CN115259997A - 一种自移热式二氧化碳加氢制甲醇合成工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自移热式二氧化碳加氢制甲醇合成工艺，属于甲醇制备技术领域，所述工艺包括：将二氧化碳和氢气经压缩后形成的混合原料气送至原料气预热器中预热至140～180℃；在低于甲醇合成催化条件温度下直接送入至自移热反应器中进行甲醇合成反应；反应后形成合成气首先进入废热锅炉副产蒸汽后再进入原料气预热器中预热混合原料气。通过上述工艺技术，本发明提高了甲醇合成装置热效率和反应平衡转化率。
Description
技术领域
本发明属于甲醇制备技术领域，具体涉及一种自移热式二氧化碳加氢制甲醇合成工艺。
背景技术
传统甲醇合成工艺技术反应器出口气体均首先进入原料气预热器加热入口气体，并将入口气体加热至甲醇合成催化剂启活温度以上，反应器出口气体经过原料气预热器后热量品味等级低，无法再用于副产蒸汽进行有效回收，导致整个装置热效率低。传统甲醇合成工艺多采用水冷式等温反应器，不同催化剂床层的温度基本相同，没有实现不同床层高度催化剂效率的最佳发挥和实现较高的反应平衡转化率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自移热式二氧化碳加氢制甲醇合成工艺，用于解决现有技术中甲醇合成装置热效率和反应平衡转化率低的问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供一种自移热式二氧化碳加氢制甲醇合成工艺，包括以下步骤：
S1：将由二氧化碳和氢气混合通入原料气压缩机后，与经循环气压缩机升压后的循环合成气混合，并将混合原料气送入至原料气预热器中预热至140～180℃；
S2：预热后从自移热反应器底部的进气口自下而上送入至自移热反应器中，通过自移热反应器内侧顶部的电加热器对混合气体进一步加热后自上而下与催化剂进行甲醇合成反应；
S3：反应后的合成气从自移热反应器底部出口送出后进入废热锅炉产饱和蒸汽，然后再进入原料气预热器中预热从压缩工段来的合成气；回收热量后的出口合成气经冷却器冷却至40℃后进入甲醇分离器分离出液相和气相，其中，分离出的液相为粗甲醇产品，经闪蒸罐减压闪蒸后送下游精馏工序，分离出的气相合成气经循环气压缩机升压后与新鲜原料气混合形成循环。
进一步，所述自移热反应器包括壳体以及安装在壳体内的气体分布器、气体收集器及换热管，所述气体分布器的进气端与所述壳体的进气口连接，所述气体分布器的出气端连接有进气通道，所述进气通道与所述换热管错开设置，所述换热管内埋设有催化剂，所述电加热器和温度传感器安装在壳体内侧顶部，所述电加热器连接有控制器和所述温度传感器，所述气体收集器安装在所述换热管靠近所述壳体出口端。
进一步，混合原料气进入自移热反应器后，经过气体分布器将气体均匀分布至进气通道内，从进气通道内自下而上流动至自移热反应器内侧顶端，经过温度传感器感应到原料混合器的温度是否满足催化条件温度，若满足则流入至催化剂床层进行甲醇合成反应，若不满足则经电加热器加热至催化条件温度后再流入至催化剂床层进行甲醇合成反应，生成的合成气经气体收集器收集后从壳体出气口排出至废热锅炉内，其中，混合原料气经过催化剂床层发生反应产生的热量用于加热进气通道内的混合原料气。
进一步，所述催化条件温度为230-260℃。
进一步，所述壳体进气口处安装有入口温度传感器，所述控制器与所述入口温度传感器和所述原料气预热器均电连接；
当入口温度传感器感应到混合原料气经原料气预热器预热的温度T1超出预设值后，将感应信号传输给控制器，控制器控制以降低原料气预热器的加热功率。
进一步，当壳体内侧顶部的温度传感器感应的温度值T2与原料气预热器预热的温度值T1的差值ΔT超过100℃时，所述控制器根据(100℃-ΔT)差值作为反馈变量调节原料气预热器的加热功率以维持合成反应和热交换的动态平衡。
进一步，所述催化剂填充高度不超过进气通道顶端。
进一步，所述气体分布器和换热管均采用薄壁管。
进一步，所述催化剂为Cu/Zn/Al/Zr基催化剂。
