CN102850183B - 甲醇合成***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种甲醇合成***及方法。其中，该甲醇合成***，包括：气固相催化反应器，设置有反应气入口和反应生成气出口，锅炉给水入口和副产蒸汽出口，分离器，侧壁上设置有反应生成气入口，底部设置有液相输出管，顶部设置有循环气出口，反应生成气入口与气固相催化反应器的反应生成气出口相通；分离器的循环气出口与冷凝器相连，冷凝器的循环气排出口与气固相催化反应器的反应气入口相通。应用本发明的技术方案，分离器与冷凝器相连通，即离开分离器的循环气并没有像现有技术那样与合成气混合，而是进入冷凝器进行降温，分离出部分甲醇，从而有利于减少在合成甲醇过程中蜡质的形成，同时也有利于保持甲醇产量的稳定。

Description

甲醇合成***及方法

技术领域

本发明涉及化工合成技术领域，具体而言，涉及一种甲醇合成***及方法。

背景技术

在化工生产过程中，常常因为合成反应器催化剂床层温度不均、反应温度过高、或过反应温度过低等反应器催化剂床层温度不易控制的因素导致副产物过多。

对于由加压下甲胺、甲醚、甲醇合成、氨合成和CO变换这类气固相放热催化反应，随着反应的进行，不断放出的反应热使催化剂床层温度提高。为了减少副产物和提高反应器的效率，需要把反应热移出以使反应温度处于一个合理的范围。在工业反应器中曾广为使用的一种是多段绝热反应，二段之间用原料气激冷来降低反应气温度，这种反应器因原料气激冷时在降低反应气温度的同时也降低了反应物浓度，影响了合成效率。另一种用于甲醇合成的Lurgi公司的列管式反应器，在壳体中有上下管板间的多根圆管，管中装有催化剂，原料气从上部进气口进入分布到各管中，在管内装触媒层中合成甲醇，管间侧面进水。反应管被管外沸腾水连续移出热量，产生蒸汽由侧面管出，反应气由底部出气管出塔，该塔温差小，但触媒装填系数小。

另一种DAVY公司开发的甲醇合成技术，其合成反应器结构示意图如图1所示，催化剂装填在反应器100’的壳侧，换热管130’内产生中压蒸汽。新鲜的合成气从反应器100’底部的中心管120’进入，中心管120’管壁上有分配孔以保证气体的分布均匀。气体沿径向从内到外通过反应器100’的催化剂床层110’。从汽包来的锅炉水进入反应器100’的底部然后向上流动并部分汽化带走甲醇合成反应所产生的反应热。反应温度通过换热管130’内蒸汽的压力来调节。该技术能将反应温度控制在一定范围内，且反应器100’生产能力的扩大可以通过加长反应器长度来实现，在甲醇合成设备大型化方面有其技术优势，目前逐渐被甲醇合成厂家广泛采用，但是本身还存在着一些不足。

现有DAVY技术合成流程示意图，如图1和图2所示，其中，反应***包括反应器100’、汽包200’、第一合成回路中间换热器601’、第二合成回路中间换热器602’、水冷器300’、400’、合成气压缩机501’、循环气压缩机502’、第一甲醇分离器603’、第二甲醇分离器604’、甲醇闪蒸槽605’等，新鲜的合成气从反应器100’底部的中心管120’进入，中心管120’管壁上有分配孔以保证气体的分布均匀。气体沿径向从内到外通过反应器100’的催化剂床层110’。因为新鲜的合成气从反应器100’底部的中心管120’进入，所以较大比例合成气首先由反应器100’中下部中心管120’管壁上的分配孔沿径向从内到外进入到反应器100’中下部催化剂床层110’进行反应；沿着中心管120’越往上，合成气就越稀薄，也就是反应器100’下部催化剂床层110’相对于反应器100’上部催化剂床层110’而言就会有更多合成气参与反应，这样反应器100’下部催化剂的活性相对于反应器100’上部催化剂的活性将会下降得更快。这样，到了催化剂使用寿命的中后期时，进入反应器100’下部中心管120’管壁上分配孔的合成气中的大部分沿径向从内到外进入到反应器100’下部催化剂床层110’后往往还没有来得及进行化学反应就离开了催化剂床层110’，又因为在反应器100’下部进行反应的合成气比例比中上部的都大，即使合成气在反应器100’上部的活性较高的催化剂处的转化率还保持较高水平，但因为反应器100’上部的合成气量相对较小，使得总体上合成气反应生成甲醇的单程转化率将急速下降，使得甲醇产量也会随之下降；如果要保持甲醇产量，就需要加大未反应的合成气的循环量和循环次数，这无疑又增加了能耗。在催化剂使用寿命的中后期时，如果采用大幅提高催化剂床层110’温度的方法来提高催化剂的活性，一方面会使催化剂使用寿命更快下降，另一方面会产生更多的蜡（尤其在床层温度高于280℃以上时）。这样，往往本来能使用较长或更长时间的床层催化剂更换的时间大为提前，而在反应器100’上部还保持较高活性的催化剂也同反应器100’下部几乎无法使用的催化剂一同更换（一般使用过的甲醇合成催化剂更换时，整体反应器100’的催化剂都和空气接触，一旦在空气氛围内，尚有活性的催化剂也必将因快速中毒损坏而无法使用），在经济上造成了浪费。

现有DAVY技术中，甲醇合成塔为径向流反应器，在合成反应器的上部，热气体需向下折流后才能流出塔外，在塔内滞留时间较长，造成移出反应热的速率较催化剂床层其他位置的反应热移出速率要慢，使得反应器催化剂床层常常出现局部超温，尤其当床层温度高于280℃时，往往会产生大量的蜡，同时使得催化剂活性加快衰减，间接地造成催化剂的浪费。

