CN106943962A - 一种冷激式内移热甲烷化反应器 - Google Patents

一种冷激式内移热甲烷化反应器 Download PDF

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张新波
杨宽辉
何洋
郭雄
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Abstract

本发明提供一种冷激式内移热甲烷化反应器，属于甲烷化反应器技术领域。包括壳体和顶部的进料口，所述壳体内从上到下依次设置有绝热层、冷激层以及换热层，绝热层设置有绝热层催化剂床层以及热电偶Ⅰ，冷激层设置有轴径向气体分布器以及热电偶Ⅱ，换热层设置有与壳体平行的反应管以及与反应管垂直的管板，反应管内装填有换热层催化剂，换热层壳体内设置有供饱和蒸汽流动的壳层。本发明通过轴径向气体分布器使未加热的原料气和在绝热层反应升温的气体混合，增大气体之间的接触面积，加速热量的传递效果，提高热量利用率。换热层采用挠性薄管板，可以有效抵消反应放热对反应管产生的热效应，避免出现换反应管拉裂的情况，使反应器结构更加稳定。

Description

一种冷激式内移热甲烷化反应器
技术领域
本发明属于甲烷化反应器技术领域，特别涉及一种适用于各种气固相、强放热反应的反应器，尤其是富含H2、CO和CO2等气体的甲烷化反应器，具体为一种冷激式内移热甲烷化反应器。
背景技术
以甲烷化反应为代表的强放热气固相反应具有反应快、放热量大、热量移除困难且反应转化率随温度升高而降低的特点。目前此类反应多采用多层循环外移热的配置来移除反应热量，但该流程配置存在反应流程长、设备投资大、操作费用高、三剂耗量大、控制复杂等诸多不便。目前还有利用内移热反应器，通过列管式反应器通过产生蒸汽移除反应热的技术配置，但该流程在强放热反应中存在热量匹配困难操作难度大、反应器结构复杂不易制造、热应力集中容易损坏等技术难题，无法实际进入工业化阶层。
发明内容
对于强放热气固相反应，通过反应器优化设计缩短流程配置能够带来更好的经济效益。本发明结合绝热床反应器操作简便、设备可靠及列管式内移热反应器反应深度好、工艺流程短的优点，提供一种使得强放热气固相反应可控，操作费用省，投资少，能量利用率更高的冷激式内移热甲烷化反应器。
本发明目的通过以下技术方案来实现：
一种冷激式内移热甲烷化反应器，包括壳体和顶部的进料口，所述壳体内从上到下依次设置有绝热层、冷激层以及换热层，所述绝热层设置有绝热层催化剂床层以及热电偶Ⅰ，所述冷激层设置有轴径向气体分布器以及热电偶Ⅱ，所述换热层设置有与壳体平行的反应管以及与反应管垂直的管板，所述反应管内装填有换热层催化剂，所述换热层壳体内设置有供饱和蒸汽流动的壳层。
作为本发明一种冷激式内移热甲烷化反应器的一个具体实施例，所述进料口下方设置有气体分布器。
作为本发明一种冷激式内移热甲烷化反应器的一个具体实施例，所述冷激层层数≥1。
作为本发明一种冷激式内移热甲烷化反应器的一个具体实施例，所述管板采用挠性薄管板。
作为本发明一种冷激式内移热甲烷化反应器的一个具体实施例，所述换热层的壳体外侧还设置有与壳层连接相通的下降管与上升管。
作为本发明一种冷激式内移热甲烷化反应器的一个具体实施例，所述换热层内还设置有折流板。
作为本发明一种冷激式内移热甲烷化反应器的一个具体实施例，所述饱和蒸汽的压力为2.0MPa～10.03MPa，所述饱和蒸汽的回流比大于12:1。
作为本发明一种冷激式内移热甲烷化反应器的一个具体实施例，所述热电偶Ⅰ为两个或两个以上，所述热电偶Ⅱ为两个或两个以上，所述反应管为多个，所述管板为两层或两层以上。
作为本发明一种冷激式内移热甲烷化反应器的一个具体实施例，所述绝热层催化剂床层的催化剂以及换热层催化剂为以镍为主活性组分的甲烷化催化剂。
