CN106276793A - 天然气催化裂解生产氢气和固体碳的反应方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天然气催化裂解生产氢气和固体碳的反应方法。该反应方法能高效连续催化裂解天然气，得到产品氢气和固体碳，天然气和催化剂之间呈逆流流动，提高了天然气的转化效率，催化剂与产品固体碳分离后继续返回反应系统循环使用，固体碳作为产品出售。此外，催化裂解反应过程绿色环保，无CO2气体排放。

Description

天然气催化裂解生产氢气和固体碳的反应方法
技术领域
本发明属于石油天然气化工生产技术领域，具体为一种天然气催化裂解生产氢气和固体碳的反应方法。
背景技术
我国蕴藏着十分丰富的天然气资源，同时还具有富集于华北地区非常规的煤层气远景资源。天然气和煤层气的主要成分为甲烷，甲烷的氢碳比最高，所以工业上多用天然气来制备氢气。目前工业上应用最广泛的天然气制氢方法为甲烷蒸汽转化工艺，该工艺过程复杂，设备多，能耗高，并且在生产过程中产生大量的CO2，对环境破坏程度严重。
相比于甲烷蒸汽转化制氢气，甲烷直接催化裂解制氢气的工艺流程简单，能耗低，工艺过程中无CO2排放，甲烷中的碳转化为固体碳，不但避免了污染环境，还可以给工厂带来收益。
鉴于甲烷直接催化裂解制氢气的诸多优点，甲烷直接催化裂解催化剂以及直接制氢生产工艺成为21世纪的一个研究热点。但是目前甲烷在低温低压下直接催化裂解制氢气和固体碳，还没有工业化大规模生产。昆明理工大学的专利CN101164864B中公开的采用固定床反应器生产氢气和两步法制合成气方法，该方法为间断操作。中国石油天然气集团公司的专利CN204848257U公开的一种甲烷催化裂解生 产氢气的装置，该装置中的高密度循环流化床反应器的腔体为一上粗下窄、二级变径的腔体，催化剂和甲烷气体之间为并流流动，甲烷气体最终生产得到氢气和CO或者合成气。
发明内容
本发明的目的在于提供一种天然气催化裂解生产氢气和固体碳的反应方法。该反应方法能高效连续催化裂解天然气，得到产品氢气和固体碳，天然气和催化剂之间呈逆流流动，提高了天然气的转化效率，催化剂与产品固体碳经过分离后可以循环使用，此外，催化裂解反应过程绿色环保，无CO2气体排放。
本发明的技术方案是：一种天然气催化裂解生产氢气和固体碳的反应方法，其特征如下：
(1)脱硫加热等预处理后的天然气经反应器底部进入天然气催化裂解反应器，天然气在反应器列管中与催化剂进行逆向接触反应，反应后的气体经反应器顶部的气体收集器进入下游的气体净化分离系统得到纯氢，未反应的天然气返回到反应器入口；
(2)催化剂经反应器顶部的进料系统进入天然气催化裂解反应器的列管中，催化剂与天然气在列管中呈逆流流动接触，催化天然气裂解反应，反应得到的固体碳附着在催化剂上，随催化剂进入反应器下部的出料系统中，催化剂和固体碳分离后，返回到进料系统中循环利用，固体碳作为产品输送到产品仓库。
上述天然气催化裂解反应器的操作压力介于0～3MPa之间，操作温度介于400～1500℃之间。
上述进料系统包括两个进料槽和进料控制阀；反应器为列管式反应器；出料系统包括两个出料槽和出料控制阀。
上述两个进料槽为一开一备；进料控制阀位于进料槽和反应器的连接管道上。
上述反应器为列管式反应器，催化剂与天然气在列管中呈逆流流动
上述两个出料槽为一开一备；出料控制阀位于出料槽和反应器的连接管道上。
上述反应方法的气体收集器具有过滤功能，通过该收集器后的反应气体中的大部分催化剂被过滤下来。
上述反应方法的催化剂为能够催化烷烃裂解为氢气和固体碳的催化剂，不限于某种型式的催化剂。
上述反应方法的列管式反应器的列管管径为DN15～DN80。
上述反应方法的热量通过反应器壳侧的高温气体供给，高温气体可以是高温烟气、过热蒸汽等；热量也可通过电加热等型式供给。
附图说明
图1是实施例的天然气催化裂解生产氢气和固体碳的反应方法示意图。
附图标号说明，反应器-1，进料槽-2，出料槽-3，进料控制阀-4，出料控制阀-5，气体收集器-6，催化剂收集器-7
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明，但不能理解为对本发明的可 实施范围的限定。