现有DAVY技术中，汽包内的锅炉给水均从反应器的底部进入换热管，吸收反应热后变成蒸汽循环回汽包，这样，温度较低的锅炉给水在反应器中下部时大量吸收反应热汽化形成高温蒸汽，这些高温蒸汽和接近催化剂床层温度的高温锅炉给水吸收热量的能力远低于温度较低的锅炉给水，使得反应器上部产生的反应热不能及时被带走，往往导致反应器催化剂床层上部的温度大大高出反应器催化剂床层中下部的温度。

目前，DAVY技术合成甲醇流程，可以根据图2所示的流程进行，合成新鲜气进入合成气压缩机501’进行压缩，经过合成气压缩机501’增压后大部分新鲜气与第二甲醇分离器604’来的循环气混合形成混合气；然后混合气先在第一合成回路中间换热器601’中预热后进入第一合成反应器100’，在第一合成反应器100’内，甲醇合成反应在高活性的铜基催化剂作用下进行，该反应为放热反应,反应热副产低压蒸汽；反应生成气离开第一合成反应器100’后经过第一合成回路中间换热器601’对欲入塔的混合气进行预热，然后进入冷却器300’进行冷却；反应生成气中的循环气和粗甲醇进入第一甲醇分离器603’进行分离。在第一甲醇分离器603’中分离出的循环气和另外部分经合成气压缩机501’增压后的新鲜合成气混合后进入循环气压缩机502’被压缩后再进入第二合成回路中间换热器602’中预热，然后进入第二合成反应器，第二合成反应器同样副产低压蒸汽，离开第二合成反应器的反应生成气经过第二合成回路中间换热器602’预热预进入第二合成反应器的入塔气后，进入第二冷却器400’，在第二冷却器400中反应生成气中的循环气和粗甲醇进入第二甲醇分离器604’，在第一甲醇分离器603’和第二甲醇分离器604’中分离出的粗甲醇经过滤器后去甲醇闪蒸槽605’。在第二甲醇分离器604’中分离出的循环气的大部分与合成新鲜气混合后进入合成气压缩机501’。同时，需放出一部分弛放气以维持循环气中的甲烷和氮气等惰性气体在一定的浓度范围之内。

在甲醇生产过程中，常常因为反应气中甲醇含量过高导致副产物过多，影响到正常生产。

现有DAVY技术中，部分新鲜合成气与来自其中一个粗甲醇分离罐的循环气混合后进入循环气压缩机加压后，经过合成回路中间换热器加热后，进入甲醇合成反应器100’进行甲醇合成反应；因为循环气中残留有部分甲醇，甲醇含量过高会导致合成过程中蜡质的生成量增加，而甲醇产量也会随之下降；如果要保持甲醇产量，就需要加大未反应的合成气的循环量和循环次数，这无疑又增加了能耗。

发明内容

本发明旨在提供一种甲醇合成***及方法，以解决现有技术甲醇合成***中循环气甲醇含量过高的技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种甲醇合成***。该甲醇合成***，包括：气固相催化反应器，设置有反应气入口和反应生成气出口，锅炉给水入口和副产蒸汽出口，分离器，侧壁上设置有反应生成气入口，底部设置有液相输出管，顶部设置有循环气出口，反应生成气入口与气固相催化反应器的反应生成气出口相通；分离器的循环气出口与冷凝器相连，冷凝器的循环气排出口与气固相催化反应器的反应气入口相通。

进一步地，分离器的循环气出口与冷凝器之间还设置有气体压缩机。

进一步地，分离器连接有冷却空气管线，冷凝器设置有气体冷凝介质入口管和气体冷凝介质出口管，甲醇合成***进一步包括：

进一步地，通过动力装置分别与分离器的冷却空气管线和冷凝器的气体冷凝介质入口管相连通。

进一步地，空气过滤器分别连接有室内空气管线和环境空气管线，室内空气管线和环境空气管线上分别设置有气体流量控制阀。

进一步地，包括并联设置的两个气固相催化反应器和分离器。

进一步地，气固相催化反应器包括：反应器壳体，其侧壁上形成有沿侧壁切线方向延伸的气体入口管线；催化剂床层，设置在反应器壳体内，与反应器壳体之间形成环状的旋流腔，催化剂床层为中空圆柱体，催化剂床层的侧壁上设置有使旋流腔与催化剂床层内部相通的通孔；以及换热装置，设置在催化剂床层内。

进一步地，换热装置包括多条均匀地设置在催化剂床层内的换热管，其中，部分换热管内介质的流动方向与剩余部分的换热管内介质的流动方向相反；甲醇合成***还包括与换热管相通的汽包，汽包内的水自下而上进入的部分换热管的进水管线上设置有调节阀；催化剂床层内在换热管附近设置有热电偶，调节阀与热电偶形成控制换热管内水的流量的控制回路。

进一步地，汽包内的水自上而下进入的部分换热管的进水管线上设置有用于调节水压的变频泵，该部分换热管的出口端及变频泵的出口端分别设置有压差计，压差计与变频泵形成抑制蒸汽倒流的控制回路。

进一步地，分离器包括：凝液回收罐，立式冷却器，与除沫器罐并排设置在凝液回收罐的顶部，并均与凝液回收罐相连通。

进一步地，冷凝器包括：初级立式冷凝器，包括初级立式冷凝器壳程和设置在初级立式冷凝器壳程内的初级立式冷凝器管程；次级立式冷凝器，包括次级立式冷凝器壳程和设置在次级立式冷凝器壳程内的次级立式冷凝器管程，次级立式冷凝器设置在初级立式冷凝器的顶部，且初级立式冷凝器管程和次级立式冷凝器管程相连通，初级立式冷凝器顶部设置有用于将初级立式冷凝器壳程和次级立式冷凝器壳程分割开的间隔件；以及冷凝器凝液罐，设置在初级立式冷凝器的底部，与初级立式冷凝器管程相通。

