CN104152198A - 甲烷化反应工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种甲烷化反应工艺，解决了现有甲烷化反应工艺复杂、流程长、系统温度控制不稳定、催化剂易失活的问题。技术方案包括原料气经气液分离罐气液分离后送入脱硫槽脱硫，然后送入进料气加热器中与出等温反应器的反应气换热升温，升温后的原料气送入等温反应器进行反应，反应后的反应气送入所述进料气加热器与原料气换热降温后再送入低温绝热反应器进一步充分反应得到甲烷气。本发明工艺流程极其简单、控制可靠、设备投资低、运行成本低、节能降耗、可获得高品位蒸汽。

Description

甲烷化反应工艺

技术领域

本发明涉及一种甲烷化工艺，具体的说是一种甲烷化反应工艺。

背景技术

采用甲烷化反应制取天然气产品如SNG、LNG、CNG等是天然气化工中一个重要的途径。以SNG为例，SNG生产需要的原料气是一氧化碳和氢气，甲烷化反应是原料气借助于催化剂的作用，在一定温度下，在甲烷化反应器中使一氧化碳和氢气反应，生成甲烷的工艺过程。甲烷化反应属强放热反应，且是一个热力学控制的过程，工业上甲烷化装置多采用绝热固定床反应器，这种反应流程一般配置多台绝热固定床反应器和多台换热设备，工艺路线长，系统阻力大，工程投资大，运行能耗高、低品位热能多但却不能有效利用，系统能耗高，反应器易飞温、催化剂容易高温失活等问题。

发明内容

本发明目的是为了解决上述技术问题，提供一种工艺简单、控制可靠、设备投资低、运行成本低、节能降耗、获得高品位蒸汽的甲烷化反应工艺。

本发明工艺包括原料气经气液分离罐气液分离后送入脱硫槽脱硫，然后送入进料气加热器中与出等温反应器的反应气换热升温，升温后的原料气送入等温反应器进行反应，使原料气中甲烷转化效率达90％以上，反应后的反应气送入所述进料气加热器与原料气换热降温后再送入低温绝热反应器进一步充分反应得到甲烷气。

原料气经进料气加热器换热后升温至550-580℃；所述反应气经进料气加热器换热降温至330-380℃后再送入低温绝热反应器，出低温绝热反应器后原料气的转化率达99.5％。

所述等温反应器包括壳体，所述壳体内的上段和下段分别设有上室布水器和下室布水器，所述上室布水器与下室布器之间经多根换热管连接，所述上室布水器与壳体顶部的水汽出口管连通，下室布水器与壳体底部的锅炉给水管连接，所述壳体顶部设有原料气进口、底部设有反应气出口管，所述壳体的中段填充有催化剂床层，反应室中心管位于壳体中段中心线位置且与反应气出口管连通；所述原料气由原料气进口进入壳体内，在穿过催化剂床层时与催化剂发生反应，反应后的气体经反应室中心管由反应气出口管排出；所述锅炉给水由锅炉给水进口进入下室布水器，由下室布水器进入换热管与管外的催化剂床层间接换热，换热后的水汽经上室布水器由水汽出口引出。

所述反应室中心管上均匀开有多个小孔，小孔孔径为0.1mm～20mm。

所述等温反应器的高径比为2.0：1～3.5：1。

所述上室布水器位于上室支撑板内，所述上室支撑板距离壳体壁面具有环隙，所述原料气经环隙向下流入催化剂床层。

所述下室布水器位于下室支撑板内。

所述壳体上的水汽出口管均匀布置有四根，所述锅炉给水管也均匀布置有四根。

所述水汽出口管与汽包的蒸汽管道连接，所述锅炉给水进口管与汽包的锅炉给水管道连接，所述锅炉给水经汽包送入等温反应器的锅炉给水管内，蒸汽由水汽出口管引出经汽包的蒸汽管道外送。

发明人改变了过去甲烷化工艺采用多段绝热反应器及多台换热器串联的流程，改用一台恒温的等温反应器，同时为提高原料气的转化率，仅串联了一台低温绝热反应器，并对等温反应器的结构也进行了改进，主要表现在以下方面。

首先，发明人设置等温反应器串联低温绝热反应器来使原料气进行充分甲烷化反应。通过设置等温反应器维持系统恒温在550-580℃，便于控制系统温度，有效防止系统升温，避免催化剂高温失活；设置串联的绝热反应器，保持系统低温控制在330-380℃，利用低温下绝热反应器内充分反应的原理，使系统原料气充分反应，提高原料气转化率。

