CN109180434A - 一种甲醇合成工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种甲醇合成工艺，原料气与循环气混合成混合气，作为取热介质进入气冷反应器取走催化剂床层的反应热，进入水冷反应器进行一次合成；一次合成气与原料气换热后进入气冷反应器进行二次甲醇合成反应；汽包内的锅炉水进入所述水冷反应器作为取热介质，副产3.7～4.5MPaG中压饱和蒸汽；出所述水冷反应器的一次合成气与混合气进行热交换，将混合气预热至230℃～240℃，一次合成气温度降至215℃～225℃后进入气冷反应器进行甲醇合成反应生成二次合成气，气冷反应器催化剂床层的反应热用于预热混合气；出气冷反应器的二次合成气与循环气换热后，分离出甲醇和乏气，气相压缩后作为所述的循环气。

Description

一种甲醇合成工艺

技术领域

本发明涉及一种甲醇合成工艺。

背景技术

甲醇是一种重要的化工基础产品和有机化工原料，甲醇合成是一个体积缩小的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，为继续进行甲醇合成反应创造适宜的温度条件。

通过上述描述可以看出，为了实现反应前的升温和反应后的移热降温，甲醇合成反应器上下游均需要设置相应的换热器。目前，甲醇合成反应器与其上下游换热器没有高度集成，反应器与换热器之间通过多条管道实现连接贯通。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，提供一种节能型甲醇合成工艺，在实现甲醇合成前的反应气升温及反应后的反应气降温要求下，有效降低装置占地和土建投资，大幅减少管道长度和热量损耗，满足甲醇合成装置的大型化和节能化发展。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种甲醇合成工艺，其特征在于包括下述步骤：

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的循环气混合成混合气，作为取热介质进入气冷反应器取走催化剂床层的反应热，预热至195℃～215℃，与来自水冷反应器的一次合成气换热至230℃～240℃，进入水冷反应器进行一次合成；

控制水冷反应器的反应温度为250℃～260℃；得到温度为250℃～260℃的一次合成气，一次合成气与混合气换热至210℃～230℃后进入气冷反应器进行二次甲醇合成反应；

汽包内温度为230～250℃、压力为3.7MPaG～4.5MPaG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3.7～4.5MPaG中压饱和蒸汽，返回汽包，气液分离后中压饱和蒸汽送去管网；装置运行过程中向所述汽包内补入温度为225℃～245℃、压力为3.9～4.7MPaG的锅炉水；

出所述水冷反应器的一次合成气与混合气进行二级预热，将混合气预热至230℃～240℃，混合气进入水冷反应器；

一次合成气温度降至210℃～230℃后进入气冷反应器进行甲醇合成反应生成二次合成气，气冷反应器催化剂床层的反应热用于对混合气进行一级预热；

控制气冷反应器的反应温度为210℃～225℃；得到温度为210℃～225℃的二次合成气；二次合成气与循环气换热，将循环气预热至160℃～170℃，二级反应气温度降至135℃～155℃后进入下游后处理，分离出的甲醇送去下游，分离出的气相压缩后排出乏气，其余部分作为所述的循环气。

较好的，所述循环气分为两股，其中第一股循环气直接并入到所述原料气中，第二股循环气与所述二次合成气换热后并入所述原料气中形成混合气；两股的分配比例以控制所述原料气与两股循环气并流后混合气温度在130℃～140℃之间。以精确控制进入气冷反应器的温度。

较好的，所述汽包的安装位置可以高于所述水冷反应器，以使汽包内的锅炉水自然流入到水冷反应器，节能降耗。

上述各方案中的气冷反应器可以根据需要选用现有技术，较好的，所述气冷反应器可以包括封闭的壳体，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；所述第一通道的出口连接界外；所述第二通道的入口连通一次合成气输送管道；

第五区内设有相互独立的第三通道和第四通道；

所述第二区内设有相互独立的第二区的腔室的第五通道；所述第二通道的出口连通所述第二区的腔室；

所述第三区内间隔设有多根气管；

所述第四区内设置独立于第四区的腔室的第六通道；

所述第二隔板内具有第一空腔，各所述气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，各所述气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的腔室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六通道；

所述第六通道的两端口分别连通所述第三通道的出口和所述第二内腔。第五通道的两端口分别连通所述第一空腔的出口和所述第一通道的入口；

循环气输送管道的出口连通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二次合成气输送管道；

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。

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一次合成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二次合成气输送管道的入口均连通所述第二腔室。

作为上述各方案的进一步改进，可以在所述第二区内设有第三分隔板，所述第三分隔板的两端缘分别连接所述第二隔板和所述第三隔板；所述第三分隔板与第一隔板部分、第二隔板以及所对应的壳体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壳体之间的间隙形成所述的第五通道。

