CN105749818B - 一种低温甲烷化反应器及工作过程 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温甲烷化反应器及工作过程，该反应器主要包括反应器冷激气腔、反应器管程和壳程、产品气收集腔；反应器列管中设置有冷激气套管，不同流量的冷激气由冷激气腔进入冷激气套管中，沿冷激气套管外壁上的通气小孔溢出，与列管中的高温反应气混合换热，协同控制反应器床层温度的变化，反应生成的产品气汇集到产品气收集腔内通过产品气出口排出；同时，甲烷化反应放出的大量热量通过反应器壳程的锅炉水迅速循环移走，维持反应器床层温度在较低温度下进行；该发明操作温度较低，能够更好地保护的甲烷化催化剂，避免催化剂高温积碳，催化效率高，且热能利用率高。

Description

一种低温甲烷化反应器及工作过程
技术领域
本发明属于天然气技术领域，特别涉及一种煤制天然气的低温甲烷化反应器及工作过程。
背景技术
甲烷化反应属于强放热反应，每1％的CO甲烷化反应能产生74℃的绝热温升，每1％的CO2甲烷化反应能够产生60℃的绝热温升，所以甲烷化反应过程要严格控制反应器的温升，反应过程中放出的大量热量要迅速移走，防止催化剂在高温条件下的失活与烧结。
现有的甲烷化技术大多采用多个绝热固定床串联的方式，使甲烷化反应在每个绝热反应器中逐步反应，且为避免出现热点温度过高的情况，通常采用多个循环压缩机采用不小于5的循环比多次循环，将每段的CO体积百分数由25％降低到2％-3％；同时整套工艺需要采用多台换热器来移走反应所放出的热量；这些不仅提高了设备投资，同时也增加能耗。为了解决移热问题，中国专利CN204247177提出了一种绝热等温甲烷化反应器，包括在列管之上设置绝热层催化剂层，目的是可以迅速提高甲烷化反应起活温度，其列管中的主反应放出的热量通过壳程的循环水移走，一定程度上降低了甲烷化反应的热点温度，但针对甲烷化反应放热量大的问题，普通的列管反应器很难适应如此大的热应力，同样中国专利CN102827657采用多台等温反应器进行甲烷化反应，同样也存在反应放热量大，反应器热应力大等安全隐患，反应器内部很容易发生泄露造成危险；其列管反应器的管程中装填催化剂，位于反应器壳层、热容较大的锅炉水不断蒸发-冷凝的循环过程，将反应放出的热量迅速移走，有效抑制反应床层热点温度的急剧上升，避免催化剂的高温积碳，提高系统的可操作性；但是相对于放热量大的甲烷化反应，列管反应器中的管程与壳程连接较为复杂，在热应力较大的情况下很容易产生管程与管板之间断裂，造成危险气体泄露等安全隐患，所以很难实现反应器的工业化放大制造。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低温甲烷化反应器及工作过程，具有能耗低、操作方便，催化反应效率高的特点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种低温甲烷化反应器，主要包括反应器冷激气腔、反应器管程和壳程以及产品气收集腔；所述反应器冷激气腔由设置在反应器内的冷激气套管管板17和设置在反应器顶部的反应器上法兰1围成，反应器冷激气腔的侧壁上开有冷激气从中通入的冷激气入口2；所述反应器管程和壳程通过位于冷激气套管管板17下部的上饶性管板4和下饶性管板13分为两个独立的空间，多个反应器列管15将上饶性管板4上部和下饶性管板13下部的腔体连通，甲烷化催化剂位于反应器列管15中，反应器列管15与原料气入口16相连通，冷激气套管3插入反应器列管15中，且冷激气套管3顶部固定在冷激气套管管板17并与反应器冷激气腔连通，冷激气套管3外表面有开孔率不等的通气小孔14，热电偶组11位于中心位置的反应器列管15中，反应器壳程的侧壁上开有汽水出口5和锅炉水入口6；所述产品气收集腔由位于下饶性管板13下部的不锈钢丝网8和位于反应器底部的反应器下法兰10围成，产品气收集腔内安装有支撑架9，产品气收集腔侧壁开有产品气出口12。
