CN101186557B - 甲醇生产工艺中的塔外换热设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于甲醇生产冷却冷凝技术。提出的甲醇生产工艺中的塔外换热设备中，采用蒸发空冷式冷却器分别对压缩工序中的各级原料气和出合成塔的混合气体进行换热处理，由预精馏塔出塔的甲醇气体和由常压塔出塔的甲醇气体采用蒸发式冷水器冷凝为液态甲醇，其设置的多单元组合式换热器具有多个独立的换热单元；分别对甲醇生产中的多路工艺流体进行冷凝冷却处理。本发明提出的换热设备可提高在甲醇生产中塔外换热的冷凝冷却效果，经实践证明传热效率可提高10％以上，达到了节能降耗的作用。

Description

甲醇生产工艺中的塔外换热设备

技术领域

本发明属于甲醇生产冷却冷凝技术，主要涉及一种甲醇生产工艺中的塔外换热设备。

背景技术

甲醇生产工艺中水煤气或其它原料气经过净化后进行压缩处理，原料气经过多级压缩处理，使出气气体状态压力逐渐增高至工艺要求，每一级压缩后均要对其工艺气体冷却，使其温度降至工艺要求，再进行下级压缩。在压缩工序中各级中间冷却的换热器均为水淋浇式冷却排管。在合成工序粗甲醇冷凝处理，即原料气达到工艺状态经过处理后进入合成塔进行催化反应，对出塔的混合气体采用壳管式水冷器进行冷凝冷却；精馏工序中，粗甲醇首先进入到预精馏塔经过工艺处理变成甲醇气体，对气体采用传统的壳管式水冷器进行冷却冷凝，从预塔来的甲醇再进入到加压塔经工艺处理由液体变为气体，出塔后经与常压塔来的液体进行热交换由气体相变为液体，一部分液体再回加压塔进行工艺处理进行精馏，另一部分液体经降温被采集成甲醇制品；从加压塔来的甲醇液体进入到常压塔经工艺处理由液体相变为气体，经换热器冷凝变为甲醇液态，少量将被放空的不凝性气体夹带的甲醇气体进入换热器进行甲醇冷凝回收，液态甲醇和回收甲醇再进入换热器进行冷却，被采集成甲醇成品。在上述生产过程中塔外换热器一直采用传统的水冷冷凝器，冷却效果较好，而水冷冷凝是依靠水温升的显热来进行换热的，即1Kg水升温1℃能带走1千大卡热量，由此要用大量的水来进行提取热量，一次性用水需耗用大量的水资源。循环用水要增加水的冷却装置，而且增加动力消耗和水处理费用，并且给环境带来污染，水冷却装置庞大且系统麻烦，给企业的管理带来了不方便。另外，当工艺流体温度较高时，冷流体侧管壁结垢现象严重，严重影响设备的使用效率和寿命，适宜于进口温度较低的工艺流体的换热。目前，为解决用水问题，在这些系统中水冷器改为空气冷却，但其设备庞大且动力消耗大，并且在夏季环境温度高时无法满足工艺要求，只有再配用水冷器来满足工艺要求。

发明内容

本发明针对甲醇生产工艺的特点，提出甲醇生产工艺中的塔外换热设备，其主要目的就在于提高冷却冷凝效率，降低能耗。

本发明所提出的技术方案是：在原料气压缩工序中设置有多个独立的换热器，与原料气每级压缩对应设置；换热器采用蒸发空冷式换热器，在合成工序中，采用蒸发空冷式换热器E对出合成塔的混合气体进行换热处理，将甲醇气体和水气体等已到相变点的组合物质冷凝成液体而对其它组分气体冷却降温；在精馏工序中，对由预精馏塔出塔的甲醇气体采用第一蒸发式冷凝器F进行冷凝冷却；将气体中达到相变点的甲醇和水冷凝成液体后再回到预精馏塔进一步精馏，将要放空的不凝性气体中夹带的甲醇气体进入到多单元组合式换热器H的独立蒸发式换热单元中进行甲醇冷凝回收；经加压塔工艺处理得到的甲醇气体经与从常压塔来的液体进行热交换，由气相变为液体，其中一部分液体进入多单元组合式换热器H中的蒸发冷凝式换热单元降温达到工艺指标被采集成甲醇成品；由加压塔来的甲醇液体进入常压塔经工艺处理由液体相变为气体，进入第二蒸发式冷凝器G中冷凝为液态甲醇，少量将要放空的不凝性气体中夹带的甲醇气体进入多单元组合式换热器H的独立蒸发式换热单元中进行甲醇冷凝回收后，与常压塔出塔的甲醇气体经冷凝获得的液态甲醇进入多单元组合式换热器H的独立蒸发式换热单元进行冷却，成为甲醇成品。

