CN102744016A - 一种新型的甲醇合成塔 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型的甲醇合成塔，属于化工设备，包括反应器壳体、连通所述反应器壳体内外的原料气进气气体均布系统和反应气出气气体均布系统、堆放于所述反应器壳体内并置于所述原料气进气气体均布系统和反应气出气气体均布系统之间的催化剂床层，以及连通所述反应器壳体内外并置于所述催化剂床层内的换热器，所述换热器内通有换热介质。本发明既可以解决反应管束劈裂的问题，又可以充分利用甲醇合成反应放出的热量，且结构简单、制造成本低、对反应器材质要求相对于目前通用的甲醇反应器材质要求低、触媒装卸容易、制造安装简单。
Description
技术领域
本发明属于化工设备，尤其涉及一种甲醇合成设备。
背景技术
甲醇是一种具有多种用途的基本有机化工产品，除了在化工方面的多种应用外，它还可以作为清洁燃料在汽车中代替汽油或汽油混掺使用，以甲醇为燃料的燃料电池也即将问世，此外，甲醇是较好的人工合成蛋白的原料，由于世界石油供应不稳定等因素的影响以及世界能源危机与交通运输业蓬勃发展形成了极度尖锐的矛盾，利用甲醇、二甲醚等清洁燃料部分替代汽油、茶油、液化石油气，其燃烧热值高、挥发性好且燃烧气体毒物排放量低，在工业上和民用上具有较大的应用潜力。
甲醇合成塔是甲醇生产的心脏设备，在结构、材料、操作等方面都有严格的要求，而甲醇合成塔设计的关键技术之一是要高效移走和利用甲醇合成反应放出的热量。
目前，国内外应用较广的为管壳式反应器，（即甲醇合成气走反应器管程，在反应管内的催化剂床层上进行反应，反应管束一般固定在上下管板上。上下管板分别焊接在壳体上。在生产过程中，由于反应管束和管板、壳体制造材料不同以及温度不同形成膨胀差，使管板和壳体以及反应管束和管板的连接处产生较大的温差应力，容易造成反应管束破裂，造成反应气体泄露，减少设备使用寿命，产生生产事故），管内装催化剂，管外充满中压沸腾水进行换热。合成反应几乎是在等温条件下进行的，反应器能除去有效的热量，可允许较高的CO含量气体，采用低循环气流并限制最高反应温度，使反应等温进行，单程转化率高，杂质生成少等优点，单这种类型的反应器结构复杂，上下管板处连接点和焊点多，制作困难，为了防止壳体和管板、反应管之间焊接热应力，对材料及制造方面的要求较高，投资高，且装卸催化剂不方便，塔径大，运输困难。此外，还有套管式反应器、绝热等温混和反应器、螺旋管反应器等均存在结构复杂，要求的材质等级高，造价大，制造安装困难等缺点，不利于推广应用。
发明内容
本发明的目的在于：提出一种新型的甲醇合成塔，既可以解决反应管束劈裂的问题，又可以充分利用甲醇合成反应放出的热量，且结构简单、制造成本低、对反应器材质要求相对于目前通用的甲醇反应器材质要求低、触媒装卸容易、制造安装简单。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种新型的甲醇合成塔，包括反应器壳体、连通所述反应器壳体内外的原料气进气气体均布系统和反应气出气气体均布系统、堆放于所述反应器壳体内并置于所述原料气进气气体均布系统和反应气出气气体均布系统之间的催化剂床层，以及连通所述反应器壳体内外并置于所述催化剂床层内的换热器，所述换热器内通有换热介质。
本发明装置采用了合成气通过气体均布系统，在催化剂床层上进行反应，同时又在催化剂床层内的换热器内产生中低压蒸汽迅速有效地带走反应热的结构方式，既可以解决反应管束劈裂的问题，又同时高效移走甲醇合成反应放出的热量，使得其内反应可以充分有效地进行，另外该方式还可以进一步利用甲醇合成反应放出的热量，该装置反应充分、效率高、能量利用率高。
作为优选方式，所述原料气进气气体均布系统和/或反应气出气气体均布系统包括相连通的气体均布管路和多孔气体分布装置，所述气体均布管路连通所述反应器壳体内外，所述多孔气体分布装置置于所述反应器壳体内。
上述气体均布管路和多孔气体分布装置的两级设置，可以更有效地实现原料气的有效分散和均匀分布，反应气的充分、有效回收，使得催化床层的反应可以更充分、高效地进行。
作为优选方式，所述多孔气体分布装置为在反应器壳体中对称布置的呈半圆形弧面的多孔板件。作为优选方式，所述多孔板件由烧结金属多孔材料制成。
上述对称布置的呈半圆形弧面的多孔板件的设置，使得原料气和反应气，进出催化剂床层更充分和均匀，有利于反应更充分、高效地进行。