所述汽水出口5是由八组等外径的出口管汇集于上水管与汽包中部相连接，锅炉水入口6由八组等外径的入口管汇集于下降管与汽包底部相连接，其中八组汽水出口和八组锅炉水入口的位置沿反应器径向等距离分布于反应器外壁；通过控制汽包外送蒸汽流量，调节汽包压力为8-10MPa维持汽包内沸腾水的温度为290-310℃，利用锅炉水温度变化的自然循环作用与反应器壳程建立热量循环，维持整个床层温度受热均匀，避免出现温度剧烈波动。
所述冷激气套管3均匀分布于反应器管程中，并一直延伸到管程的中下部；冷激气套管3的通气小孔14的开孔率至上而下逐渐降低，这与反应器床层的轴向热点温度的分布位置相对应。
所述冷激气套管管板17通过可拆卸的法兰连接固定于反应器内壁，所述冷激气套管3采用带锥形螺栓的高温卡套密封连接于冷激气套管管板17上，便于拆卸。
所述热电偶组11采用耐高温的带锥形螺栓的高温卡套密封连接于反应器下法兰10；在实际生产中可根据工况变化，调节合适的热电偶安装位置。
所述支撑架9上分布有两张20目的不锈钢丝网8，不锈钢丝网8上是两层耐高温导热瓷球，其中第一层是φ10的耐高温瓷球，装填高度是10-15cm，位于反应器最下层，φ5的耐高温瓷球位于第二层，φ5的耐高温瓷球的装填高度需要高于反应器下饶性管板5-10cm。
所述原料气入口16和产品气出口12均采用可拆卸的径向法兰连接，便于拆装运输。
所述热电偶组11包含有五根沿轴向、等距离延长的热电偶，时刻监测反应器各个床层温度变化。
上述所述低温甲烷化反应器的工作过程，反应原料气流量为300-500Nm3/h，压力为2.8-3.2MPa，温度达到250-300℃，由原料气入口16进入反应器列管15中，与反应器列管15中的甲烷化催化剂进行甲烷化催化反应；冷激气流量为100-300Nm3/h，压力为2.8-3.2MPa，温度为10-25℃，由冷激气入口2进入冷激气套管3中，通过冷激气套管3外壁的通气小孔14溢出，与甲烷化反应后的混合气换热，抑制反应器床层热点温度飞温；反应器壳程通过汽水出口5和锅炉水入口6与汽包相连通换热，甲烷化反应放出的大量热量通过冷却介质锅炉水迅速移走；反应器壳程的冷却介质锅炉水和冷激气协同控制反应器床层温度，维持反应器床层温度300-350℃。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、有效的解决了甲烷化反应放热量大的问题，利用热容大的锅炉水自然循环换热，保持反应器床层温度恒定，避免反应器床层受热不均导致的催化剂局部过热而烧结失活；通过冷激气-原料气的热量交换，强制循环换热，抑制反应器床层热点温度的飞温，保持甲烷化反应在较低的温度范围内进行，较好的保护了甲烷化催化剂，彻底解决了甲烷化催化剂的高温积碳。
2、其中反应器管程和壳程的接口采用饶性管板密封连接，有效的避免了甲烷化反应放热量大所造成的反应器管材热应力危险，提高了操作安全性。
3、同时，整套装置操作温度较低，可采用普通的合金钢材加工制造，有效的降低了设备成本；该发明操作简单，催化效率高，且节能高效。
附图说明
以下结合附图来详细说明本发明的实施方案：