本发明的有益效果在于：进入自移热反应器内的混合原料气利用催化剂床层产生的热量加热，使得混合原料气只需经预热器预热至140～180℃后进入反应器，无需持续预热至甲醇合成催化剂启活温度230-260℃之上，比二氧化碳加氢制甲醇的合成反应催化剂启活温度低50～100℃，比传统甲醇合成工艺的反应器入口温度低50～100℃；混合原料气在自移热反应器中进一步被加热后再进入催化剂床层进行甲醇合成反应，在被催化剂床层产生的热量加热的过程中，实现了催化剂侧反应热量的移除，实现了催化剂装填侧温度的控制，并通过移除催化剂装填侧热量实现了合成反应平衡转化率的提升；工艺气在换热管内流动方向与在催化剂床层中的流动方向相反，工艺气在换热管内从下往上温度不断升高，从而实现催化剂床层温度随着流动方向从上往下不断降低，实现了催化剂床层上部反应物浓度高温有利于提高反应速率，催化剂床层下部生产物浓度高低温有利于提高反应平衡转化率的目的，提高了催化剂及装置的效率；自移热反应器送出的合成气先经过废热锅炉回收高位热量后再进入预热器预热混合原料气，提高了热回收等级，提高了整个装置的热回收效率；相比传统甲醇合成工艺，可以大大减小预热器的热负荷，且预热器换热面积小，设备投资低。
本发明的其他优点、目标和特征将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上对本领域技术人员而言是显而易见的，或者本领域技术人员可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明实施例的流程示意图；
图2为本发明实施例的自移热反应器的结构示意图。
附图中标记如下：1、原料气压缩机；2、循环气压缩机；3、原料气预热器；4、自移热反应器；401、气体分布器；402、换热管；403、气体收集器；404、温度传感器；405、电加热器；406、控制器；407、入口温度传感器；5、废热锅炉；6、冷却器；7、甲醇分离器；8、闪蒸罐。
具体实施方式
如图1-2所示，本发明提供一种自移热式二氧化碳加氢制甲醇合成工艺，包括：
一、将由二氧化碳和氢气混合通入原料气压缩机1后，与经循环气压缩机2升压后的循环合成气混合，并将混合原料气送入至原料气预热器3中预热至140～180℃；
二、预热后从自移热反应器4底部的进气口送入至自移热反应器4中，自移热反应器4顶部设置的电加热器对顶部混合气体进一步加热，混合气体在顶部折返向下进行甲醇合成反应；
三、自移热反应器4内侧顶部安装有温度传感器、电加热器，所述温度传感器和所述电加热器均与控制器连接，当温度传感器获取自移热反应器4内侧顶部温度数值大于阈值温度时，说明混合气体已能达到甲醇合成条件，关闭顶部加热器；
四、通过温度传感器持续检测温度值，将上述温度数值反馈至控制器，控制器根据温度控制电加热器功率；
五、反应后的合成气从自移热反应器4底部出口送出后进入废热锅炉5产0.6MpaG饱和蒸汽，然后再进入原料气预热器3中预热从压缩工段来的合成气；回收热量后的出口合成气经冷却器6冷却至40℃后进入甲醇分离器7分离出液相和气相，其中，分离出的液相为粗甲醇产品，经闪蒸罐8减压闪蒸后送下游精馏工序，分离出的气相合成气经循环气压缩机升压后与新鲜原料气混合形成循环。
上述技术方案的工作原理：如图1，二氧化碳和氢气混合通入原料气压缩机1后与循环气压缩机2升压后的循环合成气混合形成混合原料气，混合原料气送至原料气预热器3中预热至150℃后进入自移热反应器4中进行自加热和甲醇合成反应，反应后的合成气从自移热反应器4底部出口送出后进入废热锅炉5中，其中第一部分转化为0.6MpaG的饱和蒸汽排出，第二部分通过管道运输至原料气预热器3中对混合原料气进行预热，预热后输送至冷却器中冷却至40℃再进入分离器中分理处液相和气相，其中分离出的液相为粗甲醇产品，经闪蒸罐8减压闪蒸后送下游精馏工序，分离出的气相合成气经循环气压缩机2升压后与新鲜原料气混合形成循环。
上述技术方案的有益效果：进入自移热反应器4内的混合原料气利用催化剂床层产生的热量加热，使得混合原料气只需经预热器3预热至140～180℃后进入反应器，无需预热至甲醇合成催化剂启活温度之上，比二氧化碳加氢制甲醇的合成反应催化剂启活温度低50～100℃，比传统甲醇合成工艺的反应器入口温度低50～100℃，混合原料气在自移热反应器4顶部中进一步被加热后再进入催化剂床层进行甲醇合成方应，当反应启动后的热量足够加热混合气体至甲醇合成催化剂启活温度之上时，关闭顶部的电加热器，同时根据顶部混合气体的温度对预热器3功率进行动态调整，在被催化剂床层产生的热量加热的过程中，实现了催化剂装填侧反应热量的移除，实现了催化剂装填侧温度的控制，并通过移除催化剂装填侧热量实现了合成反应平衡转化率的提升，自移热反应器4送出的合成气先经过废热锅炉5回收高位热量后再进入原料气预热器3预热混合原料气，提高了热回收等级，提高了整个装置的热回收效率；相比传统甲醇合成工艺，可以大大减小原料气预热器3的热负荷，且原料气预热器3换热面积小，设备投资低。
