CN109173940B - 一种串并联甲醇合成工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种串并联甲醇合成工艺，包括气冷反应器，其特征在于所述气冷反应器包括；封闭的壳体，所述壳体内自上至下依次间隔设有第一隔板、第二隔板、第三隔板和第四隔板；各隔板将所述壳体的内腔依次分隔为第一区、第二区、第三区、第四区和第五区；原料气与循环气混合形成混合气，作为甲醇气冷合成反应的取热介质进行一级预热，再与一次合成气换热后均分为两股，进入两个水冷反应器进行一次合成反应；一次反应气换热后进入第三区进行二次合成反应，二次反应气与部分循环气换热后，分离出甲醇和乏气，剩余的气相压缩后得到所述的循环气。

Description

一种串并联甲醇合成工艺
技术领域
本发明涉及一种甲醇合成工艺，具体指一种多个反应器串并联的甲醇合成工艺。
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，如果温度过低则催化剂没有活性无法反应，温度过高则影响催化剂的寿命和产品品质。因此，合成气在进行第一级甲醇合成反应之前，需要预热到催化剂的起活温度，反应后的气体需要及时移出反应热，为第二级甲醇合成反应创造适宜的温度条件。
第一级甲醇合成反通常为水冷反应器，既在催化剂床层内埋设换热管，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。设置有水冷反应器的甲醇合成工艺，通常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，水冷反应器在催化剂使用初期，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：
(1)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；
(2)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CN107162872 A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。
第二级甲醇合成反应器通常为气冷反应器，目前该反应器与其上下游换热器没有高度集成，而是通过管道实现连接。随着甲醇合成技术的大型化和多系列化，甲醇合成反应器与换热器的分散布置，导致甲醇合成单元占地及管道长度均增加，同时管道长度的增加还会导致额外的热量损耗，不利于甲醇合成技术的大型化和节能化发展。
公告号为CN206986062U的中国专利申请了《一种甲醇合成的装置》，该甲醇合成装置的第一气气换热器、第二气气换热器和第二反应器均独立设置，设备之间通过管道进行连接，反应器和换热器需要布置在不同的结构基础或框架上，增加了该单元的占地和土建结构投资；同时用于连接设备的管道均是温度高压力大，在将设备实现连接的同时管道需要拥有适当的柔性，否则管道运行时热胀冷缩产生的推力会损坏设备管口，也就是说为了满足管道的刚度和柔性双重要求，实际需要的管道长度远远超过两台设备管口之间的直线距离，同时管道长度的增加，导致工程投资和热量损失双双增大
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设备投资低、节能降耗效果好的串并联甲醇合成工艺。
本发明所要解决的另一个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、能够在催化剂整个活性期内维持恒定产率的串并联甲醇合成工艺。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种串并联甲醇合成工艺，包括气冷反应器，其特征在于所述气冷反应器包括；
封闭的壳体，所述壳体内自上至下依次间隔设有第一隔板、第二隔板、第三隔板和第四隔板；各隔板将所述壳体的内腔依次分隔为第一区、第二区、第三区、第四区和第五区；
其中第一区和第五区为换热区，第三区为气冷反应区；第三区内供混合气流经的换热管；第二区和第四区为缓冲区；
温度为80℃～100℃、5～10MPaG、H2/CO摩尔比为2～3的原料气与温度为50℃±10℃、压力为5～10MPaG的第一股循环气混合，后与来自第五区预热后的第二股循环气混合后形成混合气，控制混合气温度为130℃～140℃，混合气作为取热介质进入气冷反应器第三区的换热管取走催化剂床层的反应热，预热至195℃～215℃，在第一区内与来自第一水冷反应器和第二水冷反应器的一次合成气换热至230℃～245℃，均分为两股，分别进入第一水冷反应器和第二水冷反应器进行一次合成反应；
