匀、阻力更小、结构更加合理的合成塔及其内件; 开发低压、高活性合成催化剂, 实现“等压合成”。
(2) 以“油改气”和“油改煤”为核心的原料结构调整和以“多联产和再加工”为核心的产品结构调整,是合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”的有效途径。
实施与环境友好的清洁生产是未来合成氨装置的必然和惟一的选择。
生产过程中不生成或很少生成副产物、废物,实现或接近“零排放”的清洁生产技术将日趋成熟和不断完善。
提高生产运转的可靠性,延长运行周期是未来合成氨装置“改善经济性、增强竞争力”的必要保证。
化学人教版选修2导学案：第4课时 合成氨的基本生产过程和合成氨工业的发展
第4课时合成氨的基本生产过程和合成氨工业的发展学案【学习目标】1.了解合成氨生产的一般流程和反应原理、反应条件。
2.了解实验研究与实际生产之间的转化。
3.了解合成氨的发展4.了解合成氨工业的三废处理。
【重点难点】1.合成氨的主要原理、原料、重要设备、流程和意义2.利用所学的化学反应速率和化学平衡理论解释合成氨中的相关问题。
课前预习【情景材料】在让合成氨的工艺走出实验室实验工业化学生产的过程中，德国化学工程师博施作出了重大贡献，他经过大量试验，找到较为理想的铁催化剂，设计并建造了能够耐高温、高压的合成氨装置。
1910年，德国建立了世界上第一座合成氨试验厂，1913年，又建立了生产规模的合成氨厂。
从此以后，合成氨工业便迅速发展起来。
工业上是如何合成氨的？【预习内容】根据教材有关内容填写下列空白：一、合成氨的基本生产过程合成氨的基本生产过程主要包括三个步骤：、、。
1.原料气的制备(1)氮气的制备①物理方法：②化学方法：将空气中的氧气与作用生成，再除去。
(2)氢气的制备①碳与水蒸气的反应，用方程式表示为：。
②水蒸气与碳氢化合物的反应，用方程式表示为：，。
2.原料气的净化(1)含义：原料气的净化是指，目的是。
(2)净化方法①H2S的除去，用方程式表示为：；②CO的除去，用方程式表示为：；③CO2的除去，用方程式表示为：。
3.氨的合成与分离(1)氨的合成：将净化后的原料气加压送进，在适宜条件下充分反应制取氨。
(2)从合成塔出来的混合气体，其中氨气占总体积的15%，要把混合气体通过使氨液化，再导入。
二、合成氨工业的发展1.原料及原料气的净化原料气之一的氮气来自，现在氢气主要通过不同的态可燃物（煤和焦炭）、态可燃物（石油提炼后的石脑油、重油）、态可燃物（天然气、焦炉气）为原料。
2.催化剂的改进多年来一直用 作催化剂，目前有采用 为基础活性物质的新型催化剂。
3.环境保护(l)废渣：可用作 的原料。
(2)废气：主要是 和 等有害气体，对H2S 的处理，先后采用直接 法（选择性催化氧化）、 法（用溶剂吸收浓缩，CO2也可用来生产 和 等。
甲醇合成塔内漏原因分析及处理
１ 甲醇合成塔概况
某甲醇装置 ３台合成塔并联运行，其中 １台 于 ２０００年 ６月投用，为管壳式反应器 （主要技 术特性 参 数 见 表 １），属 三 类 容 器，换 热 面 积 ２０６９ｍ２；合成塔列管材质为 ＳＡＦ２２０５双相不锈 钢，共 有 列 管 ２２９２根，列 管 规 格 ４４ｍｍ × ２ｍｍ×７０００ｍｍ；管板基层厚度 ７０ｍｍ，材 质 为 ２０ＭｎＭｏＮｉ５５，过渡层 Ｅ３０９Ｌ焊丝堆焊 ２ｍｍ， 面层 Ｅ３０８ＭｏＬ堆焊 ５ｍｍ。
装填甲醇合成催化剂时，为最大可能地提高 反应效率、实现产能最大化及降低消耗，在上管 板处一般要装填高出管板一定高度的催化剂，用 来抵消新催化剂升温还原后体积缩小造成的列管 内催化剂空缺，但若装填不均匀或者升温还原过 程催化剂体积变化存在差异，会造成管板与上级 列管之间催化剂分布不均匀，生产过程中催化剂 与合成气反应释放出大量的热量，管板上留存的 部分催化剂反应热不能及时被带走，造成局部高 温区，因温差易致管板及列管之间产生不同的温 度层，由此带来较大的温差应力。这种温差应力 的存在为管板角焊缝裂纹的形成提供了条件。 ３３ 基层高强度钢的氢脆倾向