其次，发明人对等温反应器进行改进，通过向换热管内通入锅炉给水，可对等温反应器内的催化剂床层高效换热，移除甲烷化反应热量，保证等温反应器内温度恒定，避免催化剂高温失活，同时副产高品位蒸汽，改变传统绝热多段甲烷化反应流程，优化工艺流程，减少甲烷化反应器及换热器数量，节省装置投资，便于操作管理；通过设置下室布水器，使锅炉给水能均匀的进入每根换热管中，保证催化剂床层温度均匀，避免床层温度不均导致的催化剂失活，提高催化剂的使用寿命。

进一步的，将反应室中心管设置在壳体中段的中心线上，保证原料气以尽可能长的行程穿过催化剂床层与催化剂进行充分反应，然后再进入反应室中心管；在反应室中心管的下段管壁上均匀开有多个小孔，这样就可使原料气向催化剂床层中心集中的同时还增加了下行的路线才能由反应室中心管引出，提高催化反应的均匀性和系统的稳定性。小孔孔径为0.1mm～20mm，过大会造成原料气未充分进行催化反应就通过大孔离开系统，从而降低原料气转化率，也造成原料的浪费；过小会加大系统阻力降，使发生甲烷化反应后的气体不能及时移出系统。所述等温反应器的高径比为2.0：1～3.5：1，在此比例范围内上有最大甲烷化反应效率。

所述上室布水器和下室布水器可安装在对应的上室及下室支撑板内，所述上室支撑板距离壳体壁面具有一定环隙，起到为原料气导向作用，使原料气经环隙沿壳体壁面下行，从催化剂床层的周部向中部行进。

再次，发明人设置进料气加热器，利用等温反应器出口甲烷气与原料气换热，一方面升高原料气温度，提高等温反应器内初期反应速率，另一方面降低甲烷气温度以进入下段绝热反应器更充分地进行甲烷化反应，达到合理利用能量的目的；

本发明工艺仅有两级甲烷化反应段，温度控制更为简单可靠，易于操作，设备紧凑、装置占地面积小、设备投资和运行成本低，甲烷化效率高、同时副产高品位蒸汽，具有广阔的市场应用前景，适用于化工厂的以净化气中的一氧化碳与氢气为原料气进行充分甲烷化的流程。

附图说明

图1为本发明工艺流程图；

图2为本发明中等温反应器的结构示意图；

图3为等温反应器中热换管及布水器的立面图。

其中：A-气液分离罐、B-脱硫槽、C-进料气加热器、D-等温反应器、E-绝热反应器、F-汽包。

1-原料气进口、2-反应气出口管、3-锅炉给水进口管、4-水汽出口管、5-催化剂进口、6-催化剂出口、7-上室布水器、8-下室布水器、9-反应室中心管、10-环隙、11-上室支撑板、12-下室下支撑板、13-换热管、14-小孔、15-催化剂床层、16-壳体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步解释说明：

等温反应器D的结构为包括壳体16，所述壳体16内的上段和下段分别设有安装上室支撑板11内的上室布水器7和安装在下室支撑板12内下室布水器8，所述上室支撑板11距离壳体16壁面具有环隙10，所述上室布水器7与下室布器8之间经均匀布置的多根换热管13连通，所述上室布水器7与壳体16顶部四根均匀布置的水汽出口管4连通，下室布水器8与壳体16底部四根均匀布置的锅炉给水管3连通，所述壳体16顶部还设有原料气进口1，底部设有反应气出口管2，所述壳体16的中段填充有催化剂床层15，反应室中心管9的位于壳体16中段中心线位置且与反应气出口管2连通，所述反应室中心管9下段均匀有开有多个小孔14，小孔孔径为0.1mm～20mm，所述等温反应器的高径比为2.0：1～3.5：1。所述壳体上还设有与催化剂床层15连通的催化剂进口5和催化剂出口5。

工艺过程：

参见图1，原料气(以一氧化碳和氢气作为原料气，温度180-280℃、压力3.0-6.5MPaG)经气液分离罐A气液分离后送入脱硫槽B脱硫，脱硫后的原料气(硫含量降至20ppb以下)然后送入进料气加热器C中与出等温反应器D的反应气换热升温至550-580℃，升温后的原料气送入等温反应器D进行反应，使原料气中甲烷的转化效率达90％以上，反应后的反应气送入所述进料气加热器C与原料气换热降温至330-380℃后再送入低温绝热反应器E进一步充分反应得到甲烷气(甲烷转化效率达99.5％以上)。锅炉给水由经汽包F的锅炉给水管道送入等温反应器D底部的锅炉给水进口管3，所述等温反应器D顶部引出的水蒸汽(550-580℃的饱和蒸汽)经水汽出口管4引出后再经汽包F的蒸汽管道送出外送。