控制水冷反应器的反应温度为250℃～260℃；得到温度为250℃～260℃甲醇含量为 11～14mol％的一次合成气，两股一次合成气并流后进入气冷反应器的第一区与混合气换热至210℃～230℃后进入气冷反应器的第三区进行二次甲醇合成反应；
汽包内温度为230～245℃、压力为3.7MPaG～4.0MPaG的锅炉水进入所述水冷反应器作为取热介质取走水冷反应器催化剂床层的反应热，副产压力为3.7～4.0MPaG的中压饱和蒸汽；装置运行过程中向所述汽包内补入温度为225℃～245℃、压力为3.9～4.2MPaG 的锅炉水；
所述汽包的安装位置高于两个水冷反应器；
出水冷反应器的一次合成气进入气冷反应器的第一区与混合气进行热交换，将混合气二级预热至230℃～240℃，控制气冷反应器第三区的反应温度为210℃～225℃；
出气冷反应器第三区的温度为210℃～225℃的二次合成气经由气冷反应器第四区缓冲后进入第五区，用于预热第二股循环气，二级反应气温度降至135℃～155℃后进入下游系统后处理，分离出甲醇和乏气气相压缩后作为所述的循环气。
较好的，所述第一股循环气和第二股循环气的分配比例以控制所述原料气与两股循环气并流后的混合气的温度在130℃～140℃之间。
进一步地，所述气冷反应器包括封闭的壳体，所述壳体内自上至下依次间隔设有第一隔板、第二隔板、第三隔板和第四隔板；各隔板将所述壳体的内腔依次分隔为第一区、第二区、第三区、第四区和第五区；
所述第一区内设有相互独立的第一通道和第二通道；第五区内设有相互独立的第三通道和第四通道；
所述第二区内设有独立于所述第二区的腔室的第五通道；
所述第三区内间隔设有多根第三换热管；
所述第四区内设有独立于所述第四区的腔室的第六通道；
所述第二隔板内具有第一空腔，各所述第三换热管的出口均连通所述第一空腔；所述第二隔板上还间隔设有多个连通所述第二区的腔室和所述第三区且独立于所述第一空腔的第一通孔；
所述第三隔板内设有第二空腔，各所述第三换热管的入口均连接所述第二空腔；所述第三隔板上还间隔设有多个连通所述第三区和所述第四区且独立于所述第二空腔的第二通孔；
原料气输送管道的出口穿过所述壳体的侧壁连通所述第二空腔，第六通道的两端口分别连通所述原料气输送管道和所述第三通道的出口；第五通道的两端口分别连通所述第一空腔和所述第一通道的入口，所述第一通道的出口连接界外；所述第二通道的两端口分别连通所述第二区的腔室和第一反应气输送管道的出口；
循环气输送管道的出口连接所述第三通道的入口；所述第四通道的两端口分别连通所述第四区的腔室和第二反应气输送管道；
为方便催化剂的装填和卸料，可以在所述第三隔板的下方还设有用于盛放瓷球的网兜，所述壳体的侧壁上设有卸料管，所述卸料管的两端口分别连通所述网兜与所述第三隔板之间的空间和界外。
较好的，所述第一区内的第二通道可以由多根并列设置的管道组成，各管道与所述第一区内腔之间的空隙构成所述的第一通道。
更好地，各所述第二通道可以为“U”形管；各所述第二通道的两端口分别限位在所述第一隔板上；所述第一隔板上连接有第一分隔板，所述第一分隔板与所对应的第一隔板部分以及所对应的壳体部分形成独立于所述第二区的腔室的第一腔室；所述第二通道的入口和所述第一反应气输送管道的出口均连通所述第一腔室。
较好的，所述第五区内的第四通道可以由多根并列设置的管道组成，各第四通道与所述第五区内腔之间的间隙构成所述的第三通道。
更好地，各所述第四通道为“U”形管；各所述第四通道的两端口分别限位在所述第四隔板上；所述第四隔板上连接有第二分隔板，所述第二分隔板与所对应的第四隔板部分以及所对应的壳体部分形成独立于所述第四区的腔室的第二腔室；所述第四通道的出口和所述第二反应气输送管道的入口均连通所述第二腔室。
为使第二隔板的支撑更稳固，可以在所述原料气输送管道的出口端部和所述第二隔板之间设置支撑件。
支撑件的结构可以有多种，优选采用棒杆或管状结构，该结构占用空间小，且支撑稳固。当支撑件为管状结构时，支撑件与原料气输送管道和第二隔板的第二空腔之间不连通。
作为上述各方案的进一步改进，可以在所述第一隔板和所述第二隔板之间连接有第三分隔板，所述第三分隔板与所述第一隔板部分、第二隔板、第一分隔板以及所对应的所述壳体的部分围合形成所述的第二区的腔室；
所述第三分隔板与所对应的另部分的壳体之间的间隙形成所述第五通道。