进一步地，气体压缩机包括合成气压缩机和循环气压缩机，合成气压缩机设置有新鲜合成气入口及新鲜合成气出口，合成气压缩机通过合成气出口依次与合成气净化预热器、合成气净化槽、合成回路中间换热器、气固相催化反应器相连通；气固相催化反应器的反应生成气出口依次与合成回路中间换热器、粗甲醇空冷器、分离器相连通；分离器的循环气出口依次与循环气压缩机、冷凝器、循环气预热器、合成回路中间换热器、气固相催化反应器相连通。

根据本发明的另一个方面，提供一种甲醇合成的方法。该方法利用上述甲醇合成***进行甲醛合成，包括以下步骤：新鲜合成气经合成气压缩机、合成气净化预热器进入合成气净化槽，从合成气净化槽出来的新鲜合成气和从循环气预热器出来的循环气汇成一股气后流经合成回路中间换热器与从气固相催化反应器出来的反应生成气换热后进入气固相催化反应器；从气固相催化反应器出来的反应气生成气经合成回路中间换热器、粗甲醇空冷器进入分离器；分离器出来的循环气经循环气压缩机后进入冷凝器，冷凝器出来的循环气流和从合成气净化槽出来的新鲜合成气汇成一股气后经合成回路中间换热器进入气固相催化反应器；从冷凝器、分离器分离出的粗甲醇汇合后进行粗甲醇脱除不凝气、残留溶解气及低沸点物处理；从分离器底部排蜡口排出的蜡可送入催化裂化***；从分离器出来的部分循环气作为驰放气进入氢气回收***，回收后得到的氢气并入新鲜合成气。

进一步地，冷凝器出来的循环气流通过循环气预热器由汽包副产蒸汽预热后和从合成气净化槽出来的新鲜合成气汇成一股气后经合成回路中间换热器进入气固相催化反应器。

应用本发明的技术方案，分离器与冷凝器相连通，即离开分离器的循环气并没有像现有技术那样与合成气混合，而是进入冷凝器进行降温，分离出部分甲醇，从而有利于减少在合成甲醇过程中蜡质的形成，同时也有利于保持甲醇产量的稳定。在同等进气量、相同组成、催化剂同等装填条件和同期使用时间条件下，由于将反应器中更多的粗甲醇产品在冷凝器中去除，因此，产生的蜡质更少，产生的甲烷更少，甲醇产量更大。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了现有davy技术合成反应器的结构示意图；

图2示出了现有davy技术合成的流程示意图；

图3示出了根据本发明实施例的甲醇合成***结构及流程示意图；

图4示出了根据本发明实施例的气固相催化反应器竖直剖面结构示意图；

图5示出了根据图4的A-A截面俯视结构示意图；

图6示出了根据本发明实施例的换热管在气固相催化反应器内的排布结构示意图；

图7示出了根据本发明实施例的气固相催化反应器结构示意图；

图8示出了根据图7的B-B截面气体入口管线在气固相催化反应器上的仰视结构示意图；

图9示出了根据图7的C-C截面气体入口管线在气固相催化反应器上的俯视结构示意图；

图10示出了根据本发明实施例的调节阀与热电偶形成控制换热管内水的流量的自动控制回路的结构示意图；

图11示出了根据本发明实施例的分离器的剖视结构示意图；

图12示出了根据本发明实施例的分离器的俯视结构示意图；

图13示出了根据本发明实施例的冷凝器的结构示意图；以及

图14示出了根据本发明另一实施例的甲醇合成***结构及流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明的甲醇合成***特别适合于甲醇合成反应过程，也可用于甲醚、甲胺、甲醚、氨合成和CO变换等化学过程。

根据本发明一种典型的实施方式，甲醇合成***如图3所示包括气固相催化反应器100、分离器600和冷凝器400，其中，气固相催化反应器100设置有反应气入口和应生成气出口，锅炉给水入口和副产蒸汽出口，分离器600侧壁上设置有反应生成气入口，底部设置有液相输出管，顶部设置有循环气出口，反应生成气入口与气固相催化反应器100的反应生成气出口相通；分离器600的循环气出口与冷凝器400相连，冷凝器400的循环气排出口与气固相催化反应器100的反应气入口相通。应用本发明的技术方案，分离器600与冷凝器相连通，即离开分离器600的循环气并没有像现有技术那样马上就与新鲜合成气混合，而是先进入冷凝器进行降温，再次分离出部分甲醇，从而有利于减少在合成甲醇过程中蜡质的形成，同时也有利于保持甲醇产量的稳定。在同等进气量、相同组成、催化剂同等装填条件和同期使用时间条件下，由于将反应器中更多的粗甲醇产品在冷凝器中去除，因此，产生的蜡质更少，产生的甲烷更少，甲醇产量更大。优选地，分离器600的循环气出口与冷凝器400之间还设置有气体压缩机500，该气体压缩机500包括合成气压缩机501和循环气压缩机502。

优选地，分离器600内设置有冷却空气管线，冷凝器400设置有气体冷凝介质入口管和气体冷凝介质出口管，甲醇合成***进一步包括空气过滤器700，空气过滤器700通过动力装置701分别与分离器600的冷却空气管线和冷凝器400的气体冷凝介质入口管相连通。这样可以将空气中的尘埃和部分水过滤除去，有利于设备长周期运行。优选地，空气过滤器分别连接有室内空气管线702和环境空气管线，室内空气管线702和环境空气管线703上分别设置有气体流量控制阀，便于并与调节两者的流量从而调节冷却空气的温度。其中，动力装置701可以是鼓风机。其中，环境空气为室外空气。室内空气和环境空气即室外空气先经过空气过滤器过滤去尘埃和部分水，然后由鼓风机为各以上用户（分离器立式冷却器和冷凝器）输送冷却用空气；室内空气和环境空气各自管线上有调节阀，可通过调节两者的流量来调整冷却用空气温度。此外，由鼓风机输送的冷却用空气亦可为粗甲醇脱除不凝气、残留溶解气及低沸物***冷却相关物流。