上述中所涉及的蒸发空冷式换热器其换热方式为：高温工艺流体首先进入空气冷却的翅片管组预冷段进行换热预冷，即利用蒸发换热段产生的水蒸汽与空气混合所形成的湿空气对翅片管组预冷段进行冷却，使高温流体得到预冷降温；被降温的工艺流体再进入蒸发换热段，蒸发换热段的换热部件由循环冷却水喷淋而在其表面形成连续均匀的薄水膜，利用管外水膜的蒸发强化管内外换热；空气由下部引入自下向上流动与冷却喷淋水形成逆流，与蒸发换热段产生的水蒸汽混合形成湿空气，在排出设备前穿过空气冷却的翅片管组预冷段，作为冷却介质对进入翅片管组的工艺流体进行大风量、大温差的冷却。

蒸发空冷式换热器的结构设计为：主要包括作为预冷段的翅片管组、蒸发换热段的换热部件和轴流风机、水喷淋装置及进风栅，还具有提供循环冷却水的水泵、水箱；空气冷却的翅片管组位于轴流风机下方为水平设置，其与工艺流体管道连通，使高温工艺流体首先进入空气冷却的翅片管组预冷段强化换热进行预冷降温；蒸发换热段的换热部件位于翅片管组下方，在设备的下部四周设置进风栅，在蒸发换热段换热部件的上方具有水喷淋装置。

本发明所涉及多单元组合式换热器的结构设计为：其主要由轴流风机、空气冷却的翅片管组和蒸发换热段的换热部件、水喷淋装置及进风栅构成，还具有提供循环冷却水的水泵、水箱等；轴流风机位于设备上部，翅片管组位于轴流风机下方水平设置，蒸发换热部件位于翅片管组下方；其中，蒸发换热部件为多个冷却盘管组，每个冷却盘管组与共用的轴流风机、水喷淋装置和进风栅及水泵、水箱构成一个对工艺流体进行换热的独立单元；其中一个冷却盘管组的进口与翅片管组连通，空气冷却的翅片管组与其中一路工艺流体连通，构成蒸发空冷式换热单元，即翅片管组作为预冷段，工艺流体先进入翅片管组进行预冷降温后再进入蒸发换热段的冷却盘管组进行蒸发换热，而在蒸发换热段产生的水蒸汽与轴流风机从设备下部引进的空气混合形成的湿空气，作为冷却介质在排出设备前对翅片管组进行大风量、大温差的冷却；其它冷却盘管组均直接与所需处理的工艺流体管路对应连通，构成多个独立的蒸发式换热单元，蒸发空冷式换热单元和多个蒸发式换热单元均为各自独立的换热系统，但具有共同的轴流风机、水喷淋装置和进风栅及水泵、水箱和框架构成一台完整的设备。

本发明提出的换热设备可提高在甲醇生产中塔外换热的冷凝冷却效果，经实践证明传热效率可提高10％以上，达到了节能降耗的作用。

按10万吨甲醇同等产量计算：

1、减少占地面积3/4；2、节约动力、水资源消耗55万元/年；3、节约水资源16万吨/年；4、减少污水排放量。

蒸发空冷式换热器中，由于进入蒸发换热段的是经空气冷却预冷段预冷后的工艺流体，避开了水易结垢点，有效减缓了换热管外表面的结垢现象，提高了设备的效率和使用寿命，降低了运行成本。

空气冷却的翅片管组预冷段，使得空气冷却带走了相当一部分的热量，从而减少了蒸发换热段的热量交换，使得水的蒸发耗时较低，节约了宝贵的水资源，也使其一次性投资大大降低。

