CN103212344B - 一种可调节合成回路循环比的防喘振压缩循环装置及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调节合成回路循环比的防喘振压缩循环装置，包括依次连接的压缩机、分流器、循环段出口混合器、合成反应器、反应气分离器、弛放气分离器、循环段进口混合器和循环机；本发明还公开了利用上述装置对合成回路循环比进行调节的工艺，新鲜气部分或全部在循环机进口前端或循环机出口后端与循环气混合，通过将第一调节阀和第二调节阀全部开启或开启其中之一，控制全部新鲜气或部分新鲜气与混合气的混合比例。采用本发明装置可大幅调节合成回路的循环比，降低生产负荷，大幅提高出合成产物含量，同时防止因循环气量减小引起喘振、影响安全生产，具有显著的节能效果。

Description

一种可调节合成回路循环比的防喘振压缩循环装置及工艺
技术领域
本发明涉及化工能源工程技术领域的化工合成管路和设备，尤其涉及一种可调节合成回路循环比的防喘振压缩循环装置及工艺。
背景技术
现代化工及能源动力工程中，离心压缩机得到广泛应用，在大型甲醇或氨合成中，透平压缩机设计中通常有低压气经压缩段达到合成压力和循环段将合成后的较低压力气循环升压到合成进口压力，当合成气压缩比高时，压缩机可是有多段而逐级压缩和升压，当与循环机段分开时也分别称压缩机和循环机，一般二者同轴用同一台透平机驱动，故本发明以下统称压缩段和循环段。
在现有国内外透平压缩机设计中，通常将合成气和循环气先在进循环段前气缸内混合。实际工业生产中往往需要在低负荷下运行或循环比作较大的调节，但离心压缩机设计制造后其压缩气量需在规定的范围内，图1是透平压缩机的特性曲线，由图1可见在不同转速下，其压缩机稳定运行范围的最小流量限是喘振线，当流量小于喘振线时就会发生喘振，喘振流量一般为正常流量的70％，通常将喘振线右移5～10％作防护曲线。例如图1中当循环机转速为100％时，设计进循环机气量为5300m3/h，当这一转速下流量降到4000m3/h，即设计气量为75％时，虽然对应的主轴功率也下降100Kw，但已在防护线左侧，会产生喘振。
当流量小于防护曲线流量时，一般采用旁路回流或放空的办法防止喘振。例如图2是现有技术中常用的透平压缩机防喘振的压缩机或循环机管路图，在生产操作中当压缩气量小于喘振线时，如图2所示用分流器S3分流循环机T2出口的循环气Q11，部分循环气Q14经旁路阀V22、与原料气Q1汇合回流至循环机T2进口，保持压缩气量大于喘振气量，或者对于像空气、CO2等价格不大的气体，不经回路而是打开放空阀V32，将防喘振而增加的部分气量经放空管放空，其余气量去合成。
但采用上述旁路回流的防喘振办法，都会造成压缩机旁路回流所需的压缩功耗。当合成回路循环气量和新鲜合成气量之比(简称循环比)需做较大范围时，造成的能量损失和设备投资更大。
发明内容
本发明为克服上述现有技术浪费能量和气量不能大幅变化的缺陷，提供一种可大范围调节合成回路循环比的防喘振压缩循环装置及工艺。
一种可调节合成回路循环比的防喘振压缩循环装置，包括压缩机、分流器、循环段出口混合器、合成反应器、反应气分离器、弛放气分离器、循环段进口混合器和循环机，所述的分流器的出口设有二个，即第一出口和第二出口，所述的循环段进口混合器和循环段出口混合器的进口均设有二个，即第一进口和第二进口。所述的压缩机出口与分流器的进口连接，所述的分流器的第一出口与循环段出口混合器的第一进口连接，所述的循环段出口混合器的出口与合成反应器、反应气分离器、弛放气分离器依次连接，弛放气分离器的出口与循环段进口混合器的第一进口连接，循环段进口混合器的第二进口与分流器的第二出口连接，循环段进口混合器的出口与循环机进口连接，循环机出口连接至循环段出口混合器的第二进口。
作为一种优选方案，所述的分流器与循环段出口混合器之间设有第一调节阀，所述的分流器与循环段进口混合器之间设有第二调节阀，用以调节合成回路循环比。
所述的反应气分离器外接放液阀，所述的弛放气分离器外接放空阀。
当压缩机和循环机由同一电动机或蒸汽透平机带动连在一机时，又称压缩机的压缩段和循环段，循环段出口压力和进口压力差一般为0.1～1.5Mpa。
