一种合成甲醇的装置及工艺的制作方法

本发明属于甲醇合成技术领域，涉及一种合成甲醇的装置及工艺。

背景技术：

甲醇是化工的关键性产品。它既是生产多种化工产品的重要原材料，又是一种中间化工产品，用途极为广泛。它正在逐渐发展成为节能环保的燃料替代品，有着极为广阔的市场发展空间。

甲醇合成是CO、CO₂、H₂混合气体经过循环机进入合成塔，合成甲醇，经精馏工段处理，得到精甲醇。在合成工段，合成主要反应如下：

CO+2H₂→CH₃OH+Q(热量)

CO₂+3H₂→CH₃OH+H₂O+Q(热量)

目前合成甲醇的工艺装置如图1所示，包括二合一压缩机，换热器，合成塔，空冷器和分离器。二合一压缩机和换热器相连通，换热器和合成塔相连通，合成塔和空冷器相连通，空冷器和分离器相连通，分离器的气相出口和二合一压缩机相连通，分离器的液相出口排出甲醇。

流程操作主要为：转化工段来的转化气(40℃，2.0Mpa)，进入二合一压缩机，升压至5.5Mpa。循环气通过换热器换热后，进入甲醇合成塔，合成出口热气预热新鲜气，达到合成塔入口反应温度(200℃)，合成塔压力在5.5Mpa，换热后的合成气通过空冷器和分离器，将组分中的液体甲醇进行分离。剩余的尾气通过二合一循环机进行大系统循环。

此种甲醇合成工艺系统存在循环量大，二合一压缩机功率大，能耗高；合成后的驰放气尾气总碳高，合成反应转化率低等问题。

针对上述现有甲醇合成工艺中存在的缺陷，蹇守华等人在此基础上进行了改进，发明了一种利用甲醇驰放气生产甲醇的装置(专利申请号为201220101633.8)，将目前合成工艺中产生的驰放气再次进入到一个小合成塔单元中进行二次反应，如图2所示：在常规合成甲醇的工艺上进行了改进，经由常规合成甲醇的工艺装置出来的驰放气再次进入一个小合成工艺中，该小合成工艺装置包括循环机、换热器、合成塔、冷却器、分离器，循环机与合成工艺中的换热器气相出口相连通，循环机和换热器相连通，换热器和合成塔相连通，换热器和冷却器相连通，冷却器和分离器相连通，分离器的气相出口排出尾气，或者回流进入小合成工艺的循环机中进行循环，或者进入合成工艺的二合一压缩机中进行循环，分离器的液相出口排出甲醇。

然而这种技术的改造只是将原甲醇合成工艺的驰放气进行再次合成反应，没有将原甲醇合成工艺进行优化，这种方案无法解决原合成存在的大循环量，高耗能的诟病，而且新增小合成仍然要增加小循环机，没有彻底解决甲醇合成工艺存在的反应不平衡问题。

技术实现要素：

基于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种合成甲醇的装置及工艺，能够在降低合成系统的循环量的同时控制驰放气中的总碳量(CO+CO₂)＜2％，从而做到降低合成系统能耗并且提高合成转化率，提高系统产量。

本发明的目的通过以下技术方案得以实现：

一种合成甲醇的装置，该合成甲醇的装置包括二合一压缩机、一级合成单元和多级合成单元；

所述二合一压缩机与所述一级合成单元相连通；所述一级合成单元与所述多级合成单元相连通；所述多级合成单元与所述二合一压缩机相连通；

所述一级合成单元包括第一换热器、第一合成塔、第一空冷器和第一分离器；

所述第一换热器设有第一合成前物料进口、第一合成前物料出口、第一合成后物料进口和第一合成后物料出口，所述第一合成塔设有第一进料口和第一出料口，所述第一分离器设有第一气相出口和第一液相出口；

所述二合一压缩机与所述第一合成前物料进口相连通；所述第一合成前物料出口与所述第一进料口相连通；所述第一出料口与所述第一合成后物料进口相连通；所述第一合成后物料出口与所述第一空冷器相连通；所述第一空冷器与所述第一分离器的待分离原料进口相连通；所述第一分离器的第一气相出口与所述多级合成单元中的二级合成单元的换热器相连通；所述第一分离器的第一液相出口排出甲醇；