空气冷却的翅片管组预冷段，利用从下部引进的空气与蒸发换热段产生的水蒸汽混合形成的湿空气作为冷却介质，在排入大气前对其进行大风量、大温差的冷却，使空冷与蒸发冷共用一个风机，空冷可以说是无动力运行，大大降低了能耗。

空气冷却的翅片管组增大了换热面积，而且随着气温的降低，冷却温差越大、冷却效果越好，尤其是在冬季，空气冷却足够满足换热的需要，即可无水干运行，达到节水、节电、节约资源的要求，同时也大大降低了运行成本。

本发明提出的多单元组合式换热器，其中多个各自独立的换热单元具有共用的轴流风机、水喷淋装置和水泵、水箱及进风栅和框架，替代原有甲醇生产过程中4个独立的立、卧式冷凝器，降低了甲醇生产成本，节约了水、电费用并减少了占地面积。

附图说明

图1为甲醇生产工艺中塔外换热设备布局示意图。

图2为本发明蒸发空冷式换热器结构示意图。

图3为图2的侧视(局部剖)图。

图4为本发明蒸发空冷式换热器另一种结构示意图。

图5为图4的侧视(局部剖)图。

图6为本发明蒸发式冷凝器结构示意图。

图7为图6的侧视(局部剖)图。

图8为本发明多单元组合式换热器结构示意图。

图9为图8的B-B剖面图。

图10为图8的C-C剖面图。

图11为图8的D-D剖面图。

图中，1、轴流风机，2、翅片管组，3、脱水器，4、水喷淋装置，5、蒸发换热部件，5-1、5-2、5-3、5-4、冷却盘管组，6、进风栅，7、浮球阀，8、水软化装置，9、水泵，10、水箱。

具体实施方式

结合附图给出的的实施例对其结构加以说明：

如图2、图3所示，该实施例中的蒸发空冷式换热器主要包括有作为预冷段的翅片管组2、蒸发换热段的换热部件5和轴流风机1、水喷淋装置4及进风栅6；还具有水泵9、水箱10等；轴流风机1位于设备的最上部，由空气冷却的翅片管组2位于轴流风机下方水平设置，翅片管组的多排多根翅片管两端连通管箱，两端管箱分别与工艺流体进口和蒸发换热段的换热部件5连通，使得高温工艺流体先进入作为预冷段的翅片管组进行预冷、降温后再进入蒸发换热段的换热部件。蒸发换热段的换热部件5位于预冷段翅片管组2的下方并与其平行设置，蒸发换热段的换热部件为多排多根换热管(直管)两端通过管箱连通的结构形式，换热管为光管，水喷淋装置4的喷淋水管和喷咀位于蒸发换热段换热部件的上方，设备壳体下部的四周具有进风栅6。高温工艺流体首先进入空气冷却的翅片管组预冷段强化换热，预冷降温到70℃以下，避开水易结垢点，再进入下方蒸发换热段的换热部件5，防止水在高温管壁上蒸发后结垢，循环冷却水由水泵9送至喷淋水管中，经喷咀均匀地喷淋在蒸发换热段其换热部件的外表面，形成连续均匀的一层水膜，换热管内的热量通过管壁传给管外表面的水膜，使水膜蒸发而实现热交换，同时吸收了大量的热量，强化了管外传热，空气由轴流风机从设备下部四周的进风栅6引进，由下向上流动，与冷却喷淋水形成逆流，水膜蒸发形成的水蒸汽与空气混合成为湿空气，在轴流风机作用下在排出设备前经过空气冷却的翅片管组2，对其进行大风量、大温差的冷却，对进入翅片管组的高温工艺流体进行预冷降温，达到蒸发换热与空冷共用一个风机的目的。没有被蒸发的循环冷却水吸热后滴落(滴落过程中由进风栅进入的风冷却)到下部的水箱10内，与补充新鲜水(由浮球阀7控制自动补给蒸发去掉的水份)混合后供水泵循环使用。

该实施例中蒸发换热段采用管箱式冷却器的结构形式，即多排多根换热管两端通过管箱连通的结构，适用于要求压力降较低的工艺流体。在甲醇生产中用于原料气压缩工序中对第一、第二级原料气冷却。