根据本发明的实施例，如图3所示，气固相催化反应器100反应生成气出口与合成回路中间换热器801反应生成气入口相连通，合成回路中间换热器801反应生成气出口与粗甲醇空冷器300反应生成气入口相连通。从气固相催化反应器100出来的反应生成气与新鲜合成气、循环气通过合成回路中间换热器801换热，反应生成气温度下降，新鲜合成气和循环气温度上升到适合的反应温度（反应需要在本领域常规的合适的反应温度范围内进行，若新鲜合成气和循环气进入反应器的温度过低，使得反应温度较低也会导致副反应副产物的增多；同样反应温度过高也会导致副反应副产物的增多），粗甲醇空冷器300反应生成气出口与分离器600反应生成气入口相连通，分离器600循环气（离开分离器600后的反应生成气因为分离粗甲醇后还将用于循环再反应故在此均称为循环气）出口与循环气压缩机502进气口相连通，循环气压缩机502出气口和冷凝器400循环气入口相连通，冷凝器400循环气出口与循环气预热器803循环气入口相连通，循环气预热器803循环气出口与合成气净化槽出口相连通并与合成回路中间换热器801循环气入口相连通。在进入合成回路中间换热器801前，循环气离开循环气预热器803后与从合成气净化槽出来的新鲜合成气汇合成一股气。从气固相催化反应器100出来的反应生成气与新鲜合成气、循环气通过合成回路中间换热器801换热，反应生成气温度下降，新鲜合成气和循环气温度上升，合成回路中间换热器801循环气出口与气固相催化反应器100入口相连通。

现有技术中，通常采用的是反应器串并联的方式，只要其中一塔停车，因循环无法进行，反应快速失衡，常常导致另外一塔必须停车，引起其他上下游装置的联锁停车或上游的合成气放空，造成极大地损失和浪费。根据本发明一种典型的实施方式，甲醇合成***包括并联设置的两个气固相催化反应器100和分离器600。这样有利于减少设备投资，有利于检修，维持其他装置生产的连续性，避免因停车造成的损失。当然，本发明的甲醇合成***也可以是两个反应器公用一套分离器、粗甲醇空冷器300及合成回路中间换热器801。根据本发明另一典型的实施例，如图14所示，并联设置的两个气固相催化反应器100可公用一套分离器600、粗甲醇空冷器300及合成回路中间换热器801。

根据本发明一典型实施例，如图4所示，气固相催化反应器100包括反应器壳体101、催化剂床层110和换热装置，其中，反应器壳体101的侧壁上形成有沿侧壁切线方向延伸的气体入口管线150；催化剂床层110设置在反应器壳体101内，与反应器壳体101之间形成环状的旋流腔140，催化剂床层110为中空圆柱体，催化剂床层110的侧壁上设置有与催化剂床层110内部相通的通孔111，换热装置设置在催化剂床层110内。

本发明的气固相催化反应器100，具有由套设在催化剂床层110的壳体外周的反应器壳体101及催化剂床层110的壳体形成的旋流腔140，旋流腔140通过催化剂床层110壳体上设置的通孔111与催化剂床层110内部相通，且旋流腔140的气体入口管线150沿反应器壳体101的侧壁切线方向设置，使得反应气由气体入口管线150沿旋流腔140切向方向进入旋流腔140。反应气切向进入后将紧贴反应器壳体内壁做圆周旋流运动，然后反应气在圆周旋流的过程中向上下两个方向扩散旋流，反应气切向进气在旋流腔内旋流的方式相对于直接径向进气的方式将获得更长的停留时间，将有更长的时间在旋流腔内均匀旋流扩散后再由通孔进入催化剂床层在催化剂的作用下进行反应，使得反应气在反应器整个催化剂床层轴向空间内更为均匀分布。本发明的气固相催化反应器特别适合于甲醇合成反应过程，也可用于甲醚、甲胺、甲醚、氨合成和CO变换等化学过程。

根据本发明一典型实施例，如图4所示，催化剂床层110的中轴线上设置有中心管120，中心管120的管壁上均匀地设置有中心管集气孔121，中心管120上下两端开口形成反应生成气出口122。反应气进入旋流腔140沿着轴向空间均匀分布后，通过催化剂床层110壳体上设置的通孔111进入催化剂床层110，反应气沿径向从内到外通过催化剂床层110。反应气在催化剂的作用下部分反应后形成反应生成气（含未进行反应的反应气）沿径向通过中心管集气孔121进入到中心管120内，然后反应生成气从上下两端的反应生成气出口122离开反应器。根据本发明一典型的实施例，从上下两端的反应生成气出口122离开反应器的两股合成气汇合后，进入合成回路中间换热器801预热即将进入反应器的反应气。

优选地，如图5、6所示，反应器的气体入口管线150包括多条，各气体入口管线150的高度位置相同或者不同，并且各气体入口管线150在俯视方向的投影均匀地围绕在反应器壳体101的外周，使得反应气在旋流腔140内更为均匀分布。

优选地，如图7-10所示，反应器的气体入口管线150包括第一气体入口管线151、第二气体入口管线152、第三气体入口管线153、及第四气体入口管线154，其中，第一气体入口管线151和第二气体入口管线152中心对称地设置在催化剂床层110的1/3高度处，第三气体入口管线153和第四气体入口管线154中心对称地设置在催化剂床层110的2/3高度处，使得反应气在旋流腔140内更为均匀分布，而不会出现在现有技术中进入反应器下部催化剂床层的合成气大大多于进入反应器上部催化剂床层的合成气这种合成气分布不均的情况。