所述多级合成单元由二级合成单元至N级合成单元依次相连接而成；所述多级合成单元的每级合成单元均包括换热器、合成塔、冷却器和分离器；

在所述多级合成单元的每级合成单元中，换热器设有合成前物料进口、合成前物料出口、合成后物料进口和合成后物料出口，合成塔设有进料口和出料口，分离器设有气相出口和液相出口；所述合成前物料出口与所述进料口相连通；所述出料口与所述合成后物料进口相连通；所述合成后物料出口与所述冷却器相连通；所述冷却器与所述分离器的待分离原料进口相连通；分离器的液相出口排出甲醇；N级合成单元的换热器的合成前物料进口与N-1级合成单元的分离器的气相出口相连通；N级合成单元的气相出口与所述二合一压缩机相连通；其中，2＜N≤5。

上述合成甲醇的装置中，优选地，所述多级合成单元仅包括二级合成单元；

所述一级合成单元与所述二级合成单元相连通；所述二级合成单元与所述二合一压缩机相连通；

所述二级合成单元包括第二换热器、第二合成塔、第二冷却器和第二分离器；

所述第二换热器设有第二合成前物料进口、第二合成前物料出口、第二合成后物料进口和第二合成后物料出口，所述第二合成塔设有第二进料口和第二出料口，所述第二分离器设有第二气相出口和第二液相出口；

所述第一气相出口与所述第二合成前物料进口相连通；所述第二合成前物料出口与所述第二进料口相连通；所述第二出料口与所述第二合成后物料进口相连通；所述第二合成后物料出口与所述第二冷却器相连通；所述第二冷却器与所述第二分离器的待分离原料进口相连通；所述第二分离器的第二气相出口与所述二合一压缩机相连通；所述第二分离器的第二液相出口排出甲醇。

上述合成甲醇的装置中，优选地，所述多级合成单元的合成塔大小依级递减，并且均小于所述第一合成塔；所述多级合成单元的合成塔中催化剂的装填量依级递减，并且均少于所述第一合成塔中催化剂的装填量。

本发明还提供一种合成甲醇的工艺，其使用上述合成甲醇的装置，包括以下步骤：

步骤一，将CO、CO₂和H₂为主要组成分的转化气通过所述二合一压缩机升压，并经由所述第一换热器换热后，进入所述第一合成塔进行合成反应，得到的合成气；

将合成气经过所述第一换热器换热后，进入所述第一空冷器冷却，接着进入所述第一分离器，分离得到甲醇和驰放气；

步骤二，将步骤一得到的驰放气通入所述二级合成单元的换热器换热，然后进入所述二级合成单元的合成塔进行合成反应，反应后得到的二级合成气经过所述二级合成单元的换热器后，再通过所述二级合成单元的冷却器冷却，接着进入所述二级合成单元的分离器，分离得到甲醇和二级驰放气；

步骤三，将得到的二级驰放气按照步骤二的流程进行N级合成，N级合成完成后，由N级合成单元的分离器得到的N级驰放气进入所述二合一压缩机，重新循环；其中，2＜N≤5；

或者，直接将二级驰放气通入所述二合一压缩机，重新循环。

上述合成甲醇的工艺中，优选地，所述转化气经过所述二合一压缩机升压后的压力为5.5-6.5MPa。

上述合成甲醇的工艺中，优选地，所述转化气升压后经由所述第一换热器换热后的温度为190-250℃。

上述合成甲醇的工艺中，优选地，经过所述第一合成塔合成反应后的合成气经过所述第一换热器换热后的温度为80-90℃；然后通过所述第一空冷器冷却后的温度为30-40℃。

上述合成甲醇的工艺中，优选地，步骤一中的驰放气进入所述多级合成单元中的每级合成单元后，在每级合成塔合成反应前，经由每级换热器换热后的温度为190-250℃。

上述合成甲醇的工艺中，优选地，步骤一中的驰放气进入所述多级合成单元中的每级合成单元后，在每级合成塔合成反应后，经由每级换热器换热后的温度为80-90℃，经由每级冷却器冷却后的温度为30-40℃。

上述合成甲醇的工艺中，所述第一合成塔和多级合成单元中的合成塔的大小及其催化剂的装填量按照实际操作进行调整；本发明合成过程中采用的催化剂为常规合成甲醇所采用的催化剂。

上述合成甲醇的工艺中，经过一级合成反应后，分离得到的驰放气总碳量(CO+CO₂)降至约6％-7％，由于分离出了甲醇，改变了反应平衡，将经过一级合成反应后分离的驰放气再次进入二级合成单元，其中，二级合成设备的大小及催化剂装填数量均低于一级合成单元中的合成设备。驰放气进入二级合成单元中的合成塔时的压力为5.3-6.3MPa。从二级合成单元的分离器中分离出的二级驰放气，根据该二级驰放气中总碳含量，可以进行三级合成反应至五级合成反应。每增加一级合成反应，都能够进一步降低气体循环量，每增加一级合成反应，下一级合成塔压力比上一级降低0.2MPa梯度，反应后的驰放气再次通过二合一压缩机重新循环。