利用上述防喘振压缩循环装置对合成回路循环比进行调节的工艺，经压缩后的新鲜气与循环气混合后进反应系统，所述的新鲜气部分或全部在循环机进口前端或循环机出口后端与循环气混合，通过将第一调节阀和第二调节阀全部开启或开启其中之一，控制全部新鲜气或部分新鲜气与循环气的混合比例，具体如下：
当第一调节阀和第二调节阀均开启时，新鲜气经压缩机加压后进入分流器，出分流器的新鲜气分为二股，一股从分流器的第一出口经第一调节阀进循环段出口混合器，与来自循环机出口的循环机出口气混合成入塔气去合成反应器；另一股新鲜气从分流器的第二出口经第二调节阀进循环段进口混合器，与来自弛放气分离器的循环气混合成循环机进口气进入循环机，经循环机加压成循环机出口气。出合成反应器的反应气进入反应气分离器，部分产品经放液阀排出，其余气体作为弛放气去弛放气分离器，部分弛放气经放空阀放空，其余弛放气作为循环气去循环段进口混合器与部分新鲜气混合。
当第二调节阀关闭、第一调节阀开启时，来自压缩机出口的全部新鲜气和来自循环机出口的循环机出口气经循环段出口混合器形成入塔气去合成反应器。
当第二调节阀开启、第一调节阀关闭时，来自压缩机出口的全部新鲜气和来自弛放气分离器的循环气经循环段进口混合器混合成循环机入口气，再经循环机加压成循环机出口气，去循环段出口混合器。
本发明的防喘振压缩循环装置通过将全部或部分合成气与循环气在循环机进口端或者出口端进行缸外混合，可大幅调节合成回路循环比，与已有技术相比具有重大的有益效果：
1.可大幅调节生产负荷，当气化炉等前工段故障原料气不足大幅减小时，可由塔后混合改为全部或部分新鲜气与循环气在塔前混合，以防止循环气量减小引起喘振；
2.当新鲜气量大幅增加时，可增加缸后混合气量，避免缸前混合使循环机超过设计能力，超负荷运行；
3.可大幅调节合成回路的循环比，降低进合成塔气量，大幅提高出合成产物含量，提高醇净值或氨净值；
4.降低循环比后不会由压缩循环机的气量大幅减少而引起喘振，影响安全生产；
5.与采用现有技术旁路回流或放空的办法防止喘振相比，节约了作无用功的电耗达到显著的节能效果；
6.缸外混合可降低压缩机气温，例如当合成气由2.9MPa压缩到8.5MPa时，气温由30℃增高到170℃，需设空冷和水冷降温，否则输气量降低，增加能耗，若与循环气混合降温，会增加合成进塔气中产物含量，减少产量。
附图说明
图1是透平压缩机的性能曲线。
图2是现有技术透平压缩机防喘振的压缩循环机管路图
图3是本发明的可大幅调节循环比的防喘振压缩循环装置的管路图。附图标记说明：
T1-压缩机 T2-循环机 S1-分流器 S2-循环段进口混合器 S3-循环段出口混合器S4-反应气气液分离器 S5-弛放气分离器 R-合成反应器 V1-第一调节阀 V2-第二调节阀V3-放液阀 V4-放空阀；
Q1-新鲜气 Q2、Q3-部分新鲜气 Q4-循环气 Q5-循环机进口气 Q6-入塔气 Q7-反应气 Q8-分离产品 Q9-分离后反应气 Q10-放空气 Q11-循环机出口气。
具体实施方式
下面结合附图3对本发明的技术方案进行详细地说明。
实施例1
如图3所示的可调节合成回路循环比的防喘振压缩循环装置，包括压缩机T1、分流器S1、循环段出口混合器S3、合成反应器R、反应气气液分离器S4、弛放气分离器S5、循环段进口混合器S2和循环机T2，所述的分流器S1的出口设有二个，即第一出口和第二出口，所述的循环段进口混合器S2和循环段出口混合器S3的进口均各设有二个，即第一进口和第二进口。
压缩机T1的出口与分流器S1的进口连接，分流器S1的第一出口与循环段出口混合器S3的第一进口连接，所述的循环段出口混合器S3的出口与合成反应器R、反应气气液分离器S4、弛放气分离器S5依次连接，弛放气分离S5器的出口与循环段进口混合器S2的第一进口连接，循环段进口混合器S2的第二进口与分流器S1的第二出口连接，循环段进口混合器S2的出口与循环机T2进口连接，循环机T2出口连接至循环段出口混合器S3的第二进口。
所述的分流器S1与循环段出口混合器S3之间设有第一调节阀V1，所述的分流器S1与循环段进口混合器S2之间设有第二调节阀V2，用以调节合成回路循环比。
