CN109173937B - 可变温甲醇合成反应系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可变温甲醇合成反应系统，包括等温变换炉、汽包和换热器，等温变换炉包括炉体和设置在炉体内的催化剂框和合成气收集管；炉体上设有原料气入口、合成气出口和原料气通道，催化剂框的侧壁上设有多个气孔；催化剂床层中设有多根连接汽包的换热管；合成气收集管的侧壁上设有进气孔，合成气收集管的出口连接合成气出口；其特征在于催化剂床层内还设有多根原料气预热管，各原料气预热管的入口连接第一原料气输送管道，各原料气预热管的出口连通原料气通道；第二原料气输送管道通过换热器连接原料气入口；第一原料气输送管道和第二原料气输送管道上分别设有第一阀门和第二阀门。

Description

可变温甲醇合成反应系统

技术领域

本发明涉及到化工设备，尤其涉及一种可变温甲醇合成反应系统。

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，温度过低催化剂没有活性，温度过高影响催化剂的寿命和产品品质。为了使甲醇合成反应能够在适宜的温度区间进行，通常在催化剂反应床层内埋设换热管，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，这种类型的反应器称之为等温甲醇合成反应器。

基于延长甲醇合成催化剂寿命考虑，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℃，相对应换热管内蒸汽的温度从225℃缓慢升至265℃，锅炉水产生的蒸汽压力从2.7MPAG逐渐升至5.2MPAG。

甲醇合成初末期反应温度的波动会传导到反应床层内用于移热的换热管，进而引起换热管内所产蒸汽温度和压力的波动，尤其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，但等温甲醇合成反应器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～5.2MPAG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5.2MPAG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5.2MPAG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5.2MPAG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两方面考虑均不够合理。

公布号为CN102698659A的中国专利公开了《一种甲醇合成反应器结构》，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。

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可变温甲醇合成反应系统，在满足甲醇合成反应催化剂初末期反应温度区间的同时，能够较好的解决锅炉水气化温度和压力波动问题，进而可以实现工程投资的降低和全厂蒸汽管网系统的优化之目标，满足甲醇合成装置的大型化和节能化发展要求。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该可变温甲醇合成反应系统，包括等温变换炉、汽包和换热器，所述等温变换炉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合成气收集管；所述炉体的顶部设有原料气入口，所述炉体的底部设有合成气出口；所述催化剂框的侧壁与所述炉体的侧壁之间具有间隙，该间隙形成原料气通道，合成气收集管与催化剂框之间的空间形成催化剂床层，所述催化剂框的侧壁上设有多个连通所述原料气通道和催化剂床层的气孔；所述催化剂床层中设有多根换热管，各所述换热管的入口连接所述汽包的锅炉水出口，各所述换热管的出口连接所述汽包的蒸汽回收口；所述合成气收集管的侧壁上设有多个连通催化剂床层和合成气收集管的内腔的进气孔，合成气收集管的出口连接所述合成气出口；

其特征在于：

所述催化剂床层内还设有多根原料气预热管，各所述原料气预热管的入口连接第一原料气输送管道，各所述原料气预热管的出口连通所述原料气通道；

第二原料气输送管道通过所述换热器连接所述原料气入口；

所述第一原料气输送管道和第二原料气输送管道上分别设有第一阀门和第二阀门。

所述第二原料气输送管道连接所述换热器的第一通道；合成气输送管道连接第一支路和第二支路，所述第一支路连接所述换热器的第二通道，所述第二支路上设有第三阀门，所述合成气输送管道连接所述合成气出口。

进一步地，所述第一原料气输送管道连接气体分布器，各所述原料气预热管的入口均连接所述气体分布器；所述气体分布器位于所述炉体的下部。气体分布器的设计能够使原料气均匀进入各原料气预热管内，从而进一步保证催化剂床层撤热的均匀性。

优选各所述原料气预热管均布在所述催化剂床层中，所述换热管分成多组，分别布置在各原料气预热管的周围，以均匀撤热。

为便于装置运行后期催化剂床层的控温，较好的，各所述原料气预热管与布置在其周围的各所述换热管形成管组；

各原料气预热管的横截面积之和为各换热管的横截面积之和的15～40％。该方案能够进一步保证装置运行全过程中催化剂床层撤热的均匀性。

较好的，各原料气预热管的中心与相邻的三根所述的换热管中心之间的连线形成菱形；位于同一菱形的四个顶点位置的原料气预热管和三根换热管形成一组换热管对。

进一步地，相邻的所述换热管对之间可以共用部分所述的换热管。以使各换热管在催化剂床层位置的布置更合理，在原料气预热管关闭后对催化剂床层的撤热更均匀。

各所述换热管的出口通过蒸汽收集管连接蒸汽连接管，所述蒸汽连接管连接所述汽包的蒸汽回收口；所述蒸汽连接管上设有膨胀节，以方便顺畅地收集蒸汽，同时吸收蒸汽连接管的热膨胀。

优选各所述汽包的锅炉水出口通过进水连接管连接管箱，各所述换热管的入口均连接所述管箱。

为方便检修，所述合成气收集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轴向方向依次间隔设有多个脚梯。

