CN101554572A - 一种甲烷合成反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种甲烷合成反应器，在反应器中增加若干顺流逆流换热管，将甲烷合成反应产生的大量热通过换热管中的原料气移走，来降低催化剂床层温度，使床层温度分布更均衡。当出现通过顺逆换热管中的原料气不能及时将反应热移走时，可启用冷激气直接冷激来调节催化剂床层的温度，保证反应顺利进行。该反应器结构合理，制造方便，有效利用反应热，床层温度均衡，循环气量小。

Description

一种甲烷合成反应器
技术领域
本发明涉及甲烷合成领域，特别涉及一种甲烷合成反应器。
背景技术
甲烷合成反应是在高温和有催化剂存在的情况下，气体中CO、CO2和H2发生反应，生成CH4和H2O。甲烷合成反应是强放热反应，绝热温升的数值大致为：
Figure A20091008441100031
Figure A20091008441100032
同时甲烷合成反应的操作温度相对较高，必须及时从反应器内取走反应热，控制反应温度，才能保证反应器的正常运行。为有效地移出大量的反应热，使反应器稳定操作，延长催化剂使用寿命，反应器的结构型式成为甲烷化工艺的核心技术之一。
甲烷化反应主要有两方面的应用：一、在合成氨厂用于气体净化作用，二、制取天然气和城市煤气增加燃气的热值。目前氨厂一般控制甲烷化进口CO浓度＜1％，如何实现甲烷化反应热平衡问题是这类甲烷化反应器设计重点，因此在美国专利US4252771和US4323252以及中国专利CN98240557.X中的换热型甲烷化反应器采用其底部设置有换热面积大的换热器，新鲜气体在反应器内的换热器中与产品气换热升温后再去催化剂床层反应，降低进出气体的温度差，实现反应热利用；而在合成气制甲烷过程，反应气体中CO浓度大于5％，在反应过程会产生大量的热，在其反应器设计过程中更着重如何将反应过程中产生的热量及时有效的移走，防止催化剂飞温，保证反应器安全稳定操作。在美国专利US 4,064,256和丹麦托普索合成气生产天然气工艺(美国专利US 4,298,694、US4,130,573)采用2，3个绝热型反应器串联使用，利用产品气大量循环，移走反应热，降低绝热反应器催化剂床层温度，使强放热的甲烷合成反应在催化剂的使用温度范围内得以充分进行，但是较高的反应器操作温度，给设备的选材和成本造成负担，即使降低反应器操作温度，过大的产品气循环量就会直接增加反应气线速度和催化剂床层高度，导致反应器压降过大和外部循环压缩机功率的增大。因此上述反应器结构还有待于进一步改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提出一种具有结构合理，制造方便，床层温度均衡、低循环比和连续反应的节能甲烷合成反应器。
本发明所要解决的技术问题采用的技术方案为：
该甲烷合成反应器具有壳体顶部原料进气口、壳体顶部冷激气进气口、反应器承压外壳、反应器顶部密封与上承板形成的缓冲腔、上承板、冷激气分布器、催化剂上下部填料层、催化剂床层、逆流换热管和顺流换热管、催化剂下承板、上升气流和下降气流的连通气腔、催化剂下承板与反应器底部密封形成的缓冲腔、壳体底部产品出气、热电偶安装口等。
所述热电偶位于顺流换热管和逆流换热管间中心位置。
所述反应器中催化剂床层上下部为填料层，填料层优选瓷球或催化剂载体。
本发明的优点在于：在甲烷合成反应器的催化剂床层中，增加了若干顺流逆流换热管，顺流换热管和逆流换热管的横截面面积比通常为0.2/1～4/1，优选0.5/1～2/1，最优选0.7～0.9/1；顺流逆流换热管横截面总面积通常占反应器壳体横截面面积的10％～90％，优选20％～70％，最优选20～50％。
原料气可为合成气和循环产品气的混合气；也可以不用产品气循环。原料气中通常CO的含量为5％～13％、H2的含量为15％～54％，CH4含量为0％～78.4％，CO2含量为0～37％，其他气体含量＜4％。
顺流换热管的上部位于反应器顶部密封与上承板形成的缓冲腔中，逆流换热管的上部位于上承板与催化剂上填料层之间。顺流换热管和逆流换热管的下部通常位于催化剂的下承板与反应器底部密封形成的缓冲腔中，为保证气流通畅及换热效率，优选逆流换热管的下部低于顺流换热管的下部。顺流逆流换热管将甲烷合成反应产生的大量热通过催化剂床层中换热管中的原料气移走，来降低了床层温度，使床层温度分布更均衡；又预热了原料，实现了反应热的有效利用，使强放热的甲烷合成反应在催化剂的使用温度范围内得以充分进行；同时减少产品气的循环量，降低反应器压降和循环压缩机功率。
若出现通过催化剂床层中顺逆换热管中的原料气不能将及时将反应热移走的问题，可启用冷激气直接冷激来调节催化剂床层的温度，保证反应顺利进行，冷激气通常采用水蒸汽、产品气或CH4；所以，与现有的甲烷合成反应器相比，这个反应器可以完成现有工艺2～3个反应器所实现的功能；改善了反应器的取热方式，反应器运行操作温度在450℃左右，比现有技术的甲烷合成反应器操作温度降低200℃左右，操作安全得以保障；解决了反应器的选材问题，反应器的投资成本大大降低；解决了高温压缩机的问题，通过工艺调整，可选用常温的压缩机。
附图说明
图1为本发明的纵向剖视结构图；
图2为冷激气分布器的横向剖视结构图；
图3为催化剂床层的横向剖视结构图。
图中，1-原料气；2-下降气体；3-上升气体；4-原料气；5-反应气.；6、7-产品气；8-冷激气；9-原料气进气口；10-冷激气进气口；11-外壳；12-缓冲腔；13-上承板；14-冷激气分布器；15-填料层；16-催化剂床层；17-逆流换热管；18-顺流换热管；19-下承板；20-连通气腔；21-缓冲腔；22-产品出气口；23-热电偶安装口；24-冷激气分布器出气口。
其中，图1为摘要附图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明详细说明，以下仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明的范围。即大凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。
实施例1
如图1、图2和图3所示，本反应器包括有壳体顶部原料进气口9、壳体顶部冷激气进气口10、外壳11、反应器顶部密封与上承板形成的缓冲腔12、上承板13，、冷激气分布器14、催化剂上下部填料层15、催化剂床层16、逆流换热管17和顺流换热管18、催化剂下承板19、上升气流和下降气流的连通气腔20、催化剂支承板与反应器底部密封形成的缓冲腔21、壳体底部产品出气22、热电偶安装口23。图2所示为冷激气分布器14的出气口24的分布。催化剂床层中分布一定数目的逆流换热管17和顺流换热管18，如图3所示，催化剂装填在顺逆换热管与壳体11空隙间。
顺流换热管18和逆流换热管17的横截面面积比，及顺流换热管18和逆流换热管17横截面总面积占反应器壳体横截面面积的比例通常根据原料气中组分的不同，所需的范围也就不一样。顺流换热管18和逆流换热管17的横截面面积比通常为0.2/1～4/1，优选0.5/1～2/1，最优选0.7～0.9/1；顺流换热管18和逆流换热管17横截面总面积通常占反应器壳体横截面面积的10％～90％，优选20％～70％，最优选20～50％。
原料气为合成气和循环产品气的混合气。原料气中各组分的含量分别为：CO 8.2％、CO2 0.5％、H2 24.9％、CH4 66.2％和N2+Ar 0.2％时，顺流换热管18和逆流换热管17的横截面面积比为0.78/1；顺流换热管18和逆流换热管17横截面总面积占反应器壳体横截面面积的比例为38％。
在图1中，原料气1从壳体顶部原料进气口9进入反应器顶部密封与上承板形成的缓冲腔12，分布到顺流换热管18中，下降气体2在顺流换热管18中先由上到下流动与催化剂床层中反应气并流换热，移走催化剂床层16的部分热量，降低床层16的温度，下降气体2在上升气流和下降气流的连通气腔20中进入逆流换热管17，上升气体3在逆流换热管17中先由下到上流动与催化剂床层中反应气逆流换热，床层温度进一步下降，使床层温度分布更均衡，换热后的原料气4先进入催化剂上部填料层15，在上部填料层15中原料气充分混合和进一步预热后，进入催化剂床层16，反应气5在催化剂颗粒表面发生甲烷合成反应，产生大量热，反应后产品气6通过催化剂下承板19上气孔进入下承板与反应器底部密封形成的缓冲腔21，产品气7通过壳体底部产品出口22流出反应器。
若通过催化剂床层中顺逆流换热管中的原料气不能及时将反应热移走，催化剂床层出现温度突然升高，影响反应的正常进行情况下，可以启动冷激气分布器14，采用冷激气8直接冷激来调节催化剂床层16的温度。
实施例2
采用与实施例1相同的甲烷合成反应器，不同之处为：原料气不用产品气循环，合成气中CO 10％，CO2 36.5％，H2 50.8％，其它气体2.7％，顺流换热管18和逆流换热管17的横截面面积比为0.73/1；顺流换热管18和逆流换热管17横截面总面积占反应器壳体横截面面积的比例为50％。