作为优选方式，所述原料气进气气体均布系统的气体均布管路包括原料气进气管、与原料气进气管连通并向其侧边横向延伸的原料气集气管、原料气集气管上连通的若干原料气竖支管，以及每一原料气竖支管上连通的若干原料气横支管，所述原料气横支管连通所述反应器壳体内外并与所述多孔气体分布装置连通。
作为优选方式，所述反应气出气气体均布系统的气体均布管路包括反应气出气管、与反应气出气管连通并向其侧边横向延伸的反应气集气管、反应气集气管上连通的若干反应气竖支管，以及每一反应气竖支管上连通的若干反应气横支管，所述反应气横支管连通所述反应器壳体内外并与所述多孔气体分布装置连通。
上述多级分散/收缩、渐扩/渐缩的气体均布管路可以充分实现原料气的有效分散和均匀分布，反应气的充分、有效回收，使得催化床层的反应可以更充分、高效地进行。
作为优选方式，所述换热器为蛇形换热管。
上述置于催化剂床层的蛇形换热管，可以使得其能更高效移走和利用甲醇合成反应放出的热量，使得其内反应可以更充分有效地进行，反应更充分、效率更高、能量利用率更高。
工作流程为：来自合成气净化单元的新鲜甲醇原料气通过原料气进气管进入原料气集气管中，再通过若干原料气竖支管、原料气横支管以及多孔气体分布装置的分散均布作用，使气体均匀分布后进入设备内部催化剂床层，完成甲醇合成反应。反应后反应气通过设备内部的多孔气体分布装置后，通过反应气横支管、反应气竖支管、反应气集气管全面汇集后，通过反应气出气管离开设备。同时，换热介质进入设备，通过设备内部按照一定规则排列的蛇形换热管吸收甲醇合成反应放出的热量，成为中低压蒸汽，最后从设备排出成饱和蒸汽。
本发明的有益效果：既可以解决反应管束劈裂的问题，同时该装置反应充分、效率高、能量利用率高；总体结构简单、制造成本低、对反应器材质要求相对于目前通用的甲醇反应器材质要求低、触媒装卸容易、制造安装简单。
附图说明
图1是本发明甲醇合成塔的甲醇合成工艺流程图；
图2是本发明实施例的工作原理示意图；
图3是图2的俯视示意图；
图4是本发明实施例的主视结构示意图；
图5是本发明实施例的俯视结构示意图；
其中1为锅炉水进水管、2为原料气进气气体均布系统的气体均布管路、3为原料气进气侧半圆形烧结金属板、4为烧结金属板连接件、5为中低压饱和蒸汽出口、6为反应器壳体、7为催化剂支撑板、8为蛇形换热管、9为催化剂床层压板、10为反应气出气侧半圆形烧结金属板、11为蒸汽进口汇集管、12为蒸汽出口汇集管、13为反应气出气气体均布系统的气体均布管路、14为蛇形换热管支撑板、21为原料气进气管、22为原料气集气管、23为原料气竖直支管、24为原料气水平支管、25为反应气水平支管、26为反应气竖直支管、27为反应气集气管、28为反应气出气管、29为蒸汽汽包。
具体实施方式
下列非限制性实施例用于说明本发明。
一种新型的甲醇合成塔，如图4、5所示，包括反应器壳体6、连通反应器壳体6内外的原料气进气气体均布系统和反应气出气气体均布系统、堆放于反应器壳体6内并置于原料气进气气体均布系统和反应气出气气体均布系统之间的催化剂床层，以及连通反应器壳体6内外并置于催化剂床层内的换热器，换热器为蛇形换热管8，蛇形换热管8内通有换热介质，如水、蒸汽等。原料气进气气体均布系统和反应气出气气体均布系统包括相连通的气体均布管路和多孔气体分布装置，气体均布管路连通反应器壳体6内外，多孔气体分布装置置于反应器壳体6内。原料气进气气体均布系统的气体均布管路2包括原料气进气管21、与原料气进气管21连通并向其侧边横向延伸的半圆形原料气集气管22、原料气集气管22上连通的若干原料气竖直支管23，以及每一原料气竖直支管23上连通的若干原料气水平支管24，原料气水平支管24连通反应器壳体6内外并与多孔气体分布装置连通。反应气出气气体均布系统的气体均布管路13包括反应气出气管28、与反应气出气管28连通并向其侧边横向延伸的半圆形反应气集气管27、反应气集气管27上连通的若干反应气竖直支管26，以及每一反应气竖直支管26上连通的若干反应气水平支管25，反应气水平支管25连通反应器壳体6内外并与多孔气体分布装置连通。多孔气体分布装置为在反应器壳体6中对称布置的呈半圆形弧面的多孔板件，多孔板件由烧结金属多孔材料等多孔材料制成，包括原料气进气侧半圆柱形烧结金属板3和反应气出气侧半圆形烧结金属板10。