与现有技术相比，本发明所提供的可变温甲醇合成反应系统，克服现有技术的缺陷，将等温水冷甲醇合成反应器设计成可变温甲醇合成反应系统，在催化剂床层位置设置了换热管和原料气预热管，能够根据装置运行各阶段催化剂的活性要求改变撤热量，从而满足不同反应阶段催化剂活性温度的要求，维持产率恒定，同时避免了现有技术中反应后期需要升高汽包和换热管内压力来提高反应温度的方法所导致的换热管壁厚增加、汽包壁厚增加以及配套管线及设备需要改变等问题，降低了设备投资，避免了后期控制难的问题。

附图说明

图1为本发明实施例的示意图；

图2为本发明实施例中反应器部分的纵向剖视图；

图3为沿图2中A-A线的剖视图；

图4为图3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1至图4所示，该可变温甲醇合成反应系统包括：

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。上封头11上设有人孔15和原料气入口14，原料气入口14连接第二原料气输送管道62。第二原料气输送管道62上设有换热器65并连通换热器65的第一介质通道；第二原料气输送管道62上还设有第一阀门64。第二原料气输送管道62的入口连通原料气管道66。

催化剂框2，用于装填催化剂，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，例如可以是轴向反应器，也可以是径向反应器，或者还可以是轴径向反应器，根据需要设定即可。本实施例为径向反应器，原料气从催化剂框2侧壁上的各通孔(图中未示出)进入到催化剂框内，催化剂框侧壁上的通孔起到气体分布器的作用。

合成气收集管3，用于收集合成气，并将合成气通过合成气输送管道33送出炉体1，设置在催化剂框内腔的中部位置，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相连接；各筒体31的侧壁上设有多个供合成气从催化剂床层进入到合成气收集管3内的进气孔(图中未示出)；筒体31的内侧壁上沿轴向方向依次间隔设有多个脚梯32。端盖可拆卸连接在合成气收集管3的上端口上，端盖拆开后与人孔15相连通，供检修人员进入到合成气收集管3中；合成气收集管3的下端口连接合成气输送管道33。合成气输送管道33连接第一支路35和第二支路36，第一支路35连接换热器65的第二介质通道；第二支路36上设第三阀门37，第二支路36做为换热器65的第二介质通道的旁通线连接换热器65的第二介质通道的进出口管线。

原料气预热管6，有多根，平行于炉体1的轴线竖向设置在催化剂框2与合成气收集管3之间的空腔中，并均匀布置。各原料气预热管6的入口均连通气体分布器56，所述气体分布器56的入口连接第一原料气输送管道61，第一原料气输送管道61上设有第二阀门63，第一原料气输送管道61连接原料气管道66。

气体分布器56设置在炉体的下部；各原料气预热管道6的出口限位在催化剂框2的上端板21上并外露于上端板21，以使预热后的第二原料气进入到催化剂框与上封头之间的空腔内，进而与第一原料气混合后从催化剂框与筒体侧壁之间的空隙中经由各通孔进入到催化剂框内。

换热管4，设置在催化剂框2与合成气收集管3之间的空间中，有多根，平行于各原料气预热管6设置。各换热管可以是直管，也可以是波纹管或U形管，可根据需要选用现有技术中的任意一种。本实施例为直管。

为便于区别，在图4中各原料气预热管6以实心圆表示，各换热管4以空心圆表示。

本实施例中，各换热管4在催化剂框2和合成气收集管3之间的空腔中均匀布置；各换热管4和各原料气预热管6成菱形排列，各换热管4和各原料气预热管6分别占据菱形的四个顶点，形成一组换热管对5(图4中虚线框)，所述的每组换热管对5分别设置三根换热管4和一根原料气预热管6。每组换热管对按同一方向相邻布置。

各换热管4和各原料气预热管6的相对大小可根据装置规模和反应器的规格设计调整，以此调整其相对换热面积的大小。本实施例各换热管4和各原料气预热管6的相对大小一致。各原料气预热管6的换热面积之和为总换热面积之和的15～40％，本实施例为25％。

进水管道，用于连通汽包60和各换热管，包括进水连接管51和与进水连接管51的出口相连通的管箱52；管箱52可以为环管结构，如本实施例图1中所示出的，或者是箱体结构，可以根据需要选用现有技术中的任意一种。

各换热管4的入口均连通管箱52。

蒸汽管道，包括连接汽包的蒸汽连接管53和蒸汽收集管54；蒸汽收集管54的出口连接蒸汽连接管53，蒸汽收集管54的各入口分别连接各换热管4的出口。

蒸汽收集管54可以是环管结构，也可以是箱体结构，或其它结构。

膨胀节55，设置在两根蒸汽连接管53上，用于吸收热应力。

装置运行初期，催化剂活性高。原料气分两路，分别为第一原料气和第二原料气，所述第二原料气通过第二原料气输送管道62，经由换热器65预热后，通过原料气入口14进入反应器上封头的空腔内。所述第一原料气通过第一原料气输送管道61经气体分布器56进入原料气预热管6，经预热后进入上封头的空腔内，与第一原料气混合形成混合气。冷却水从进水管道进入各换热管，与催化剂床层的反应热换热。混合气达到进料温度，沿催化剂框与筒体之间的间隙下行，经由催化剂框侧壁上的各通孔进入催化剂床层，进行甲醇合成反应；各换热管内的冷却水取热后变成蒸汽，经由蒸汽管道返回汽包。甲醇合成反应得到的合成气经换热器65预热原料气后，进入下游。