所述的反应气气液分离器S4外接放液阀V3，所述的弛放气分离器S5外接放空阀V4。
当压缩机T1和循环机T2由同一电动机或蒸汽透平机带动连在一机时，T1和T2又称压缩机的压缩段和循环段，循环段出口压力P4和进口压力P3差一般为0.1～1.5Mpa。
图中合成反应器R表示(甲醇合成、二甲醚、F-T、氨合成)在工业装置上除合成反应器外还有反应气Q7的热回收、换热、冷却等属已知技术，不再说明。
以60万吨/年甲醇合成为例，采用上述本发明装置，表1为缸前混合的两种工况，即第二调节阀V2开启、第一调节阀V1关闭时，来自压缩机T1出口的全部新鲜气Q1和来自弛放气分离器S5的循环气Q4经循环段进口混合器S2混合成循环机入口气Q5，再经循环机T2加压成循环机出口气Q11，去循环段出口混合器S3：
表1缸前混合工况数据
工况一为设计工况，其中全部新鲜气Q1与循环气Q4进循环段进口混合器S2混合。工况二同样是缸前混合，将新鲜气Q1增加50％即增加到29.25×104Nm3/h，压力经循环机升高，进循环机气量相应增加，到缸后混合的气量Q3为零，循环气Q4仍为60.5×104Nm3/h，这时循环机进口气Q5的气量增加到89.75×104Nm3/h，比工况一的循环机进气气量增加了12％，即为设计值的112％，未超出循环机设备能力(一般实际最大输气量应为设计值的110～120％)。
实施例2
装置组成及连接同实施例1，同样以60万吨/年甲醇合成为例，采用上述装置，表2为缸后混合的两种工况，即第二调节阀V2关闭、第一调节阀V1开启时，来自压缩机T1出口的全部新鲜气Q1和来自循环机T2出口的循环机出口气Q11经循环段出口混合器S3形成入塔气Q6去合成反应器R：
表2缸后混合工况数据
工况三中的新鲜气Q3的气量增加到29.25×104Nm3/h，循环机进口气Q5气量为60.5×104Nm3/h(工况三以60.5×104Nm3/h为循环机进气量设计值)，二者混合后，入塔气Q6气量增加到89.75×104Nm3/h，循环比为2.07。
工况四同样为缸后混合，当新鲜气气量29.25×104Nm3/h，入塔气Q6气量仍为80×104Nm3/h时，循环气Q4气量降到50.75×104Nm3/h(为工况三的84％)，循环比降到1.74，此时循环机功率降低，出塔甲醇浓度大幅增加。
实施例3
装置组成及连接同实施例1，同样以60万吨/年甲醇合成为例，采用上述装置，循环机设计进气量80×104Nm3/h，工况五(如表3所示)为：新鲜气Q1气量39×104Nm3/h，全部新鲜气缸前混合，循环气Q4气量仍为60.5×104Nm3/h，则循环机进口气Q5气量达99.5×104Nm3/h，超出循环机设计进气量24％(一般实际最大输气量应为设计值的110～120％)，设备超负荷。
此时可通过打开第一调节阀V1，分流部分新鲜气Q3至循环段出口混合器S3(参见表3工况六数据)调节循环比，具体操作如下：第一调节阀V1和第二调节阀V2二者均开启后，压缩机T1将新鲜气Q1加压后进入分流器S1，经分流器S1分流成二股，其中一股新鲜气Q2经第二调节阀V2送至循环段进口混合器S2，与来自弛放气分离器S5的的循环气Q4混合成循环机进口气Q5，循环机进口气Q5经循环机T2由压力P3增压到P4后形成循环机出口气Q11，送去循环段出口混合器S3，与另一股经第一调节阀V1送来的新鲜气Q3混合，混合后的入塔气Q6送合成反应器R。出合成反应器R的反应气Q7进反应气气液分离器S4，其中部分液态产物Q8经放液阀V3排出，其余气体作为分离后反应气Q9去弛放气分离器S5，其中小部分气体作为弛放气Q10经放空阀V4放空，其余大部分气体作为循环气Q4去循环段进口混合器S2进行循环。
由表3工况六数据可见，分流去循环段进口混合器S2的部分新鲜气Q2气量为27×104Nm3/h，分流去循环段出口混合器S3的部分新鲜气Q3气量为12×104Nm3/h，循环气Q4气量仍为60.5×104Nm3/h，此时进循环机的气量Q5降到87.5×104Nm3/h，与设计值之比为1.09，未超出实际最大输气量要求(一般实际最大输气量应为设计值的110～120％)，说明可见本发明装置可在新鲜气量较大情况下有效调节循环比，降低生产负荷，同时防止循环气量减小引起喘振。