作为本发明一种冷激式内移热甲烷化反应器的一个具体实施例，所述反应器的底部设置有下管箱，集气盒，卸料口以及出口。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明将反应器分为绝热层，冷激层以及换热层，先利用一部分气体在绝热层反应升温以后在冷激层和低温原料气混合传热后再进入换热层进行反应。可以有效减少预热原料气的量，节约能源。同时，使换热层原料气的温度达到催化剂活性起始温度，不用额外加热，进一步提高了热量的利用率。
本发明在冷激层设置了轴径向气体分布器，可以使未经过反应加热的原料气和在绝热层反应升温的气体混合均匀，增大气体之间的接触面积，使气体之间充分接触，加速热量的传递效果及传递量，提高热量的利用率，同时能够防止气流不均造成反应器局部过热带来的安全隐患。
本发明在换热层采用挠性薄管板，可以有效抵消反应放热对反应管产生的热效应，避免换热层出现换反应管拉裂的情况，使得反应器结构更加稳定、产品蒸汽压力高。同时，通过折流板的设计，可将换热层将饱和蒸汽的回流比设置为大于12:1，低于工业蒸汽发生设备16:1的回流比，能耗更低。
附图说明
图1为本发明冷激式内移热甲烷化反应器结构示意图；
图2为轴径向气体分布器结构示意图，其中A为侧视图，B为俯视图；
图3为换热层反应管排列图，其中A为俯视图，B为反应管排列间距图；
图4为管板结构示意图；
图5为对比例3流程示意图；
附图标记：1-壳体，2-进料口，3-绝热层催化剂床层，4-热电偶Ⅰ，5-轴径向气体分布器，6-热电偶Ⅱ，7-反应管，8-管板，9-气体分布器，10-下降管，11-上升管，12-折流板，13-下管箱，14-集气盒，15-卸料口，16-出口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种冷激式内移热甲烷化反应器，如图1，图2，图3，图4所示，包括壳体1和顶部的进料口2，所述壳体1内从上到下依次设置有绝热层、冷激层以及换热层，所述绝热层设置有绝热层催化剂床层3以及热电偶Ⅰ4，所述冷激层设置有轴径向气体分布器5以及热电偶Ⅱ6，所述换热层设置有与壳体平行的反应管7以及与反应管垂直的管板8，所述反应管内装填有换热层催化剂，所述换热层壳体内设置有供饱和蒸汽流动的壳层。
进一步，所述进料口的下方设置有气体分布器9。
本发明绝热层位于整个反应装置的上部，内部设置有绝热层催化剂3以及热电偶Ⅰ4。进料口2位于反应器顶部并设置气体分布器9保证气体均匀进入绝热层催化剂床层3。热电偶Ⅰ4用以监测反应温升，可以为两个或两个以上。部分气体通过顶部进料口2进入绝热层在催化剂的作用下进行反应，产生绝热温升。本发明绝热层催化剂床层3的催化剂优选为以镍为主活性组分的甲烷化催化剂。
本发明绝热层的主要作用有：(1)通过部分原料气向绝热层分配，减轻了换热层的热负荷，避免了由于热负荷过大造成换热层热应力集中等问题；(2)原料气通过绝热层催化剂床层3后温升明显，利用这部分原料气对另一部分冷态原料气在冷激层进行加热，达到换热层催化剂的起活温度，充分利用反应热的同时促进了反应的进行。
本发明冷激层位于整个反应装置的中部，内部设置有轴径向气体分布器5以及热电偶Ⅱ6。轴径向气体分布器5使得冷激层冷气能够在进入反应器后向整个冷激层腔体内部喷射，以达到与出绝热层的高温气体均匀混合的目的，从而实现对热量的充分传递及利用。原料气分流进入绝热层和冷激层的流量调节阀开度由安装在冷激层的热电偶Ⅱ6控制，通过两股原料气流量调节从而严格控制冷激层混合后工艺气的温度。其中，热电偶Ⅱ6可以为两个或两个以上。
本发明冷激层的主要作用有：(1)为冷热流体提供热交换场所，通过控制混合后工艺气的温度起到气气换热的作用，同时减少了换热设备的投资；(2)通过通入冷激气的做法，降低热工艺气进入换热层的温度，利于强放热反应正向进行；(3)冷激气与热工艺气混合能充分利用反应热，与利用换热器加热冷态原料气相比热效率更高。
为更好的达到控制反应的目的，本发明采用多层冷激式结构。反应器中冷激层数≥1，可通过反应物反应特性最终确定具体采用冷激层数，具有广泛的适应。而具体冷激层3层数的选择对于本领域技术人员来说是常规的。
