CN204638146U - 一种带换热机组的乙醇合成反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带换热机组的乙醇合成反应器，包括反应器和换热机组，其中反应器上连接有混合气反应器进口管和粗乙醇反应器热气出口管，其特征在于：所述换热机组由通过管路依次串联的第一换热器、第二换热器和第三换热器组成，所述混合气反应器进口管与第一换热器的冷源通道连接，粗乙醇反应器热气出口管与第一换热器热源通道连接，其中原料氢气第三换热器进口管为第三换热器冷源进口管，醋酸及氢气混合气第二换热器进口管与第二级换热器冷源进口管连接。本实用新型热量回收利用率高、管道与设备之间采用直接焊接的方式，消除了管道热应力及系统法兰密封问题，以达到解决醋酸加氢制乙醇的工艺中存在的问题。

Description

一种带换热机组的乙醇合成反应器

技术领域

本实用新型涉及煤化工领域，具体地涉及一种带换热机组的乙醇合成反应器。

背景技术

换热器是化工装置中最常见，甚至是必不可少的设备。按其布置方式分为卧式换热器和立式换热器，按其用途分为冷凝器、冷却器、加热器(再沸器)、热交换器等，按其结构形式又分为管壳式换热器、套管式换热器和板式换热器三大类，前者又分为固定管板式、U形管式、浮头式、釜式换热器等等，固定管板式换热器又可分为单管程和多管程，真可谓形式多样，种类繁多。

目前化工生产过程中，常规换热器本体和管道连接都采用的是法兰式连接方式，根据管道的温度和压力变化情况确定是否考虑采用膨胀节，在热力学中膨胀节的作用一是消除热胀冷缩对管道的补偿；另一个作用是管道热应力的消除，避免管道拉伤。《金属波纹管膨胀节通用技术条件》标准GB/T12777-2008中有对膨胀节工况分类、材料牌号、矩形波纹管的设计和制造要求、结构件的焊接结构要求和方形万向环的设计方法。

在实际使用过程中，低温工况下使用膨胀节消除热应力、形变及振动效果比较好，可以满足工艺生产要求，但在温度高的工况下容易出现膨胀节容易出现疲劳破损，特殊情况下可以导致爆炸发生，存在安全隐患。

在石油化工生存过程中，工艺设计上经常考虑热量的综合利用，热量的利用一般利用换热器来实现，有直接移除的，有回收利用的，一般工艺条件具备的情况下都考虑的是回收利用，充分降低能耗，降低生产成本，典型的使用有耦合精馏、热泵技术等。

以上提到的换热器连接及热量回收利用在常规石油化工生产过程中是可以满足设计和生产操作要求的，但在高温高压易燃易爆的生产环境存在以下三个问题：第一是：热量回收效率欠佳；第二是：管道用法兰连接方式进行连接，在升温及降温过程中，在法兰位置连接位置处容易出现泄露燃烧爆炸情况；第三是：生产在升温及降温过程中热变形容易拉坏设备和管道；第四是：用来做缓冲作用的膨胀节容易拉断。

醋酸加氢制乙醇工况为高温高压，工作压力为4.0MPa(G)，温度为300℃，还原温度为320℃，反应介质为99.9％的氢气及醋酸混合物在催化剂作用下合成粗乙醇，醋酸加氢为放热反应，反应热约为43.9kJ/mol。醋酸加氢反应热在气冷反应器内通过加热入塔的方式，维持系统热量平衡。反应合成乙醇混合气温度要求较高，但原料混合气温度为常温。

发明内容

针对以上工艺情况，本申请用从反应器出来的高温粗乙醇混合气分级加热原料混合气，使进入反应器的温度可以满足乙醇合成床层温度要求。这样就可以有限降低能耗，同时可以保证生产稳定运行。

本实用新型充分考虑热量回收利用、管道热应力的消除及系统法兰密封问题，以达到解决醋酸加氢制乙醇的工艺中存在的问题。

本实用新型针对醋酸加氢制乙醇工艺的实际工况进行设计，具体技术方案如下：

一种带换热机组的乙醇合成反应器，包括反应器和换热机组，其中反应器上连接有混合气反应器进口管和粗乙醇反应器热气出口管，其特征在于：所述换热机组由通过管路依次串联的第一换热器、第二换热器和第三换热器组成，所述混合气反应器进口管与第一换热器的冷源通道连接，粗乙醇反应器热气出口管与第一换热器热源通道连接，其中原料氢气第三换热器进口管为第三换热器冷源进口管，醋酸进口管与醋酸及氢气混合气第二换热器进口管连接。

