一种二氧化碳加氢制备甲醇系统及方法与流程

本技术属于甲醇制备，尤其涉及一种二氧化碳加氢制备甲醇系统及方法。

背景技术：

1、二氧化碳制甲醇是一种利用二氧化碳(co2)作为原料生产甲醇的绿色化学反应技术。该技术是应对能源短缺和气候变化等环境问题的新型能源生产技术之一。该技术的核心是通过反应将二氧化碳加氢转化为甲醇。二氧化碳来源可以是燃烧甲烷、煤、石油等化石燃料的二氧化碳排放，也可以来自工业废气、大气中二氧化碳的捕集等。同时，甲醇在许多工业领域中都是重要的原料，如制造塑料、染料、颜料、溶剂、医药等。因此，该技术被认为是一种可持续的能源生产技术。

2、二氧化碳制甲醇的具有以下几个方面优点。

3、一是可以缓解能源和化石燃料资源短缺，二氧化碳制甲醇可以通过将二氧化碳和可再生能源一起利用，减少对传统石油、煤等能源的需求，帮助解决未来能源供应问题。

4、二是解决环境污染和气候变化，二氧化碳作为温室气体的排放是引起气候变化的主要原因之一。而将二氧化碳转化为甲醇可以作为一个有效的二氧化碳减排手段，同时，也能从源头上减少二氧化碳排放。

5、三是化学工业的可持续发展，传统的甲醇生产方法一般使用天然气或煤炭等化石燃料作为原料，会产生大量二氧化碳等有害物质，而二氧化碳制甲醇不但可以减少对化石燃料的使用，还能将二氧化碳作为资源化，有助于化学工业的可持续发展。

6、综上所述，二氧化碳制甲醇技术具有将环境保护和可持续发展融为一体的优点，是人们关注的热点研究领域之一。

7、cn 115259997a公开了一种自移热式二氧化碳加氢制甲醇合成工艺，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。该工艺采用内置电加热器的气冷甲醇反应器实现了粗甲醇的合成，但未实现甲醇合成与甲醇精馏的热耦合。二氧化碳加氢生成甲醇的反应放热量较少，通过计算废热锅炉回收的蒸汽量约为0.4-0.7t蒸汽/t甲醇，而甲醇精馏过程需要的大量热量，需要约1-1.8t蒸汽/t甲醇。因此采用该工艺制备精甲醇需要从外界输入大量蒸汽，同时甲醇合成回路中在原料气预热器之后，有大量低品位热量无法利用，需要消耗大量循环水冷却，这即浪费了热源又耗费了大量循环水。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种二氧化碳加氢制备甲醇系统及方法，旨在解决或部分解决上述背景技术存在的不足，通过增设换热回路将甲醇合成过程中产出的热量充分收集起来为后续甲醇的精馏过程提供热源，从而实现二氧化碳加氢制甲醇过程中，甲醇合成和甲醇精馏两个过程的热耦合，达到自身整体热平衡，降低整个系统的能耗。

2、本发明提供一种二氧化碳加氢制备甲醇系统，包括甲醇合成单元和甲醇精馏单元，所述甲醇合成单元包括合成塔，氢气和二氧化碳在所述合成塔反应生成甲醇反应物，所述甲醇反应物经所述甲醇精馏单元精馏得到精甲醇；

3、所述甲醇合成单元包括用于对所述合成塔生成的甲醇反应物进行降温的第一蒸发器，所述第一蒸发器与所述甲醇精馏单元的再沸器通过管路形成第一换热回路，移热工质在所述第一蒸发器吸收所述甲醇反应物的热量并在所述再沸器放热。

4、本发明的有益效果是：通过设置蒸发器将甲醇合成回路中热量利用移热工质进行取热，实现将甲醇合成系统回路中的热量充分回收，并将移热工质中储存的热量用于给后续甲醇精馏过程供热，从而实现二氧化碳加氢制甲醇过程中，甲醇合成和甲醇精馏两个过程的热耦合，达到自身整体热平衡，降低整个系统的能耗。

5、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

6、进一步，所述甲醇合成单元还包括用于对所述合成塔生成的甲醇反应物进行二次降温的第二蒸发器，所述第二蒸发器连接有压缩机，所述第二蒸发器、所述压缩机与所述甲醇精馏单元的再沸器通过管路形成第二换热回路，移热工质在所述第二蒸发器吸收所述甲醇反应物的热量并经所述压缩机压缩后作为所述再沸器的热源。

7、采用上述进一步方案的有益效果是，对合成塔中甲醇合成反应过程产生的经过第一蒸发器吸收热量后剩余的低温热量也进行吸收，并经过压缩机加热后一起为后续的甲醇反应物的精馏过程提供热源。

8、进一步，所述第二蒸发器和所述压缩机形成第一吸热管路，所述第一蒸发器为第二吸热管路，从所述再沸器流出的所述移热工质分流并分别经所述第一吸热管路和所述第二吸热管路后汇入所述再沸器。

9、采用上述进一步方案的有益效果是，设置第一第二两个吸热管路，利用移热工质的从液相变成气相存储热量，再由气相变为液相放出热量的特性，设计出两条并列的换热管路，共同为后续的甲醇反应物的精馏过程提供热源。