图1是本发明提供的反应器结构示意图。
图中：1、反应器上法兰，2、冷激气入口，3、冷激气套管，4、上饶性管板，5、汽水出口，6、锅炉水入口，7、手孔，8、不锈钢丝网，9、支撑架，10、反应器下法兰，11、热电偶组，12、产品气出口，13、下饶性管板，14、通气小孔，15、反应器列管，16、原料气入口，17、冷激气套管管板。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进一步的详细描述，所举实例仅为了阐述本发明，而不是为了限制本发明的范围。
首先，打开手孔7法兰盖，将20目的不锈钢丝网8安装在支撑架9上，拆开反应器上法兰1和冷激气套管管板17，采用“袜袋法”向反应器列管15中装填甲烷化催化剂；首先装填10cm高的φ10的耐高温瓷球，由上部列管口顺管穿过，均匀散落在支撑架9上的不锈钢丝网8上，再装填φ5的耐高温瓷球，其装填位置是高于反应器下饶性管板5cm处，接着再装填甲烷化催化剂，反应器整个管程中装满甲烷化催化剂，且在装填过程中要用橡胶锤击打反应器外壁，保证催化剂装填均匀，避免内部出现“架桥”，其中催化剂装填高度高于上饶性管板5cm；在催化剂的上表面先装填一层10cm高的φ5的耐高温瓷球，再铺一层20目的不锈钢丝网，最后再装填一层5cm高的φ10的耐高温瓷球，装填结束后先密封冷激气套管管板17，再密封反应器上法兰1，采用干燥的氮气对设备进行打压侧漏，并用还原气体对反应器中的甲烷化催化剂进行还原活化，还原结束后，准备接原料气；
实施例1
反应原料气组分是H2含量35％，CO含量6％，CO2含量2.5％，CH4含量50％，N2含量6.5％，原料气分成两路，其中一路调节流量280Nm3/h，压力2.8MPa，通过预热温度达到300℃，由原料气入口16进入到反应器列管15中，与反应器列管15中的甲烷化催化剂进行甲烷化催化反应；调节汽包压力8.6MPa维持汽包内沸腾水的温度300℃；另一路原料气压力2.8MPa，温度15℃，作为冷激气调节流量至170Nm3/h，由冷激气入口2进入到冷激气套管3中，通过冷激气套管3外壁的通气小孔14溢出，与甲烷化反应后的混合气换热，维持反应器床层温度330-332℃；采用本实例的等温甲烷化反应器CO转化率在95.86％，运行1000小时后反应活性良好，未出现催化剂烧结失活、床层飞温等现象。
对比例1
反应原料气组分是H2含量37％，CO含量7％，CO2含量2.5％，CH4含量48％，N2含量5.5％，原料气分成两路，其中一路调节流量300Nm3/h，压力2.8MPa，通过预热温度达到285℃，由原料气入口16进入到反应器列管15中，与反应器列管15中的甲烷化催化剂进行甲烷化催化反应；调节汽包压力9.8MPa维持汽包内沸腾水的温度310℃；另一路原料气压力2.8MPa，温度20℃，作为冷激气调节流量至180Nm3/h，由冷激气入口2进入到冷激气套管3中，通过冷激气套管3外壁的通气小孔14溢出，与甲烷化反应后的混合气换热，维持反应器床层温度335-338℃；采用本实例的等温甲烷化反应器CO转化率在96.43％，运行1000小时后反应活性良好，未出现催化剂烧结失活、床层飞温等现象。

Claims (7)

