陸惠龍

（江蘇永大化工設(shè)備有限公司， 江蘇 泰州 225321）

甲醛是一種重要的化工產(chǎn)品。 甲醇與氧氣反應(yīng)生成甲醛的方程式為：2CHOH+O=2HO+2HCHO，在600～700℃溫度下，使甲醇、空氣和水通過(guò)銀、銅或五氧化二礬等催化劑，直接氧化生成甲醛，用水吸收得甲醛溶液[1]。

目前大量使用銀法生產(chǎn)甲醛，而氧化器是生產(chǎn)甲醛的主要設(shè)備，氧化器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與甲醛成品的質(zhì)量和氧化器的使用壽命有著密切關(guān)系。而在氧化器中的氧化反應(yīng)中，氧化溫度的變化是氧化反應(yīng)中極其關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，氧化反應(yīng)中，反應(yīng)溫度過(guò)高會(huì)使反應(yīng)速度過(guò)快，從而導(dǎo)致副反應(yīng)增多，雜質(zhì)增多[2]；除此之外，現(xiàn)有的氧化器由于冷卻速度慢，不得不增大換熱管管徑并在管中加銅棒來(lái)提高氣體流速，增加換熱面積，導(dǎo)致氧化器的直徑較大，從而造成氧化器的單耗較大，產(chǎn)能低[3]。因此，設(shè)計(jì)一種高效甲醛氧化器，是現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)迫切需要解決的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種高效甲醛氧化器，能夠提高氧化器的產(chǎn)能，減小設(shè)備直徑，提高產(chǎn)品質(zhì)量，具有較大的應(yīng)用價(jià)值和推廣潛力。

1 新型高效氧化器的結(jié)構(gòu)和作用

為了實(shí)現(xiàn)減小設(shè)備直徑，提高氧化器的產(chǎn)能和產(chǎn)品質(zhì)量的目的，參考雙管板換熱器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型高效氧化器，如圖1所示[4]。

該氧化器包括依次連接的第一筒體、第二筒體、第三筒體和第四筒體，第一筒體上設(shè)置有反應(yīng)氣入口，第二筒體包括反應(yīng)腔、第一冷卻腔和第二冷卻腔，第三筒體上設(shè)置有甲醛出口，第四筒體上設(shè)置有第一排污口。反應(yīng)氣在反應(yīng)腔內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，然后依次進(jìn)入第一冷卻腔、第二冷卻腔進(jìn)行冷卻，生成的甲醛從甲醛出口排出，生成的雜質(zhì)從排污口排出。反應(yīng)氣反應(yīng)時(shí)經(jīng)過(guò)第一冷卻腔、第二冷卻腔雙重冷卻，加快了反應(yīng)氣冷卻的速度，提高了反應(yīng)氣冷卻的效率，減少了反應(yīng)所生成的雜質(zhì)含量。

圖1 高效甲醛氧化器簡(jiǎn)圖

反應(yīng)腔和第一冷卻腔之間設(shè)置有第一管板，第一冷卻腔和第二冷卻腔之間設(shè)置有第二管板，反應(yīng)腔腔壁上設(shè)置有點(diǎn)火口和第一測(cè)溫口，反應(yīng)腔內(nèi)設(shè)置有催化劑層、銅網(wǎng)和篩板，第一冷卻腔內(nèi)設(shè)置有翅片管，翅片管內(nèi)設(shè)置有冷卻水，翅片管依次貫穿第一冷卻腔、第二管板、第二冷卻腔和第三筒體，第二冷卻腔內(nèi)設(shè)置有套管和冷卻水，套管套在翅片管上，第二冷卻介質(zhì)位于套管外。