上述合成甲醇的装置和工艺中，所述一级合成单元中冷却合成气采用的是空冷器，而多级合成单元中采用的是冷却器，原因是由于一级合成反应过程中，合成气生成量大，采用空冷器降温效果好；而多级合成单元中，合成气生成量小，采用小型冷却器便于节约工艺成本。

上述合成甲醇的装置和工艺中，所述转化气的主要成分为CO、CO₂和H₂，三者添加量根据实际操作进行适当调整，另外，所述转化气还可以包括少许N₂和CH₄等。

上述合成甲醇的装置和工艺中，经由各级分离器收集的粗甲醇进行精馏工艺处理，所述精馏工艺为常规粗甲醇精馏提纯工艺。

本发明的有益效果：

本发明提供的合成甲醇的装置及工艺解决了目前甲醇工艺中大循环量、高耗能的问题，采用的多级合成系统，有效降低了合成系统的循环量和系统能耗，高效节能，且降低了驰放气中总碳量，提高了合成整体转化率，提高了系统的单产量。

附图说明

图1为背景技术中合成甲醇的工艺装置示意图；

图2为背景技术中改进的合成甲醇的工艺装置示意图；

图3为本发明实施例1中合成甲醇的二级合成工艺装置示意图；

附图符号说明：

1二合一压缩机，2第一换热器，3第一合成塔，4第一空冷器，5第一分离器，6第二换热器，7第二合成塔，8第二冷却器，9第二分离器；

101二合一压缩机，102换热器，103换热器，104合成塔，105空冷器，106分离器；

201二合一压缩机，202换热器，203换热器，204合成塔，205空冷器，206分离器，207循环机，208换热器，209合成塔，210冷却器，211分离器。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种合成甲醇的装置，如图3所示，该装置包括二合一压缩机1、一级合成单元和二级合成单元。

所述一级合成单元包括第一换热器2、第一合成塔3、第一空冷器4和第一分离器5；所述二级合成单元包括第二换热器6、第二合成塔7、第二冷却器8和第二分离器9；

第一换热器2设有第一合成前物料进口、第一合成前物料出口、第一合成后物料进口和第一合成后物料出口，所述第一合成塔设有第一进料口和第一出料口，所述第一分离器设有第一气相出口和第一液相出口；

第二换热器6设有第二合成前物料进口、第二合成前物料出口、第二合成后物料进口和第二合成后物料出口，第二合成塔设有第二进料口和第二出料口，第二分离器设有第二气相出口和第二液相出口；

二合一压缩机1与第一合成前物料进口相连通；第一合成前物料出口与第一进料口相连通；第一出料口与第一合成后物料进口相连通；第一合成后物料出口与第一空冷器4相连通；第一空冷器4与第一分离器5的待分离原料进口相连通；第一分离器5的第一气相出口与第二合成前物料出口相连通；第一分离器5的第一液相出口排出粗甲醇；

第二合成前物料出口与第二进料口相连通；第二出料口与第二合成后物料进口相连通；第二合成后物料出口与第二冷却器8相连通；第二冷却器8与第二分离器9的待分离原料进口相连通；第二分离器9的第二气相出口与二合一压缩机1相连通；第二分离器9的第二液相出口排出粗甲醇。

由第一分离器5和第二分离器9排出的粗甲醇进入甲醇精馏工艺。

本实施例还提供了一种合成甲醇的工艺，其采用本实施例上述的合成甲醇的装置，其包括以下步骤：

步骤一，将CO、CO₂和H₂为主要组成成分的转化气通过二合一压缩机1升压至5.5MPa，并经由第一换热器2升温至200℃，然后进入第一合成塔3进行合成反应，得到合成气；

将合成气经过第一换热器2降温至90℃，进入第一空冷器4冷却至30℃，接着进入第一分离器5分离得到粗甲醇和驰放气；

步骤二，将步骤一得到的驰放气通入第二换热器6进行升温至200℃，然后进入第二合成塔7进行合成反应，反应后得到的二级合成气经过第二换热器6降温至90℃，并通过第二冷却器8冷却至30℃，接着进入第二分离器9分离，分离得到粗甲醇和二级驰放气；

步骤三，将得到的二级驰放气通入二合一压缩机1，重新循环。

实施例2

本实施例提供实施例1甲醇合成工艺与常规甲醇合成工艺(图1)对比实验。

如图1所示，常规甲醇合成工艺包括二合一压缩机101，换热器102和103，合成塔104，空冷器105和分离器106。二合一压缩机101和换热器102相连通，换热器102与换热器103相连通，换热器103和合成塔104相连通，合成塔104和空冷器105相连通，空冷器105和分离器106相连通，分离器106的气相出口和二合一压缩机101相连通，分离器106的液相出口排出甲醇。

