CN109111342A - 一种水冷甲醇合成工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水冷甲醇合成工艺,包括水冷反应器,所述水冷反应器中设有由多根第一换热管组成的第一换热管组和由多根第二换热管组成的第二换热管组;各第一换热管内腔横截面积之和为各第二换热管内腔横截面积之和的15~60%;两组换热管分别连接第一锅炉水管道和第二锅炉水管道;所述第一锅炉水管道上设有阀门;原料气换热后均分成两股,分别进入第一水冷反应器和第二水冷反应器进行甲醇合成反应;水冷反应器出口反应气中的甲醇含量11~14mol%;当水冷反应器的出口反应气的甲醇含量≤10mol%时,逐步关小第一锅炉水管道上的控制阀,当催化剂床层温度达到270℃~290℃时,关闭第一锅炉水管道上的控制阀。

Description

一种水冷甲醇合成工艺
技术领域
本发明涉及一种甲醇合成工艺,具体指一种水冷甲醇合成工艺。
背景技术
甲醇合成是可逆的放热反应过程。对于铜基甲醇合成催化剂来说,反应温度需要维持在220℃~280℃之间,温度过低催化剂没有活性,温度过高影响催化剂的寿命和产品品质。为了使甲醇合成反应能够在适宜的温度区间进行,通常在催化剂反应床层内埋设换热管,甲醇合成时放出的反应热通过换热管内锅炉水的气化产生蒸汽移出,这种类型的反应器称之为等温甲醇合成反应器,设置有等温甲醇合成反应器的甲醇合成工艺称之为等温甲醇合成工艺。
基于延长甲醇合成催化剂寿命考虑,催化剂使用初期反应温度一般控制在240℃~260℃之间,使用后期反应温度一般控制在260℃~280℃之间。在装置稳定运行时,通过换热管内锅炉水产生蒸汽移走的反应热是恒定的,但随着催化剂的老化,反应温度会由240℃缓慢上升到280℃,相对应换热管内锅炉水的温度从225℃缓慢升至270℃,锅炉水产生的蒸汽压力从2.7MPaG逐渐升至5.4MPaG。可以看出等温甲醇合成工艺温度区间跨度较大,所产出的蒸汽压力波动也很大。
随着甲醇合成装置的大型化和多系列化,富产的蒸汽量也越来越多,但现有的等温甲醇合成工艺始终无法解决蒸汽压力的波动及相关设备和管道工程投资增加等问题,主要体现如下:
从设计压力考虑,由于换热管内所产蒸汽的压力在2.7MPaG~5.4MPaG之间波动,因此与其相关联的设备及管道均需要考虑较高的设计压力,否则无法满足催化剂后期5.4MPaG的蒸汽压力要求,同时设备及管道壁厚的增加推高了工程投资;
从富产蒸汽考虑,催化剂后期虽然可以富产5.4MPaG的高品质蒸汽,但全厂蒸汽管网平衡却由催化剂初期的2.7MPaG蒸汽决定,在工程设计时只能将5.4MPaG的高品质蒸汽减压降级使用,不但需要增加与减压相关的管道阀件及自控仪表元件,而且还对全厂蒸汽管网造成一定冲击。
简而言之,甲醇合成反应器内的锅炉水系统的管道及设备均需要按照苛刻温度和压力来设计,同时催化剂后期所产出的中压蒸汽却在降级使用,从投资和全厂蒸汽管网平衡角度考虑均不够经济合理。
公布号为CN107162872A的中国专利公开了《一种低压甲醇合成工艺》,该甲醇合成反应器在反应床层内埋设换热管,甲醇合成在催化剂床层中进行,放出的反应热通过换热管内锅炉水移走。但存在催化剂后期富产蒸汽压力升高,与其相关联的设备及管道不得不按照后期蒸汽压力及温度进行设计,增加了工程投资;同时工艺系统在进行全厂蒸汽管网平衡设计时,只能按照催化剂初期较低的蒸汽压力及蒸汽品质进行设计,但在催化剂后期又对全厂蒸汽管网造成一定冲击。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种撤热能力快捷可调、床层温度精确可控、不需要增加设备壁厚即能够在催化剂整个活性期内维持恒定产率的水冷甲醇合成工艺。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:该水冷甲醇合成工艺,包括水冷反应器,所述水冷反应器中设有多根换热管,各所述换热管的入口通过锅炉水管道连接汽包的锅炉水出口,各所述换热管的出口通过蒸汽回收管道连接所述汽包的蒸汽入口;其特征在于:
所述水冷反应器有两个,相互并联设置;
各水冷反应器中的换热管均包括由多根第一换热管组成的第一换热管组和由多根第二换热管组成的第二换热管组;各第一换热管内腔横截面积之和为各第二换热管内腔横截面积之和的15~60%;
对应地,所述锅炉水管道有两根;
各所述第一换热管的入口连接第一锅炉水管道,各所述第二换热管的入口连接第二锅炉水管道;所述第一锅炉水管道上设有阀门;
温度为195℃~215℃、压力为5~10MPaG、H2/CO摩尔比为5~6的原料气与来自第一水冷反应器和第二水冷反应器的反应气换热至230℃~240℃后均分成两股,分别进入第一水冷反应器和第二水冷反应器进行甲醇合成反应;
所述汽包内温度为220~245℃、压力为3.7MPaG~4.5MPaG的锅炉水同时进入两个水冷反应器的第一换热管组和第二换热管组,取走催化剂床层的反应热,生成3.7~4.5MPaG的中压饱和蒸汽,从蒸汽回收管道返回汽包,气液分离后,中压饱和蒸汽排出汽包送去蒸汽管网;
所述第一水冷反应器和第二水冷反应器的温度为245℃~265℃的出口反应气并流后与所述原料气换热至205℃~235℃送去下游;水冷反应器出口反应气中的甲醇含量11%~14mol%;
所述第一水冷反应器和第二水冷反应器运行过程中,在线监测两个水冷反应器的出口反应气的甲醇含量,当出口反应气中甲醇含量≤10mol%时,第一锅炉水管道内的锅炉水体积流量按10%/小时递减的速度逐步关小第一锅炉水管道上的控制阀,当催化剂床层温度达到270℃~290℃时,关闭第一锅炉水管道上的控制阀,仅第二换热管组工作;此时,原料气换热至255℃~275℃,各水冷反应器的出口反应气温度为270℃~290℃,仍旧富产3.7~4.5MPaG的中压饱和蒸汽;出口反应气中甲醇含量11~14mol%。
为进一步保证催化剂床层撤热的均匀性,避免局部飞温,上述各方案中,所述水冷反应器可以包括炉体和设置在所述炉体内的催化剂框,所述催化剂框的中部设有合成气收集管,合成气收集管的上端口封闭,下端口为甲醇合成气出口;
各所述第一换热管沿催化剂床层的径向方向呈放射状布置;各所述第二换热管沿所述炉体的径向方向呈放射状布置。
进一步地,各所述换热管在周向方向上在以所述催化剂框的轴线为中心的多个同心圆周线上均匀布置。
为保证关闭第一组换热管后,催化剂床层撤热的均匀性,各所述同心圆周线上均布置有所述的第二换热管。
作为上述各方案的进一步改进,各所述第二换热管在催化剂框的径向方向上分两个区域布置,其中第一区域靠近所述气体收集管,第二区域靠近所述催化剂框的外周缘;并且所述第一换热管和所述第二换热管在周向上依次交替布置。
作为优选,同一周线上相邻换热管之间的间距m控制在30~150mm,同一放射线上相邻换热管之间的间距n控制在30~150mm;
并且,m-n的绝对值为0~50mm。
优选m为30~150mm,n为30~50mm。
本发明在水冷反应器内设置有两组换热管,各组换热管能独立供给锅炉水,用于控制水冷反应器内的换热面积,在甲醇合成反应中后期催化剂活性降低时调节换热面积,从而避免副产中压蒸汽管网压力大幅波动,并维持转换率的恒定。
与现有技术相比,本发明的优点在于:设置两路锅炉水同时进入反应器,反应器内设置两组独立换热管束分别与两路锅炉水对应,通过自然循环移走甲醇合成反应热。装置运行初期,催化剂活性高,控制两组换热管同时工作,撤走的反应热量多,催化剂床层维持在设定的温度下进行甲醇合成反应,产率恒定在设定值;装置运行后期,由于催化剂活性降低,所需的催化剂活性温度升高;为维持汽包及其内锅炉水、蒸汽压力等参数不变,调节其中一路进水阀门开度直至关闭反应器中一组换热管,减少催化剂床层的撤热量,此时催化剂床层温度上升至催化剂的活性温度,甲醇合成反应正常进行,产率仍旧维持在设计值,并且出汽包的蒸汽压力不变,不需要改变配套管线和设备的参数,对蒸汽管网冲击小。