表 １ 合成塔主要技术特性参数
项 目 介质 程数 焊缝系数 腐蚀裕度 ／ｍｍ 设计压力 ／ＭＰａ 工作压力 ／ＭＰａ 设计温度 ／℃ 工作温度 ／℃
壳程 沸腾锅炉水
１ １ １ ５．６ ５．１／３．９ ２７０ ２５５
管程 甲醇合成气
１ １ １ ５．８５ ５．６／５．３ ２７５ ２２０
［收稿日期］２０１９０６２１ ［作者简介］时 柯（１９８３—），男，山东滕州人，工程师，兖矿 鲁南化工有限公司醇氨事业部副总经理。
第 １期 ２０２０年 １月
中 氮 肥 ＭＳｉｚｅｄＮｉｔｒｏｇｅｎｏｕｓＦｅｒｔｉｌｉｚｅｒＰｒｏｇｒｅｓｓ
尿素工艺流程 PPT课件
尿素生产流程有多种，最早实现工业化的方法是不循环法 和部分循环法，后来被水溶液全循环法代替，又出现各种 气提法流程。虽然方法、其实现的工艺流程和工艺条件不 同，但生产原理是相同的。主要介绍尿素生产的工艺流程、 主要设备和操作条件。
一、不循环法和部分循环法
尿素生产工业化早期实现的是不循环和部分循环流程，两 种方法在生产尿素时必定伴有大量副产物生成，此种流 程已不再采用。
5
(二)溶液全循环改良C法
1．工艺流程（见296-297页图）
日本三井东压/东洋工程全循环改良C法，是传统水溶液全 循环法的改进，生产低缩二脲含量尿素产品，也生产常规 尿素产品。
2．主要设备（尿素合成塔）
尿素合成塔操作条件：压力23-25MPa、温度190-200℃， 氨碳比4，水碳比0.37，转化率约72%，外壳应用保温材料 改良C法的尿素合成塔采用高径比为18的空塔，用钛作衬 里，耐高温腐蚀。
❖ 2．Ｐ：Ｐ降低使甲铵分解，对过量氨蒸出及吸收有利，气 ❖ 提效率提高，但为节省能耗，常选用Ｐ气提=Ｐ合成。 ❖ 3．液气比：即进入气提塔尿素液与ＣＯ２的重量比。它由
合成反应本身的加料组成确定，不可任意改变。生产中为保 证每根管子内的正常流量，防止管子造成严重腐蚀，一 般 气提塔内液气比控制在4左右。 ❖ 4．停留时间：生产上以接近1min为宜。
二、水溶液全循环法
❖(一)传统水溶液全循环法
❖(二)溶液全循环改良C法
1
(一)传统水溶液全循环法
1．工艺流程（见294页图）
2．主要设备（尿素合成塔）
合成塔工艺操作条件:压力20-22MPa、温度190-200℃，氨碳 比4-4.5，水碳比0.6-0.7，转化率约62-64%，应符合高压 容器要求，外壳应用保温材料 大中型尿素工厂采用衬里式合成塔 合成塔外筒为多层卷焊受压容器，内部衬有一层耐腐蚀的 不锈钢板，隔离尿素甲铵腐蚀介质，外壳保温，防止热量 外散。 优点：容积利用率高，耐腐蚀材料用量少，操作方便。 最早采用空塔，不设置内件，塔高径比较大。后采用高径 比小的塔，常设置混合器或筛板等内件，减少返混的影响。
合成塔
主要设备特点（1）合成塔进入合成塔的其他主要由两部分组成，一部分是占气体总量65%-70%的主反应气，从塔底进入位于塔内最底层的换热器和中心管进行加热，升温至360℃-370℃，进入第一催化剂床层反应，反应温度达到470℃-480℃，，另外一部分为为热护气和冷护气的混合气体，约占总气体量的30%-35%，由下而上进入合成塔内件与壳层的环隙，从塔顶顶部进入催化剂层冷管束，被管外热气加热至250℃，上升至冷激分气盒进入催化剂第二床层。
主反应气与热护气和冷护气的混合气体在第一反应床层混合后依次进入第二、第三床层反应。
进入合成塔内件与壳层环隙的气体主要起保护作用：因为合成氨的反应条件为高温高压，而塔设备的材料决定了其只能在反应时承受高温或者高压，而不能同时承受高温高压，进入环隙的保护气在加压后压力和塔内的压力相当，避免了塔内件承受高压而只承受高温，同时气体处于低温状态可以吸收反应放出的热量，避免了塔的壳层承受高温而只承受高压。