本发明换热层位于整个反应装置的下部，所述换热层设置有与壳体平行的反应管7以及与反应管垂直的管板8，所述反应管7内装填有换热层催化剂，所述换热层壳体内设置有供饱和蒸汽流动的壳层。本发明换热层催化剂优选为以镍为主活性组分的甲烷化催化剂。进一步，所述换热层的壳体外侧还设置有与壳层连接相通的下降管10与上升管11，所述反应管7为多个，所述管板8为两层或两层以上。
本发明换热层采用换热结构，通过在壳层通入锅炉产生的中/高压蒸汽来移除反应热，保证反应向进行。具体地，本发明换热层通过汽包产生的饱和蒸汽压力来控制换热层甲烷化温度，具体实施方式为：液态的汽包通过下降管10进入换热层的壳层内，然后吸收并移除甲烷化反应放出的热量而变为气态，从上升管11排除，从而构成自然循环系统。为了保证壳体和反应管7的性能，防止由于温度过高对反应管7及壳体产生的影响，保证整个装置的安全性，将饱和蒸汽的压力优选为2.0MPa～10.03MPa，通过折流板12的设置，能够保证其有一定的回流比，优选为回流比大于12：1，低于工业蒸汽发生器16:1的回流比。同时，本发明设定回流比还能有效降低反应放热对换热层壳层产生的热量，防止由于热量过高对壳层及反应管造成损坏。
为解决热应力集中造成反应管变形的问题，本发明管板8优选为挠性薄管板。当热应力集中造成反应管7变形时，形变会传导至管板8处，通过挠性薄管板的管板8形变抵消热应力，避免换热层出现换反应管7拉裂的情况，使得反应器结构更加稳定、产品蒸汽压力高。本发明换热层通过控制产生蒸汽压力就能起到控制催化剂床层温度的作用，整个过程简单、可靠，相比废热锅炉产生饱和蒸汽，本装置热损失更小。
为了保证整个反应装置的顺利进行，方便对反应原料及产物进行处理，所述反应器的下部还设置有下管箱13，集气盒14，卸料口15以及出口16。
以下结合具体实施例对本发明冷激式内移热甲烷化反应器具体工作原理及有益效果进行说明。
实施例1
净化后用于生产合成天然气的原料气干基为流量2000kmol/h，压力2.0MPa，温度170℃。原料气的组成(摩尔分数，干基)为：H2占60.2％，CO占8.3％，CO2占3.7％，CH4占24.2％，N2占2.6％，CnHm占1％。原料气分为两股，一股气体(600kmol/h)与本反应器出口气体换热后预热至280℃与蒸汽混合后由进入进料口，经过气体分布器后进入绝热层催化剂床层进行甲烷化反应。绝热甲烷化床层温度及出口温度分别由两个热电偶Ⅰ进行监测并实时远传至DCS系统，绝热层催化剂床层出口温度为464℃。另一股气体(1400kmol/h)由轴径向气体分布器进入冷激层上部，与绝热层热气均匀混合。均匀混合后的气体温度为320℃，该温度由热电偶Ⅱ实时监控并远传至DCS系统，可根据温度的变化调节分配两股气体管路上的调节阀开度以保证冷激层温度适宜。混合均匀的气体向下进入换热层反应管中进行进一步甲烷化反应，通过汽包产生的饱和蒸汽压力控制换热层甲烷化的温度。汽包通过下降管进入壳层并从上升管中排出，并构成自然循环系统，其中，汽包饱和蒸汽的回流比大于12:1。控制换热层出口温度为350℃。换热层经过反应管的合成气进入反应器下部填料层经过15集气盒后由出口排出反应器。出口合成气组成(摩尔分数，干基)为H2:32.34％，CO＜20ppb，CO2＜10ppm，CH4:63.35％，N2:4.31％，CnHm＜10ppm，CO+CO2转化率＞99％，4.0MPa饱和蒸汽产量为20t/h。
对比例1
本对比例采用内移热式等温甲烷化反应器作为对比，原料气条件与实施例1一致。
净化后的原料气(2000kmol/h)与蒸汽混合后进入预热至280℃进入甲烷化反应器，通过反应管外的水将反应热移除来保证反应器的温度。与实施例1相比，等温甲烷化反应器绝热段热负荷高50％，而且目前等温甲烷化反应器极易出现热应力集中的现象，导致整个换热管受热不均拉裂。与实施例1相比，采用等温甲烷化反应器需要将全部原料气进行预热，预热原料气量是实施例的2倍，预热气体需要的热量也是实施例1的两倍，能量利用率低。由于内移热式等温甲烷化反应器要求反应热负荷低、反应相对温和，不能满足典型煤制天然气甲烷化等放热量大、反应剧烈的气固相反应要求。
对比例2
本对比例采用未增加轴径向气体分布器的反应器作为对比，原料气条件与实施例1一致。