图4、图5所示的换热器为蒸发空冷式换热方式，与上一实施例结构基本相同。其蒸发换热部件5为多根盘管构成的冷却盘管组，盘管同样为光管结构。工艺流体先进入集管由集管分配给多排多根翅片管，进行预冷降温后再进入蒸发换热段的冷却盘管组。

该换热器在甲醇生产过程中应用在原料气压缩工序中的三级以上(包括三级)原料气的冷却；并用于合成工序中粗甲醇的冷凝，将由合成塔出来的混合气体中甲醇气体和水气体等已到相变点的组分物质冷凝成液体而对其它组分气体冷却降温。

如图6、图7所示结构，其为蒸发式冷凝器，蒸发换热目前在制冷行业应用较为普遍。其主要由轴流风机1、蒸发换热部件5和水喷淋装置4及进风栅6构成，并具有水泵9、水箱10等；蒸发换热部件的多排多根换热管(直管)两端通过管箱相连通，构成大流通截面、单行程或双行程的结构形式(该实施例中为双行程)，其在甲醇生产过程中用于精馏工序中预精馏塔出塔甲醇气体的冷凝冷却，将气体中达到相变点的甲醇和水冷凝成液体，同时，该种结构的换热器应用在精馏工序中常压塔出塔甲醇气体的冷凝。

如图8-图11所示结构，其为多单元组合式换热器，其主要由轴流风机1、空气冷却的翅片管组2和蒸发换热部件、水喷淋装置4及进风栅6构成，还具有提供循环冷却水的水泵9、水箱10等；在设备上部设置轴流风机1，翅片管组2位于轴流风机1下方并水平设置，蒸发换热部件位于翅片管组下方，在蒸发换热部件上方设置水喷淋装置；蒸发换热部件为多个冷却盘管组，每个冷却盘管组与共用的轴流风机1、水喷淋装置4和进风栅6及水泵9、水箱10构成一个独立的换热单元，对进入其内的工艺流体进行换热处理。该实施例中具有4个冷却盘管组5-1、5-2、5-3、5-4；盘管采用光管结构，其中冷却盘管组5-2的进口与翅片管组连通，空气冷却的翅片管组与其中一路工艺流体连通，构成蒸发空冷式换热单元；在甲醇生产工艺中，精馏工序中加压塔出塔气体与常压塔来的液体进行热交换由气体相变为液体，根据回流比一部分液体进入预冷翅片管组2，由翅片管组预冷降温后，再进入该单元的冷却盘管组5-2，进行蒸发式换热冷却，该单元为蒸发空冷式换热方式。其它三个冷却盘管组均直接与所需处理的工艺流体管路对应连通；甲醇生产过程中，精馏工序中预精馏塔出塔气体经蒸发式冷凝器冷凝冷却后，将要放空的不凝性气体夹带的甲醇气体进入其中一个冷却盘管组5-1，进行甲醇冷凝回收；精馏工序中常压塔出塔甲醇气体经蒸发式冷凝器冷凝成液体甲醇，少量将要放空的不凝性气体中夹带的甲醇气体进入冷却盘管组5-3，进行甲醇冷凝回收后，与常压塔出塔的甲醇气体经冷凝获得的液态甲醇进入冷却盘管组5-4进行冷却，达到工艺指标后被采集成甲醇成品。其蒸发换热的过程为：需冷却的工艺流体进入对应的冷却盘管组内，循环冷却水由水泵9送至喷淋水管中，经喷咀均匀地喷淋在蒸发换热管的外表面，形成连续均匀的一层水膜，换热管内的热量使水膜蒸发而实现热量交换，同时吸收了大量的热量，强化了管外传热，空气由轴流风机从设备下部四周的进风栅6引进，由下向上流动，水膜蒸发形成的水蒸汽与空气混合成为湿润空气，作为冷却介质在排出设备前经过翅片管组对翅片管组2进行大风量、大温差的冷却。没有被蒸发的循环冷却水吸热后滴落(滴落过程中被由进风栅进入的风冷却)到下部的水箱10内，与补充新鲜水(由浮球阀7控制自动补给蒸发去掉的水份)混合后供水泵循环使用。

Claims (1)