优选地，换热管130与汽包200相通，从汽包来的锅炉给水进入反应器的换热管130并部分汽化带走合成反应所产生的反应热，反应温度可通过换热管130内蒸汽的压力和锅炉给水的流量来调节。根据本发明一典型实施例，换热装置包括多条均匀地设置在催化剂床层110内的换热管130，其中，部分换热管130内介质的流动方向与剩余部分的换热管130内介质的流动方向相反。优选地，汽包200内的水自上而下进入的部分换热管130的管线上设置有用于调节水压的多相泵，优选为变频泵201，该部分换热管130的出口端及多相泵的出口端分别设置有压差计，压差计与多相泵形成抑制蒸汽倒串的自动控制回路。如图5、6所示，水自下而上进入的换热管131用白色圆圈表示，水自上而下进入的换热管132用黑色圆圈表示。这样，既有自下而上的汽包200给水吸收反应器下半部产生的反应热，又有自上而下的汽包200给水取走反应器上半部产生的反应热。根据本发明一种典型的实施例，如图5、6所示，从汽包底部引出两条锅炉给水总管，第一条锅炉给水总管分为两路，一路给第一圆周换热管组，该路汽包200给水自下而上进入第一圆周换热管组换热管，另一路给第三圆周换热管组，该路汽包200给水自下而上进入第三圆周换热管组换热管，部分汽化或全部汽化后，离开第一、三圆周换热管组后汇成一路返回汽包进行汽液分离；第二条锅炉给水总管中的锅炉给水先经由多相泵加压后为两路，一路给第二圆周换热管组，该路汽包200给水自上而下进入第二圆周换热管组换热管，另一路给第四圆周换热管组，该路汽包200给水自上而下进入第四圆周换热管组换热管，部分汽化或全部汽化后，离开第二、四圆周换热管组后汇成一路返回汽包进行汽液分离，该返回汽包的管线和多相泵出口安装有压差计，压差计的压差和多相泵转速形成自动控制回路，多相泵转速根据压差计压差调整转速，时刻保持多相泵出口压力高出第二、四圆周换热管组出口压力一定范围，从而避免蒸汽倒窜。当然，根据本发明的实施例，换热管不限于四圆周换热管组，可以是更多组。

优选地，如图5、6所示，换热装置包括多组以催化剂床层110的中轴线为中心，呈圆形排布的换热管组，介质的流动方向不同的各换热管组间隔排列，即各换热管组按其内介质的流动方向间隔排列。冷却介质相对流动的换热管径向间隔圆周均布排列，使得催化剂床层轴向径向的温度变化均趋于平缓。

优选地，如图6所示，换热装置包括多组以催化剂床层110的中轴线为中心，呈圆形排布的换热管组，换热管组内介质的流动方向不同的换热管之间间隔排列。冷却介质相对流动的换热管不是径向间隔排列，而是在同一圆周上间隔均布排列，这种实施方式也可使得催化剂床层轴向径向的温度更为均匀。

优选地，汽包200水进入换热管130的管线上设置有调节阀160，催化剂床层110内在换热管130附近设置有热电偶，调节阀160与热电偶形成控制换热管130内水的流量的自动控制回路。进一步优选地，汽包200与换热管130形成循环通路，汽包200水可循环使用，汽包设置有排污管线和锅炉给水补水管线，可定期排污和及时补入锅炉给水，从而保持汽包内锅炉给水水质良好。

综上，采用本发明优选实施例的气固相催化反应器具有以下优点：

1.本发明气固相催化反应器相对于现有技术中的反应器结构更容易实现整个反应器内催化剂床层温度的均匀分布，从而避免了现有技术中因合成反应器催化剂床层温度不均、或反应温度过高、或过反应温度过低等导致副产物过多的现象；

2.本发明气固相催化反应器的催化剂床层温度更易调节和控制；

3.本发明气固相催化反应器的反应器生产能力的扩大即可通过加大反应器直径也可以通过加长反应器长度和加宽中心管的方法来实现，更加灵活。

根据本发明典型的实施例，如图11、12所示，分离器600包括凝液回收罐610、立式冷却器620和除沫器罐630，其中，立式冷却器620与除沫器罐630并排设置在凝液回收罐610的顶部，且凝液回收罐610分别与立式冷却器620及除沫器罐630相连通。工作时，反应生成气623自上而下进入立式冷却器620管程与壳程中的冷却介质换热冷却，反应生成气冷却产生的凝液落入凝液回收罐610内，不凝气则进入凝液回收罐610上部，再向上折流通过除沫器罐630上部出口离开分离器600。其中，冷却器采用立式结构，高压高速的反应生成气可将冷凝下来的蜡质吹落到凝液回收罐610中，减少蜡冷凝后附着在立式冷却器620管程管壁上，从而大大地减轻蜡质对换热效果的影响；对于立式冷却器620与除沫器罐630并排设置在凝液回收罐610的顶部结构形式，不凝气向上折流通过除沫器罐630上部出口离开分离器600时，绝大多数凝液因重力而落入凝液回收罐610内，大部分凝液获得有效分离；而对于现有技术中立式冷却器与凝液回收罐采用上下组合的结构形式，气相出口设置在立式冷却器下方凝液回收罐上部侧壁上，这种构形式，部分凝液和蜡质往往还来不及落下就被气相吹出凝液回收罐了，气相携带液滴严重，不凝气和液滴不能有效分离。除沫器罐630用于去除反应生成气中携带的液滴。采用该分离器600可以将反应生成气中的蜡质分离出去，避免了传统除蜡方法中使蜡质到下游装置后，一旦温度降低，粗甲醇中的蜡就会冷凝出来，影响到下游装置的正常生产。现有技术中，立式冷却器与凝液回收罐采用上下组合的结构形式，这种构形式，部分凝液和蜡质往往还来不及落下就被气相吹出凝液回收罐了，气相依然携带较多液滴；本发明的这种立式冷却器620与除沫器罐630并排设置在凝液回收罐610的顶部的结构形式，使得气相携带凝液及蜡质进入下游设备的量大大减少，气流通过除沫器罐630除沫器，携带的液滴被除沫器进一步去除，气相携带凝液量进一步减少。