所述第二换热器还设置有冷气旁路调节阀。

所述混合气反应器进口管和粗乙醇反应器热气出口管位于反应器下方，混合气反应器进口管连接有伸入反应器内上方的若干根直支管。

所述换热机组之间，换热器与反应器之间的管道连接为直接焊接。

本实用新型通过三级换热器，热量得到了有效回收和利用，大大降低了能耗。

所述第二换热器还设置有冷气旁路调节阀。触媒层灵敏温度由第二换热器出口冷气旁路调节阀进行调节控制。可以调节反应器里的温度来保证反应器里的反应温度的大小。

反应器、粗乙醇反应器热气出口管、第一换热器、粗乙醇第一换热器热气出口管、第二换热器、粗乙醇第二换热器热气出口管、第三换热器、粗乙醇第三换热器出口管之间采用直接焊接连接方式。原料氢气第三换热器进口管、第三换热器、醋酸及氢气混合气第二换热器进口管、第二换热器、混合气第一换热器进口管、第一换热器、混合气反应器进口管、反应器之间采用直接焊接连接方式。设备和管道之间连接采用直接焊接，解决了醋酸加氢制乙醇高温高压反应状况下连接法兰泄露问题；系统热量得到分级应用，保证了系统稳定。

本实用新型热量回收利用率高、管道与设备之间采用直接焊接的方式，消除了管道热应力及系统法兰密封问题，以达到解决醋酸加氢制乙醇的工艺中存在的问题。

附图说明

图1为本实用新型的一种带换热机组的乙醇合成反应器结构示意图。

图1中，各部分附图标记分别为：1：反应器、2:粗乙醇反应器热气出口管、3:第一换热器、4：粗乙醇第一换热器热气出口管、5：第二换热器、6：粗乙醇第二换热器热气出口管、7：第三换热器、8：粗乙醇第三换热器出口管、9：原料氢气第三换热器进口管、10：醋酸及氢气混合气第二换热器进口管、11：混合气第一换热器进口管、12：混合气反应器进口管、13：冷气旁路调节阀、14：直支管。

具体实施方式

本实用新型提出一种乙醇合成反应器的换热器直连及副产热量的分级利用工艺，并以此改造了其反应设备。

具体技术方案如下：

如图1所示，一种带换热机组的乙醇合成反应器，包括反应器1、第一换热器3、第二换热器5、第三换热器7、粗乙醇反应器热气出口管2、粗乙醇第一换热器热气出气口管4、粗乙醇第二换热器热气出口管6、粗乙醇第三换热器出口管8、原料氢气第三换热器进口管9、醋酸及氢气混合气第二换热器进口管10、混合气第一换热器进口管11、混合气反应器进口管12，其特征在于：所述粗乙醇反应器热气出口管2一端连着反应器1，另一端连着第一换热器3，所述粗乙醇第一换热器热气出气口管4一端连着第一换热器3，另一端连着第二换热器5，所述粗乙醇第二换热器热气出口管6一端连着第二换热器5，另一端连着第三换热器7，所述粗乙醇第三换热器出口管8连着第三换热器7，所述原料氢气第三换热器进口管9连着第三换热器7，所述醋酸及氢气混合气第二换热器进口管10一端连着第三换热器7，另一端连着第二换热器5，所述混合气第一换热器进口管11一端连着第二换热器5，另一端连着第一换热器3，所述混合气反应器进口管12一端连着第一换热器3，另一端连着反应器1。合成后粗乙醇热气从反应器1出来后进入第一换热器3、第二换热器5、第三换热器7分级加热原料氢气和醋酸及氢气混合气，粗乙醇气经原料气分级降温后进分离器进行分离，原料气经粗乙醇合成气升温后进反应器1，最后在反应器内进行反应合成粗乙醇。热量得到了有效回收和利用，大大降低了能耗。

所述第二换热器还设置有冷气旁路调节阀。触媒层灵敏温度由第二换热器出口冷气旁路调节阀13进行调节控制。可以调节反应器1里的温度来保证反应器1里的反应温度的大小。

所述混合气反应器进口管12和粗乙醇反应器热气出口管2位于反应器1下方，混合气反应器进口管12连接有伸入反应器1内上方的若干根直支管14。将混合气引入反应器内上方，反应后气体往下进入粗乙醇反应器热气出口管中，气体在反应器内运行了一个来回，再次充分回收热量。

