CN103936555A - 一种节能型多系统生产方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种节能型多系统生产方法，将至少二个生产同一产品的反应系统串联生产，所有原料气全部进入第一反应系统，反应后的尾气再作为原料气进入下一级反应系统；本发明还公开了用于上述生产方法的装置。本发明方法和装置适用于多套生产系统的改造和新建，将多套生产系统串联，全部原料气加入第一级系统，达到降低合成系统气量和消耗、降低设备投资的效果。

Description

一种节能型多系统生产方法和装置
技术领域
本发明涉及化学工程技术领域，尤其涉及一种节能型多系统生产方法和装置。 
背景技术
在石化工程领域，生产装置的规模越来越大，规模大型化可降低投资，节约单位单品的投资成本，但是大型化受到技术限制，特别是单台大型反应器制造和运输尺寸的限制，因此在例如大型甲醇合成技术上出现了DAVY和Lurgi公司的不同组合的气冷-水冷二塔串联大甲醇工艺、TOPSφe公司多塔并联工艺等。在陕西一套年产60万吨甲醇合成国际招标中，多家国内外公司都采用双塔串联或并联方案，于是目前在国内外出现众多多台合成塔甲醇装置。但上述技术中多个合成塔都在同一合成系统中，共用换热器、冷却器、循环机连成合成回路。还有企业由于资金筹集的制约，出现一个企业同一产品先后分成多期或同时建多套生产系统的情况，这类系统在目前通常采用多系统各自独立的方式。 
在一些石化生产装置特别是基本化工生产例如煤化工生产中，一般原料气中除用于生成产品例如甲醇的有效气H2、CO、CO2外，还含有不反应成产品的惰性气，例如N2、Ar、CH4，原料气中惰性气对生产会产生二种不利结果，一是在最后与产品分离从系统中排放除去惰性气时会带走部分有效气；二是例如甲醇合成是缩体积放热反应，惰性气的存在降低了反应气的有效分压，影响了反应进行，降低了生产效率，增加了压缩机循环机的功耗。 
下面以甲醇合成为例说明本发明的技术原理和依据。 
对甲醇合成反应，有以下二个独立反应： 
CO+2H2＝CH3OH 
CO2+3H2＝CH3OH+H2O 
这二个反应都是可逆反应，在一定反应温度下存在正逆反应的平常数  Kp CO = P M P CO P H 2 2 = Y M Y CO Y H 2 2 p 2 = K Y P 2 或者 Y M = Kp CO P 2 Y CO Y H 2 2 = K f K φ .
由上式中平常数主要决定温度，甲醇合成中生成物甲醇的含量随压力而升高，但合成气中惰性气N2、CH4的存在降低了合成有效分压，相应降低了甲醇浓度。在现有技术中，在甲醇合成反应中惰性气量由甲醇弛放气量和弛放气中惰性气含量决定，通常维持在10～20％范围内，因此实际甲醇合成的有效分压只有操作压力的80～90％，在合成系统中有10～20％的惰性气在系统中经循环机循环消耗无用功，白白浪费动力，并相应增加了设备投资。 
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中投资大、能耗高的不足，提出一个节能降耗的高效技术。 
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案： 
一种节能型多系统生产方法，将至少二个生产同一产品的反应系统串联生产，所有原料气全部进入第一反应系统，反应后的尾气再作为原料气进入下一级反应系统。 
作为一种优选，所述的反应系统中，前一反应系统的生产能力为后一反应系统生产能力的1.5～9倍，即按反应系统的生产能力前大后小串联。 
作为一种优选，所述的第一反应系统的进塔气中惰性气含量＜5％，即前面的反应系统在低惰性气含量下完成例如80～90％的大部分生产，然后将反应后的合成气经分离产品处理后排放到后面的反应系统，在高惰性气下完成例如剩下的10～20％生产。 
作为一种优选，所述的反应系统为甲醇合成系统，所述的甲醇合成系统的原料气氢碳比为2.0～2.1。 
作为一种优选，每一级反应系统可以由二个或二个以上反应系统并联组成。 
