本发明属于绿色甲醇合成，具体涉及一种熔盐移热、蓄热、换热一体化绿醇合成装置。
背景技术：
1、甲醇是最简单的饱和一元醇，为重要的化工原料和清洁燃料，可应用于有机化工原料、新型能源、医药等行业。甲醇可通过三种方式获取，氯甲烷水解法、甲烷氧化法和原料气法，前两种因制取甲醇存在局限性并为在工业上广泛实施，目前，工业上常采用原料气法制取甲醇。原料气的主要成分为一氧化碳、氢气、二氧化碳，因甲醇燃料的开发应用，国内外在甲醇的需求方面日益增加，并且通过原料气制取甲醇的方式为二氧化碳的捕集消纳提供新的途径，原料气法制取甲醇技术慢慢开始受到重视。
2、通过原料气合成甲醇技术中主要存在以下几种不足：(1)现有原料气在进入合成装置之前都需要通过单独的加热器加热或者换热器进行预热，预热后的原料气进入合成装置中的温度低于合成装置内部催化剂床层温度，较低的原料气温度导致合成装置内部副反应的增加，并且此种加热原料气的方式对占地具有一定要求且投资成本较高；(2)在绿醇特定的生产条件下，合成装置内置固定管板式换热管束存在反应放热高温热交变载荷，从而容易造成换热管脱离固定管板使换热管束被破坏的可能性，如果发生换热管束破坏的事故将会造成换热管内软水漏入合成装置内，引发催化剂失效及水瞬间汽化超压的重大安全事故；(3)在绿醇特定的反应温度条件限制下，汽包内饱和蒸汽温度对应的蒸汽压力较低导致产出的蒸汽品位较低、回收的热量在二次利用时受到限制、不能产生过热蒸汽等现象，高能低用的情况严重不符合能源利用规则；(4)由于原料气合成甲醇的过程是一个放热过程，现有合成甲醇装置采用高压水冷形式，通过控制外部汽包的压力从而控制合成装置内部的反应温度，此种控温方式需要设置汽包和配套加药装置，对于场地较小用户具有一定局限性，设备投资成本高；(5)现有合成装置通过水冷方式进行移热，需补充大量的水资源进行换热，又因采用自来水会腐蚀合成装置内部的部件，因此用水需要采用软化水或纯净水，需单独设置制水装置，导致制水成本升高，运行费用增加；(6)同摩尔一氧化碳和二氧化碳合成甲醇放热量相差近一倍，前者释放热量远大于后者，当原料气中所含一氧化碳量较高时，合成装置内部快速产生的强反应热无法被移出，导致合成装置内部超温，催化剂失活从而不利于反应操作控制，为避免此现象的发生，现有处理方式通过加水蒸汽将一氧化碳转化为二氧化碳和氢气，之后将多余的二氧化碳除去，此种处理方式因参与反应碳元素减少导致合成甲醇含量降低且产生二氧化碳的排放，需单独设置转换设备。
3、鉴于此，本发明提出一种熔盐移热、蓄热、换热一体化绿醇合成装置。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明拟解决的问题是，提供一种熔盐移热、蓄热、换热一体化绿醇合成装置。该合成装置通过采用宽温域、高比热容、常压的熔盐作为移热介质，通过设置蓄热介质循环系统可将内空腔产生的反应热源源不断地移动至外空腔加热原料气，内空腔产生的热量以显热的形式储存于熔盐介质，使得绿醇合成装置得以实现集移热、蓄热、换热功能于一体，可有效解决现有合成甲醇技术原料气进入合成装置温度低，配合设备数量众多、占用空间大等问题；通过采用高比热容的熔盐充分吸收合成装置内部产生的高热量，维持合成装置内部主反应稳定运行，避免现有技术为维持合成装置内部温度，将一氧化碳转化为二氧化碳并剔除二氧化碳的现象，避免二氧化碳排放问题，减少原料气的损耗，从而提高甲醇收率。
