CN110066214A - 一种甲醇合成装置和使用该装置合成甲醇的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种甲醇合成装置和使用该装置合成甲醇的方法。本发明的甲醇合成装置不需要大规模更换原有设备，可在少量调整管路连接后以原有的甲醇合成装置生产，在各甲醇企业推广。该方法简单易行，仅增加小合成循环机的电耗和少量的冷却水消耗，利用原有公辅设施和少量新增管线即可满足生产要求。改造投运后，甲醇装置的整体运行效率显著提高，且合成系统压力处在较低水平，既降低了动力消耗，也显著提高了装置安全性还提高了总碳(C)转化率，实现了节能减排。

Description

一种甲醇合成装置和使用该装置合成甲醇的方法

技术领域

本发明涉及一种甲醇合成装置和使用该装置合成甲醇的方法，具体而言，本发明涉及一种具有特定多塔结构的甲醇合成装置以及使用该装置合成甲醇的方法。

背景技术

甲醇是一种常用的化工原料，其在许多领域中都具有广泛的应用。例如，其可用作溶剂、防冻剂、燃料或变性剂，亦可用于经过酯交换反应生产生物柴油等。

在现有技术中，甲醇的常规制备方法是，在催化剂的作用下，由甲醇合成气(主要成分是H₂、CO和CO₂)反应生成甲醇，其反应式如下：

CO+2H₂→CH₃OH+90.73kJ/mol

CO₂+3H₂→CH₃OH+H₂O+48.02kJ/mol

对反应工艺而言，传统焦炉气制甲醇是单塔循环合成，工艺流程为：来自焦炉的转化气(新鲜H₂、CO和CO₂)与循环气在合成气压缩机内混合并增压后(作为入塔气)，先经入塔气预热器壳程，与合成塔出口反应后气体(出塔气)换热升温至200～230℃，然后进入合成塔管程内的催化剂床层进行反应。

这种单塔循环合成系统主要有两个弊端,一是因为单塔合成催化剂装填量小，空速偏高，单程转化率偏低，从而为维持较高的单程转化率需要在运行压力上限运行，不仅动力消耗增加更有很大安全隐患；二是驰放气中有效碳偏高，驰放气中的CO的平均含量为3％(v)，CO₂的平均含量为4％(v)。

因此，若驰放气量为18000Nm³/h(标准立方米/小时)、年损失碳约(以每年开工8000小时计算)18000*(3％+4％)*8000＝1008万Nm³。

因此，仍需要提高碳转化率，减少碳排放，并能减少能源/动力消耗的甲醇合成工艺。

发明内容

本发明的发明人经过长期实验发现，并联反应器可以降低反应压力和空速，提高单程转化率；且再串联反应器可以进一步减少驰放气中的碳含量，减少碳排放。发明人在此基础上完成了本发明。

本发明的一个目的在于提供一种甲醇合成装置。

本发明的另一个目的在于提供一种使用该装置合成甲醇的方法。

根据本发明的一个实施方式，其提供了一种甲醇合成装置，该装置包括：

第一气气换热器，其包括第一气气换热器第一通路和第一气气换热器第二通路；

第一蒸发冷却器，

第一甲醇分离器，

并联合成塔组，其包括2个并联的合成塔，记为第一合成塔、第二合成塔，其中，每个合成塔各自包含合成塔管程通路，合成塔壳程通路，以及汽包，且每个合成塔的合成塔壳程通路连接至每个合成塔的汽包；

第二气气换热器，其包括第二气气换热器第一通路和第二气气换热器第二通路；

第二蒸发冷却器，

第二甲醇分离器，

串联合成塔组，其包括1个串联的合成塔，记为第三合成塔，其中，所述第三合成塔包含合成塔管程通路，合成塔壳程通路，以及汽包，且所述第三合成塔的合成塔壳程通路连接至所述第三合成塔的汽包；

其中，通过管路依次连接第一气气换热器第一通路，并联合成塔组的每个合成塔的管程通路，第一气气换热器第二通路，第一蒸发冷却器，第一甲醇分离器以制得甲醇，

第一甲醇分离器一方面通过管路排出甲醇产品，另一方面通过管路连接第一气气换热器第一通路以循环进气，再一方面依次连接第二气气换热器第一通路，串联合成塔组的合成塔的管程通路，第二气气换热器第二通路，第二蒸发冷却器，第二甲醇分离器以制得甲醇，

