CN218901792U - 一种二氧化碳加氢制甲醇用合成装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种二氧化碳加氢制甲醇用合成装置，包括塔体，所述塔体从上至下依次设有上部缓冲区、中部反应区以及底部产物排出区；在中部反应区设有若干竖直设置的列管，在列管内填充有催化剂；在列管的外部套设有套管；在恒温区下部的塔体侧壁上还开设有冷却气进口，在恒温区上部的塔体侧壁上开设有冷却气出口。优点在于：本实用新型根据列管内逐步发生二氧化碳加氢反应、温度逐步升高的特点，将反应区分为绝热区和恒温区，通过设置不同的换热方式及其组合，可以保持列管内的催化剂床层温度均匀，恒定在所需温度，进而提高反应速率，提高原料的转化率。

Description

一种二氧化碳加氢制甲醇用合成装置

技术领域：

本实用新型涉及甲醇制备领域，尤其涉及一种二氧化碳加氢制甲醇用合成装置。

背景技术：

现阶段甲醇大都作为能源、燃料、化工等行业的标准化原料使用，主要来自煤制甲醇(占比76％)。

将高碳排行业产生的CO₂作为碳资源通过化学转化得到甲醇，在实现减排CO₂的同时，创造可观的经济效益，同时将过程中排放的CO₂作为一种碳资源，还可以替代煤炭的消耗、保障能源安全，减少水资源的消耗和污染排放，具有较大的替代减排作用。

现有技术公开了大量CO加氢制备甲醇的工艺及系统，但用于纯二氧化碳加氢制备甲醇的系统未见公开报道。现有合成气制甲醇技术专利商主要有德国鲁奇(Lurgi)、英国ICI/Davy技术(现已被Johnson Matthey公司收购)、瑞士卡萨利(Casale)技术，主要采用管壳式或板换式反应器结构。二氧化碳加氢制甲醇系统相比合成气制甲醇，反应物二氧化碳活性差、更惰性，反应慢、放热量小，现有合成气制甲醇系统不能满足要求；另外，二氧化碳加氢产甲醇过程会生成水、水的存在会导致催化剂活性下降，尤其是在运行后期、需提高运行温度以保持催化剂的活性，现有的反应设备无法切换换热方式，无法控制反应过程中移除反应热量的多少，也就无法很好的控制反应温度，因而不适用于二氧化碳加氢产甲醇的过程。

实用新型内容：

为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种二氧化碳加氢制甲醇用合成装置。

本实用新型由如下技术方案实施：

一种二氧化碳加氢制甲醇用合成装置，包括塔体，所述塔体从上至下依次设有上部缓冲区、中部反应区以及底部产物排出区；

所述上部缓冲区与所述中部反应区由固定设于所述塔体内的上管板分隔，所述中部反应区与所述底部产物排出区由固定设于所述塔体内的下管板分隔；

在所述上部缓冲区顶部的所述塔体上开设有反应气进口；

在所述中部反应区设有若干竖直设置的列管，所述列管的两端均为敞口结构，所述列管的顶端贯穿所述上管板延伸至所述上部缓冲区的底部，所述列管的底端贯穿所述下管板延伸至所述底部产物排出区的顶部；在所述列管内填充有催化剂；

在所述中部反应区的顶部水平设有与所述塔体内壁固定连接的蒸汽收集环，在所述中部反应区的底部水平设有与所述塔体内壁固定连接的锅炉水分配环；在所述列管的外部套设有套管，所述套管的顶端与所述蒸汽收集环连通，在所述中部反应区上部的所述塔体上开设有蒸汽出口，所述蒸汽收集环与所述蒸汽出口连通；所述套管的底端与所述锅炉水分配环连通，在所述中部反应区下部的所述塔体上开设有锅炉水进口，所述锅炉水分配环与所述锅炉水进口连通；

在所述底部产物排出区底部的所述塔体上开设有出气口。

进一步的，在所述上部缓冲区的底部设有氧化铝瓷球层。

进一步的，所述氧化铝瓷球层的高度不超过所述上部缓冲区总高度的1/4。

进一步的，所述中部反应区由水平固定设于所述塔体内的隔板分为上部的绝热区和下部的恒温区；所述蒸汽出口开设于所述绝热区上部的所述塔体侧壁上，所述锅炉水进口开设于所述恒温区下部的所述塔体侧壁上；

在所述恒温区下部的所述塔体侧壁上还开设有冷却气进口，在所述恒温区上部的所述塔体侧壁上开设有冷却气出口。

进一步的，在所述恒温区内固定设有多个水平设置的折流挡板，所述折流挡板一端固定在所述塔体的内壁上，另一端与所述塔体的内壁之间设有冷却气通道；相邻两个所述折流挡板交错设置。