附图说明
图1为本发明实施例的工艺流程示意图;
图2为本发明实施例的纵向剖视图;
图3为本发明实施例的横向剖视图;
图4为图3中A部分的局部放大图。
图5为图3中B部分的局部放大图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1至图5所示,本实施例中的水冷反应器有两个,相互并联设置,两个水冷反应器的结构相同。均包括:
炉体10,为常规结构,包括上封头11、下封头12和连接在上封头11和下封头12之间的筒体13。
催化剂框20,用于装填催化剂,设置在筒体13内。催化剂框20可以根据需要选用现有技术中的任意一种,本实施例为径向反应器,原料气从催化剂框20的侧壁进入到催化剂框内。
合成气收集管30,用于收集合成气,并将合成气通过合成气管道33送出炉体10,设置在催化剂框20空腔内的中部位置,由多段筒体31依次可拆卸连接而成,本实施例中各筒体31之间通过法兰连接;筒体31的内侧壁上沿轴向方向依次间隔设有多个脚梯32。端盖可拆卸连接在合成气收集管30的上端口上,合成气收集管30的下端口连接合成气管道33。
换热管,设置在催化剂框20与合成气收集管30之间的催化剂床层中,包括由多根第一换热管41组成的第一换热管组以及由多根第二换热管42组成的第二换热管组。
为便于区别,在图3至图5中各第一换热管以实心圆表示,各第二换热管以空心圆表示。
本实施例中的各第一换热管41和各第二换热管42穿过催化剂床的部分均各自沿催化剂框2的径向方向呈放射状布置,各第二换热管42所在的放射线位置与对应位置上的各所述第一换热管41所在的放射线依次交错布置。
各换热管同时还在周向方向上在以所述催化剂框的轴线为中心的多个同心圆周线上均匀布置。
考虑到反应后期撤热的均匀性,本实施例中在整个催化剂床层的径向方向上由内而外的分为四个区域,其中靠近合成气收集管的第一区域仅布置有第二换热管42,第二区域内同时布置有第一换热管和第二换热管,并且同一周线上的第一换热管和第二换热管交替布置,第三区域内仅布置有第二换热管,靠近催化剂框的第四区域内同时布置有第一换热管41和第二换热管42,第一换热管和第二换热管的布置原则和第二区域的布置原则相同。
本实施例中,各换热管在周向方向上,相邻第一换热管之间的周向间距控制在30~100mm之间;加入第二换热管42后,相邻换热管之间的间距m控制在30~50mm之间。同一径线方向上,相邻换热管之间的间距n在30~50mm,并且m-n的绝对值控制在0~30mm之间。
各换热管之间的间距还可以根据管径以及催化剂的动力学方程,选用其它尺寸,m优选30~150mm,n优选30~50mm。
并且,各第一换热管41的内腔的横截面面积之和为各第二换热管42的内腔的横截面面积之和的30%。该比例可以根据所使用催化剂的动力学方程计算,控制在15~60%。
这样,在第一换热管41停用后,各第二换热管仍旧能够将催化剂床层中的热量均匀撤走。并且,在第一换热管启用时,由于各第一换热管大部分是靠近催化剂框的边缘设置,且设置在相邻的第二换热管的放射线之间,因此在催化剂活性较高的装置运行前期,第一换热管的布置填补了外周围相邻放射线上的第二换热管之间间距较大的问题,使得催化剂活性较高状态下能够均匀撤热。
各换热管呈放射状布置,还方便了催化剂卸料。检修时,对积结的催化剂块,工具可以从相邻放射线之间间隙中插入,以方便敲碎催化剂块;同时也方便了催化剂的装填,装填催化剂时,仅需简单地将催化剂从上方倒入催化剂框内,催化剂颗粒即会沿各换热管之间的间隙下落,并且因为这些间隙自上至下是畅通无阻碍的,因此催化剂下落过程中不会被阻挡,能够均匀地布满整个催化剂框的内腔。