还可以在所述第四区内设有第四分隔板，所述第四分隔板的两端缘分别连接所述第三隔板和所述第四隔板；所述第四分隔板与所述第三隔板、第四隔板以及所对应的壳体部分围合形成所述的第四区的腔室；所述第四分隔板与所对应的另部分壳体之间的间隙形成所述的第六通道。

进一步地，还可以在所述第四区内还设有第五分隔板，所述第五分隔板与所对应的壳体部分围合形成独立于所述第四区的腔室的混气室；所述第六通道和所述原料气输送管道的出口连通所述混气室。

与现有技术相比，本发明的优点在于：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中，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，同时将第五通道及第六通道集成在反应内部，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。取消合成反应区中央的中心筒，取而代之是换热管和催化剂，有效增加了催化反应空间，可进一步缩小反应器直径，利于装置大型化。

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为沿图2中A-A线的剖视图；

图4为沿图2中B-B线的剖视图；

图5为图4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5所示为本实施例中所使用的气冷反应器，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的出口通过第二混合气输送管道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的入口和所述一次合成气输送管道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2上的出气口23和第一通道51a的入口。

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为进入其内的一次合成气的缓冲区。。

第三区53，为反应区，其内设有多根气管6，各气管在第三区53内并列布置；各气管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，各所述气管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上表面的一侧设有出气口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，各所述气管6的入口均连接所述第二空腔31；对应于第七通道84在第三隔板3下表面的一侧设有连通第二空腔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、第五分隔板78和第六分隔板83。所述第四区54内设置第五分隔板78，所述第五分隔板78与所对应的壳体部分形成独立于第四区54的混气室79。所述第四区54内还设置第四分隔板77，所述第四分隔板77与第五分隔板78部分、第四隔板4部分以及所对应的壳体部分形成独立于第四区54的第六通道54b。所述的第六通道54b用于连通混气室79和第五区55的第三通道55a。所述第四区54内还设置第六分隔板83，所述第六分隔板83与第五分隔板78部分、第三隔板3部分以及所对应的壳体部分形成独立于第四区54的第七通道84。所述的第七通道84用于连通混气室79和第三隔板的进气口33。第四分隔板77、第五分隔板78、第六分隔板83、第二分隔板57和第四隔板4部分、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为二次合成气的缓冲区。

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”形管的两端口分别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其余空间的第二腔室59；所述第四通道55b的出口和所述二次合成气输送管道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出口经由第七通道84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的腔室54a和界外二次合成气输送管道82。

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，来自上游的温度为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内的原料气先与第一股循环气混合，后与来自气冷反应器的第六通道54b的第二股循环气混合后形成混合气，混合气在气冷反应气A3进行一级预热和二级预热。

混合气经由气冷反应气的第七通道84和进气口33进入到第三隔板3的第二空腔31内，然后均匀进入各气管6，在气管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，与第一区第二通道由下游水冷反应器A4出口的一次合成气换热，至此完成二级预热，预热至235℃±5℃。经由第二混合气输送管道73送至水冷反应器A4进行甲醇合成反应。

温度50℃±10℃，5～10MPaG的循环气分两股循环气，其第二股循环气通过循环气输送管道81进入气冷反应器的第五区55的第三通道55a，与第五区的第四通道55b的二次合成气换热至165℃±5℃，然后经由第六通道54b与原料气混合形成混合气。第一股循环气A6直接并入所述原料气，用于调节混合气温度在130℃～140℃之间。

所述水冷反应器A4内设有换热管束，汽包A5内的温度为230～245℃、压力为3.7MPaG～4.0MPaG的中压锅炉给水通过自然循环方式进入水冷反应器A4的换热管内将反应热带走，同时副产3.7～4.0MPaG中压饱和蒸汽。

本实施例中汽包的安装位置高于水冷反应器，以使汽包和水冷反应器之间的介质能自然流动，节能降耗。

混合气在水冷反应器内进行一次合成反应，控制水冷反应器的反应温度为250℃～260℃所述水冷反应器A4出口温度为250℃～260℃的一次合成气经由一次合成气输送管道75进入气冷反应器的第一腔室58，经由第一区51内的第二通道51b进入到第二区的腔室52a，在第一区将混合气二级预热，一次合成气温度降至220℃±5℃。然后从第二隔板2上各第一通孔22进入到第三区53内，在第三区内所填充催化剂的作用下进行甲醇合成反应，生成二次合成气，二次合成气的温度为220℃±5℃。