进一步的，所述列管的内径为催化剂颗粒粒径的6倍以上。

进一步的，在所述底部产物排出区内填充满有氧化铝瓷球。

进一步的，在所述出气口处设有筛网或筛板。

本实用新型的优点：

本实用新型根据列管内逐步发生二氧化碳加氢反应、温度逐步升高的特点，将反应区分为绝热区和恒温区，通过设置不同的换热方式及其组合，可以保持列管内的催化剂床层温度均匀，恒定在所需温度，进而提高反应速率，提高原料的转化率。

附图说明：

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例的结构示意图；

图中：塔体1、上部缓冲区2、中部反应区3、底部产物排出区4、上管板5、下管板6、列管7、蒸汽收集环8、锅炉水分配环9、套管10、氧化铝瓷球层11、隔板12、绝热区13、恒温区14、折流挡板15、氧化铝瓷球16、筛网17、反应气进口18、蒸汽出口19、锅炉水进口20、出气口21、冷却气进口22、冷却气出口23。

具体实施方式：

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：

如图1所示的一种二氧化碳加氢制甲醇用合成装置，包括塔体1，塔体1从上至下依次设有上部缓冲区2、中部反应区3以及底部产物排出区4；

上部缓冲区2与中部反应区3由固定设于塔体1内的上管板5分隔，中部反应区3与底部产物排出区4由固定设于塔体1内的下管板6分隔；

在上部缓冲区2顶部的塔体1上开设有反应气进口18；在上部缓冲区2的底部设有氧化铝瓷球层11，氧化铝瓷球层11的高度不超过上部缓冲区2总高度的1/4，用于隔绝下部温度、防止列管7中气体向上反串的同时，可以对进入下部各列管7中的反应气进行均匀分散。

在中部反应区3设有若干竖直设置的列管7，列管7的两端均为敞口结构，列管7的顶端贯穿上管板5延伸至上部缓冲区2的底部，列管7的底端贯穿下管板6延伸至底部产物排出区4的顶部；在列管7内填充有催化剂，具体为Cu基催化剂、钼基催化剂、含氧化合物催化剂等；列管7的内径为催化剂颗粒粒径的6倍以上，通常列管7的内径为30-50mm，以便于原料气与催化剂颗粒充分接触，避免壁面效应导致的气固接触不佳问题。

中部反应区3由水平固定设于塔体1内的隔板12分为上部的绝热区13和下部的恒温区14；在绝热区13的顶部水平设有与塔体1内壁固定连接的蒸汽收集环8，在恒温区14的底部水平设有与塔体1内壁固定连接的锅炉水分配环9；在列管7的外部套设有套管10，套管10的顶端与蒸汽收集环8连通，在绝热区13上部的塔体1上开设有蒸汽出口19，蒸汽收集环8与蒸汽出口19连通；套管10的底端与锅炉水分配环9连通，在恒温区14下部的塔体1上开设有锅炉水进口20，锅炉水分配环9与锅炉水进口20连通。

在恒温区14下部的塔体1侧壁上还开设有冷却气进口22，在恒温区14上部的塔体1侧壁上开设有冷却气出口23。在恒温区14内固定设有多个水平设置的折流挡板15，折流挡板15一端固定在塔体1的内壁上，另一端与塔体1的内壁之间设有冷却气通道；相邻两个折流挡板15交错设置。

在底部产物排出区4内填充满有氧化铝瓷球16，用于支撑列管7中的催化剂，确保催化剂床层稳定不下落。在底部产物排出区4底部的塔体1上开设有出气口21，在出气口21处设有筛网17，保证底部产物排出区4内部装填的瓷球不会掉落。

工作说明：

本实施例中，将来自高碳排行业碳捕集系统的高浓度二氧化碳与来自上游的氢气按比例混合、提压后，再通过换热设备预热后，作为原料气，由反应气进口18进入上部缓冲区2，经氧化铝瓷球层11均匀分散后由列管7的顶端进入列管7内与催化剂接触。由于预热后原料气先进入绝热区13，因进口温度低、与催化剂接触从上向下流动过程中逐步发生二氧化碳加氢反应，温度逐步提高，绝热区13温度相对低、放热反应发生的少，因此，绝热区13内无需设置壳程气冷来进行移热。原料气经绝热区13后温度增加，进入恒温区14，温度相对高、放热反应发生的更剧烈，通过恒温区14内的列管7外壁设置的套管10内的锅炉水和/或恒温区14壳程内的冷却气进行换热，对反应放出的热量及时移除，保持列管7内的催化剂床层温度均匀，恒定在所需温度，上下部温差≤10℃。

锅炉水经塔体1上锅炉水进口20进入锅炉水分配环9，再由多个套管10的底端分配进入各个列管7外侧设置的套管10内，吸收反应热后，套管10内产生的蒸汽经套管10顶端进入蒸汽收集环8收集后经塔体1上开设的蒸汽出口19排出。