第二甲醇分离器一方面通过管路排出甲醇产品，另一方面通过管路连接第二气气换热器第一通路以循环进气，再一方面排出驰放气。

优选地，所述第一合成塔、第二合成塔、第三合成塔中的第一汽包、第二汽包、第三汽包彼此相连。

在该合成装置中还包括本领域中已知的管线、阀、泵、流量计等装置，其结构和功能与本领域中已知的相同，在此不再赘述。

根据本发明的另一个实施方式，其包括一种使用上述装置合成甲醇的方法，该方法包括：

(1)将原料气与循环气组成的合成气通入第一气气换热器第一通路与位于第一气气换热器第二通路中的来自并联合成塔组的反应混合气换热，以得到预热后的合成气；

(2)所述预热后的合成气进入并联合成塔组的每个合成塔的管程通路，在所述管程通路中的合成催化剂的作用下反应得到包含甲醇、未反应的合成气的反应混合气；

(3)所述反应混合气通入第一气气换热器第二通路，与位于第一气气换热器第一通路中的合成气换热；

(4)流出第一气气换热器的反应混合气进一步流经第一蒸发冷却器，进一步降温；

(5)流出第一蒸发冷却器的反应混合气进入第一甲醇分离器进一步降温，分离出目标产品甲醇，分离出的未反应的合成气一部分流回第一气气换热器第一通路作为循环气，另一部分流入第二气气换热器作为二级合成气；

(6)所述二级合成气通入第二气气换热器第一通路与位于第二气气换热器第二通路中的来自串联合成塔组的反应混合气换热，以得到预热后的二级合成气；

(7)所述预热后的二级合成气进入串联合成塔组的合成塔的管程通路，在所述管程通路中的合成催化剂的作用下反应得到包含二级甲醇、未反应的二级合成气的二级反应混合气；

(8)所述二级反应混合气通入第二气气换热器第二通路，与位于第二气气换热器第一通路中的二级合成气换热；

(9)流出第二气气换热器的二级反应混合气进一步流经第二蒸发冷却器，进一步降温；

(10)流出第二蒸发冷却器的二级反应混合气进入第二甲醇分离器进一步降温，分离出目标产品甲醇，分离出的未反应的二级合成气一部分流回第二气气换热器第一通路作为循环气，另一部分作为驰放气排出。

优选地，所述第一合成塔、第二合成塔、第三合成塔中的反应温度是210℃-250℃、反应压力是4.5Mpa-6.5Mpa。

优选地，以CO和CO₂计，所述甲醇合成装置的C转化率是95％。

优选地，以CO和CO₂的体积分数计，所述驰放气的碳含量是2％以下。

本发明的甲醇合成装置中，与大流量的单一合成塔相比，同样流速的并联合成塔组可以降低反应压力，提高C转化率。

本发明的甲醇合成装置中，串联合成塔组可以减少驰放气中的碳含量。

对单塔合成系统进行技术改造，并联一台与原塔相当(或催化剂装填量不小于原塔1/2)的合成塔，以降低空速，提高总碳单程转化率，同时在驰放气的出口串联一套小的合成循环系统，将驰放气中的有效碳合理利用。形成双塔并联串联小合成系统的独特工艺。

对于本发明的甲醇合成装置，其运行压力可降低8％，总碳转化率可提高3个百分点以上，驰放气中(CO+CO₂)可降低到2％(v/v)左右。装置运行安全性和经济性有显著提升。以生成1吨甲醇需要700Nm³碳，按照本发明的方法，若总碳转化率从92％提高到95％计算，生产1吨甲醇可减少24.02Nm³碳排放。

此外，本发明的甲醇合成装置不需要大规模更换原有设备，可在少量调整管路连接后以原有的甲醇合成装置生产，在各甲醇企业推广。该方法简单易行，仅增加小合成循环机的电耗和少量的冷却水消耗，利用原有公辅设施和少量新增管线即可满足生产要求。改造投运后，甲醇装置的整体运行效率显著提高，且合成系统压力处在较低水平，既降低了动力消耗，也显著提高了装置安全性还提高了C转化率，实现了节能减排。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的甲醇合成装置的示意图。