反应放出的热量对保护气加热也实现了能量的充分利用。
氨合成塔是合成氨生产的关键设备之一，随着合成氨技术的不断发展，氨合成塔向单系列、大型化、节能型方向发展。
目前我国有大型氨合成装置30套，所使用氨合成塔有5种类型，即凯洛格型、托普索型、伍德型、布朗型、卡萨利型。
这些塔型根据气体流动方向不同，分为轴向流型、径向流型和轴径向流型，各有所长。
轴向流塔操作稳定，催化剂装量多；径向流塔效率高，压力降小，操作敏感性强，要求高效催化。
1 氨合成塔的设计要求(1)气体均布气体均布理论我国在20世纪70年代就有研究，主要体现在分布器的设计、加工上。
要求分布器筒体的加工精度高，增大气流使气体均布，但会引起局部气体分布不均，需增加再分布器。
再分布器既要起到再分布的效果，又要节省高压空间。
(2)用材、焊接要求高氨合成塔内件处于高温、高压、氢介质环境，对用材要求高，一般用不锈钢，并且对Cr、Ni及铁素体的含量有严格要求，关键部位用Inconel 600或工ncoloy，确保不腐蚀开裂。
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合成塔介绍LurgiLurgi公司设计的低压甲醇合成塔为管壳式结构，管内装填催化剂，在中低压条件下进行甲醇合成反应，由管间沸水移出热量，并产生中压蒸汽，以控制床层温度，延长催化剂寿命，控制副反应的发生。
其主要性能特点是：采用管内装催化剂，管间走循环沸水，用很大的换热面积来移去反应热，理论上反应时催化剂层温差较小，达到接近等温反应的目的，使合成反应几乎是在等温条件下进行，采用低循环比。
为了适合装置大型化的发展，Lurgi公司对管壳式甲醇合成塔进行了改进，发明了两段等温甲醇合成工艺（气冷-水冷双塔），该工艺有两台管壳式甲醇合成塔组成，第一合成塔采用副产中压蒸气的方式移出反应热，第二台反应器产生的反应热则通过与新鲜合成气逆流换热方式脱除，在第二台反应器中，新鲜合成气在管内通过，反应气走壳层。
目前采用该技术建设的165万吨/年甲醇装置已经投产。
与单个管壳式合成塔工艺相比，两段等温甲醇合成工艺有以下特点：与单台反应塔相比，第一反应器尺寸减少了约50%。
减少了约50%的合成气循环比。
热量回收效率高，减少了冷却成本。
单系列能力可以达到5000吨/天以上。
整个合成回路（包括循环压缩机、热交换器等）的投资减少近40%。
）瑞士卡萨利（Casale）公司最早开发是立式绝热轴径向反应器，其特点是：环形的催化剂床顶端不封闭,侧壁不开孔，造成催化剂床层上部气流的轴向流动，床层主要部分气流为径向流动。
开发的大型轴径向甲醇合成塔的主要结构特点：环形的催化剂床顶端不封闭，侧壁不开孔，造成催化剂床层上部气流的轴向流动;床层主要部分气流为径向流动；催化剂筐的外壁开有不同分布的孔,以保证气流分布；各段床层底部封闭，反应后气体经中心管流入合成塔外的换热器,回收热由于不采用直接冷激，而采用塔外热交换，各床层段出口甲醇浓度较高，所需的床层段数较少。
由于床层阻力降的明显减少（比ICI轴向型塔减），所以可增加合成塔高度和减少壁厚，可选用高径比的塔，以降低造价。
与冷激式绝热塔相比，轴径向混合流塔可节省投资，简化控制流程，减少控制仪表。
轴径向合成塔的缺点是催化剂筐需要更换，催化剂装卸复杂。
优点是大型化的潜力大。
轴径向合成塔的生产能力取决于塔的高度，合成塔过高造成催化剂装卸困难。
一般塔高为16m，相应的生产能力为5000 t/d。
）英国ICI公司多段冷激型甲醇塔，是国外甲醇装置中使用最多的塔型，为全轴向多段冷激型合成塔。
结构简单，是其独特的优点。
合成塔由塔体、多段床层及专用技术菱形分布器等组成。
菱形分布器埋于催化床中，并沿着床层不同高度的平面上各安装一组，全塔共装三～四组。
可使冷激气和反应气混合均匀。
催化剂装量大、寿命长，一般可长达6年，缺点是绝热反应，催化剂床层轴向温差大，采用原料气冷激的方法控制合成塔床层的温度，全部靠用冷原料气喷入各段催化剂床层之间以降低反应气温度。