还可以在所述第四区内设有第四分隔板，所述第四分隔板将所述第四区分隔为相互独立且并列布置的所述第四区的腔室和所述第六通道。
还可以在所述第四区内还设有第五分隔板，所述第五分隔板与对应的所述壳体部分围合形成混气室，所述混气室连通所述原料气输送管道和所述第六通道的出口。
众所周知，甲醇合成反应中，随着反应的进行，所使用催化剂的活性逐渐衰减，所需的活性温度越来越高，现有技术中，通常是通过改变汽包内压力来满足水冷反应器中的催化剂活性温度要求；但是这样会导致管道以及相关设备承压能力要求提高，基础投资大；并且装置运行前、后期蒸汽压力的变化会导致蒸汽管网的波动，各种麻烦。
作为上述各方案的进一步改进，所述第一水冷反应器和第二水冷反应器结构相同，均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混合气分配管，所述混合气分配管连接所述炉体上的原料气入口；所述混合气分配管的出口有多个，间隔布置在混合气分配管的侧壁上；所述催化剂框的侧壁上设有供合成气通过的出气孔，所述出气孔连通所述炉体上的合成气出口；所述催化剂框与混合气分配管之间的催化剂床层中设有多根换热管，各所述换热管的进口连接进水管道，换热管的出口连接蒸汽管道；
所述换热管包括由多根第一换热管组成的第一换热管组以及由多根第二换热管组成的第二换热管组；各所述换热管以所述混合气分配管为芯轴螺旋盘绕在催化剂床层内；
各所述换热管螺旋盘绕后形成多个换热管层，相邻换热管层之间具有间隙；
所述进水管道包括第一进水管道和第二进水管道；各所述第一换热管的入口均连通所述第一进水管道，各所述第二换热管的入口均连通所述第二进水管道，所述第二进水管道上设有开关阀，并且各所述第二换热管的换热面积之和为总换热面积的15～40％；
各所述第一换热管的出口和各所述第二换热管的出口均连通蒸汽管道。
催化剂床层内各第一换热管换热面积之和为第一换热管的换热面积；催化剂床层内各第二换热管换热面积之和为第二换热管的换热面积；总换热面积为第一换热管的换热面积与第二换热管的换热面积之和；
各换热管的换热面积为2πrL，π为圆周率，r为换热管的半径，L为换热管在催化剂床层内的长度。
进一步地，装置运行过程中，在线监测两个水冷反应器出口的一次合成气中的甲醇含量；当一次合成气中甲醇含量≤10mol％时，以8～15％体积流量/小时的递减速度逐步关小第二进水管上的控制阀；当催化剂床层温度提高至270～290℃时，关闭第二进水管上的控制阀，第二换热管组不工作，仅第一换热管组工作；
此时，混合气与一次合成气换热后温度为255～275℃，进入水冷反应器，出水冷反应器的一次合成气温度为270～290℃、甲醇含量11～14mol％；仍旧富产3.7～4.2MPaG的中压饱和蒸汽。
两台甲醇合成水冷反应器均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，或达到催化剂活性半衰期时，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。
较好的，每层换热管层上都布置有第一换热管和第二换热管，并且第一换热管布置在相邻的两个第二换热管之间。该结构能够进一步改善各阶段催化剂床层撤热的均匀性。
较好的，相邻的两根所述的第二换热管之间设有2～5根第一换热管；
所述第一换热管和所述第二换热管的口径相等。
优选相邻的所述换热管层的旋向相反。
各所述换热管层均固定在多根支撑杆上，各所述支撑杆竖向设置且相互间隔布置，相邻的支撑杆不在同一径向放射线上。较好的，各换热管通过环箍固定在支撑板上。
作为上述各方案的进一步改进，所述第一进水管道包括第一进水连接管和与所述第一进水连接管的出口相连通的第一管箱；各所述第一换热管的入口连接所述第一管箱；
所述第二进水管道包括第二进水连接管和与所述第二进水连接管的出口相连通的第二管箱，各所述第二换热管的入口均连通所述第二管箱。
所述蒸汽管道可以包括连接所述汽包的蒸汽连接管，所述蒸汽连接管连接蒸汽收集管；各所述第一换热管和第二换热管的出口均连接所述蒸汽收集管。
较好的，所述蒸汽连接管上设有膨胀节，以吸收装置运行时的热膨胀。