优选地，立式冷却器620为列管式冷却器，立式冷却器620的壳程入口和出口分别接有循环水管线和冷却空气管线，立式冷却器620的上端设置有反应生成气入口623。立式冷却器620壳程通入冷却介质，冷却介质为冷却空气管线的空气或循环水管线的循环水。如图1所示，冷却空气进气口615和循环水进水口616即壳程入口设置在所述立式冷却器620的下部位置，冷却空气出气口617和循环水出水口618即壳程出口设置在所述立式冷却器620的上部位置。反应生成气入口623与立式冷却器620的管程连通，管程内可通入反应生成气。当环境温度较低时，采用空气冷却的方式冷却，当环境温度较高冷却空气无法满足冷却要求时，可关闭冷却空气进气管线阀门，调整循环水入水管线阀门开度采用循环水冷却反应生成气。

优选地，如图11所示，凝液回收罐610的下部设置有液相输出管611，液相输出管611伸入凝液回收罐610内的内端口朝下设置，且端口呈喇叭状，液相输出管611的外端口位于凝液罐610外。喇叭状端口延伸至液面614以下，这种喇叭状的取液口可避免因附着在取液口附近的蜡质和落下的蜡质积累而导致取液口堵塞的问题。

优选地，凝液回收罐610的底部设置有排蜡口613。凝液回收罐底部设置有排蜡口，可通过排蜡口定期排蜡。

优选地，凝液回收罐610的外壁下方设置有加热器612。当重质蜡凝固堵塞排蜡口无法排蜡时，可接通加热器612的电源给凝液回收罐内物料稍微加热，待蜡质融化后可继续排蜡。优选地，加热器612呈环状设置在凝液回收罐610的外壁下方，便于均匀的加热。进一步优选地，加热器612为电磁加热器，电磁加热器可根据不同的工况选择加热功率，利用电磁波穿透性强覆盖范围广的特点，可在极短的时间内融化沉积在凝液回收罐底部的全部蜡质，相对于传统的内置蒸汽加热的方式，无需考虑排凝和保暖防冻等问题，且操作简单高效节能，检修使用非常方便，可极大地提高工作效率。

优选地，除沫器罐630包括罐体及设置在罐体顶部的除沫器气流通过除沫器罐630的除沫器，携带的液滴被除沫器进一步去除，气相携带凝液量进一步减少。

根据本发明典型的实施例，如图13所示，冷凝器包括初级立式冷凝器410、次级立式冷凝器420和冷凝器凝液罐430，其中，初级立式冷凝器410包括初级立式冷凝器壳程和设置在初级立式冷凝器壳程内的初级立式冷凝器管程；次级立式冷凝器420包括次级立式冷凝器壳程和设置在次级立式冷凝器壳程内的次级立式冷凝器管程，次级立式冷凝器420设置在初级立式冷凝器的顶部，且初级立式冷凝器管程和次级立式冷凝器管程相连通，初级立式冷凝器顶部设置有用于将初级立式冷凝器壳程和次级立式冷凝器壳程分割开的间隔件；冷凝器凝液罐430设置在初级立式冷凝器的底部，与初级立式冷凝器管程相通。应用本发明的技术方案，由于设置有初级和次级两级冷凝器，且两级冷凝器的管程相通，冷凝器冷凝液收集罐设置在初级冷凝器的底部，由于经过两级冷凝，因此可以从反应生成气中分离出更多的粗甲醇产品。而且，初级立式冷凝器壳程和次级立式冷凝器壳程通过间隔件间隔开来，可以使用不同的冷却介质，在水资源匮乏的地区，可以只部分使用水作为冷凝介质，节约用水。

优选地，初级立式冷凝器管程竖直、平行设置在初级立式冷凝器壳程内，并且初级立式冷凝器管程向下延伸至次级立式冷凝器壳程内形成次级立式冷凝器管程；初级立式冷凝器壳程和次级立式冷凝器壳程上均设置有冷凝介质入口管和冷凝介质出口管。这样通过管程的物质可以均匀地经过两级壳程内的介质进行换热。

优选地，冷凝介质入口管和冷凝介质出口管分别设置有流量控制阀，方便冷凝介质流量控制。

根据本发明典型的实施例，如图13所示，初级立式冷凝器410上设置有与初级立式冷凝器壳程相通的第一冷凝介质入口管411和第一冷凝介质出口管412。次级立式冷凝器420上设置有与次级立式冷凝器壳程相通的第二冷凝介质入口管421、第二冷凝介质出口管422。其中，初级立式冷凝器410的冷凝介质可以是冷却空气或循环水。根据本发明一典型的实施例，第二冷凝介质入口管421远离次级立式冷凝器420的一端与气体冷凝介质入口管423和液体冷凝介质入口管425相连通；第二冷凝介质出口管422远离次级立式冷凝器420的一端设置有气体冷凝介质出口管424和液体冷凝介质出口管426，即级立式冷凝器420的冷却介质可选择的是冷却空气或循环水，气体冷凝介质出口管424又与第一冷凝介质出口管412在调节阀后相连通；第一冷凝介质入口管411和第一冷凝介质出口管412以初级立式冷凝器410几何中心点对称，第二冷凝介质入口管421和第二冷凝介质出口管422以次级立式冷凝器420几何中心点对称。当环境温度较低时，采用空气冷却的方式冷却，当环境温度较高冷却空气无法满足冷却要求时，可关闭次级立式冷凝器420的冷却空气进气管线阀门，调整循环水入水管线阀门开度采用循环水冷却反应生成气。