进水管道,用于连接汽包A5和各换热管,包括第一锅炉水管道51和第二锅炉水管道52,第一锅炉水管道51上设有阀门55,第一锅炉水管道51连接第一管箱53,第二锅炉水管道52连接第二管箱54,各第一换热管的入口连接第一管箱53,各第二换热管的入口连接第二管箱54。为便于吸收膨胀应力,本实施例在第一锅炉水管道和第二锅炉水管道上均设置了膨胀节。
蒸汽管道包括连接汽包A5的第一蒸汽连接管56和第二蒸汽连接管57,为吸收膨胀应力,在第一蒸汽连接管56和第二蒸汽连接管57上均设置了膨胀节;第一蒸汽连接管56连接第一蒸汽收集管58,第二蒸汽连接管57连接第二蒸汽收集管59,各第一换热管的出口连接第一蒸汽收集管57,各第二换热管的出口连接第二蒸汽收集管58。
装置运行前期,上游送来的温度为200±5℃、压力为5~10MPaG、H2/CO(摩尔比)为5.5的原料气与来自第一水冷反应器A3和第二水冷反应器A4的反应气换热至230℃~240℃后均分成两股,分别进入第一水冷反应器和第二水冷反应器进行甲醇合成反应;此时催化剂活性温度为250℃~255℃。
汽包A5内温度在235℃、压力为3.7MPaG~4.0MPaG的锅炉水同时进入两个水冷反应器的第一换热管组和第二换热管组,取走催化剂床层的反应热,生成3.7~4.0MPaG的中压饱和蒸汽,分别从第一蒸汽连接管56和第二蒸汽连接管57返回汽包A5,气液分离后,中压饱和蒸汽排出汽包A5送去蒸汽管网;装置运行过程中,向汽包A5内补充温度为225℃、压力为3.9MPaG~4.2MPaG的中压锅炉水。
所述第一水冷反应器A3和第二水冷反应器A4的出口反应气温度为250℃~260℃,两者并流后进入换热器A2与原料气换热至220℃±5℃送去下游;水冷反应器出口反应气中的甲醇含量12.5mol%。
装置运行过程中,在线监测两个水冷反应器的出口反应气的甲醇含量,当甲醇含量下降至10mol%时。此时催化剂活性降低,需要提高催化剂活性温度以保持CO的转化率,提高出口反应气的甲醇含量。第一组换热管内锅炉水流量以10%/小时的递减速度逐步关小第一锅炉水管道上的控制阀55,催化剂活性温度由255℃逐步提高至280℃。当催化剂的活性温度提高至280℃时,完全关闭第一锅炉水管道上的控制阀,第一换热管组不工作,仅第二换热管组工作。
此时,原料气被换热至265℃,各水冷反应器的出口反应气温度为280℃,仍旧富产3.7~4.0MPaG的中压饱和蒸汽;出口反应气的甲醇含量保持12mol%。
第一换热管组关闭后,相较于两组换热管组同时工作,总换热面积减少了23%,总换热面积为各第一换热管内腔横截面积之和加上各第二换热管内腔横截面积之和。通过减少换热面积,使催化剂床层温度维持在活性温度范围。
关闭第一组换热管后,汽包A5内的锅炉水仅进入第二组换热管,第二组换热管内的锅炉水与催化剂床层的反应热换热,生成压力为3.7~4.0MPaG、温度为247℃~252℃的中压饱和蒸汽返回汽包A5。
装置运行的整个过程中,不需要改变蒸汽压力,降低了对蒸汽管网的设备要求,保证了蒸汽管网和装置的稳定运行;同时也保证了反应气产率的恒定,装置运行稳定。
对比例
以100万吨/年的甲醇合成装置为例(有效气(H2+CO)为266000N/m3/h,H2/CO≈2.3(摩尔比))。所有操作条件于本实施例一致,区别仅在于水冷反应器采用普通水冷反应器,仅设一组换热管,装置运行全过程中,所有换热管都同时工作,表1列出了实施例和对比例中汽包系统及管路投资主要参数对比。
表1