2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、一种熔盐移热、蓄热、换热一体化绿醇合成装置，包括反应壳体、以及设置于反应壳体内部的换热组件、空腔、原料气分布组件，其特征在于，所述反应壳体自上而下包括浮头、反应筒体、下封头；所述浮头上设置有原料气反应出口和催化剂入料口；所述下封头上设置有催化剂卸料口和蓄热介质出口；所述反应筒体由内筒体和外筒体构成一个整体；
4、所述空腔包括由内筒体的内壁、浮头的内壁组成的内空腔以及内筒体的外壁、外筒体的内壁和下封头内壁构成的外空腔；
5、所述换热组件包括位于内空腔中的蓄热介质管束和外空腔中的原料气管束；
6、所述原料气分布组件位于所述内筒体围覆的内空腔底部；
7、在内筒体上设置蓄热介质入口，所述蓄热介质位于内筒体与浮头连接位置的下部、且位于外筒体的上部；
8、在外筒体的上部设置原料气入口；
9、所述原料气管束位于所述外腔体内部以螺旋盘绕的形式自上而下布置，上端为盘管始端，与原料气入口连接，下端为盘管末端，与内筒体内的原料气分布组件连接；原料气管束的每一环缠绕盘管均通过支撑件与外筒体内壁和/或内筒体外壁固定；
10、所述蓄热介质管束位于所述内筒体的内空腔中，自上而下沿所述反应壳体的中间轴呈螺旋形盘绕布置，上端为盘管始端，与蓄热介质入口连接，下端为盘管末端，穿过内筒体与外空腔连通；蓄热介质管束的每一环缠绕盘管均通过支撑件与内筒体内壁固定；
11、所述蓄热介质出口通过外置管道与循环泵入口连接，所述循环泵出口通过外置管道与所述蓄热介质入口连接；所述外空腔以及所述蓄热介质管束内部均充满熔盐蓄热介质。
12、进一步地，所述浮头下端焊接有法兰，所述内筒体的上端焊接有与所述浮头下端法兰配对的反法兰，所述浮头法兰与所述内筒体反法兰通过螺栓、螺母和垫片将所述浮头和所述内筒体连接固定，属于可拆卸连接；所述外筒体焊接固定并包覆于所述内筒体的外层，所述外筒体的上端边缘距离所述内筒体的法兰端面为30-50cm；所述外筒体的下端与所述下封头通过焊接刚性连接；所述内筒体为下端封闭，上端开口的圆筒形式。
13、进一步地，所述原料气分布组件由原料气弯管、原料气直管和原料气分布头焊接连接组成，原料气弯管与原料气管束的下端盘管末端连接；优选所述原料气分布头采用球形网状结构。
14、进一步地，同一高度上支撑件沿圆周方向均匀分布，所述支撑件具有水平支撑面，缠绕盘管通过半圆形卡箍将其固定在水平支撑面上；外空腔内的支撑件长度与所述外空腔等宽或由内筒体外壁延伸至所述原料气管束的缠绕盘管的管道外侧为止，内空腔内的支撑件的长度为由内筒体内壁延伸至蓄热介质管束的缠绕盘管的管道内侧为止，所述支撑件能够满足支撑原料气管束/蓄热介质管束的作用。
15、进一步地，所述催化剂卸料口的直管段依次穿过所述下封头、所述内筒体的底端并连通内空腔，所述催化剂卸料口的直管段与所述下封头和所述内筒体的底端接触处通过焊接连接；所述催化剂卸料口在合成装置使用期间通过盲板进行封堵。
16、催化剂装填于由所述内筒体内壁和浮头内壁构成的内空腔中，装填系数达到80％。
17、进一步地，所述外空腔内设置有斜支撑为所述内筒体提供支撑力，所述斜支撑围绕所述内筒体的外表面均匀布置，具体斜支撑数量根据内筒体以及内筒体内部承载物体的总重量校核设定；