每一级反应系统并联有带阀门的近路管线，当反应系统发生故障时，原料气可跳过故障系统到后一级系统反应。或作为调节反应系统气体成分用。 
一种节能型多系统生产装置，包括至少二套生产同一产品的反应装置，所述的反应装置包括依次连接的循环机、换热器、反应器、冷却器和分离器，所述的循环机的进口连接原料补气管，所述的循环机的出口连接换热器壳程进口，所述的换热器壳程出口与反应器的进气口连接，所述的反应器的出气口与换热器的管程连接，所述的换热器管程出口依次与冷却器、分离器连接；所述的分离器的气体出口分为二路，一路与原料补气管连接，另一路为尾气排气管，所述的尾气排气管与下一级反应装置的原料补气管连接，或者所述的尾气排气管先连接尾气洗气塔后再与下一级反应装置的原料补气管连接。所述的反应装置均并联有带阀门的近路管线，反应装置故障时原料气跳过故障装置到后一级装置反应。或近路管线作为调节反应系统气体成分用。 
所述的反应装置中，第一级反应装置中的反应器采用比冷面＞100M2/M3的水冷换热反应器，例如申请人已获授权的发明专利“横向管式换热反应设备”(ZL200410103104.1)等反应器。 
本发明方法和装置适用于多套生产系统的改造和新建，将多套生产系统串联，全部原料气加入第一级系统，在低惰性气下完成例如80～90％的大部分生产，然后将经第一级系统的合成气排放到第二级系统，在高惰性气下完成例如剩下的10～20％生产，这样达到降低合成系统气量和消耗、降低设备投资的效果。 
附图说明
图1和图2为本发明装置的两种串联方式示意图。 
图3为本发明装置的组成及连接示意图。 
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。 
实施例1 
如图3所示的甲醇合成装置，包括两套甲醇合成装置，第一反应装置包括依次连接的第一循环机105、第一换热器102、第一反应器101、第一冷却器103和第一分离器104，所述的第一循环机105的进口连接有第一原料补气管L11，所述的第一循环机105的出口连接第一换热器102的壳程进口，所述的第一换热器102的壳程出口与第一反应器101的进气口连接，所述的第一反应器101的出气口与第一换热器102的管程连接，所述的第一换热器102管程出口依次与第一冷却器103、第一分离器104连接；所述的第一分离器104的气体出口分为二路，一路与第一原料补气管L11连接用作输送循环气，另一路为第一尾气排气管L13，所述的第一尾气排气管L13与第二反应装置的第一原料补气管L21连接。所述的第一反应装置并联有第一近路管 线L12，第一近路管线L12的两端分别连接第一原料补气管L11和第二原料补气管L12，当第一反应装置发生故障不可用时，原料气可直接跳过第一反应装置去第二反应装置反应。 
第二反应装置包括依次连接的第二循环机205、第二换热器202、第二反应器201、第二冷却器203和第二分离器204，所述的第二循环机205的进口连接第二原料补气管L21，所述的第二循环机205的出口连接第二换热器202的壳程进口，所述的第二换热器202的壳程出口与第二反应器201的进气口连接，所述的第二反应器201的出气口与第二换热器202的管程连接，所述的第二换热器202管程出口依次与第二冷却器203、第二分离器204连接；所述的第二分离器204的气体出口分为二路，一路与第二原料补气管L21连接用作输送循环气，另一路为第二尾气排气管L23，所述的第二反应装置并联有第二近路管线L22，第二尾气排气管L23与第二近路管线L22连接。当第二反应装置发生故障时，第二近路管线L22即起尾气排放之用。 
上述装置运行时，全部原料气从第一原料补气管L11依次经第一循环机105、第一换热器102的壳程、第一反应器101、第一换热器102的管程、第一冷却器103和第一分离器104，在第一分离器104分离出甲醇产品后，剩余气体分为二路，一路作为循环气去第一原料补气管L11与原料气混合后重新参与反应，另一路从第一尾气排放管L13去第二反应装置的第二原料补气管L21，依次经第二循环机205、第二换热器202的壳程、第二反应器201、第二换热器202的管程、第二冷却器203和第二分离器204，在第二分离器204分离出甲醇产品后，剩余气体分为二路，一路作为循环气去第二原料补气管L21与来自第一反应装置的尾气混合后重新参与反应，另一路经第二尾气排放管L23排放。 