冷却气经冷却气进口22进入恒温区14的壳程内，经折流挡板15控制壳程内冷却气的走向，延长冷却气在恒温区14的停留时间，使冷却气充分吸收壳程内的热量，移走反应热，保持列管7内催化剂床层温度均匀。本实施例中，可以将高浓度二氧化碳与来自上游的氢气按比例混合、提压后，直接作为冷却气送入恒温区14的壳程，经壳程预热后，再由管线经反应气进口18送入后续换热单元继续提高温度后，经塔顶的反应气进口18进入合成塔。

另外，本实施例在运行初期，催化剂活性高，操作温度相对较低，通常为200-240℃，因此，控制套管10水冷和/或壳程气冷同时工作，以便及时的撤走反应热，使催化剂床层维持在设定的温度下进行甲醇合成反应。壳程气冷是否启用，取决于套管10水冷可否及时移走反应热，如热量不能被及时移走，则通入冷却气，开启壳程气冷辅助降温。

在运行后期，由于催化剂活性降低，需将运行温度升高，操作温度为230-280℃，此时，停止送锅炉水，停止套管10水冷，开启壳程气冷，减少催化剂床层的移热量，将催化剂床层温度上升至催化剂活性温度，确保反应正常进行。

本实施例中，控制甲醇合成装置内反应压力为4.5-8MPa，原料气中氢碳比为2.9-3.1，原料气的进气速度为4000-10000ml/(ml cat·h)，最终，CO₂单程转化率＞20％，CO₂总转化率≥90％，甲醇选择性＞95％。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种二氧化碳加氢制甲醇用合成装置，其特征在于，包括塔体，所述塔体从上至下依次设有上部缓冲区、中部反应区以及底部产物排出区；

所述上部缓冲区与所述中部反应区由固定设于所述塔体内的上管板分隔，所述中部反应区与所述底部产物排出区由固定设于所述塔体内的下管板分隔；

在所述上部缓冲区顶部的所述塔体上开设有反应气进口；

在所述中部反应区设有若干竖直设置的列管，所述列管的两端均为敞口结构，所述列管的顶端贯穿所述上管板延伸至所述上部缓冲区的底部，所述列管的底端贯穿所述下管板延伸至所述底部产物排出区的顶部；在所述列管内填充有催化剂；

在所述中部反应区的顶部水平设有与所述塔体内壁固定连接的蒸汽收集环，在所述中部反应区的底部水平设有与所述塔体内壁固定连接的锅炉水分配环；在所述列管的外部套设有套管，所述套管的顶端与所述蒸汽收集环连通，在所述中部反应区上部的所述塔体上开设有蒸汽出口，所述蒸汽收集环与所述蒸汽出口连通；所述套管的底端与所述锅炉水分配环连通，在所述中部反应区下部的所述塔体上开设有锅炉水进口，所述锅炉水分配环与所述锅炉水进口连通；

在所述底部产物排出区底部的所述塔体上开设有出气口。

2.根据权利要求1所述一种二氧化碳加氢制甲醇用合成装置，其特征在于，在所述上部缓冲区的底部设有氧化铝瓷球层。

3.根据权利要求2所述一种二氧化碳加氢制甲醇用合成装置，其特征在于，所述氧化铝瓷球层的高度不超过所述上部缓冲区总高度的1/4。

4.根据权利要求1所述一种二氧化碳加氢制甲醇用合成装置，其特征在于，所述中部反应区由水平固定设于所述塔体内的隔板分为上部的绝热区和下部的恒温区；所述蒸汽出口开设于所述绝热区上部的所述塔体侧壁上，所述锅炉水进口开设于所述恒温区下部的所述塔体侧壁上；

在所述恒温区下部的所述塔体侧壁上还开设有冷却气进口，在所述恒温区上部的所述塔体侧壁上开设有冷却气出口。

5.根据权利要求4所述一种二氧化碳加氢制甲醇用合成装置，其特征在于，在所述恒温区内固定设有多个水平设置的折流挡板，所述折流挡板一端固定在所述塔体的内壁上，另一端与所述塔体的内壁之间设有冷却气通道；相邻两个所述折流挡板交错设置。

6.根据权利要求1所述一种二氧化碳加氢制甲醇用合成装置，其特征在于，所述列管的内径为催化剂颗粒粒径的6倍以上。

7.根据权利要求1所述一种二氧化碳加氢制甲醇用合成装置，其特征在于，在所述底部产物排出区内填充满有氧化铝瓷球。

8.根据权利要求1所述一种二氧化碳加氢制甲醇用合成装置，其特征在于，在所述出气口处设有筛网或筛板。

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