反應(yīng)氣從反應(yīng)氣入口進(jìn)入第一筒體，然后進(jìn)入反應(yīng)腔，在反應(yīng)腔內(nèi)，反應(yīng)氣在催化劑層上進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)生成的氣體從篩板上的篩孔逸出，接著氣體從第一管板與第二筒體之間的間隙進(jìn)入第一冷卻腔，在第一冷卻腔內(nèi)，氣體邊向下流動(dòng)，邊與翅片管內(nèi)的冷卻水進(jìn)行換熱，氣體在向下流動(dòng)的過(guò)程中，從翅片管與第二管板之間的間隙進(jìn)入套管，即氣體進(jìn)入第二冷卻腔，在第二冷卻腔內(nèi)，氣體一方面通過(guò)套管與第二冷卻腔內(nèi)的冷卻水進(jìn)行換熱，另一方面通過(guò)翅片管與翅片管內(nèi)的冷卻水進(jìn)行換熱，通過(guò)套管和翅片管同時(shí)冷卻氣體，加快了氣體冷卻的速度，提高了反應(yīng)生成的甲醛的濃度，產(chǎn)品不容易堵塞翅片管；當(dāng)氣體位于翅片管外套管內(nèi)時(shí)，翅片管與換熱管之間的間隙較小，從而氣體的流速就較大，因此提高了氣體的急冷效果，生成的甲醛氣體從第二筒體進(jìn)入第三筒體，從甲醛出口排出，生成的雜質(zhì)從第二筒體進(jìn)入第三筒體，再?gòu)牡谌搀w進(jìn)入第四筒體，并從排污口排出。

反應(yīng)腔內(nèi)設(shè)置有半圓形管、接管和排管，半圓形管設(shè)置于第一管板的上表面，排管通過(guò)接管與半圓形管連通，排管貫穿第二筒體的筒壁，翅片管的上端與第一管板的下表面連接，翅片管的下端與第四筒體連通，第四筒體上設(shè)置有第一進(jìn)水口，外部的冷卻水從第一進(jìn)水口進(jìn)入翅片管內(nèi)，從半圓形管處經(jīng)過(guò)接管到達(dá)排管，最后排出到氧化器外。半圓形管的設(shè)置增強(qiáng)了該氧化器的耐壓能力，從而延長(zhǎng)了該氧化器的使用壽命。

第二筒體外設(shè)置有夾套，夾套上端所在的高度高于第一管板所在的高度，夾套的下端與第二冷卻腔連通，第二冷卻腔的蒸汽可以進(jìn)入夾套的上端，幫助第一管板降溫，從而延長(zhǎng)第一管板的使用壽命。

第二冷卻腔上設(shè)置有凸起的膨脹節(jié)、第一進(jìn)水口和第二排污口，第一進(jìn)水口位于第二排污口的上方，夾套的上端開設(shè)有第一蒸氣出口和第二測(cè)溫口，第一蒸氣出口位于第二測(cè)溫口的上方，第二測(cè)溫口的設(shè)置便于測(cè)量冷卻溫度，第二冷卻腔內(nèi)的冷卻水從第一進(jìn)水口進(jìn)入，在與氣體換熱的過(guò)程中，冷卻水會(huì)汽化成蒸氣，第一蒸氣出口的設(shè)置便于將第二冷卻腔內(nèi)的蒸氣收集起來(lái)再利用，提高該氧化器的能源利用率，第二排污口用于排出第二冷卻腔內(nèi)的雜質(zhì)，防止第二冷卻腔內(nèi)的雜質(zhì)過(guò)多，影響冷卻水的換熱效率。膨脹節(jié)用于補(bǔ)償?shù)诙鋮s腔的熱膨脹差，防止第二筒體變形或損壞。

第二筒體的下端設(shè)置有第一管板法蘭，第三筒體的上端設(shè)置有第二管板法蘭，第三筒體的下端設(shè)置有第三管板法蘭，第四筒體的上端設(shè)置有第四管板法蘭，第一管板法蘭與第二管板法蘭連接，第三管板法蘭與第四管板法蘭連接，第一管板法蘭和第二管板法蘭的設(shè)置使得翅片管穿過(guò)的同時(shí)第一管板法蘭和第二管板法蘭能夠連接，第三管板法蘭和第四管板法蘭的設(shè)置使得翅片管穿過(guò)的同時(shí)第三管板法蘭和第四管板法蘭能夠連接。

第二排污口處設(shè)置有第一排污管，第一排污管嵌設(shè)在第一管板法蘭上，第三筒體上設(shè)置有第二排污管，第二排污管嵌設(shè)在第三管板法蘭上，有些雜質(zhì)會(huì)沉淀在第一管板法蘭上，將第一排污管嵌設(shè)在第一管板法蘭上能夠使第二冷卻腔的雜質(zhì)充分排盡，同理，第二排污管嵌設(shè)在第三管板法蘭上便于第三筒體內(nèi)的雜質(zhì)充分排盡。