18、所述斜支撑包括下垫板、上垫板、斜撑杆，所述下垫板制作成与所述下封头内表面曲率一致的垫板，所述下垫板与所述下封头满焊连接，所述上垫板制作成与所述内筒体的外表面曲率一致的垫板，所述上垫板与所述内筒体通过满焊连接，所述斜撑杆两端分别与所述上垫板和下垫板配套焊接连接；优选地所述斜支撑与所述内筒体的外表面的夹角处于30-45°之间。
19、进一步地，所述内筒体的底部设置成穹形结构，方便催化剂卸料。
20、所述蓄热介质为二元盐或者三元盐熔盐，所选用熔盐应满足宽温区、高比热容、较好的流动性、低熔点和高沸点等性质。
21、进一步地，所述原料气管束和蓄热介质管束，在相同类型管束中上下相邻管道之间的间距为3-6cm。
22、进一步地，沿内筒体6的内表面自上而下布置有多点热电偶，用于实时监测内筒体的内部温度；所述循环泵19为耐高温变频熔盐泵，通过接收多点热电偶发出的温度信号，控制循环泵19频率，从而控制蓄热介质管束11中熔盐的流动速度，调整移热速率。
23、进一步地，所述蓄热介质入口设置于所述内筒体的外表面的侧壁上，介于所述外筒体的上端边缘和所述内层筒体的法兰端面之间，位于所述反应壳体的右上端，所述蓄热介质入口与所述内筒体壁面焊接连接。
24、进一步地，所述原料气入口设置与所述外筒体的外表面的侧壁上，位于所述外筒体的右上端，处于所述蓄热介质入口的正下方，所述原料气入口与所述外筒体壁面焊接连接。
25、进一步地，所述蓄热介质出口位于所述下封头外表面的右下侧，贯穿于所述下封头且与下封头接触部位通过焊接固定，所述蓄热介质出口位于所述原料气入口、所述蓄热介质入口的正下方；
26、进一步地，所述催化剂入料口位于所述浮头的右侧面呈45°角布置，所述催化剂入料口与所述浮头接触位置通过焊接连接，所述催化剂入料口在合成装置使用期间通过盲板进行封堵。
27、进一步地，所述催化剂卸料口和所述原料气反应出口安装于所述反应壳体的中间轴上。
28、所述原料气管束中流动有原料气。
29、进一步地，所述蓄热介质管束与所述外空腔和循环泵、外置管道共同组成蓄热介质循环系统。
30、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
31、1、本发明的绿醇合成装置耦合移热、蓄热、换热于一体的设备，与现有甲醇合成装置相比，现有合成装置需通过外置式预热器或加热器对原料气进行预热或加热，因本发明合成装置设置有外空腔组成的预热空间和蓄热介质循环系统，蓄热介质通过吸收内空腔反应热用于加热外空腔的原料气，整个加热过程都发生于独立的合成装置中，无需设置外置式的预热器和加热器，本发明绿醇合成装置结构简单，占用空间减小，整个甲醇合成系统造价更经济，造价显著降低约10％-20％。
32、2、本发明的绿醇合成装置的移热结构与现有合成装置相比，现有合成装置通过内置固定管板式换热管束进行移热，管束采用固定直管的形式，直管内部充装高压水进行移热，此种移热方式中管道承压高，固定直管形式不仅使管道消除热应力的能力差，且极易发生管道拉裂现象，引发管束内部高压水泄漏，导致合成装置的催化剂失活，泄漏的高压水瞬间气化使合成装置超压从而引发重大安全事故；而本发明的移热、蓄热管件采用蓄热介质管束，其利用螺旋盘绕形式，管束中的蓄热介质处于常压状态，管束中各管道承受压力小且通过旋转曲度可有效消除热应力，避免现有技术固定管板换热管束容易拉裂的问题，增强了甲醇合成装置的稳定性。