1.一种低温甲烷化反应器，其特征在于：主要包括反应器冷激气腔、反应器管程和壳程以及产品气收集腔；所述反应器冷激气腔由设置在反应器内的冷激气套管管板(17)和设置在反应器顶部的反应器上法兰(1)围成，反应器冷激气腔的侧壁上开有冷激气从中通入的冷激气入口(2)；所述反应器管程和壳程通过位于冷激气套管管板(17)下部的上饶性管板(4)和下饶性管板(13)分为两个独立的空间，多个反应器列管(15)将上饶性管板(4)上部和下饶性管板(13)下部的腔体连通，甲烷化催化剂位于反应器列管(15)中，反应器列管(15)与原料气入口(16)相连通，冷激气套管(3)插入反应器列管(15)中，且冷激气套管(3)顶部固定在冷激气套管管板(17)并与反应器冷激气腔连通，冷激气套管(3)外表面有开孔率不等的通气小孔(14)，热电偶组(11)位于中心位置的反应器列管(15)中，反应器壳程的侧壁上开有汽水出口(5)和锅炉水入口(6)；所述产品气收集腔由位于下饶性管板(13)下部的不锈钢丝网(8)和位于反应器底部的反应器下法兰(10)围成，产品气收集腔内安装有支撑架(9)，产品气收集腔侧壁开有产品气出口(12)；
所述冷激气套管管板(17)通过可拆卸的法兰连接固定于反应器内壁，所述冷激气套管(3)采用带锥形螺栓的高温卡套密封连接于冷激气套管管板(17)上，便于拆卸；
所述热电偶组(11)采用耐高温的带锥形螺栓的高温卡套密封连接于反应器下法兰(10)。
2.根据权利要求1所述的一种低温甲烷化反应器，其特征在于：所述汽水出口(5)是由八组等外径的出口管汇集于上水管与汽包中部相连接，锅炉水入口(6)由八组等外径的入口管汇集于下降管与汽包底部相连接，其中八组汽水出口和八组锅炉水入口的位置沿反应器径向等距离分布于反应器外壁；通过控制汽包外送蒸汽流量，调节汽包压力为8-10MPa维持汽包内沸腾水的温度为290-310℃，利用锅炉水温度变化的自然循环作用与反应器壳程建立热量循环，维持整个床层温度受热均匀，避免出现温度剧烈波动。
3.根据权利要求1所述的一种低温甲烷化反应器，其特征在于：所述冷激气套管(3)均匀分布于反应器管程中，并一直延伸到管程的中下部；冷激气套管(3)的通气小孔(14)的开孔率至上而下逐渐降低，这与反应器床层的轴向热点温度的分布位置相对应。
4.根据权利要求1所述的一种低温甲烷化反应器，其特征在于：所述支撑架(9)上分布有两张20目的不锈钢丝网(8)，不锈钢丝网(8)上是两层耐高温导热瓷球，其中第一层是φ10的耐高温导热瓷球，装填高度是10-15cm，位于反应器最下层，φ5的耐高温导热瓷球位于第二层。
5.根据权利要求1所述的一种低温甲烷化反应器，其特征在于：所述原料气入口(16)和产品气出口(12)均采用可拆卸的径向法兰连接，便于拆装运输。
6.据权利要求1所述的一种低温甲烷化反应器，其特征在于：所述热电偶组(11)包含有五根沿轴向、等距离延长的热电偶，时刻监测反应器各个床层温度变化。
7.权利要求1至6任一项所述低温甲烷化反应器的工作过程，其特征在于：反应原料气流量为300-500Nm3/h，压力为2.8-3.2MPa，温度达到250-300℃，由原料气入口(16)进入反应器列管(15)中，与反应器列管(15)中的甲烷化催化剂进行甲烷化催化反应；冷激气流量为100-300Nm3/h，压力为2.8-3.2MPa，温度为10-25℃，由冷激气入口(2)进入冷激气套管(3)中，通过冷激气套管(3)外壁的通气小孔(14)溢出，与甲烷化反应后的混合气换热，抑制反应器床层热点温度飞温；反应器壳程通过汽水出口(5)和锅炉水入口(6)与汽包相连通换热，甲烷化反应放出的大量热量通过冷却介质锅炉水迅速移走；反应器壳程的冷却介质锅炉水和冷激气协同控制反应器床层温度，维持反应器床层温度300-350℃。
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