表3第一调节阀与第二调节阀同时开启工况数据表
实施例4
装置组成及连接同实施例1，同样以60万吨/年甲醇合成为例，采用上述装置，循环机设计进气量80×104Nm3/h，工况七(如表4所示)为：新鲜气Q1气量19.5×104Nm3/h，全部新鲜气缸后混合，循环气Q4气量为56×104Nm3/h，则循环机进口气Q5气量为56×104Nm3/h，循环机进气量为设计值的70％，会发生喘振。
此时可通过打开第二调节阀V2，分流部分新鲜气Q2至循环段进口混合器S2(参见表4工况八数据)调节循环比，由工况八数据可见，分流去循环段进口混合器S2的部分新鲜气Q2气量为9.5×104Nm3/h，分流去循环段出口混合器S3的部分新鲜气Q3气量为10×104Nm3/h，循环气Q4气量为56×104Nm3/h，此时进循环机的气量Q5增加到65.5×104Nm3/h，为设计值的82％，高于喘振线。说明本发明装置可在原料气不足情况下改缸后混合为循环段缸前和缸后分流混合，有效调节循环比和生产负荷，同时防止因循环气量减小引起喘振。
表4第一调节阀与第二调节阀同时开启工况数据表

Claims (7)

1.一种可调节合成回路循环比的防喘振压缩循环装置，包括压缩机、分流器、循环段出口混合器、合成反应器、反应气分离器、驰放气分离器、循环段进口混合器和循环机，其特征在于：所述的分流器的出口设有二个，即第一出口和第二出口，所述的循环段进口混合器和循环段出口混合器的进口均设有二个，即第一进口和第二进口，所述的压缩机出口与分流器的进口连接，所述的分流器的第一出口与循环段出口混合器的第一进口连接，所述的循环段出口混合器的出口与合成反应器、反应气分离器、驰放气分离器依次连接，驰放气分离器的出口与循环段进口混合器的第一进口连接，循环段进口混合器的第二进口与分流器的第二出口连接，循环段进口混合器的出口与循环机进口连接，循环机出口连接至循环段出口混合器的第二进口；
所述的分流器与循环段出口混合器之间设有第一调节阀，所述的分流器与循环段进口混合器之间设有第二调节阀。
2.如权利要求1所述的可调节合成回路循环比的防喘振压缩循环装置，其特征在于：所述的反应气分离器外接放液阀。
3.如权利要求1所述的可调节合成回路循环比的防喘振压缩循环装置，其特征在于：所述的驰放气分离器外接放空阀。
4.一种利用如权利要求1所述的防喘振压缩循环装置对合成回路循环比进行调节的工艺，经压缩后的新鲜气与循环气混合后进反应系统，其特征在于：所述的新鲜气部分或全部在循环机进口前端或循环机出口后端与循环气混合，通过将第一调节阀和第二调节阀全部开启或开启其中之一，控制全部新鲜气或部分新鲜气与循环气的混合比例。
5.如权利要求4所述的工艺，其特征在于：所述的第一调节阀和第二调节阀均开启时，新鲜气经压缩机加压后进入分流器，出分流器的新鲜气分为二股，一股从分流器的第一出口经第一调节阀进循环段出口混合器，与来自循环机出口的循环机出口气混合成入塔气去合成反应器；另一股新鲜气从分流器的第二出口经第二调节阀进循环段进口混合器，与来自驰放气分离器的循环气混合成循环机进口气进入循环机，经循环机加压成循环机出口气；出合成反应器的反应气进入反应气分离器，部分产品经放液阀排除，其余气体作为驰放气去驰放气分离器，部分驰放气经放空阀防控，其余驰放气作为循环气去循环段进口混合器与部分新鲜气混合。
6.如权利要求4所述的工艺，其特征在于：所述的第二调节阀关闭、第一调节阀开启时，来自压缩机出口的全部新鲜气和来自循环机出口的循环机出口气经循环段出口混合器形成入塔气去合成反应器。
7.如权利要求4所述的工艺，其特征在于：所述的第二调节阀开启、第一调节阀关闭时，来自压缩机出口的全部新鲜气和来自驰放气分离器的循环气经循环段进口混合器混合成循环机入口气，再经循环机加压成循环机出口气，去循环段出口混合器。
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