图2是根据现有技术的甲醇合成装置的示意图。

附图标记

1 第一气气换热器 2 第一蒸发冷却器

3 第一甲醇分离器 4 并联合成塔组

41 第一合成塔 42 第一汽包

43 第二合成塔 44 第二汽包

5 第二气气换热器 6 第二蒸发冷却器

7 第二甲醇分离器 8 串联合成塔组

81 第三合成塔 82 第三汽包

9 小循环机 10 联合压缩机

具体实施方式

为使本领域具有普通知识的人员可了解本发明的特点及效果，以下谨就说明书及申请专利范围中提及的术语及用语进行一般性的说明及定义。除非另有指明，否则文中使用的所有技术及科学上的字词，皆具有本领域技术人员对于本发明所了解的通常意义，当有冲突情形时，应以本说明书的定义为准。

在本文中，用语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其他任何类似用语均属于开放性连接词(open-ended transitional phrase)，其意欲涵盖非排他性的包括物。举例而言，含有复数要素的一组合物或制品并不仅限于本文所列出的这些要素而已，而是还可包括未明确列出但却是该组合物或制品通常固有的其他要素。除此之外，除非有相反的明确说明，否则用语“或”是指涵盖性的“或”，而不是指排他性的“或”。例如，以下任何一种情况均满足条件“A或B”：A为真(或存在)且B为伪(或不存在)、A为伪(或不存在)且B为真(或存在)、A和B均为真(或存在)。此外，在本文中，用语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”的解读应视为已具体公开并同时涵盖“由…所组成”及“实质上由…所组成”等封闭式或半封闭式连接词。

在本文中，所有以数值范围或百分比范围形式界定的特征或条件仅是为了简洁及方便。据此，数值范围或百分比范围的描述应视为已涵盖且具体公开所有可能的次级范围及范围内的个别数值，特别是整数数值。举例而言，“1至8”的范围描述应视为已经具体公开如1至7、2至8、2至6、3至6、4至8、3至8等等所有次级范围，特别是由所有整数数值所界定的次级范围，且应视为已经具体公开范围内如1、2、3、4、5、6、7、8等个别数值。除非另有指明，否则前述解释方法适用于本发明全文的所有内容，不论范围广泛与否。

若数量或其他数值或参数是以范围、较佳范围或一系列上限与下限表示，则其应理解成是本文已特定公开了由任一对该范围的上限或较佳值与该范围的下限或较佳值构成的所有范围，不论这些范围是否有分别公开。此外，本文中若提到数值的范围时，除非另有说明，否则该范围应包括其端点以及范围内的所有整数与分数。

在本文中，在可实现发明目的的前提下，数值应理解成具有该数值有效位数的精确度。举例来说，数字40.0则应理解成涵盖从39.50至40.49的范围。

在本文中，对于使用马库什群组(Markush group)或选项式用语以描述本发明特征或实例的情形，本领域技术人员应了解马库什群组或选项列表内所有要素的次级群组或任何个别要素亦可用于描述本发明。举例而言，若X描述成“选自于由X₁、X₂及X₃所组成的群组”，亦表示已经完全描述出X为X₁的主张与X为X₁及/或X₂的主张。再者，对于使用马库什群组或选项式用语以描述本发明的特征或实例的情况，本领域技术人员应了解马库什群组或选项列表内所有要素的次级群组或个别要素的任何组合亦可用于描述本发明。据此，举例而言，若X描述成“选自于由X₁、X₂及X₃所组成的群组”，且Y描述成“选自于由Y₁、Y₂及Y₃所组成的群组”，则表示已经完全描述出X为X₁或X₂或X₃而Y为Y₁或Y₂或Y₃的主张。

以下具体实施方式本质上仅是例示性，且并不欲限制本发明及其用途。此外，本文并不受前述现有技术或发明内容或以下具体实施方式或实施例中所描述的任何理论的限制。

实施例

实施例1

如图1所示设置了甲醇合成装置。该装置在原有单塔合成系统基础上，并联了第二合成塔(43)，以降低空速，提高总碳单程转化率。同时在原驰放气的出口串联第三合成塔(81)。