因此在降温的同时稀释了反应气中的甲醇含量，影响了催化剂利用率。
为了防止催化剂过热，采用较大的空速，出塔气中甲醇含量不到4%，副产蒸汽量偏少，不能回收高位能的反应热，循环量较大，塔阻力较高，多为0.1 MPa～0.4MPa，因此操作费用高。
由于阻力的限制，其高径比较小，一般多在2.2～4.0，大型化后直径很大6m），不利于运输；由于ICI冷激式甲醇合成塔，其设备结构简单，装置运行可靠，操作简便，设计弹性大，用材省且要求不高，投资小，易于大，因此仍是大型甲醇厂采用的一种主要塔型，世界上最大单套能力的仍，有多套 3000 t/d 装置，据报导目前最大的已有7500 t/d的装置。
为了弥补冷激塔的不足，上世纪80年代，ICI公司又开发出两款冷管型塔，其中之一就是称之为LCM的水冷型塔，同鲁奇等温列管式甲醇合成塔所不同的是管内走水，管外装催化剂，这样就可以通过其膨胀圈结构较好地解决列管的膨胀问题，而且它还采用了径向流催化床结构，既能减少阻力，又可以增加传热系数。
目前世界上大型甲醇装置中,有很多采用多段冷激式甲醇合成塔。
近年来，在原来的基础上，对冷激式合成塔进行了大量、多方面的改进和完善，陆续推出了一系列冷激式合成塔的改进型。
冷激式合成塔有以下特点：合成塔单系列生产能力大，适合大型或超大型装置。
甲醇合成塔设备结构简单，催化剂装卸方便。
采用特殊设计的分布系统进行冷激，温度控制较为方便。
不能回收甲醇合成产生的高位热能，合成回路循环气量大。
存在催化剂段间返混现象，合成塔出口甲醇含量低。
催化剂时空产率不高，用量较大。
（1）甲醇合成是在一定温度、压力和催化剂作用下,CO、CO2 与H2 反应,主要生CH3OH和H2O的放热可逆复杂反应过程,其主要反应方程式如下:CO + 2H2 ---CH3OHCO2 + 3H2--- CH3OH +H2O甲醇生产普遍采用CuO - ZnO - Al2O3 或CuO - ZnO - Cr2O3 系列催化剂,活性区域在473～563 K之间,最佳活性使用温区在500 ～530 K之间。
活性温区而甲醇合成反应又是一个强烈放热反应,虽然对化学反应来说,温度升高会使分子运动加快,分子内的有效碰撞增多,并使分子有效结合的机会增加,使甲醇合成反应加快;但是由于CO、CO2 与H2 生成CH3OH的反应是可逆放热随着温度增高逆反应的化学平衡常数增大,对甲醇生成不利。
因此,要求甲醇反应放出的热量,应及时移走。
另外,从上述化学反应方程式可以看出,CO2 与H2 生成CH3OH的反应是一个体积缩小的反应,提高合成的压力有利于反应;由于催化剂厂家开发了高活性的催化剂,近年来,低压甲醇合成工艺得到了广泛的应用。
国内外低压甲醇合成塔介绍国内外使用的低压甲醇塔主要有英国的IC I绝热型冷激塔、德国Lurgi管壳式低压合成塔、丹麦托普索低压径向合成塔、日本东洋( TEC)工程公司低压合成塔、瑞士卡萨利IMC低压合成塔等。
国内开发的有华东理工大学绝热等温低压合成塔等。
不同工艺的甲醇合成流程许多基本步骤是相同的,主要包括甲醇合成和甲醇分离,其主要区别在于移热和热量回收方式不同。
从合成塔结构上,各开发商采用不同的换热结构,力争用较小的换热器置换出较多的反应热,使塔利用系数增加,多装催化剂。
IC I低压冷激式甲醇合成塔冷激式甲醇合成塔采用四段绝热床层,层间采取三次冷激。
CO、CO2 及少量CH4 组成的合成气经过变换反应以调节CO /CO2 值,然后用离心压缩机升压到5MPa,送入温度为270 ℃、装有低温活性铜系催化剂的冷激式反应器,反应后的气体进行冷却分离出甲醇,未反应的气体经压缩升压与新鲜原料气混合再次进入反应器,反应中所积累的甲烷气作为弛放气返回转化炉制取合成气。
这种形式的甲醇塔虽然结构简单,生产能力较大,但是床层轴向温差大,出口浓度低,合成效率低。