在本发明的一个实施例中，所述自移热反应器4包括：壳体，所述壳体内安装有气体分布器401、换热管402、气体收集器403、电加热器405、温度传感器404，所述气体分布器401的出口连接有进气通道，所述进气通道与所述换热管402错开设置，所述换热管402内埋设有催化剂，所述电加热器405和温度传感器404安装在壳体内侧顶部，所述电加热器405连接有控制器406和所述温度传感器404，所述气体收集器403安装在所述换热管402靠近所述壳体出口端；
混合原料气进入自移热反应器4后，经过气体分布器401将气体均匀分布至进气通道内，从进气通道内自下而上流动至自移热反应器4内侧顶端，经过温度传感器404感应到原料混合器的温度是否满足催化条件温度，若满足则流入至催化剂床层进行甲醇合成反应，若不满足则经电加热器405加热至催化条件温度后再流入至催化剂床层进行甲醇合成反应，生成的合成气经气体收集器403收集后从壳体出气口排出至废热锅炉5内，其中，混合原料气经过催化剂床层发生反应产生的热量用于加热进气通道内的混合原料气。
上述技术方案的工作原理：如图2，当混合原料气进入自移热反应器4内后，首先进入至气体分布器401内，气体分布器401将混合原料气分为多股分别输送至对应的进气通道内，换热管402为竖直设置在气体分布器401上方，混合原料气自下而上从进气通道流入至自移热反应器4内侧顶端，由于混合原料气经过原料气预热器预热后温度为140～180℃，催化条件温度为230-260℃，混合原料气经过温度传感器感应后，将感应信号传输给控制器406，控制器406控制电加热器启动对混合原料气进行加热至催化条件温度，然后混合原料气经自移热反应器4顶端的折流后返至催化剂床层发生甲醇合成反应，在甲醇合成反应过程中产生的热量被换热管移走实现进一步对进气通道内的混合原料气进行加热，经过催化过程的加热，混合原料气能够达到催化条件温度，此时温度传感器感应到符合催化条件温度时，将感应信号传输给控制器406，通过控制器406关闭电加热器405。
上述技术方案的有益效果：通过甲醇合成反应过程中产生的热量进气通道内的混合原料气进行加热，使电加热器只起到一次激活作用，无需持续预热至甲醇合成催化条件温度之上，减低了对原料气预热器热源温度的要求；提高了热回收效率，减小原料气预热器3的热负荷；混合原料气在自移热反应器4中进一步被加热后再进入催化剂床层进行甲醇合成方应，实现了催化剂侧反应热量的移除，实现了催化剂装填侧温度的控制，实现了合成反应平衡转化率的提升。
在本发明的一个实施例中，所述壳体进气口处安装有入口温度传感器407，所述控制器与所述入口温度传感器407和所述原料气预热器均电连接；
当入口温度传感器407感应到混合原料气经原料气预热器预热的温度T1超出预设值后，将感应信号传输给控制器，控制器控制以降低原料气预热器的加热功率；在壳体内部的温度传感器404感应的温度值T2与原料气预热器预热的温度值T1的差值ΔT超过100℃时，根据ΔT差值作为反馈调节控制器的控制功率以保持反应和热交换的稳态平衡。
上述技术方案的工作原理：当电加热器405关闭后，壳体内侧顶部的温度传感器404和入口温度传感器407依然实时感应壳体内侧顶部温度值T2和入口温度值T1，其差值ΔT用于反映甲醇合成反应产生的热量交换值，当入口温度传感器407感应到混合原料气经原料气预热器预热的温度T1超出预设值后，可以通过控制器适当减小原料气预热器3的加热功率进一步节能，在满足顶部温度传感器404的温度值T2超过催化条件温度的情况下，此时控制器已经控制电加热器405处于关闭状态，当ΔT超过100℃时，根据(ΔT-100℃)差值作为反馈调节控制参数对应控制预热器降低功率使得进气温度降低对应(ΔT-100℃)差值的温度，保持合成反应和热交换的动态平衡。
上述技术方案的有益效果：通过壳体内侧顶部温度值T2和入口温度值T1的温度差判断热交换是否充分，进一步精细化动态调整预热器的加热功率，进一步实现节能。