Claims (10)

1.一种甲烷合成反应器，其特征在于：在反应器中增加若干顺流换热管(18)和逆流换热管(17)。
2.根据权利要求1所述反应器，其特征在于：顺流换热管(18)和逆流换热管(17)的横截面面积比为0.2/1～4/1。
3.根据权利要求2所述反应器，其特征在于：顺流换热管(18)和逆流换热管(17)的横截面面积比为0.5/1～2/1。
4.根据权利要求1～3所述任意一种反应器，其特征在于：顺流换热管(18)和逆流换热管(17)横截面总面积占反应器壳体横截面面积的10％～90％。
5.根据权利要求4所述反应器，其特征在于：顺流换热管(18)和逆流换热管(17)的横截面总面积占反应器壳体横截面面积的20％～70％。
6.根据权利要求1～5所述任意一种反应器，其特征在于：逆流换热管(17)的下部低于顺流换热管(18)的下部。
7.根据权利要求1～6所述任意一种反应器，其特征在于：反应器还包括冷激气分布器(14)。
8.根据权利要求1～7所述任意一种反应器，其特征在于：反应器还包括原料气进气口(9)、冷激气进气口(10)、外壳(11)、缓冲腔(12)、上承板(13)、填料层(15)、催化剂床层(16)、下承板(19)、连通气腔(20)、缓冲腔(21)、产品出气口(22)、热电偶安装口(23)。
9.根据权利要求8所述的反应器，其特征在于：所述热电偶位于顺流换热管(18)和逆流换热管(17)间中心位置。
10.根据权利要求8或9所述的反应器，其特征在于：所述填料层(15)为瓷球或催化剂载体。
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