反应器1、粗乙醇反应器热气出口管2、第一换热器3、粗乙醇第一换热器热气出口管4、第二换热器5、粗乙醇第二换热器热气出口管6、第三换热器7、粗乙醇第三换热器出口管8之间采用直接焊接连接方式。原料氢气第三换热器进口管9、第三换热器7、醋酸及氢气混合气第二换热器进口管10、第二换热器5、混合气第一换热器进口管11、第一换热器3、混合气反应器进口管12、反应器1之间采用直接焊接连接方式。设备和管道之间连接采用直接焊接，解决了醋酸加氢制乙醇高温高压反应状况下连接法兰泄露问题；系统热量得到分级应用，保证了系统稳定。

本实用新型具有如下有益效果：1、设备和管道之间连接采用直接焊接，解决了醋酸加氢制乙醇高温高压反应状况下连接法兰泄露问题；2、热量得到了有效回收和利用，大大降低了能耗。3、取消传统利用膨胀节消除管道热应力设计，利用管道弯头连接消除掉热应力。4、系统热量得到分级应用，保证了系统稳定。

具体使用工艺流程如下：

来自外界的原料氢气压力4.2MPa、温度40℃，与来自循环机的循环气混合送至第三换热器进行预热。原料醋酸压力4.4MPa、温度40℃由外界送入，先经过醋酸预热器预热到～180℃后在气化塔内和氢气混合。从汽化塔出来的合成混合气依次进到第二换热器和第一换热器的过程中被出反应器的粗乙醇合成气分级加热，然后气体进醋酸加氢反应器进一步加热达到醋酸加氢催化剂活性温度后进入催化剂层进行醋酸加氢反应生成乙醇。触媒层灵敏温度由第二换热器出口冷气旁路调节阀进行调节控制。

进塔气体从合成反应器底部进入直支管，气体在直支管中自下至上与管外反应气逆流换热到达合成反应器顶部，被加热的气体出直支管，再由上而下通过催化剂层进行乙醇合成反应。反应后粗乙醇混合气由合成反应器底部经粗乙醇热气出口管出反应器，然后依次进入第一换热器、第二换热器、第三换热器的管内加热管外入塔混合气，再经循环水冷却器冷至40℃，其中大部分的乙醇和水被冷凝，通过气液分离器分离出粗乙醇，分离气体一部分作为循环气与来自醋酸乙酯加氢工序的循环气混合后去提压重新返回醋酸加氢合成反应器，另一部分作为富氢气去醋酸乙酯加氢工序，富氢气流量通过流量调节阀进行调节。

分离后的粗乙醇经闪蒸槽减压闪蒸出溶解气后至乙醇精馏工段。

在实际工艺设计过程中，考虑操作温度为300℃，操作压力为4.0MPa(G)，反应介质为99.9％的氢气及醋酸混合物，所以为保证安全，防止泄露，在工艺连接过程中，反应器、换热器和管道之间的连接考虑的是直接焊接；考虑到膨胀节热疲劳容易破裂，取消了管道间的膨胀节设计，全部采用管道弯曲设计消除应力；考虑工艺特点和热量回收，所以工艺考虑三级热量回收利用，降低了系统的能耗，同时保证了系统的稳定运行。

需要说明的是上述实施例仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或更改。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等均包含在本实用新型的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种带换热机组的乙醇合成反应器，包括反应器和换热机组，其中反应器上连接有混合气反应器进口管和粗乙醇反应器热气出口管，其特征在于：所述换热机组由通过管路依次串联的第一换热器、第二换热器和第三换热器组成，所述混合气反应器进口管与第一换热器的冷源通道连接，粗乙醇反应器热气出口管与第一换热器热源通道连接，其中原料氢气第三换热器进口管为第三换热器冷源进口管，醋酸及氢气混合气第二换热器进口管与第二级换热器冷源进口管连接。

2.根据权利要求1所述的带换热机组的乙醇合成反应器，其特征在于：所述第二换热器还设置有冷气旁路调节阀。

3.根据权利要求1所述的带换热机组的乙醇合成反应器，其特征在于：所述混合气反应器进口管和粗乙醇反应器热气出口管位于反应器下方，混合气反应器进口管连接有伸入反应器内上方的若干根直支管。

4.根据权利要求1所述的带换热机组的乙醇合成反应器，其特征在于：所述换热机组之间，换热器与反应器之间的管道连接为直接焊接。