二次合成气经由第三隔板3上的各第二通孔32进入到第四区的腔室54a，进而进入到第五区55第四通道55b中，与第五区第三通道55a内界外送来的循环气换热后，温度降145℃±10℃后从二次合成气输送管道82送出。

二次合成气分离出甲醇后，排出乏气，部分气相经压缩作为循环气返回系统与原料气并流形成混合气。

对比例

以50万吨/年的甲醇合成装置为例。有效气(H₂+CO)约为133000N/m³/h，H2/CO摩尔比为2.2～2.4。所有操作条件于本实施例一致，区别在于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

由表1可以看出，对于常规的甲醇合成装置，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 (11)

1.一种甲醇合成工艺，其特征在于包括下述步骤：

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的循环气混合成混合气，作为取热介质进入气冷反应器取走催化剂床层的反应热，预热至195℃～215℃，与来自水冷反应器的一次合成气换热至230℃～240℃，进入水冷反应器进行一次合成；

控制水冷反应器的反应温度为250℃～260℃；得到温度为250℃～260℃的一次合成气，一次合成气与混合气换热至210℃～230℃后进入气冷反应器进行二次甲醇合成反应；

汽包内温度为230～250℃、压力为3.7MPaG～4.5MPaG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3.7～4.5MPaG中压饱和蒸汽，返回汽包，气液分离后中压饱和蒸汽送去管网；装置运行过程中向所述汽包内补入温度为225℃～245℃、压力为3.9～4.7MPaG的锅炉水；

出所述水冷反应器的一次合成气与混合气进行二级预热，将混合气预热至230℃～240℃，混合气进入水冷反应器；

一次合成气温度降至210℃～230℃后进入气冷反应器进行甲醇合成反应生成二次合成气，气冷反应器催化剂床层的反应热用于对混合气进行一级预热；

控制气冷反应器的反应温度为210℃～225℃；得到温度为210℃～225℃的二次合成气；二次合成气与循环气换热，将循环气预热至160℃～170℃，二级反应气温度降至135℃～155℃后进入下游后处理，分离出的甲醇送去下游，分离出的气相压缩后排出乏气，其余部分作为所述的循环气。

2.根据权利要求1所述的甲醇合成工艺，其特征在于所述循环气分为两股，其中第一股直接并入到所述原料气中，第二股与所述二次合成气换热后并入所述原料气中；两股的分配比例以控制所述原料气与两股循环气并流后温度在130℃～140℃之间。

3.根据权利要求2所述的甲醇合成工艺，其特征在于所述汽包的安装位置高于所述水冷反应器。

4.根据权利要求1至3任一项所述的甲醇合成工艺，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；

所述第一区内设有相互独立的第一通道和第二通道；所述第一通道的出口连接界外；所述第二通道的入口连通一次合成气输送管道；

第五区内设有相互独立的第三通道和第四通道；

所述第二区内设有相互独立的第二区的腔室的第五通道；所述第二通道的出口连通所述第二区的腔室；

所述第三区内间隔设有多根气管；

所述第四区内设置独立于第四区的腔室的第六通道；

所述第二隔板内具有第一空腔，各所述气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，各所述气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的腔室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六通道；

所述第六通道的两端口分别连通所述第三通道的出口和所述第二内腔。第五通道的两端口分别连通所述第一空腔的出口和所述第一通道的入口；

循环气输送管道的出口连通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二次合成气输送管道；

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。

5.根据权利要求4所述的甲醇合成工艺，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。

6.根据权利要求5所述的甲醇合成工艺，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一次合成气输送管道的出口均连通所述第一腔室。

7.根据权利要求6所述的甲醇合成工艺，其特征在于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。

8.根据权利要求7所述的甲醇合成工艺，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二次合成气输送管道的入口均连通所述第二腔室。

9.根据权利要求8所述的甲醇合成工艺，其特征在于所述第二区内设有第三分隔板，所述第三分隔板的两端缘分别连接所述第二隔板和所述第三隔板；所述第三分隔板与第一隔板部分、第二隔板以及所对应的壳体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壳体之间的间隙形成所述的第五通道。

10.根据权利要求9所述的甲醇合成工艺，其特征在于所述第四区内设有第四分隔板，所述第四分隔板的两端缘分别连接所述第三隔板和所述第四隔板；所述第四分隔板与所述第三隔板、第四隔板以及所对应的壳体部分围合形成所述的第四区的腔室；所述第四分隔板与所对应的另部分壳体之间的间隙形成所述的第六通道。

11.根据权利要求10所述的甲醇合成工艺，其特征在于所述第四区内还设有第五分隔板，所述第五分隔板与所对应的壳体部分围合形成独立于所述第四区的腔室的混气室；所述第六通道和所述原料气输送管道的出口连通所述混气室。