本发明合成塔工作过程，如图2、3所示，图中箭头为气体流动方向。来自合成气净化单元的新鲜甲醇合成气（以下简称原料气）压力约为3.2MPa，温度约为20℃，通过原料气进气管21进入半圆形原料气集气管22中，在原料气集气管22上根据气量大小均布着若干个原料气竖直支管23，在每只原料气竖直支管23上根据气量及气体流速的要求均布着若干只原料气水平支管24，再通过原料气进气侧半圆柱形烧结金属板3使气体均匀分布后进入设备内部催化剂床层，完成甲醇合成反应。反应后反应气通过反应气出气侧半圆形烧结金属板10后，再通过反应气水平支管25、反应气竖直支管26、反应气集气管27汇集，通过反应气出气管28离开设备，出口压力约为7.55Mpa，温度约为243℃。锅炉水自锅炉水进水管1进入反应器壳体6，反应器壳体6内部有一组蛇形换热管8，置于催化剂床层的内部，原料气在催化剂床层上发生甲醇合成反应，放出大量的热量，置于催化剂床层内部的蛇形换热管8吸收甲醇合成反应放出的热量，其内换热介质水成为中低压蒸汽，从中低压饱和蒸汽出口5中出压力约为2.8~3.9Mpa的饱和蒸汽。
应用本发明甲醇合成塔的工艺流程：如图1所示，来自合成气压缩机的合成气，压力为5.9Mpa，温度为80℃，经过换热器Ⅰ的壳程，被来自甲醇合成塔的产品气体预热到160℃，然后进入换热器Ⅱ的壳程，进入换热器Ⅱ的管程，经由蒸汽汽包29底部出的高温锅炉水再次加热到200℃，从反应器壳体6的侧面进，通过反应器壳体6中原料气进气侧半圆柱形烧结金属板3（所谓“烧结金属”即为烧结金属多孔材料，烧结金属多孔材料是20世纪初出现，第二次世界大战后发展较快的一类具有特殊性能的功能材料，其特点是内部含有大量连通或半连通的孔隙，广泛适用于工业生产过程中的过滤和分离）的孔隙均匀分布，进入塔体壳程，壳程中堆放C307铜基催化剂，气体在催化剂的作用下发生甲醇合成反应，即
CO +2H2=CH3OH +Q
CO2 +3H2=CH3OH +Q
反应生成甲醇和水以及少量的杂质，放出大量的热，在设备内部催化剂床层中埋有蛇形换热管8，蛇形换热管8中的锅炉水吸收甲醇合成反应放出的热量，发生相变成为3.9Mpa，温度为~250℃的中低压蒸汽，进入蒸汽汽包29，过滤后送入蒸汽管网，蒸汽汽包29中气液分离后的锅炉水经注水泵加压后回甲醇合成系统循环使用，脱盐水经注水泵加压后送入甲醇合成系统，补充由于相变造成的水量减少，是蒸汽不断源源产生。
甲醇合成反应后的粗甲醇气经过反应器内部和反应气出气侧半圆形烧结金属板10的孔隙汇聚后离开甲醇合成塔，出口温度约为243℃，在换热器Ⅰ经与合成气换热，温度降至95℃左右，此时有少部分甲醇冷凝下来，然后再进入水冷器，进一步冷却至40℃左右，此时大部分甲醇被冷凝下来，冷至40℃的的气体混合物经甲醇分离器分离出粗液体，送入后续甲醇精制单元，得到产品甲醇。甲醇分离器分离出的气体，压力约为7.5Mpa，温度约为40℃，大部分返回循环气压缩机的二段和一段来的新鲜气一起被压缩至8.0Mpa，送回甲醇合成反应器循环使用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种新型的甲醇合成塔，其特征在于：包括反应器壳体、连通所述反应器壳体内外的原料气进气气体均布系统和反应气出气气体均布系统、堆放于所述反应器壳体内并置于所述原料气进气气体均布系统和反应气出气气体均布系统之间的催化剂床层，以及连通所述反应器壳体内外并置于所述催化剂床层内的换热器，所述换热器内通有换热介质。
2.如权利要求1所述的新型的甲醇合成塔，其特征在于：所述原料气进气气体均布系统和/或反应气出气气体均布系统包括相连通的气体均布管路和多孔气体分布装置，所述气体均布管路连通所述反应器壳体内外，所述多孔气体分布装置置于所述反应器壳体内。
3.如权利要求2所述的新型的甲醇合成塔，其特征在于：所述多孔气体分布装置为在反应器壳体中对称布置的呈半圆形弧面的多孔板件。
4.如权利要求3所述的新型的甲醇合成塔，其特征在于：所述多孔板件由烧结金属多孔材料制成。
5.如权利要求2、3或4所述的新型的甲醇合成塔，其特征在于：所述原料气进气气体均布系统的气体均布管路包括原料气进气管、与原料气进气管连通并向其侧边横向延伸的原料气集气管、原料气集气管上连通的若干原料气竖支管，以及每一原料气竖支管上连通的若干原料气横支管，所述原料气横支管连通所述反应器壳体内外并与所述多孔气体分布装置连通。
6.如权利要求2、3或4所述的新型的甲醇合成塔，其特征在于：所述反应气出气气体均布系统的气体均布管路包括反应气出气管、与反应气出气管连通并向其侧边横向延伸的反应气集气管、反应气集气管上连通的若干反应气竖支管，以及每一反应气竖支管上连通的若干反应气横支管，所述反应气横支管连通所述反应器壳体内外并与所述多孔气体分布装置连通。
7.如权利要求1所述的新型的甲醇合成塔，其特征在于：所述换热器为蛇形换热管。
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