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［摘 要］ICI低压甲醇合成工艺中，合成塔内冷热气体直接混合传热，造成催化剂床层间温差较大，对催化剂及甲醇合成都有不利影响。本文对造成问题的原因进行了分析，提出了改进设计。
［关键词］低压甲醇合成；催化剂床层；温差
［中图分类号］ TQ 062 ［文献标识码］A ［文章编号］1004-9932（2012）
ICI低压合成甲醇生产工艺由英国帝国化学工业(ICI)公司开发，该工艺合成塔内冷热气体为直接混合，具有传热系数高、换热效果好，合成塔结构简单、维修工作量少、控制手段灵活、操作稳定可靠等优点，特别适于大型化装置。我国从20世纪70年代以来所建的甲醇装置开始采用该工艺，如四川维尼纶厂和哈尔滨气化厂建的ICI 低压甲醇合成装置。我公司甲醇装置采用的也是ICI生产工艺，产能为 2 100 t/d。
1 工艺流程
合成回路工艺流程见图l。合成回路内2套完全相同的合成塔单元（1单元和2单元）并联使用。1单元包括合成塔R-101及其管道、设备，2单元（简略为双点划线小方框）包括合成塔R-102及其管道、设备，两单元在冷壳回路换热器HE-986的进口前汇合（即两塔出口的反应气经各自的饱和塔回路加热器和暖壳回路换热器回收热量后，汇合到共用的冷壳回路换热器HE-986）。每台合成塔内有5层催化剂床，甲醇合成反应在压力8.15 MPa、温度270 ℃、ICI 51-2专利铜-锌催化剂催化下进行。考虑到合成是放热反应，要想合成塔的温升适中，设计合成塔给料（即进入合成回路的高压转化气）大约25％进入235 ℃的合成塔顶部催化剂床层，其余118 ℃的给料（即“冷激流”）从5层催化剂床之间侧流注入。因甲醇合成反应是可逆反应，合成塔出口的甲醇含量低，为了使平衡朝生成甲醇的正向移动，合成塔中生成的甲醇和水必须移走，所以要使用一种闭合回路的反应系统，即通过蒸汽透平驱动的循环压缩机使气体在回路上连续循环，因此约含4.8％（摩尔分数）甲醇的合成塔出口气必须被冷却，约64％的反应热被回收以加热饱和塔用的热水以及预热合成塔给料。回收热量后，出口气再经空冷式冷凝器和水冷式冷凝器冷却至38 ℃。甲醇和副产品水冷凝并在粗甲醇分离槽中与不凝气分离。分离甲醇后的气体再回到循环压缩机进口。补充气压缩机出来的合成气包括多余的氢气、未反应的甲烷和氮气（因碳氧化物和氢气都转化为甲醇了），这3种气体会在回路中累积，因此必须吹除掉（即弛放气）。弛放气在甲醇分离后从回路中取出，它约含80％（摩尔分数）氢气，小部分弛放气作为氢循环回到转化炉，其余的作为燃料在转化炉中烧掉。来自粗甲醇分离槽的粗甲醇过滤后进入减压槽，压力从7.63 MPa降至0.72 MPa，产生的气体用洗水洗涤回收甲醇后送到转化炉燃烧器作为燃料，粗甲醇则送到粗甲醇缓冲槽。
2 催化剂床层间温度分布与催化剂的使用效果
在本低压法合成工艺中，合成塔床层温度及其分布是影响催化剂使用效果的重要因素。温度过高易使催化剂晶粒粗化、活性降低而过早老化，温度过低则会使催化剂的活性得不到有效发挥。ICI工艺中合成塔催化剂床层温度随床层高度变化而不同，波动较大，这是由冷激式反应塔工作原理决定的。床层温差大会造成：
(1)不同床层高度的催化剂活性不同，催化剂的整体活性不能有效发挥，催化剂的时空产率低，经济效益低；
(2)不同床层高度的催化剂老化失活的程度与速度不同，不利于延长催化剂的使用寿命，催化剂的有效利用率低；
(3)由于催化剂的催化作用受床层温度波动的影响和冷激气分层加入所产生的稀释效应，原料气的单程转化率低，出塔气中的甲醇含量低，而且温度的波动使得副反应增加，粗甲醇质量下降。
3 解决催化剂床层间温差大的工艺设计
3.1 直接改善合成塔内冷热气体的分布
在各段催化剂床层之间设置冷激分布器，通过冷激分布器使冷气体与热气体直接混合后分布得更均匀，降低反应气温度，最终达到减小催化剂床层温差的目的。
3.2 从合成塔的实际操作上控制
（1）2台合成塔是并联的，但却共用1台冷壳回路换热器。
（2）因大部分出合成塔反应气（大约3/4）要经过饱和塔回路加热器，以加热来自饱和塔（T-226）的循环水，亦即饱和塔回路加热器将大部分合成反应热回收了，只留下较少的热量去加热原料气和冷激原料。
（3）2台合成塔的主给料和冷激给料并联布置意味着对其中1台进行调节必定导致对另1台塔有扰动。
要解决合成塔的操作控制难题，可采取以下几项改进设计（详见图2）