由表1可以看出,对于常规的甲醇合成装置,本实施例的甲醇合成技术,水冷反应器副产中压蒸汽压力波动明显降低,汽包的设计压力,锅炉水管网及中压蒸汽管网设计压力,水冷反应器的设计压力均有较大的降低,使设备设计厚度减小,设备投资明显降低,设备及管路直接投资可降低约250万元,同时,相对于对比例的蒸汽管网压力在大范围内波动,本发明所产蒸汽管网压力更加稳定,有利于装置操作和蒸汽管网及装置的长期稳定运行。

Claims (7)

1.一种水冷甲醇合成工艺,包括水冷反应器,所述水冷反应器中设有多根换热管,各所述换热管的入口通过锅炉水管道连接汽包的锅炉水出口,各所述换热管的出口通过蒸汽回收管道连接所述汽包的蒸汽入口;其特征在于:
所述水冷反应器有两个,相互并联设置;
各水冷反应器中的换热管均包括由多根第一换热管组成的第一换热管组和由多根第二换热管组成的第二换热管组;各第一换热管内腔横截面积之和为各第二换热管内腔横截面积之和的15~60%;
对应地,所述锅炉水管道有两根;
各所述第一换热管的入口连接第一锅炉水管道,各所述第二换热管的入口连接第二锅炉水管道;所述第一锅炉水管道上设有阀门;
温度为195℃~215℃、压力为5~10MPaG、H2/CO摩尔比为5~6的原料气与来自第一水冷反应器和第二水冷反应器的反应气换热至230℃~240℃后均分成两股,分别进入第一水冷反应器和第二水冷反应器进行甲醇合成反应;
所述汽包内温度为220~245℃、压力为3.7MPaG~4.5MPaG的锅炉水同时进入两个水冷反应器的第一换热管组和第二换热管组,取走催化剂床层的反应热,生成3.7~4.5MPaG的中压饱和蒸汽,从蒸汽回收管道返回汽包,气液分离后,中压饱和蒸汽排出汽包送去蒸汽管网;
所述第一水冷反应器和第二水冷反应器的温度为245℃~265℃的出口反应气并流后与所述原料气换热至205℃~235℃送去下游;水冷反应器出口反应气中的甲醇含量11%~14mol%;
所述第一水冷反应器和第二水冷反应器运行过程中,在线监测两个水冷反应器的出口反应气的甲醇含量,当出口反应气中甲醇含量≤10mol%时,第一锅炉水管道内的锅炉水体积流量按10%/小时递减的速度逐步关小第一锅炉水管道上的控制阀,当催化剂床层温度达到270℃~290℃时,关闭第一锅炉水管道上的控制阀,仅第二换热管组工作;此时,原料气换热至255℃~275℃,各水冷反应器的出口反应气温度为270℃~290℃,仍旧富产3.7~4.5MPaG的中压饱和蒸汽;出口反应气中甲醇含量为11%~14mol%。
2.根据权利要求1所述的水冷甲醇合成工艺,其特征在于所述水冷反应器包括炉体和设置在所述炉体内的催化剂框,所述催化剂框的中部设有合成气收集管,合成气收集管的上端口封闭,下端口为反应气出口;
各所述第一换热管沿催化剂床层的径向方向呈放射状布置;各所述第二换热管沿所述炉体的径向方向呈放射状布置。
3.根据权利要求2所述的水冷甲醇合成工艺,其特征在于各所述换热管在周向方向上在以所述催化剂框的轴线为中心的多个同心圆周线上均匀布置。
4.根据权利要求3所述的水冷甲醇合成工艺,其特征在于各所述同心圆周线上均布置有所述的第二换热管42。
5.根据权利要求4所述的水冷甲醇合成工艺,其特征在于而各所述第二换热管42在催化剂框的径向方向上分两个区域布置,其中第一区域靠近所述气体收集管30,第二区域靠近所述催化剂框的外周缘;并且所述第一换热管和所述第二换热管在周向上依次交替布置。
6.根据权利要求5所述的水冷甲醇合成工艺,其特征在于同一周线上相邻换热管之间的间距m控制在30~150mm,同一放射线上相邻换热管之间的间距n控制在30~150mm;
并且,m-n的绝对值为0~50mm。
7.根据权利要求6所述的水冷甲醇合成工艺,其特征在于m为30~150mm,n为30~50mm。
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