本实施例1中的合成甲醇的工艺(如图3所示)中，根据处理气量的大小、转化气组分等进行综合考虑，采用一级合成塔催化剂装填量大，二级合成塔适当降低催化剂的装填量；一级合成塔中采用26m³催化剂，二级合成塔中采用8-10m³的催化剂；常规甲醇合成工艺(如图1所示)中，一级合成塔中采用50m³催化剂。

以年产10万吨甲醇为例。采用常规甲醇合成工艺，二合一压缩机循环量为280000N m³/h，功率为4800kW；而采用实施例1中二级合成甲醇的工艺后，整体循环量降至150000-200000Nm³/h，系统循环量将近减少至常规甲醇合成工艺的50％；且二合一压缩机功率为3200kW，每小时降低耗能1600kW，年降低电耗＝1600(kW)×8000(h)×0.6(元/kW·h)＝768万/年；

采用多级合成甲醇的工艺系统，解决了目前甲醇工艺中驰放气总碳高的瓶颈，降低驰放气中CO+CO₂的含量，提高整体转化率，提高系统单产量。具体为，采用上述二级合成甲醇的工艺，降低驰放气中总碳量(CO+CO₂)低于2％，且相比常规合成甲醇工艺而言，每小时多产0.5吨甲醇，市场上甲醇单价约为2000元/吨，年效益达800万。

实施例3

本实施例提供实施例1甲醇合成工艺与背景技术中一种利用甲醇驰放气生产甲醇的装置(图2)合成工艺对比实验。

图2甲醇合成工艺是在常规合成甲醇的工艺图1大合成工艺的基础上进行了改进，经由常规合成甲醇的工艺装置出来的驰放气再次进入一个小合成工艺中，该小合成工艺装置包括循环机207、换热器208、合成塔209、冷却器210、分离器211，循环机207与合成工艺中的换热器206气相出口相连通，循环机207和换热器208相连通，换热器208和合成塔209相连通，换热器208和冷却器210相连通，冷却器210和分离器211相连通，分离器211的气相出口排出尾气，或者回流进入小合成工艺的循环机207中进行循环，或者进入合成工艺的二合一压缩机201中进行循环，分离器211的液相出口排出甲醇。

以年产10万吨甲醇为例。采用图2合成甲醇的工艺，通过目前运行厂家来看，存在以下弊端：

1)大合成的循环量在280000-300000Nm³/h，大合成的循环压缩机功耗大，功率为4800kw；

2)小合成的需要增加一台单独的循环压缩机，功率在250kW，单独需要能耗；

3)小合成后的尾气总碳(CO+CO₂)的含量：在2.5-3％之间，反应不彻底(主要原因是催化剂空速过大，转化效率过低)；

4)催化剂装填过多：大合成装填催化剂为50m³,小合成塔装填催化剂为6m³,总装填催化剂量为56m³，一次性整体投资大。

采用实施例1的二级合成工艺，可以很好的解决以上问题，以年产10万吨甲醇为例，一级合成塔中采用26m³催化剂，二级合成塔中采用8-10m³的催化剂，通过现场试验验证：

1)实施例1中的二级合成甲醇的工艺可以保证压缩机的循环量在150000Nm³/h，系统的循环量降低一半，压缩机的功率将近为3000-3200kW左右，每小时降低耗能1600kW，年降低电耗＝1600(kW)×8000(h)×0.6(元/kW·h)＝768万/年；

2)不需要图2中合成甲醇工艺中小合成工艺的电耗：年耗电量可节省：800(kW)×8000(h)×0.6＝120万/年；

3)通过试验验证，采用实施例1中的二级合成甲醇的工艺可以保证合成后尾气总碳在1.5％-2.0％，较图2甲醇合成工艺的尾气总碳降低1％。使整套系统的转化率升高，甲醇瞬时产量增加，以10万吨甲醇气量计算(10000Nm³驰放气计算)：每小时多产142.8kg甲醇，年增产114.2t甲醇，产生效益＝114.2×2000＝22.8万元。

综上所述，本发明提供的合成甲醇的装置及工艺解决了目前甲醇工艺中大循环量、高耗能的问题，采用的多级合成系统，有效降低了合成系统的循环量和系统能耗，高效节能，且降低了驰放气中总碳量，提高了合成整体转化率，提高了系统的单产量。