为方便检修，所述混合气分配管可以由多段筒体依次可拆卸连接而成，所述筒体的内侧壁上沿高度方向依次间隔设有多个脚梯。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中的气冷反应器在同一个壳体中集成了换热、反应、换热的功能，避免了反应器外长管道连接，减少了设备数量，降低了设备占地面积，同时还极大程度地减少了长管道连接所导致的热损失大的问题，节能降耗效果显著；并且该反应器的结构设计，能够使设备的热胀冷缩与设备内、外所连接管道的热胀冷缩实现同步，容易满足管道在刚度和柔性两方面的苛刻要求，管道运行时热胀冷缩产生的推力对设备管口的损坏风险降到了最低，利于装置大型化，也有利于大型甲醇合成装置的安全稳定运行。
附图说明
图1为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为图2中A部分的局部放大图；
图4为本发明实施例中换热管层的固定结构。
图5为本发明实施例的纵向剖视图；
图6为沿图5中D-D线的剖视图；
图7为沿图5中B-B线的剖视图；
图8为图7中C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2至图4所示，本实施例中的水冷反应器有两个，包括第一水冷反应器A4和第二水冷反应器A6，相互并联设置，两个水冷反应器的结构相同。均包括：
炉体1’，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2’，设置在筒体13’内。催化剂框2’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，混合气从混合气分配管3’进入的催化剂框内；催化剂框的侧壁上设有多个合成气出气孔；混合气经甲醇合成催化反应后，从催化剂框上的各合成气出气孔排出，进入到催化剂框和炉体之间的通道中，经由该通道进入合成气出口，最后经由连接合成气出口的合成气管道33’送出炉体1’。
混合气分配管3’，用于分配混合气，设置在催化剂框2’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34’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’。端盖可拆卸连接在混合气分配管3’的下端口上，混合气分配管3’的上端口连接炉体顶部的混合气进口，混合气进口连接混合气管道35’；混合气分配管3’的下端口封闭；混合气分配管3’的侧壁上间隔设有多个出气孔，进入混合气分配管3’内的混合气经由各出气孔进入到催化剂床层。
混合气分配管3’与催化剂框之间的空间装填催化剂后，形成催化剂床层。
换热管，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，图4中各第二换热管以实心圆及实体填充图案表示，各第一换热管以空心圆表示。
各换热管沿混合气分配管3’依次盘绕在混合气分配管3’外，形成多层，相邻层之间的换热管螺旋方向相反。每层换热管中都含有第一换热管41’和第二换热管42’，第一换热管41’和第二换热管42’间隔交错均匀布置。即设置2～5根第一换热管41’后设置1 根第二换热管42’，本实施例为设置2根第一换热管后设置1根第二换热管42’。
各所述换热管层均固定在多根支撑杆6’上，各所述支撑杆6’竖向设置且相互之间间隔布置，相邻支撑杆不在同一径向放射线上。本实施例中，各换热管通过环箍61’固定在支撑板上。
第一换热管41’和第二换热管42’的口径可根据装置规模及负荷变化灵活调整，本实施中各换热管口径相同。
各第二换热管42’的换热面积之和为总换热面积的15～40％，本实施例为33％。
进水管道，用于连通汽包A5和各换热管，进水管道分别连接第一进水管51’和第二进水管52’。所述第一进水管51’出口连通第一管箱55’，第一管箱55’连接各第一换热管41’入口；所述第二进水管52’出口连通第二管箱54’，第二管箱54’连接各第二换热管42’入口。所述第二进水管52’上设有阀门56’。
第一管箱55’和第二管箱54’可以为环管结构，如本实施例图2中所示出；两个管箱还可以是上、下叠合布置的箱体结构，两个管箱还可以是管板形式。
蒸汽管道包括连接所述汽包的蒸汽连接管59’和蒸汽收集管58’，所述蒸汽收集管58’的出口连接所述蒸汽连接管59’；各所述第一换热管的出口和所述第二换热管的出口连通所述蒸汽收集管58’上各的入口。蒸汽收集管58可以是环管结构，也可以是箱体结构，或其它结构。
膨胀节59a’，设置在蒸汽连接管59’上，用于吸收热应力。
由于第一换热管和第二换热管的特殊布置，因此，即使关闭第二换热管，第一换热管仍旧能从催化剂床层均匀撤热。
如图5至图8所示，为本实施例中使用的气冷反应器包括：