优选地，次级立式冷凝器420顶部设置有与次级立式冷凝器管程相通的循环气进入管427，冷凝器凝液罐430的侧壁上设置有循环气排出管432，便于走管程的物质与壳程内的介质充分换热。优选地，粗甲醇出口433设置在冷凝器凝液罐430的底部，方便粗甲醇的引出。间隔件是能够起到间隔作用的部件即可，优选地，间隔件为隔板421，成本低，使用方便。

根据本发明典型的实施例，次级立式冷凝器420内部水平设置有多个用于将次级立式冷凝器壳程分割成独立空间的间隔件，多个独立空间的壳程上均设置有冷凝介质入口管和冷凝介质出口管。其中，每个独立空间的空间中可以通入不同的冷凝介质，根据实际需要，增加冷凝程度和介质的可选性。

在甲醇合成***中，由于本发明的冷凝器采用立式结构，冷凝下来的粗甲醇落入冷凝器凝液罐430中，减少循环气携带过多甲醇进入合成反应器，避免过多蜡质的生成（反应气中甲醇含量过高会导致合成过程中蜡质的生成量增加，而甲醇产量也会随之下降；如果要保持甲醇产量，就需要加大未反应的合成气的循环量和循环次数，这无疑又增加了能耗），而冷凝下来的粗甲醇则被送入粗甲醇脱除不凝气、残留溶解气及低沸物***脱除不凝气、残留溶解气及低沸物。总之，将本发明的冷凝器应用于合成甲醇工艺及方法中，在同等进气量、相同组成、催化剂同等装填条件和同期使用时间条件下，由于将反应器中更多的粗甲醇产品在冷凝器中去除，因此，产生的蜡质更少，产生的甲烷更少，甲醇产量更大。

根据本发明一典型的实施例，甲醇合成***包括上述冷凝器。根据本发明的实施例，新鲜合成气经合成气压缩机501、合成气净化预热器802进入合成气净化槽900，从合成气净化槽900出来的新鲜合成气和从循环气预热器803出来的循环气汇成一股气后流经合成回路中间换热器801与从气固相催化反应器100出来的反应生成气换热后进入气固相催化反应器100。从气固相催化反应器100出来的反应气生成气经合成回路中间换热器801、粗甲醇空冷器300进入分离器600。分离器600出来的循环气经循环气压缩机502后进入冷凝器400，冷凝器400出来的循环气流和从合成气净化槽900出来的新鲜合成气汇成一股气后经合成回路中间换热器801进入气固相催化反应器100。从冷凝器400、分离器600分理处的粗甲醇汇合后进入粗甲醇脱除不凝气、残留溶解气及低沸点物***进行处理。从分离器600底部排蜡口613排出的蜡可送入催化裂化***。从分离器600出来的少量循环气作为驰放气进入氢气回收***，回收后得到的高纯氢气并入新鲜合成气。

本发明的甲醇合成***、反应器、冷凝器、冷凝器特别适合于甲醇合成反应过程，也可用于甲醚、甲胺、甲醚、氨合成和CO变换等化学过程。

综上，本发明流程本身至少有如下优点：

1、现有技术中通常是采用双塔串并联的方式，若其中一塔停车，就会造成因循环无法进行，反应快速失衡，导致另外一塔必须停车，进而导致其他上下游装置的联锁停车或上游的合成气放空，造成极大地损失和浪费。而本发明的双塔并联工艺流程及***，不但有利于减少设备投资（例如根据本发明的一典型实施例，如图14所示，双反应器可公用一套粗甲醇分离器、粗甲醇空冷器及合成回路中间换热器，相对于原DAVY，可节省一套粗甲醇分离器、粗甲醇空冷器及合成回路中间换热器的投资），有利于检修，在一塔停车的情况下能够维持其他装置生产的连续性，避免了现有技术中因一塔停车造成的巨大损失。2、采用本发明的甲醇合成***，在同等进气量、相同组成、催化剂同等装填条件和同期使用时间条件下，产生的蜡质更少，产生的甲烷更少，甲醇产量更大。

3、采用本发明的甲醇合成***，由于本发明的分离器的使用，蜡质可从粗甲醇产品中分离出来，避免了现有技术中蜡质到下游装置后，一旦温度降低，粗甲醇中的蜡就会冷凝出来，影响到下游装置的正常生产。

4、采用本发明的甲醇合成***，除蜡方法简单操作更为方便。

5、采用本发明的甲醇合成***，可以从反应生成气中分离出更多的粗甲醇产品.

6、可有效节约用水。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种甲醇合成***，包括：

气固相催化反应器(100)，设置有反应气入口和反应生成气出口，锅炉给水入口和副产蒸汽出口，

分离器(600)，侧壁上设置有反应生成气入口，底部设置有液相输出管，顶部设置有循环气出口，所述反应生成气入口与所述气固相催化反应器(100)的反应生成气出口相通；

其特征在于，所述分离器(600)的循环气出口与冷凝器(400)相连，所述冷凝器(400)的循环气排出口与所述气固相催化反应器(100)的反应气入口相通；

所述气固相催化反应器(100)包括：

反应器壳体(101)，其侧壁上形成有沿侧壁切线方向延伸的气体入口管线(150)；

催化剂床层(110)，设置在所述反应器壳体(101)内，与所述反应器壳体(101)之间形成环状的旋流腔(140)，所述催化剂床层(110)为中空圆柱体，所述催化剂床层(110)的侧壁上设置有使所述旋流腔(140)与所述催化剂床层(110)内部相通的通孔(111)；