33、3、本发明绿醇合成装置采用在蓄热介质管束内部装填循环熔盐，对合成装置内部进行移热，无特殊情况下无需补充，相较于现有合成装置通过高压水移热的形式，移除合成装置内部的反应热需补充大量水资源，对于缺水地区具有限制性，为避免腐蚀设备所采用的冷却水需要使用软化水或纯净水，导致现有技术合成甲醇的运行成本增加，设备投资增加；本发明设置有蓄热介质循环系统，蓄热介质在合成装置中循环利用无需补充，本发明将传统水相变高压移热介质改为熔盐显热常压移热介质，并且熔盐移热介质汽化温度远高于合成装置最大反应温度，不存在气化现象，可有效解决现有技术的内漏以及内漏后水汽化超压问题；由于本发明采用高比热容的熔盐作为蓄热介质，可去除合成装置对水资源的依赖，剔除制水设备，减少投资费用、运行费用和建设周期。
34、4、本发明绿醇合成装置采用蓄热介质循环系统实现整个合成装置的控温，与现有甲醇合成装置的控温方式相比。现有技术主要通过控制外置式汽包的压力控制冷却水最终的换热温度，从而控制合成装置内部的反应温度；本发明通过设置常压形式蓄热介质循环系统，利用蓄热介质远远不断地将内空腔的热量传递至外空腔，外空腔中蓄热介质的热量供原料气升温利用，蓄热介质循环系统的设置即对原料气起到预热作用，又满足了内空腔的控温效果。相较于现有技术而言，本发明的控温方式采用常压循环形式，增加了系统的安全性，装置自身产生的热量用于加热原料气，一方面减少外部能量的输入，可实现热量自产自消；一方面剔除外置式汽包及配套加药装置等设备，减少了设备占地空间，简化了合成甲醇系统，降低投资成本、缩短了建设周期。
35、5、本发明绿醇合成装置与现有合成装置相比，现有的合成装置通过定压冷却水进行移热，当合成装置中快速产生强反应热时，因给定压力下的冷却水所吸收热量是一定的，现有合成装置无法快速移除内部产生的热量，若改变汽包压力，将会导致饱和水的温度随之升高，导致合成装置内部温度无法控制，管道承压能力有限，现有合成装置应对升温情况的能力较弱；而本发明通过采用高导热系数、高比热容、高汽化点的熔盐，通过利用熔盐的显热常压移热、储热的方法，熔盐温度上限超过565℃，可将合成装置内部快速产生的热量以显热的形式储存于熔盐介质中，通过循环快速将热量移出至外空腔内部，避免合成装置内部失温，保证合成装置内部反应的运行稳定。
36、6、本发明绿醇合成装置与现有合成装置相比，当原料气中一氧化碳含量较高时，为避免合成装置内部反应失温难以控制，现有甲醇合成技术过程中，需要对部分一氧化碳利用水蒸汽转化处理，将一氧化碳转化为二氧化碳和氢气，之后脱去二氧化碳，将处理后的原料气再合成甲醇；而本发明通过采用高比热容、宽温区的熔盐作为蓄热介质，可有效解决原料气因一氧化碳含量高无法直接通入甲醇合成装置发生反应的问题，产生的反应热可储存于熔盐介质，本发明蓄热介质管束内部的熔盐为常压状态，有低熔点、高沸点、温区跨度大等特性，足以吸收合成装置内部快速产生的反应热，不同于现有技术的冷却水受汽包压力的节制和内部管道承压能力的限制，无法承担过多热量。本发明可去除现有合成甲醇过程中一氧化碳转化的过程，从而减少转化过程的设备投资，缩短投资回收期，并且避免现有甲醇合成过程中二氧化碳的排放，提高原料气的利用率，增加甲醇收益率，装置的单程转化率高。