壳体5，封闭结构，其内腔通过多根管道连接界外。本实施例中的壳体5为立式结构。
隔板，有四块，包括第一隔板1、第二隔板2、第三隔板3和第四隔板4，自上至下依次间隔设置在壳体5的内腔内，将壳体5的内腔自上至下依次分隔为第一区51、第二区52、第三区53、第四区54和第五区55。其中：
第一区51，其内设有多根并列布置的“U”形管，各U形管构成本实施例中的第二通道51b，各U形管与所述第一区51内腔之间的空隙构成独立于第二通道51b的第一通道51a。第一通道51a的出口通过混合气输送管道73连接界外。各U形管两端口均限位在所述第一隔板1上；所述第一隔板1上还连接有第一分隔板56，所述第一分隔板56与所对应的第一隔板部分以及所对应的壳体部分形成独立于第二区的腔室52a的第一腔室58；所述第二通道51b的入口和所述第一反应气输送管道75的出口均连通所述第一腔室58；第二通道51b的出口连通第二区的腔室52a。
第三分隔板76，设置在第二区52内，其两端部分别连接第一隔板1和第二隔板2，所述第三分隔板76与第一隔板1部分、第二隔板2、第一分隔板56以及所对应的壳体部分围合形成第二区的腔室52a；第三分隔板76与所述的另部分壳体之间的间隙形成独立于第二区的腔室的第五通道52b。第五通道52b用于输送预热过的混合气，所述的第五通道52b的入口和出口分别连接第二隔板上的出气口23和第一通道51a。
第二区52，为空腔，被第三分隔板76分隔为竖向并列布置的第二区的腔室52a和第五通道52b；其中第二区的腔室52a为进入其内的第一反应气的缓冲区。
第三区53，为反应区，其内设有多根第三换热管6，各第三换热管在第三区53内并列布置；各第三换热管6的两端部分别固定在第二隔板2和第三隔板3上。
围合成第三区的第二隔板2和第三隔板3均为空心板。其中所述第二隔板2内具有第一空腔21，各所述第三换热管6的出口均连通所述第一空腔21；对应于第五通道在第二隔板2的上表面一侧上设有出气口23；所述第二隔板2上还间隔设有多个纵向贯通且独立于所述第一空腔21的第一通孔22，第一通孔22的两端口分别连通所述第二区的腔室52a和所述第三区53。
所述第三隔板3内设有第二空腔31，各所述第三换热管6的入口均连接所述第二空腔31；第三隔板3下表面的中部设有连通第二空腔31的进气口33；所述第三隔板3 上还间隔设有多个纵向贯通第三隔板且独立于第二空腔31的第二通孔32，各第二通孔 32的两端口分别连通所述第三区53和所述第四区的腔室54a。
第四区54，为空腔，其内设有第二分隔板57、第四分隔板77和第五分隔板78。其中第四分隔板77竖向设置，其下端缘连接第四隔板4，其上端缘连接第五隔板78，第四分隔板77、第五分隔板78、第二分隔板57和第四隔板4、第三隔板3及对应的壳体围合形成第四区的腔室54a；第四区的腔室54a为第二反应气的缓冲区；第四分隔板 77与所对应的另部分壳体之间的间隙形成连通混气室79且独立于第四区的腔室54a的第六通道54b。第四区的腔室54a和第六通道54b竖向并列布置。
第五分隔板78，与对应的壳体部分围合形成供原料气和循环气缓冲并混合的混气室79，所述混气室79连通所述原料气输送管道71和所述第六通道54b的出口，第六通道54b的入口连通第五区55内第三通道55a的出口。
第五区55，其内设有多根并列布置的“U”形管，各U形管构成本实施例中的第四通道55b；各U形管与所述第五区55内腔之间的间隙构成独立于第四通道55b的第三通道55a。
各“U”形管的两端口均限位在所述第四隔板4上；所述第四隔板4上连接有第二分隔板57，所述第二分隔板57与所对应的第四隔板部分以及所对应的壳体部分形成独立于第四区的腔室54a的第二腔室59；所述第四通道55b的出口和所述第二反应气输送管道82的入口均连通所述第二腔室59。
原料气输送管道71，用于输送新鲜的原料气，其出口穿过所述壳体5的侧壁连通所述混气室79。
循环气输送管道81，用于输送循环气并入到新鲜的原料气中形成混合气；循环气输送管道81经由第五区内的所述第三通道55a和第六通道54b连通所述混气室79，所述混气室79出口通过原料气输送管道81与进气口33连通；第五区内的所述第四通道55b的两端口分别连通所述第四区54的内腔和界外第二反应气输送管道82。
支撑件74，连接在原料气输送管道71和第二隔板2之间，用于支撑第二隔板2。支撑件74可以是棒杆结构，也可以是管状结构；支撑件74为管状结构时，其与原料气输送管道71和第二隔板2之间不连通。
网兜91，用于兜住瓷球，设置在第三隔板3的下方。