以及

换热装置，设置在所述催化剂床层(110)内。

2.根据权利要求1所述的甲醇合成***，其特征在于，所述分离器(600)的循环气出口与所述冷凝器(400)之间还设置有气体压缩机(500)。

3.根据权利要求1所述的甲醇合成***，其特征在于，所述分离器(600)连接有冷却空气管线，所述冷凝器(400)设置有气体冷凝介质入口管和气体冷凝介质出口管，所述甲醇合成***进一步包括：

空气过滤器(700)，通过动力装置(701)分别与所述分离器(600)的冷却空气管线和所述冷凝器(400)的气体冷凝介质入口管相连通。

4.根据权利要求3所述的甲醇合成***，其特征在于，所述空气过滤器分别连接有室内空气管线(702)和环境空气管线(703)，所述室内空气管线(702)和所述环境空气管线(703)上分别设置有气体流量控制阀。

5.根据权利要求1所述的甲醇合成***，其特征在于，包括并联设置的两个所述气固相催化反应器(100)和所述分离器(600)。

6.根据权利要求1所述的甲醇合成***，其特征在于，

所述换热装置包括多条均匀地设置在所述催化剂床层(110)内的换热管(130)，其中，部分所述换热管(130)内介质的流动方向与剩余部分的所述换热管(130)内介质的流动方向相反；

所述甲醇合成***还包括与所述换热管(130)相通的汽包(200)，所述汽包(200)内的水自下而上进入的部分所述换热管(130)的进水管线上设置有调节阀(160)；

所述催化剂床层(110)内在所述换热管(130)附近设置有热电偶，所述调节阀(160)与所述热电偶形成控制所述换热管(130)内水的流量的控制回路。

7.根据权利要求6所述的甲醇合成***，其特征在于，所述汽包(200)内的水自上而下进入的部分所述换热管(130)的进水管线上设置有用于调节水压的变频泵(201)，该部分所述换热管(130)的出口端及所述变频泵(201)的出口端分别设置有压差计，所述压差计与所述变频泵(201)形成抑制蒸汽倒流的控制回路。

8.根据权利要求1所述的甲醇合成***，其特征在于，所述分离器(600)包括：

凝液回收罐(610)，

立式冷却器(620)，与除沫器罐(630)并排设置在所述凝液回收罐(610)的顶部，并均与所述凝液回收罐(610)相连通。

9.根据权利要求1所述的甲醇合成***，其特征在于，所述冷凝器(400)包括：

初级立式冷凝器(410)，包括初级立式冷凝器壳程和设置在所述初级立式冷凝器壳程内的初级立式冷凝器管程；

次级立式冷凝器(420)，包括次级立式冷凝器壳程和设置在所述次级立式冷凝器壳程内的次级立式冷凝器管程，所述次级立式冷凝器(420)设置在所述初级立式冷凝器的顶部，且所述初级立式冷凝器管程和所述次级立式冷凝器管程相连通，所述初级立式冷凝器顶部设置有用于将所述初级立式冷凝器壳程和所述次级立式冷凝器壳程分割开的间隔件；以及

冷凝器凝液罐(430)，设置在所述初级立式冷凝器的底部，与所述初级立式冷凝器管程相通。

10.根据权利要求2所述的甲醇合成***，其特征在于，所述气体压缩机(500)包括合成气压缩机(501)和循环气压缩机(502)，所述合成气压缩机(501)设置有新鲜合成气入口及新鲜合成气出口，所述合成气压缩机(501)通过合成气出口依次与合成气净化预热器(802)、合成气净化槽(900)、合成回路中间换热器(801)、所述气固相催化反应器(100)相连通；所述气固相催化反应器(100)的反应生成气出口依次与所述合成回路中间换热器(801)、粗甲醇空冷器(300)、所述分离器(600)相连通；所述分离器(600)的循环气出口依次与所述循环气压缩机(502)、所述冷凝器(400)、循环气预热器(803)、所述合成回路中间换热器(801)、所述气固相催化反应器(100)相连通。

11.一种甲醇合成的方法，其特征在于，利用权利要求1至10中任一项所述的甲醇合成***进行甲醇合成，包括以下步骤：

新鲜合成气经合成气压缩机(501)、合成气净化预热器(802)进入合成气净化槽(900)，从所述合成气净化槽(900)出来的新鲜合成气和从循环气预热器(803)出来的循环气汇成一股气后流经合成回路中间换热器(801)与从气固相催化反应器(100)出来的反应生成气换热后进入所述气固相催化反应器(100)；从所述气固相催化反应器(100)出来的反应气生成气经合成回路中间换热器(801)、粗甲醇空冷器(300)进入分离器(600)；所述分离器(600)出来的循环气经循环气压缩机(502)后进入冷凝器(400)，所述冷凝器(400)出来的循环气流和从所述合成气净化槽(900)出来的新鲜合成气汇成一股气后经所述合成回路中间换热器(801)进入所述气固相催化反应器(100)；从所述冷凝器(400)、所述分离器(600)分离出的粗甲醇汇合后进行粗甲醇脱除不凝气、残留溶解气及低沸点物处理；从所述分离器(600)底部排蜡口排出的蜡可送入催化裂化***；从所述分离器(600)出来的部分循环气作为驰放气进入氢气回收***，回收后得到的氢气并入新鲜合成气。

12.根据权利要求11所述的甲醇合成的方法，其特征在于，所述冷凝器(400)出来的循环气流通过循环气预热器(803)由汽包副产蒸汽预热后和从所述合成气净化槽(900)出来的新鲜合成气汇成一股气后经所述合成回路中间换热器(801)进入所述气固相催化反应器(100)。