本发明的一种实施例见图1，该反应系统主要是由：进料系统、反应器和出料系统组成。其中进料系统主要由两个进料槽2和进料控制阀4组成；反应器1为列管式反应器，天然气和催化剂之间呈逆流流动；出料系统主要由两个出料槽3和出料控制阀5组成，催化剂和固体碳经分离后，催化剂继续返回反应系统，固体碳作为产品出售。
天然气催化裂解生产氢气和固体碳的反应系统包括以下步骤：
(1)脱硫加热等预处理后的天然气经气体分布器进入天然气催化裂解反应器1，天然气在反应器列管中与催化剂进行逆向接触反应。
(2)反应后的气体经反应器顶部的气体收集器6进入下游的气体分离系统得到纯氢气，未反应的天然气返回到反应器1入口与原料气混合后再次参与反应。
(3)催化剂经反应器顶部的进料系统进入天然气催化裂解反应器1的列管中，在列管中与天然气进行逆向接触，催化天然气裂解反应。
(4)反应得到的固体碳附着在催化剂上，随催化剂进入反应器下部的出料系统中。催化剂和固体碳分离后，返回到进料系统中循环利用，固体碳作为产品输送到产品仓库。
应用本发明的一个实际案例如下，经脱硫加热等预处理后的天然气温度500℃，压力0.3MPaG，流量为6Nm3/h，经图1所示的反应器底部进入天然气催化裂解反应器，天然气在反应器列管中与催化剂 进行逆向接触反应。反应器内的温度为700℃，压力为0.28MPaG。反应后的气体经反应器顶部的气体收集器进入下游的气体分离系统得到纯氢气，未反应的天然气返回到反应器1入口与原料气混合后再次参与反应。催化剂经反应器顶部的进料系统进入天然气催化裂解反应器1的列管中，在列管中与天然气进行逆向接触，催化天然气裂解反应。反应得到的固体碳附着在催化剂上，随催化剂进入反应器下部的出料系统中。催化剂和固体碳经分离系统分离后，返回到进料系统中循环利用，固体碳作为产品输送到产品仓库。
反应结果如下：甲烷单程转化率为91％，产品氢气纯度为99.9％，固体碳为粉末状，产量为3.15kg/h。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.天然气催化裂解生产氢气和固体碳的反应方法，其特征在于，
(1)脱硫加热等预处理后的天然气经反应器(1)底部进入天然气催化裂解反应器，天然气在反应器列管中与催化剂进行逆向接触反应，反应后的气体经反应器顶部的气体收集器(6)进入下游的气体净化分离系统得到纯氢，未反应的天然气返回到反应器入口；
(2)催化剂经反应器顶部的进料系统进入天然气催化裂解反应器的列管中，催化剂与天然气在列管中呈逆流流动接触，催化天然气裂解反应，反应得到的固体碳附着在催化剂上，随催化剂进入反应器下部的出料系统中，催化剂和固体碳分离后，返回到进料系统中循环利用，固体碳作为产品输送到产品仓库。
2.根据权利要求1所述的天然气催化裂解生产氢气和固体碳的反应方法，其特征在于，上述进料系统包括两个进料槽(2)和进料控制阀(4)，反应器(1)为列管式反应器，出料系统包括两个出料槽(3)和出料控制阀(5)，进料控制阀(4)位于进料槽(2)和反应器(1)的连接管道上，出料控制阀(5)位于出料槽(3)和反应器(1)的连接管道上。
3.根据权利要求2所述的天然气催化裂解生产氢气和固体碳的反应方法，其特征在于，所述两个进料槽(2)为一开一备；所述两个出料槽(3)为一开一备。
4.根据权利要求2所述的天然气催化裂解生产氢气和固体碳的反应方法，其特征在于，所述列管式反应器的列管管径为DN15～DN80。
5.根据权利要求2所述的天然气催化裂解生产氢气和固体碳的反应方法，其特征在于，进料系统可以使催化剂均匀分布于各个反应器列管中，出料系统可以使催化剂均匀收集于出料槽中。
6.根据权利要求1所述的天然气催化裂解生产氢气和固体碳的反应方法，其特征在于，反应器(1)的操作压力介于0～3MPa之间，操作温度介于400～1500℃之间。
7.根据权利要求1所述的天然气催化裂解生产氢气和固体碳的反应方法，其特征在于，所述反应器(1)中反应系统的热量通过反应器的壳程供给反应器，热量可以是高温气体供给，高温气体是高温烟气或过热蒸汽；热量通过电加热形式供给。
8.根据权利要求1所述的天然气催化裂解生产氢气和固体碳的反应方法，其特征在于，反应系统的气体收集器(6)具有过滤功能，通过该收集器后的反应气体中的大部分催化剂被过滤下来。
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