在该甲醇合成装置(20万吨/年)中，第一合成塔(41)的催化剂含量为40立方，合成气空速为10000h^-1，反应压力为6.9Mpa，反应温度为200-250℃，第二合成塔的催化剂含量为20立方，合成气空速为10000h^-1，反应，合成气空速为6500h^-1，反应压力为5.5-6.0Mpa，反应温度为200-250℃，第三合成塔的催化剂含量为4-6立方，合成气空速为5000h^-1，反应压力为5.5--6.0Mpa，反应温度为200-250℃。

经第一气气换热器(1)预热后的合成气温度为200-230℃，经第一气气换热器冷却后的反应混合气温度为99℃，以及，经第一甲醇分离器冷却后的甲醇温度为40℃。

经第二气气换热器(5)预热后的二级合成气温度为200-230℃，经第二气气换热器(6)冷却后的二级反应混合气温度为99℃，经第二蒸发冷却器冷却后的二级反应混合气温度为60℃，经第二甲醇分离器(7)冷却后的甲醇温度为40℃。

整个甲醇合成装置的C转化率可达到95％以上，驰放气中的有效碳含量(以CO和CO₂的体积分数计)可降低到2％以下。

对比实施例1

如图2所示，采用单一合成塔代替并联合成塔组，且该单一合成塔的催化剂装填为40立方，合成气空速分为10000h^-1，反应压力为6.9Mpa，反应温度为210-230℃，结果，整个甲醇合成装置的C转化率为92％，驰放气中的碳含量(以CO和CO₂的体积分数计)为6％。

根据对比实施例1的结果可以看出，当使用单一合成塔时，碳的转化率偏低，且驰放气中的碳含量偏高。这导致产量降低。

对比实施例2

除了最后不串联第三合成塔以外，以与实施例1相同的方式制备甲醇。结果，整个甲醇合成装置的C转化率为93％，驰放气中的碳含量(以CO和CO₂的体积分数计)为6％。

根据对比实施例2的结果可以看出，串联合成塔可以更有效地提高碳的转化率。

对比实施例3

除了最后依次串联两个合成塔(即第三合成塔和第四合成塔)，且第三合成塔和第四合成塔相同，其催化剂含量为4-6立方，合成气空速为5000h^-1，反应压力为5.5--6.0Mpa，反应温度为200-250℃以外，以与实施例1相同的方式制备甲醇。

结果，整个甲醇合成装置的C转化率为95％以上，驰放气中的碳含量(以CO和CO₂的体积分数计)为2％以下。

根据对比实施例3的结果可以看出，双塔并联再串联小合成循环系统后，C转化率已经接近理论极限，再增加串联合成塔时，C转化率已经没有提升空间，只会增加建设投资，降低经济效益。

根据以上的实施例和对比实施例的记载可以看出，根据本发明的甲醇合成装置可以提高总碳转化率，同时减少驰放气中的碳含量。

这可能是由于空速降低更有利于合成甲醇反应。合成压力降低不仅节约动力消耗，也使装置运行安全性有显提升。因此，并联+串联合成塔组最大的优势是：降低了合成系统压力；节约了动力消耗；提高了总碳转化率，减少了碳排放，提高了甲醇产量；减低了单耗，提升了装置安全运行水平。

以上实施方式本质上仅为辅助说明，且并不欲用以限制申请目标的实施例或这些实施例的应用或用途。在本文中，用语“例示性”代表“作为一个实例、范例或说明”。本文中任一种例示性的实施形态并不必然可解读为相对于其他实施形态而言为优选或较有利者。

此外，尽管已于前述实施方式中提出至少一例示性实施例或比较例，但应了解本发明仍可存在大量的变化。同样应了解的是，本文所述的实施例并不欲用以通过任何方式限制所请求的申请目标的范围、用途或组态。相反的，前述实施方式将可提供本领域具有普通知识人员一种简便的指引以实施所述的一种或多种实施例。再者，可对要素的功能与排列进行各种变化而不脱离申请专利范围所界定的范围，且申请专利范围包含已知的均等物及在本专利申请案提出申请时的所有可预见均等物。