卸料管92，设置在壳体1的侧壁上，为填充在第三区内的催化剂和瓷球的卸料通道；所述卸料管92的两端口分别连通所述网兜91与所述第三隔板3之间的空间和壳体界外。
如图1所示，该串并联甲醇合成工艺包括下述步骤：
装置运行前期，来自上游80℃～100℃，5～10MPaG，H2/CO摩尔比为2.2～2.4的原料气，进入原料气输送管道71内。温度50℃±10℃，5～10MPaG的循环气分为两股，第一股循环气直接并入到原料气中，第二股循环气从循环气管道81进入气冷反应器第五区内的第三通道55a，与二次合成气换热至165℃±5℃，然后经由第六通道54b与原料气和第一股循环气并流，形成温度为130℃～140℃的混合气。
两股循环气的分配比例以控制混合气的温度为130℃～140℃为宜。
混合气在气冷反应气A3中进行一级预热和二级预热。
在气冷反应器中混合气首先通过管道83进入到第三隔板3的第二空腔31内，然后均匀进入各第三换热管6，在各第三换热管6内与第三区53内催化剂床层反应所产生的反应热换热后，进入第二隔板2上的第一空腔21内，经由出气口23进入第五通道52b，至此完成一级预热，预热至205℃±5℃。然后进入第一区51的第一通道51a内，与第一区51第二通道51b内水冷反应器A4,A6送来的一次反应气换热后，混合气完成二级预热，预热至235℃±5℃，经由混合气输送管道73均分两股，分别同时进入第一水冷反应器A4和第二水冷反应器A6进行甲醇合成反应。
所述第一水冷反应器A4和第二水冷反应器A6的出口反应气温度为250℃～260℃，两者并流后进入气冷反应器A3经由第一反应气输送管道75进入第一区51，进而经由各第二通道51b进入到第二区52内，将混合气二级预热，第一反应气温度降至220℃± 5℃。然后从第二隔板2上的各第一通孔22进入到第三区53内，在第三区53内所填充催化剂的作用下进行甲醇合成反应，生成第二反应气，反应热用于混合气的一级预热。第二反应气经由第三隔板3上的各第二通孔32进入到第四区54内，第二反应气温度为 220℃±5℃。然后进入第五区55的第四通道55b预热第三通道55a的循环气，温度降至145℃±5℃经由第二反应气输送管道82送至下游。
经预热的混合气进入第一水冷反应器A4和第二水冷反应器A6进行甲醇合成反应，此时水冷反应器内的催化剂活性温度为250℃～255℃。汽包A5内温度在235℃、压力为3.7MPaG～4.0MPaG的锅炉水进入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，从蒸汽连接管59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A4和第二水冷反应器A6出口反应气温度为250℃～260℃，水冷反应器出口反应气中的甲醇含量约12～13mol％。
装置运行过程中，在线监测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。以10％体积流量/小时的递减速度逐步关小第二进水管52 上的控制阀56，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，完成关闭水冷反应器的第二换热管组，仅第一换热管组工作。
此时，混合气二级预热至265℃，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12％左右(摩尔分数)。
第二换热管组关闭后，相较于两组换热管组同时工作，换热面积减少了33％，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。
关闭第二组换热管后，汽包A5内的锅炉水仅进入第一组换热管，第一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)约为266000N/m3/h， H2/CO≈2.3(摩尔比))。所有操作条件于本实施例一致，区别在于水冷反应器采用普通水冷反应器，仅设一组换热管。气冷反应器采用常规气冷反应器+换热器形式，表1 列出了实施例和对比例主要参数对比。
表1
Figure BDA0001820006340000121
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波动明显降低，汽包的设计压力，锅炉水管网及蒸汽管网设计压力，水冷反应器的设计压力均有较大的降低，使相应设备设计壁厚减小，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。