10、进一步，所述第一蒸发器和所述第二蒸发器之间还设置有预热器，所述甲醇反应物通过管路顺次通过所述第一蒸发器、所述预热器和所述第二蒸发器，所述预热器吸收所述甲醇反应物的热量并为所述二氧化碳和氢气加热。

11、采用上述进一步方案的有益效果是，增加预热器对甲醇反应物进一步降温，从而实现利用三级降温的方式对甲醇反应物降温过程中的热量进行充分吸收，同时将吸收的热量用于供初始的原料气体——二氧化碳和氢气的加热使用，节约热量的同时又实现了对所回收热量的充分吸收。

12、进一步，所述甲醇反应物经过所述第一蒸发器降温后所述甲醇反应物温度范围为150℃-220℃，所述甲醇反应物经过所述预热器降温后所述甲醇反应物温度范围为100℃-150℃，所述甲醇反应物经过所述第二蒸发器降温后所述甲醇反应物温度范围为70℃-100℃。

13、采用上述进一步方案的有益效果是，使得甲醇反应物经过第一蒸发器、预热器、第二蒸发器的三级降温后达到合适温度，并为后续的甲醇的冷却、分离和闪蒸做好准备工作，同时三级逐步降温的过程可以确保移热工质可以对甲醇反应物降温过程中所释放的热量的充分吸收，提高热量的吸收效率。

14、进一步，还包括甲醇冷凝分离单元，所述甲醇冷凝分离单元包括水冷器、甲醇分离器和闪蒸罐，所述甲醇反应物通过所述水冷器降温后经所述甲醇分离器进行气液分离，液相甲醇经所述闪蒸罐减压后输送至所述甲醇精馏单元，气体进入联合压缩机与原料气混合加压后送入合成塔。

15、采用上述进一步方案的有益效果是，设置甲醇冷凝分离单元将甲醇反应物进行逐级的冷却、分离和闪蒸降压过程，从而更好地为后续液相甲醇的精馏做好准备工作，同时将未能充分反应的剩余的二氧化碳和氢气再次送回至原始的混合原料气体中进行进一步反应。

16、进一步，所述精馏单元为三塔精馏系统，所述三塔精馏系统包括预精馏塔、加压塔和常压塔，所述甲醇反应物通过管路顺次通过所述预精馏塔、所述加压塔和所述常压塔进行三级精馏；

17、所述甲醇精馏单元的再沸器包括第一再沸器和第二再沸器，所述第一再沸器用于对进入所述预精馏塔的甲醇反应物进行加热，所述第二再沸器对进入所述加压塔的甲醇反应物进行加热，所述移热工质在所述第一蒸发器吸收所述甲醇反应物的热量为所述再沸器的热源。

18、采用上述进一步方案的有益效果是，对液相甲醇进行三塔精馏，可以将甲醇充分提纯精馏出来，同时三塔精馏工艺操作简单、技术成熟、风险低。另外在预精馏塔和加压塔上分别设置第一再沸器和第二再沸器，实现这两级精馏塔的独立供热循环，同时第一再沸器和第二再沸器均由第一蒸发器和第二蒸发器共同提供热源，如此本系统即可实现完整的吸收和放热过程中热量的循环利用。

19、进一步，所述甲醇精馏单元的再沸器还包括第三再沸器，所述第三再沸器对进入所述常压塔的甲醇反应物进行加热，所述加压塔气相出口出来的气态精甲醇为所述第三再沸器提供热源，所述气态精甲醇放热后一部分进入精甲醇收集罐，另一部分回流至所述加压塔。

20、采用上述进一步方案的有益效果是，因为预精馏塔和加压塔这二级精馏塔的精馏过程需要消耗大量热量，如果第一蒸发器和第二蒸发器同时也为常压塔这一精馏过程提供热源，可能会出现热量不够的情况，因此将常压塔的热量来源改至由前一个加压塔中精馏出来的气相的精甲醇来提供热源，气相的精甲醇经过放热后冷却成液体，可直接进行收集。

21、进一步，所述移热工质选自如下物质中的一种：氟利昂、烷烃类物质、烯烃类物质、胺类物质、醇类物质。

22、采用上述进一步方案的有益效果是，氟利昂、烷烃类物质、烯烃类物质、胺类物质、醇类等物质作为移热工质，具有稳定性好、蒸发热大等众多优点。

23、本发明还提供一种采用上述系统进行的二氧化碳加氢制备甲醇的方法，包括以下步骤：

24、s1、将氢气与二氧化碳的摩尔比范围为2.5～3.5的所述原料气联合加压加热至压力为5-10mpag、温度为130℃-200℃，并将混合气体运送到所述合成塔(1)进行甲醇的合成；

25、s2、合成塔合成的甲醇反应物经过甲醇分离器(4)和闪蒸罐(8)处理后输送至所述甲醇精馏单元进行进一步提纯得到精甲醇；

26、s3、移热工质通过蒸发器吸收s1步骤中甲醇合成反应过程所释放的热量而后通过再沸器为甲醇精馏单元中液相甲醇的精馏提供热源。

27、采用上述进一步方案的有益效果是，通过设置蒸发器将甲醇合成回路中热量利用移热工质进行吸收，实现将甲醇合成系统回路中的热量充分回收，并将移热工质中储存的热量用于给后续甲醇精馏过程供热，从而实现二氧化碳加氢制甲醇过程中，甲醇合成和甲醇精馏两个过程的热耦合，达到自身整体热平衡，降低整个系统的能耗。