套管的上端與第二管板連接，便于氣體從翅片管與第二管板之間的間隙進(jìn)入套管內(nèi)，套管的下端與第一管板法蘭連接，便于氣體從氣體從翅片管與第一管板法蘭之間的間隙進(jìn)入第三筒體。

排管上開設(shè)有出水口和第二蒸氣出口，出水口和第二蒸氣出口位于第二筒體外，出水口用于排出翅片管內(nèi)換熱過(guò)的冷卻水，第二蒸氣出口的設(shè)置便于將翅片管內(nèi)的蒸氣收集起來(lái)再利用，提高該氧化器的能源利用率。

第一筒體包括上封頭，上封頭上設(shè)置有人孔，第四筒體包括下封頭，第一排污口設(shè)置于下封頭的底面，第二進(jìn)水口設(shè)置于下封頭的側(cè)面，上封頭和下封頭用于密封該氧化器，人孔的設(shè)置便于進(jìn)行檢修，第一排污口位于下封頭的底面便于將反應(yīng)后的雜質(zhì)充分排盡。

2 工作原理

反應(yīng)氣從反應(yīng)氣入口3進(jìn)入第一筒體1，然后進(jìn)入反應(yīng)腔4，在反應(yīng)腔4內(nèi)，反應(yīng)氣在催化劑層31上進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)生成的氣體從篩板33上的篩孔逸出，接著氣體從第一管板13與第二筒體之間的間隙進(jìn)入第一冷卻腔16，在第一冷卻腔16內(nèi)，氣體邊向下流動(dòng)，邊與翅片管17內(nèi)的冷卻水進(jìn)行換熱，氣體在向下流動(dòng)的過(guò)程中，從翅片管17與第二管板18之間的間隙進(jìn)入套管20，即氣體進(jìn)入第二冷卻腔15，在第二冷卻腔15內(nèi)，氣體一方面通過(guò)套管20與第二冷卻腔15內(nèi)的冷卻水進(jìn)行換熱，另一方面通過(guò)翅片管17與翅片管17內(nèi)的冷卻水進(jìn)行換熱，通過(guò)套管20和翅片管17同時(shí)冷卻氣體，生成的甲醛氣體從第二筒體進(jìn)入第三筒體30，從甲醛出口23排出，生成的雜質(zhì)從第二筒體進(jìn)入第三筒體30，并從第二排污口38排出。

翅片管根據(jù)翅片結(jié)構(gòu)和密度的不同，換熱效率可達(dá)到光管的數(shù)十倍，這就解決了由于氣體導(dǎo)熱系數(shù)低，換熱效率過(guò)低的問(wèn)題。

3 結(jié)論

（1）此設(shè)備通過(guò)套管和翅片管同時(shí)冷卻氣體，加快了氣體冷卻的速度，提高了反應(yīng)生成的甲醛的濃度，產(chǎn)品不易堵塞翅片管。當(dāng)氣體位于翅片管外套管內(nèi)時(shí)，翅片管與換熱管之間的間隙較小，從而氣體的流速較大，提高了氣體的急冷效果，減少了反應(yīng)生成的雜質(zhì)，并且反應(yīng)生成物由于冷卻效果可達(dá)到原設(shè)計(jì)的數(shù)十倍以上，從而大幅度提高流通量，提高氧化器產(chǎn)量。

（2）由于原設(shè)備瓶頸在冷卻部分，在提高了換熱效率的基礎(chǔ)上，可以將氧化部分縮小，從而可將設(shè)備小型化。

（3）此設(shè)備設(shè)置有第一蒸氣出口和第二蒸氣出口，將該氧化器產(chǎn)生的蒸氣收集起來(lái)再利用，提高了該氧化器的能源利用率。

（4）此設(shè)備使用效果良好，具有較大的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

◆參考文獻(xiàn)

[1] 郭學(xué)軍. 新型甲醛氧化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)[J].安徽化工，2003，(3)：49-50.

[2] 劉萍. 新型甲醛氧化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)[J].中氮肥，2007，(6)：50-51.

[3] 江蘇永大化工設(shè)備有限公司. 一種新型銀法甲醛氧化器[P].中國(guó)專利：CN208824449U，2019-05-07.

[4] 《化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書》編輯委員會(huì). 化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書 換熱器[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.