参见图2，在所述等温反应器D中，所述原料气由原料气进口1进入壳体16上段再经上室支撑板11导向，经上室支撑板11与壳体15间的环隙10沿壳体16的壁面下行，在穿过催化剂床层15时与催化剂发生反应，反应后的气体经反应室中心管9下段的小孔14进入反应气出口管2内，最后由反应气出口管2排出；所述锅炉给水由锅炉给水进口管3进入下室布水器8，由下室布水器8进入换热管13与管外的催化剂床层15间接换热，换热后的水蒸汽经上室布水器7由水汽出口管4引出。由于等温反应器D中持续锅炉给水的通入，能够不断移走催化反应产生的热量，使等温反应器D内的温度恒定，使原料气能够在反应器内充分反应，不会出现反应器易飞温、催化剂容易高温失活等问题。同样由于等温反应器的温度控制恒定，因此相对于绝热反应器而言，等温反应器D设备的材料成本及制造难度也相应相降，设备投资更低。

所述绝热反应器E为甲烷化工艺现有常用反应器，具体结构在此不作详述。所述布水器可以为盘管。所述催化剂床层中填充的催化剂可以为市场中常用的耐高温甲烷化催化剂。

以年产22亿Nm3天然气的甲烷化工艺为例，若采用本方明工艺，反应器温度控制平稳、催化剂能高效利用不失活、反应段数只需等温反应器与绝热反应器两段，能有效地提高原料气转化效率(达99.5％以上)，同时副产蒸汽外送，节能降耗增效效果明显。由于流程简单，设备数量少，不需要频繁检修和检修设备少，可极大地降低设备的维护费用，直接减少设备投资约2500万元，节约运行成本约1600万元，外送蒸汽产生附加效益约400万元，总计可产生4500万元的经济效益。

Claims (9)

1.一种甲烷化反应工艺，其特征在于，包括原料气经气液分离罐气液分离后送入脱硫槽脱硫，然后送入进料气加热器中与出等温反应器的反应气换热升温，升温后的原料气送入等温反应器进行反应，使原料气中甲烷转化效率达90％以上，反应后的反应气送入所述进料气加热器与原料气换热降温后再送入低温绝热反应器进一步充分反应得到甲烷气。

2.如权利用求1所述的甲烷化反应工艺，其特征在于，所述原料气经进料气加热器换热后升温至550-580℃；所述反应气经进料气加热器换热降温至330-380℃后再送入低温绝热反应器，出低温绝热反应器后原料气的转化率达99.5％。

3.如权利用求1或2所述的甲烷化反应工艺，其特征在于，所述等温反应器包括壳体，所述壳体内的上段和下段分别设有上室布水器和下室布水器，所述上室布水器与下室布器之间经多根换热管连接，所述上室布水器与壳体顶部的水汽出口管连通，下室布水器与壳体底部的锅炉给水管连接，所述壳体顶部设有原料气进口、底部设有反应气出口管，所述壳体的中段填充有催化剂床层，反应室中心管位于壳体中段中心线位置且与反应气出口管连通；所述原料气由原料气进口进入壳体内，在穿过催化剂床层时与催化剂发生反应，反应后的气体经反应室中心管由反应气出口管排出；所述锅炉给水由锅炉给水进口进入下室布水器，由下室布水器进入换热管与管外的催化剂床层间接换热，换热后的水汽经上室布水器由水汽出口引出。

4.如权利用求3所述的甲烷化反应工艺，其特征在于，所述反应室中心管上均匀开有多个小孔，小孔孔径为0.1mm～20mm。

5.如权利用求3所述的甲烷化反应工艺，其特征在于，所述等温反应器的高径比为2.0：1～3.5：1。

6.如权利用求3所述的甲烷化反应工艺，其特征在于，所述上室布水器位于上室支撑板内，所述上室支撑板距离壳体壁面具有环隙，所述原料气经环隙向下流入催化剂床层。

7.如权利用求3所述的甲烷化反应工艺，其特征在于，所述下室布水器位于下室支撑板内。

8.如权利用求3所述的甲烷化反应工艺，其特征在于，所述壳体上的水汽出口管均匀布置有四根，所述锅炉给水管也均匀布置有四根。

9.如权利用求1或2所述的甲烷化反应工艺，其特征在于，所述水汽出口管与汽包的蒸汽管道连接，所述锅炉给水进口管与汽包的锅炉给水管道连接，所述锅炉给水经汽包送入等温反应器的锅炉给水管内，蒸汽由水汽出口管引出经汽包的蒸汽管道外送。