在以上各级中原料气补结线可以都在循环机之前补入，也可以都在循环机之后补入与循环气汇合后，但补入位置必须在同一级尾气排放管之后。 
实施例2 
新鲜气含N2、CH4惰性气1％，氢碳比气量59.5万M3/h，在5MPa下合成甲醇，分别采用双系统并联(工况一)和双系统串联(工况二)二种工况下气量、成分、产量主要数据见下表： 
工况 新鲜气量 进塔气量 进塔气惰气 进甲醇塔 出塔 年产量
  103M3/h 103M3/h CH4+N2+Ar CH3OH CH3OH 万吨/年
一：双并系统 595 3570 9.7 0.64 6.26 203.7
二：双串前系统 595 1700 3.4 0.50 11.78 177.4
二：双串后系统 124 600 10.2 0.61 4.93 26.9
二：双串系统总 / / / / / 204.3
由上表可见，对同样原料气量和组成，同样催化剂量350M3达到同样产量条件下，对工况一的双并系统需每小时357万标方进塔气量，而对双串系统前后串联中的前一系统只需170万标方/时，后一系统需60万标方/时，二者一共230万标方/时，即双串系统的总进塔气量只需双并系统进塔气量的66％，即只需双并系统的三分之二。 
以上数据证明了在同样产量下，采用串联方式改造的双系统比采用并联改造的双系统所需进塔气量减少了三分之一，具有明显的节能降耗效果。同理可知，如双串系统采用和双并系统同样的进塔气量，则在不改变原有装置组成、不增加设备的基础上，即可大幅提高改造后的产量，节约改造成本， 
经济效益明显。 
上述反应装置中的换热器可根据实际使用情况调整壳程与管程的连接方式。 

Claims (10)

1.一种节能型多系统生产方法，其特征在于：将至少二个生产同一产品的反应系统串联生产，所有原料气全部进入第一反应系统，反应后的尾气再作为原料气进入下一级反应系统。
2.如权利要求1所述的节能型多系统生产方法，其特征在于：所述的反应系统中，前一反应系统的生产能力为后一反应系统生产能力的1.5～9倍。
3.如权利要求1所述的节能型多系统生产方法，其特征在于：所述的第一反应系统的进塔气中惰性气含量＜5％。
4.如权利要求1所述的节能型多系统生产方法，其特征在于：所述的反应系统为甲醇合成系统。
5.如权利要求4所述的节能型多系统生产方法，其特征在于：所述的甲醇合成系统的原料气氢碳比为2.0～2.1。
6.如权利要求1所述的节能型多系统生产方法，其特征在于：每一级反应系统可以由二个或二个以上反应系统并联组成。
7.如权利要求1所述的节能型多系统生产方法，其特征在于：每一级反应系统并联有带阀门的近路管线。
8.一种节能型多系统生产装置，包括至少二套生产同一产品的反应装置，其特征在于：所述的反应装置包括依次连接的循环机、换热器、反应器、冷却器和分离器，所述的循环机的进口连接原料补气管，所述的循环机的出口连接换热器壳程进口，所述的换热器壳程出口与反应器的进气口连接，所述的反应器的出气口与换热器的管程连接，所述的换热器管程出口依次与冷却器、分离器连接；所述的分离器的气体出口分为二路，一路与原料补气管连接用作输送循环气，另一路为尾气排气管，所述的尾气排气管与下一级反应装置的原料补气管连接，或者所述的尾气排气管先连接尾气洗气塔后再与下一级反应装置的原料补气管连接。
9.如权利要求8所述的节能型多系统生产装置，其特征在于：所述的相邻两级反应装置的原料补气管之间设有近路管线。
10.如权利要求8所述的节能型多系统生产装置，其特征在于：所述的第一级反应装置中的反应器采用比冷面＞100M2/M3的水冷换热反应器。
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