为了降温而进行的分段式冷激,虽避免了反应中局部温度过高烧坏催化剂,但同时也降低了反应器单位体积的转化率,造成循环气量增加,压缩功耗加大,反应热的回收利用效率也降低。
Lurgi低压管壳式甲醇合成塔管壳式甲醇合成塔采用列管式结构。
管程装填催化剂,壳程加入锅炉水,沸腾后移走热量,反应温度由控制反应器壳程中沸水的压力来调节,操作温度260 ℃,操作压力5～6 MPa。
该型式塔催化剂床层的温差较小,操作比较转化率也较高,还能副产中压蒸汽,但由于壳程占据了很大的空间,催化剂的装填系数小(仅35% ) 。
这种塔为解决热膨胀应力问题,必须采用两种不同膨胀系数的特殊的不锈钢材质,管材需要进口,供货周期很长,设备造价也很高。
来为了适应大型甲醇( 2 500 t/d以上)生产的需要,Lurgi公司开发了管壳式和冷管式合成塔串联的组合型合成装置,分别采用水冷和气冷移热,预热后的气体从顶部离开,进入管壳式合成塔的管内催化剂床层反应,管外通入锅炉给水,沸腾后带走热量,出塔气体进入冷管式合成塔上部催化剂床层继续反应,出冷管的塔气体回收热量,温度降低后进入甲醇分离器进行分离。
气体作为循环气进行再循环,由于采用串联式合成塔,故循环量比较小,可节省能耗。
Lurgi工艺利用反应热副产中压蒸汽,能较好的回收能量,其经济性和操作可靠程度更好。
日本东洋的MRF甲醇合成塔日本东洋工程公司( TEC)的MRF甲醇合成塔采用立式双层水冷管,该水冷管呈立式,锅炉给水从底部进入冷却管,产生的蒸汽汇集在蒸汽室,反应气体在催化剂床层中呈径向流动,压降小,因此塔阻力小,气体循环所需要的动力大幅度减少,冷却传热系数也高。
由于刺刀式为立式,而且是顶部,因而脏物不会不会发生干烧外管的现象。
反应器制作时轴向长度可以加大,由于反应器内设有换热器和冷却器,易于使催化剂床层的温度均匀一致,甲醇生成的浓度和速度可大幅度提高,反应温度容易控制,催化剂用量减少,反应器的结构很紧凑。
但此反应器零部件较多,制造复杂,价格比较昂贵。
目前,该塔在泸天t/ a甲醇装置中使其效果很好。
瑞士卡萨利的IMC甲醇合成塔瑞士卡萨利公司在卧式塔的基础上,又开发了IMC甲醇合成塔,该塔冷却元件为埋入催化剂床层内的换热板。
每块换热板是由两块SS304金属板焊接而成的,两块金属板沿着周长焊接,同时表面上点焊,然后冲压制成,最终外型类似一个枕头。
换热板径向放置,并且沿着同心的扇形排开,使底部得到支撑。
换热板外边填装催化剂,催化剂下部填装耐热的惰性铝球,可以起到支撑催化剂的作用。
换热板内走锅炉给水,将反应热走,并且可副产中压蒸汽。
丹麦Nissui - Top soe的工艺托普索公司为适应大型甲醇装置的需要,近年来开发了三塔绝热径向合成塔串合成装置,塔间用水移热,在60万t/ a以下的装置中可以单塔运行,并且入塔新鲜气先经过保护催化剂,确保新鲜气彻底脱硫、脱砷,然后与循环气混合后进入合成塔。
由于该公司选择高活性、高选择性、高操作弹性的催化剂(MK -可在单塔体积不大的情况下,装填30～40 m3催化剂即可生产50～60万t/ a甲醇。
与其他工艺相比,托普索工艺中合成塔的进出口温差较小,仅为32 ℃,塔的单层转化率高,可达到15% ,其他工艺的单层转化率最高仅为7% ～8%;该工艺的催化剂装填量相对较少,同等条件下仅用29. 9 t,而其他工艺需要60 t左右。
但该工艺为了确保脱硫,新鲜气与循环气只做到了缸外混合,与缸内混合相比,压缩时高压段与循环段匹配有一定的难度甲醇生产装置大型化可以明显降低产品投资和产品成本。
甲醇装置大型化已经成为我国甲醇工业发展的趋势。
甲醇合成的核心设备是合成塔。
选择稳定、节能、高产率、经济的合成塔对生产厂家至关重要。
从操作、结构、材料及维修等方面考虑，对甲醇合成塔的基本要求有：、稳定性好，结构可靠；、在操作上要求催化剂温度易于控制，调节灵活；合成反应器的转化率高；催化剂生产强度大，活性高而且稳定；能回收高位能的反应热；床层中气体分布均匀；压降低。