Claims (6)

1.一种甲醇合成装置，该装置包括：

第一气气换热器，其包括第一气气换热器第一通路和第一气气换热器第二通路；

第一蒸发冷却器，

第一甲醇分离器，

并联合成塔组，其包括2个并联的合成塔，记为第一合成塔、第二合成塔，其中，每个合成塔各自包含合成塔管程通路，合成塔壳程通路，以及汽包，且每个合成塔的合成塔壳程通路连接至每个合成塔的汽包；

第二气气换热器，其包括第二气气换热器第一通路和第二气气换热器第二通路；

第二蒸发冷却器，

第二甲醇分离器，

串联合成塔组，其包括1个串联的合成塔，记为第三合成塔，其中，所述第三合成塔包含合成塔管程通路，合成塔壳程通路，以及汽包，且所述第三合成塔的合成塔壳程通路连接至所述第三合成塔的汽包；

其中，通过管路依次连接第一气气换热器第一通路，并联合成塔组的每个合成塔的管程通路，第一气气换热器第二通路，第一蒸发冷却器，第一甲醇分离器以制得甲醇，

第一甲醇分离器一方面通过管路排出甲醇产品，另一方面通过管路连接第一气气换热器第一通路以循环进气，再一方面依次连接第二气气换热器第一通路，串联合成塔组的合成塔的管程通路，第二气气换热器第二通路，第二蒸发冷却器，第二甲醇分离器以制得甲醇，

第二甲醇分离器一方面通过管路排出甲醇产品，另一方面通过管路连接第二气气换热器第一通路以循环进气，再一方面排出驰放气。

2.根据权利要求1所述的甲醇合成装置，其中

所述第一合成塔、第二合成塔、第三合成塔中的第一汽包、第二汽包、第三汽包彼此相连。

3.一种使用根据权利要求1所述的装置合成甲醇的方法，该方法包括：

(1)将原料气与循环气组成的合成气通入第一气气换热器第一通路与位于第一气气换热器第二通路中的来自并联合成塔组的反应混合气换热，以得到预热后的合成气；

(2)所述预热后的合成气进入并联合成塔组的每个合成塔的管程通路，在所述管程通路中的合成催化剂的作用下反应得到包含甲醇、未反应的合成气的反应混合气；

(3)所述反应混合气通入第一气气换热器第二通路，与位于第一气气换热器第一通路中的合成气换热；

(4)流出第一气气换热器的反应混合气进一步流经第一蒸发冷却器，进一步降温；

(5)流出第一蒸发冷却器的反应混合气进入第一甲醇分离器进一步降温，分离出目标产品甲醇，分离出的未反应的合成气一部分流回第一气气换热器第一通路作为循环气，另一部分流入第二气气换热器作为二级合成气；

(6)所述二级合成气通入第二气气换热器第一通路与位于第二气气换热器第二通路中的来自串联合成塔组的反应混合气换热，以得到预热后的二级合成气；

(7)所述预热后的二级合成气进入串联合成塔组的合成塔的管程通路，在所述管程通路中的合成催化剂的作用下反应得到包含二级甲醇、未反应的二级合成气的二级反应混合气；

(8)所述二级反应混合气通入第二气气换热器第二通路，与位于第二气气换热器第一通路中的二级合成气换热；

(9)流出第二气气换热器的二级反应混合气进一步流经第二蒸发冷却器，进一步降温；

(10)流出第二蒸发冷却器的二级反应混合气进入第二甲醇分离器进一步降温，分离出目标产品甲醇，分离出的未反应的二级合成气一部分流回第二气气换热器第一通路作为循环气，另一部分作为驰放气排出。

4.根据权利要求3所述的方法，其中

所述第一合成塔、第二合成塔、第三合成塔中的反应温度各自独立地是210℃-250℃、反应压力是4.5Mpa-6.5Mpa。

5.根据权利要求3所述的方法，其中

以CO和CO₂计，所述甲醇合成装置的C转化率是95％。

6.根据权利要求3所述的方法，其中

以CO和CO₂的体积分数计，所述驰放气的碳含量是2％以下。