在本发明的一个实施例中，所述气体分布器401和换热管402均采用薄壁管。
上述技术方案的工作原理和有益效果：薄壁管两侧承压采用压差型设计，即薄壁管的管壁厚度无需考虑管内外两侧介质的压力，设备制造简单，投资低，且无内漏风险。
在本发明的一个实施例中，所述催化剂为Cu/Zn/Al/Zr基催化剂。
上述技术方案的工作原理：催化剂活性组分分散均匀，催化剂CO2转化率高，反应副产物少，甲醇选择性高，甲醇的时空收率高，催化剂运行寿命长。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (9)
1.一种自移热式二氧化碳加氢制甲醇合成工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将由二氧化碳和氢气混合通入原料气压缩机后，与经循环气压缩机升压后的循环合成气混合，并将混合原料气送入至原料气预热器中预热至140～180℃；
S2：预热后从自移热反应器底部的进气口自下而上送入至自移热反应器中，通过自移热反应器内侧顶部的电加热器对混合气体进一步加热后自上而下与催化剂进行甲醇合成反应；
S3：反应后的合成气从自移热反应器底部出口送出后进入废热锅炉产饱和蒸汽，然后再进入原料气预热器中预热从压缩工段来的合成气；回收热量后的出口合成气经冷却器冷却至40℃后进入甲醇分离器分离出液相和气相，其中，分离出的液相为粗甲醇产品，经闪蒸罐减压闪蒸后送下游精馏工序，分离出的气相合成气经循环气压缩机升压后与新鲜原料气混合形成循环。
2.根据权利要求1所述的自移热式二氧化碳加氢制甲醇合成工艺，其特征在于：所述自移热反应器包括壳体以及安装在壳体内的气体分布器、气体收集器及换热管，所述气体分布器的进气端与所述壳体的进气口连接，所述气体分布器的出气端连接有进气通道，所述进气通道与所述换热管错开设置，所述换热管内埋设有催化剂，所述电加热器和温度传感器安装在壳体内侧顶部，所述电加热器连接有控制器和所述温度传感器，所述气体收集器安装在所述换热管靠近所述壳体出口端。
3.根据权利要求2所述的自移热式二氧化碳加氢制甲醇合成工艺，其特征在于：混合原料气进入自移热反应器后，经过气体分布器将气体均匀分布至进气通道内，从进气通道内自下而上流动至自移热反应器内侧顶端，经过温度传感器感应到原料混合器的温度是否满足催化条件温度，若满足则流入至催化剂床层进行甲醇合成反应，若不满足则经电加热器加热至催化条件温度后再流入至催化剂床层进行甲醇合成反应，生成的合成气经气体收集器收集后从壳体出气口排出至废热锅炉内，其中，混合原料气经过催化剂床层发生反应产生的热量用于加热进气通道内的混合原料气。
4.根据权利要求3所述的自移热式二氧化碳加氢制甲醇合成工艺，其特征在于：所述催化条件温度为230-260℃。
5.根据权利要求2所述的自移热式二氧化碳加氢制甲醇合成工艺，其特征在于：所述壳体进气口处安装有入口温度传感器，所述控制器与所述入口温度传感器和所述原料气预热器均电连接；
当入口温度传感器感应到混合原料气经原料气预热器预热的温度T1超出预设值后，将感应信号传输给控制器，控制器控制以降低原料气预热器的加热功率。
6.根据权利要求5所述的自移热式二氧化碳加氢制甲醇合成工艺，其特征在于：当壳体内侧顶部的温度传感器感应的温度值T2与原料气预热器预热的温度值T1的差值ΔT超过100℃时，所述控制器根据(100℃-ΔT)差值作为反馈变量调节原料气预热器的加热功率以维持合成反应和热交换的动态平衡。
7.根据权利要求2所述的自移热式二氧化碳加氢制甲醇合成工艺，其特征在于：所述催化剂填充高度不超过进气通道顶端。
8.根据权利要求2所述的自移热式二氧化碳加氢制甲醇合成工艺，其特征在于：所述气体分布器和换热管均采用薄壁管。
9.根据权利要求2所述的自移热式二氧化碳加氢制甲醇合成工艺，其特征在于：所述催化剂为Cu/Zn/Al/Zr基催化剂。
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- 2022-08-29 CN CN202211039044.6A patent/CN115259997B/zh active Active
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