本实施例的气冷反应器在同一个壳体中通过隔板的设计分隔出多个区域从而将合成反应和换热集成在一台设备，避免了反应器外长管道连接，减少了设备数量，降低了设备占地面积，同时还极大程度地减少了长管道连接所导致的热损失大的问题，节能降耗效果显著；并且该反应器的结构设计，能够使设备的热胀冷缩与设备内、外所连接管道的热胀冷缩实现同步，容易满足管道在刚度和柔性两方面的苛刻要求，管道运行时热胀冷缩产生的推力对设备管口的损坏风险降到了最低，利于装置大型化，也有利于大型甲醇合成装置的安全稳定运行。

Claims (15)

1.一种串并联甲醇合成工艺，包括气冷反应器，其特征在于所述气冷反应器包括；
封闭的壳体，所述壳体内自上至下依次间隔设有第一隔板、第二隔板、第三隔板和第四隔板；各隔板将所述壳体的内腔依次分隔为第一区、第二区、第三区、第四区和第五区；
其中第一区和第五区为换热区，第三区为气冷反应区；第三区内供混合气流经的换热管；第二区和第四区为缓冲区；
温度为80℃~100℃、5~10MPaG、H2/CO摩尔比为2~3的原料气与温度为50℃±10℃、压力为5~10MPaG的第一股循环气混合，后与来自第五区预热后的第二股循环气混合后形成混合气，控制混合气温度为130℃~140℃，混合气作为取热介质进入气冷反应器第三区的换热管取走催化剂床层的反应热，预热至195℃~215℃，在第一区内与来自第一水冷反应器和第二水冷反应器的一次合成气换热至230℃~245℃，均分为两股，分别进入第一水冷反应器和第二水冷反应器进行一次合成反应；
控制水冷反应器的反应温度为250℃~260℃；得到温度为250℃~260℃甲醇含量为11~14mol%的一次合成气，两股一次合成气并流后进入气冷反应器的第一区与混合气换热至210℃~230℃后进入气冷反应器的第三区进行二次甲醇合成反应；
汽包内温度为230~245℃、压力为3.7MPaG~4.0MPaG的锅炉水进入所述水冷反应器作为取热介质取走水冷反应器催化剂床层的反应热，副产压力为3.7~4.0MPaG的中压饱和蒸汽；装置运行过程中向所述汽包内补入温度为225℃~245℃、压力为3.9~4.2MPaG的锅炉水；
所述汽包的安装位置高于两个水冷反应器；
出水冷反应器的一次合成气进入气冷反应器的第一区与混合气进行热交换，将混合气二级预热至230℃~240℃，控制气冷反应器第三区的反应温度为210℃~225℃；
出气冷反应器第三区的温度为210℃~225℃的二次合成气经由气冷反应器第四区缓冲后进入第五区，用于预热第二股循环气，二级反应气温度降至135℃~155℃后进入下游系统后处理，分离出甲醇和乏气气相压缩后作为所述的循环气；
所述第一股循环气和第二股循环气的分配比例以控制所述原料气与两股循环气并流后的混合气的温度在130℃~140℃之间；
所述气冷反应器的第一区内设有相互独立的第一通道和第二通道；第五区内设有相互独立的第三通道和第四通道；
所述第二区内设有独立于所述第二区的腔室的第五通道；
所述第三区内间隔设有多根第三换热管；
所述第四区内设有独立于所述第四区的腔室的第六通道；
所述第二隔板内具有第一空腔，各所述第三换热管的出口均连通所述第一空腔；所述第二隔板上还间隔设有多个连通所述第二区的腔室和所述第三区且独立于所述第一空腔的第一通孔；
所述第三隔板内设有第二空腔，各所述第三换热管的入口均连接所述第二空腔；所述第三隔板上还间隔设有多个连通所述第三区和所述第四区且独立于所述第二空腔的第二通孔；
原料气输送管道的出口穿过所述壳体的侧壁连通所述第二空腔，第六通道的两端口分别连通所述原料气输送管道和所述第三通道的出口；第五通道的两端口分别连通所述第一空腔和所述第一通道的入口，所述第一通道的出口连接界外；所述第二通道的两端口分别连通所述第二区的腔室和第一反应气输送管道的出口；
循环气输送管道的出口连接所述第三通道的入口；所述第四通道的两端口分别连通所述第四区的腔室和第二反应气输送管道；
所述第三隔板的下方还设有用于盛放瓷球的网兜，所述壳体的侧壁上设有卸料管，所述卸料管的两端口分别连通所述网兜与所述第三隔板之间的空间和界外。
2.根据权利要求1所述的串并联甲醇合成工艺，其特征在于所述第一区内的第二通道由多根并列设置的管道组成，各管道与所述第一区内腔之间的空隙构成所述的第一通道。