37、7、本发明绿醇合成装置的蓄热介质管束中的熔盐自上而下流动，原料气由原料气分布组件进入合成装置内腔自下而上流动，此种流动方式使得换热更加充分，热量吸收更完全；原料气沿着中间轴流动的方向上反应路程长，原料气与催化剂接触充分，使得原料气反应更加充分，原料气单程转化率更高。
1.一种熔盐移热、蓄热、换热一体化绿醇合成装置，包括反应壳体、以及设置于反应壳体内部的换热组件、空腔、原料气分布组件，其特征在于，所述反应壳体自上而下包括浮头、反应筒体、下封头；所述浮头上设置有原料气反应出口和催化剂入料口；所述下封头上设置有催化剂卸料口和蓄热介质出口；所述反应筒体由内筒体和外筒体构成一个整体；
2.根据权利要求1所述的熔盐移热、蓄热、换热一体化绿醇合成装置，其特征在于，所述浮头下端焊接有法兰，所述内筒体的上端焊接有与所述浮头下端法兰配对的反法兰，所述浮头法兰与所述内筒体反法兰通过螺栓、螺母和垫片将所述浮头和所述内筒体连接固定，属于可拆卸连接；所述外筒体焊接固定并包覆于所述内筒体的外层，所述外筒体的上端边缘距离所述内筒体的法兰端面为30-50cm；所述外筒体的下端与所述下封头通过焊接刚性连接；所述内筒体为下端封闭，上端开口的圆筒形式。
3.根据权利要求1所述的熔盐移热、蓄热、换热一体化绿醇合成装置，其特征在于，所述原料气分布组件由原料气弯管、原料气直管和原料气分布头焊接连接组成，原料气弯管与原料气管束的下端盘管末端连接；优选所述原料气分布头采用球形网状结构。
4.根据权利要求1所述的熔盐移热、蓄热、换热一体化绿醇合成装置，其特征在于，同一高度上支撑件沿圆周方向均匀分布，所述支撑件具有水平支撑面，缠绕盘管通过半圆形卡箍将其固定在水平支撑面上；外空腔内的支撑件长度与所述外空腔等宽或由内筒体外壁延伸至所述原料气管束的缠绕盘管的管道外侧为止，内空腔内的支撑件的长度为由内筒体内壁延伸至蓄热介质管束的缠绕盘管的管道内侧为止，所述支撑件能够满足支撑原料气管束/蓄热介质管束的作用。
5.根据权利要求1所述的熔盐移热、蓄热、换热一体化绿醇合成装置，其特征在于，所述催化剂卸料口的直管段依次穿过所述下封头、所述内筒体的底端并连通内空腔，所述催化剂卸料口的直管段与所述下封头和所述内筒体的底端接触处通过焊接连接；所述催化剂卸料口在合成装置使用期间通过盲板进行封堵；
6.根据权利要求1所述的熔盐移热、蓄热、换热一体化绿醇合成装置，其特征在于，所述外空腔内设置有斜支撑为所述内筒体提供支撑力，所述斜支撑围绕所述内筒体的外表面均匀布置，具体斜支撑数量根据内筒体以及内筒体内部承载物体的总重量校核设定；
7.根据权利要求1所述的熔盐移热、蓄热、换热一体化绿醇合成装置，其特征在于，所述内筒体的底部设置成穹形结构，方便催化剂卸料；
8.根据权利要求1所述的熔盐移热、蓄热、换热一体化绿醇合成装置，其特征在于，所述原料气管束和蓄热介质管束，在相同类型管束中上下相邻管道之间的间距为3-6cm。
9.根据权利要求1所述的熔盐移热、蓄热、换热一体化绿醇合成装置，其特征在于，沿内筒体的内表面自上而下布置有多点热电偶，用于实时监测内筒体的内部温度；所述循环泵为耐高温变频熔盐泵，通过接收多点热电偶发出的温度信号，控制循环泵频率，从而控制蓄热介质管束中熔盐的流动速度，调整移热速率。
10.根据权利要求1所述的熔盐移热、蓄热、换热一体化绿醇合成装置，其特征在于，所述绿醇合成装置的工作原理是：