装置运行初期，该阶段催化剂活性温度低，需要撤走的热量多，通过原料气和冷却水同时取热，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，由于催化剂活性降低，催化剂活性温度升高；此时维持汽包及其内锅炉水、蒸汽压力等参数不变，逐步调小第二阀门63开度，逐步调大第一阀门64开度。逐步减少原料气预热管6取热，维持催化剂活性温度。装置运行末期，关闭第二阀门，全开第一阀门，全部的原料气从第二原料气输送管道进入换热器，与来自合成气输送管道33的高温合成气换热，经由原料气入口进入上封头的空腔内。各换热管内仍旧通入冷却水，取走催化剂床层所产生的反应热。由于原料气预热管6不参与催化剂床层的换热，仅换热管内的冷却水取热，因此换热量降低，催化剂床层的撤热量减少，催化剂床层温度升高，满足后期催化剂活性温度的要求，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。

由于原料气预热管和换热管的特殊布置，因此，即使关闭原料气预热管，换热管仍旧能从催化剂床层均匀撤热。

Claims (7)

1.一种可变温甲醇合成反应系统，包括等温变换炉、汽包(60)和换热器(65)，所述等温变换炉包括炉体(1)和设置在所述炉体(1)内的催化剂框(2)，所述催化剂框的中部设有合成气收集管(3)；所述炉体(1)的顶部设有原料气入口(14)，所述炉体(1)的底部设有合成气出口；所述催化剂框的侧壁与所述炉体的侧壁之间具有间隙，该间隙形成原料气通道，合成气收集管(3)与催化剂框之间的空间形成催化剂床层，所述催化剂框的侧壁上设有多个连通所述原料气通道和催化剂床层的气孔；所述催化剂床层中设有多根换热管(4)，各所述换热管的入口连接所述汽包(60)的锅炉水出口，各所述换热管的出口连接所述汽包的蒸汽回收口；所述合成气收集管(3)的侧壁上设有多个连通催化剂床层和合成气收集管的内腔的进气孔，合成气收集管的出口连接所述合成气出口；

其特征在于：

所述催化剂床层内还设有多根原料气预热管(6)，各所述原料气预热管的入口连接第一原料气输送管道(61)，各所述原料气预热管的出口连通所述原料气通道；

第二原料气输送管道(62)通过所述换热器(65)连接所述原料气入口(14)；

所述第一原料气输送管道(61)和第二原料气输送管道(62)上分别设有第一阀门(63)和第二阀门(64)；

各所述原料气预热管(6)均布在所述催化剂床层中，所述换热管(4)分成多组，分别布置在各原料气预热管的周围；

各所述原料气预热管与布置在其周围的各所述换热管形成管组；

各原料气预热管的横截面积之和为各换热管的横截面积之和的15~40%；

各原料气预热管(6)的中心与相邻的三根所述的换热管中心之间的连线形成菱形；位于同一菱形的四个顶点位置的原料气预热管和三根换热管形成一组换热管对。

2.根据权利要求1所述的可变温甲醇合成反应系统，其特征在于所述第二原料气输送管道(62)连接所述换热器(65)的第一通道；合成气输送管道(33)连接第一支路(35)和第二支路(36)，所述第一支路连接所述换热器的第二通道，所述第二支路(36)上设有第三阀门(37)，所述合成气输送管道(33)连接所述合成气出口。

3.根据权利要求2所述的可变温甲醇合成反应系统，其特征在于所述第一原料气输送管道(61)连接气体分布器(56)，各所述原料气预热管(6)的入口均连接所述气体分布器(56)；所述气体分布器(56)位于所述炉体(1)的下部。

4.根据权利要求1所述的可变温甲醇合成反应系统，其特征在于相邻的所述换热管对之间共用部分所述的换热管。

5.根据权利要求4所述的可变温甲醇合成反应系统，其特征在于各所述换热管(4)的出口通过蒸汽收集管(54)连接蒸汽连接管(53)，所述蒸汽连接管(53)连接所述汽包的蒸汽回收口；所述蒸汽连接管上设有膨胀节(55)。

6.根据权利要求5所述的可变温甲醇合成反应系统，其特征在于各所述汽包的锅炉水出口通过进水连接管(51)连接管箱(52)，各所述换热管(4)的入口均连接所述管箱(52)。

7.根据权利要求6所述的可变温甲醇合成反应系统，其特征在于所述合成气收集管(3)由多段筒体依次可拆卸连接而成，所述筒体的内侧壁上沿轴向方向依次间隔设有多个脚梯。

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