3.根据权利要求2所述的串并联甲醇合成工艺，其特征在于各所述第二通道为“U”形管；各所述第二通道的两端口分别限位在所述第一隔板上；所述第一隔板上连接有第一分隔板，所述第一分隔板与所对应的第一隔板部分以及所对应的壳体部分形成独立于所述第二区的腔室的第一腔室；所述第二通道的入口和所述第一反应气输送管道的出口均连通所述第一腔室。
4.根据权利要求3所述的串并联甲醇合成工艺，其特征在于所述第五区内的第四通道由多根并列设置的管道组成，各第四通道与所述第五区内腔之间的间隙构成所述的第三通道。
5.根据权利要求4所述的串并联甲醇合成工艺，其特征在于各所述第四通道为“U”形管；各所述第四通道的两端口分别限位在所述第四隔板上；所述第四隔板上连接有第二分隔板，所述第二分隔板与所对应的第四隔板部分以及所对应的壳体部分形成独立于所述第四区的腔室的第二腔室；所述第四通道的出口和所述第二反应气输送管道的入口均连通所述第二腔室。
6.根据权利要求5所述的串并联甲醇合成工艺，其特征在于所述原料气输送管道的出口端部和所述第二隔板之间设置支撑件，所述支撑件与原料气输送管道和第二隔板的第二空腔之间不连通。
7.根据权利要求6所述的串并联甲醇合成工艺，其特征在于所述第一隔板和所述第二隔板之间连接有第三分隔板，所述第三分隔板与所述第一隔板部分、第二隔板、第一分隔板以及所对应的所述壳体的部分围合形成所述的第二区的腔室；
所述第三分隔板与所对应的另部分的壳体之间的间隙形成所述第五通道。
8.根据权利要求7所述的串并联甲醇合成工艺，其特征在于所述第四区内设有第四分隔板，所述第四分隔板将所述第四区分隔为相互独立且并列布置的所述第四区的腔室和所述第六通道。
9.根据权利要求8所述的串并联甲醇合成工艺，其特征在于所述第四区内还设有第五分隔板，所述第五分隔板与对应的所述壳体部分围合形成混气室，所述混气室连通所述原料气输送管道和所述第六通道的出口。
10.根据权利要求1至9任一项所述的串并联甲醇合成工艺，其特征在于所述第一水冷反应器和第二水冷反应器结构相同，均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混合气分配管，所述混合气分配管连接所述炉体上的原料气入口；所述混合气分配管的出口有多个，间隔布置在混合气分配管的侧壁上；所述催化剂框的侧壁上设有供合成气通过的出气孔，所述出气孔连通所述炉体上的合成气出口；所述催化剂框与混合气分配管之间的催化剂床层中设有多根换热管，各所述换热管的进口连接进水管道，换热管的出口连接蒸汽管道；
所述换热管包括由多根第一换热管组成的第一换热管组以及由多根第二换热管组成的第二换热管组；各所述换热管以所述混合气分配管为芯轴螺旋盘绕在催化剂床层内；
各所述换热管螺旋盘绕后形成多个换热管层，相邻换热管层之间具有间隙；
所述进水管道包括第一进水管道和第二进水管道；各所述第一换热管的入口均连通所述第一进水管道，各所述第二换热管的入口均连通所述第二进水管道，所述第二进水管道上设有开关阀，并且各所述第二换热管的换热面积之和为总换热面积的15~40%；
各所述第一换热管的出口和各所述第二换热管的出口均连通蒸汽管道。
11.根据权利要求10所述的串并联甲醇合成工艺，其特征在于装置运行过程中，在线监测两个水冷反应器出口的一次合成气中的甲醇含量；当一次合成气中甲醇含量≤10mol%时，以8~15%体积流量/小时的递减速度逐步关小第二进水管上的控制阀；当催化剂床层温度提高至270~290℃时，关闭第二进水管上的控制阀，第二换热管组不工作，仅第一换热管组工作；
此时，混合气与一次合成气换热后温度为255~275℃，进入水冷反应器，出水冷反应器的一次合成气温度为270~290℃、甲醇含量11~14mol%；仍旧富产3.7~4.2MPaG的中压饱和蒸汽。
12.根据权利要求11所述的串并联甲醇合成工艺，其特征在于每层换热管层上都布置有第一换热管和第二换热管，并且第一换热管布置在相邻的两个第二换热管之间，该结构能够进一步改善各阶段催化剂床层撤热的均匀性。
13.根据权利要求12所述的串并联甲醇合成工艺，其特征在于相邻的两根所述的第二换热管之间设有2~5根第一换热管；
所述第一换热管和所述第二换热管的口径相等。
14.根据权利要求13所述的串并联甲醇合成工艺，其特征在于相邻的所述换热管层的旋向相反。
15.根据权利要求14所述的串并联甲醇合成工艺，其特征在于各所述换热管层均固定在多根支撑杆上，各所述支撑杆竖向间隔设置，各换热管通过环箍固定在所述支撑杆上。
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