1.一种甲醇生产工艺中的塔外换热设备，其特征是：在原料气压缩工序中设置有多个独立的换热器，与原料气每级压缩对应设置；换热器采用蒸发空冷式换热器；在合成工序中，设置有对出合成塔的混合气体进行换热处理的蒸发空冷式换热器(E)，将甲醇气体和水气体这些已到相变点的组合物质冷凝成液体而对其它组分气体冷却降温；在精馏工序中，设置有第一蒸发式冷凝器(F)对由预精馏塔出塔的甲醇气体进行冷凝冷却，将气体中达到相变点的甲醇和水冷凝成液体后再回到预精馏塔进一步精馏，设置多单元组合式换热器(H)，该多单元组合式换热器的独立蒸发式换热单元对进入其中的将要放空的不凝性气体中夹带的甲醇气体进行甲醇冷凝回收；经加压塔工艺处理得到的甲醇气体经与从常压塔来的液体进行热交换，由气相变为液体，其中一部分液体进入多单元组合式换热器(H)中的蒸发冷凝式换热单元降温，达到工艺指标，被采集成甲醇成品；由加压塔来的甲醇液体进入常压塔经工艺处理由液体相变为气体，进入第二蒸发式冷凝器(G)中冷凝为液态甲醇，少量将要放空的不凝性气体中夹带的甲醇气体进入多单元组合式换热器(H)的独立蒸发式换热单元中进行甲醇冷凝回收后，与常压塔出塔的甲醇气体经冷凝获得的液态甲醇进入多单元组合式换热器(H)的独立蒸发式换热单元进行冷却，成为甲醇成品；

上述中所涉及的蒸发空冷式换热器其换热方式为：高温工艺流体首先进入空气冷却的翅片管组预冷段进行换热预冷，即利用蒸发换热段产生的水蒸汽与空气混合所形成的湿空气对翅片管组预冷段进行冷却，使高温流体得到预冷降温；被降温的工艺流体再进入蒸发换热段，蒸发换热段的换热部件由循环冷却水喷淋而在其表面形成连续均匀的薄水膜，利用管外水膜的蒸发强化管内外换热；空气由下部引入自下向上流动与冷却喷淋水形成逆流，与蒸发换热段产生的水蒸汽混合形成湿空气，在排出设备前穿过空气冷却的翅片管组预冷段，作为冷却介质对进入翅片管组的工艺流体进行大风量、大温差的冷却；

蒸发空冷式换热器的结构设计为：主要包括作为预冷段的翅片管组(2)、蒸发换热段的换热部件(5)和轴流风机(1)、水喷淋装置(4)及进风栅(6)，还具有提供循环冷却水的水泵(9)、水箱(10)；空气冷却的翅片管组(2)位于轴流风机下方为水平设置，其与工艺流体管道连通，使高温工艺流体首先进入空气冷却的翅片管组预冷段强化换热进行预冷降温；蒸发换热段的换热部件(5)位于翅片管组下方，在设备的下部四周设置进风栅(6)，在蒸发换热段换热部件的上方具有水喷淋装置(4)；

所涉及多单元组合式换热器的结构设计为：其主要由轴流风机(1)、空气冷却的翅片管组(2)和蒸发换热段的换热部件、水喷淋装置(4)及进风栅(6)构成，还具有提供循环冷却水的水泵(9)、水箱(10)；轴流风机(1)位于设备上部，翅片管组(2)位于轴流风机下方水平设置，蒸发换热部件位于翅片管组下方；其中，蒸发换热部件为多个冷却盘管组，每个冷却盘管组与共用的轴流风机(1)、水喷淋装置(4)和进风栅(6)及水泵(9)、水箱(10)构成一个对工艺流体进行换热的独立单元；其中冷却盘管组(5-2)的进口与翅片管组连通，空气冷却的翅片管组与其中一路工艺流体连通，构成蒸发空冷式换热单元，即翅片管组作为预冷段，工艺流体先进入翅片管组进行预冷降温后再进入蒸发换热段的冷却盘管组(5-2)进行蒸发换热，而在蒸发换热段产生的水蒸汽与轴流风机从设备下部引进的空气混合形成的湿空气，作为冷却介质在排出设备前对翅片管组进行大风量、大温差的冷却；其它冷却盘管组均直接与所需处理的工艺流体管路对应连通，构成多个独立的蒸发式换热单元。

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