净化后用于生产合成天然气的原料气干基为流量2000kmol/h，压力2.0MPa，温度170℃。原料气的组成(摩尔分数，干基)为：H2占60.2％，CO占8.3％，CO2占3.7％，CH4占24.2％，N2占2.6％，CnHm占1％。原料气分为两股，一股气体(600kmol/h)与本反应器出口气体换热后预热至280℃与蒸汽混合后由进入进料口，经过气体分布器后进入绝热层催化剂床层进行甲烷化反应。绝热甲烷化床层温度及出口温度分别由两个热电偶Ⅰ进行监测并实时远传至DCS系统，绝热层催化剂床层出口温度为464℃。另一股气体(1400kmol/h)由轴径向直接进入冷激层上部，与绝热层热气混合。未能均匀混合后的气体接近轴心温度超过400℃，而接近外壁温度约为180℃。进入换热层反应管中进行进一步甲烷化反应时，换热层接近中心床层温度超过700℃，极易造成局部受热不均反应管拉裂的情况。
实施例2
本实施例以甲烷化放热量更大的典型煤制天然气甲烷化工层原料气为例对本发明反应器工作过程进行说明。
净化后用于生产合成天然气的煤制天然气原料气干基为流量1000kmol/h，压力4.1MPa，温度170℃。原料气的组成(摩尔分数，干基)为H2占64.16％，CO占19.40％，CO2占1.02％，CH4占14.41％，N2占0.40％，CnHm占0.61％。原料气分为两股，一股气体(400kmol/h)与本反应器出口气体换热后预热至280℃与蒸汽混合后由进料口进入，经过气体分布器后进入绝热层催化剂床层进行甲烷化反应。绝热甲烷化床层温度及出口温度分别由两个热电偶Ⅰ进行监测并实时远传至DCS系统，绝热层催化剂床层出口温度为480℃。另一股气体(600kmol/h)经过轴径向气体分布器进入冷激层上部，与绝热层热气均匀混合。均匀混合后的气体温度为330℃，该温度由热电偶Ⅱ实时监控并远传至DCS系统，可根据温度的变化调节分配两股气体管路上的调节阀开度以保证冷激层温度适宜。混合均匀的气体向下进入换热层应管中进行进一步甲烷化反应，通过汽包产生的饱和蒸汽压力控制换热层甲烷化的温度。液态汽包通过下降管进入壳层，并吸收反应放出的热量汽化层饱和蒸汽，并从上升管中排出，并构成自然循环系统，其中，汽包饱和蒸汽的回流比大于16:1。控制换热层出口温度为400℃。换热层经过反应管的合成气进入反应器下部填料层经过集气盒后由出口离开反应器。出口合成气组成(摩尔分数，干基)为H2 15.32％，CO：0.03％，CO2：3％，CH4：80.64％，N2：0.93％，CnHm＜10ppm，CO+CO2转化率＞90％，4.0MPa饱和蒸汽产量为16t/h。
对比例3
本对比例采用与实施例2相同的典型煤制天然气组分，采用典型绝热甲烷化工艺装置进行对比。为达到与实施例2相同的出口合成气组分，本对比例需采用多段式外循环移热绝热甲烷化装置，如图5所示。原料气(1000kmol/h)经预热至320℃后分为两股，一股(400kmol/h)与循环气(728kmol/h)混合后进入1号甲烷化反应器进行反应，出口气体与另一股原料气(600kmol/h)混合进入2号甲烷化反应器进行反应。2号甲烷化反应器出口气体分为两股，一股换热后循环至1号甲烷化反应器入口，另一股(672kmol/h)进入3号甲烷化反应器进行反应。出口合成气组成(摩尔分数，干基)为H2：15.39％，CO：0.03％，CO2：3.26％，CH4：80.15％，N2：0.93％，CnHm＜10ppm，CO+CO2转化率＞90％，4.0MPa饱和蒸汽产量为10.2t/h。同时，循环气量为728kmol/h，循环气压缩机轴功率为153kW。
从以上数据可以看出，与实施例2相比，对比例3装置流程复杂明显高于实施例2。且对比例3在4.0MPa下所产生的饱和蒸汽产量为10.2t/h，而实施例2产生的饱和蒸汽产量为16t/h，说明实施例2具有更好的热回收效率，有更多的热量被蒸汽吸收，产生的蒸汽也就越多。同时，对比例3循环气压缩机消耗的功率为153kW，而实施例2并没有用到压缩机，进一步节省能量。因此，与实施例2相比，对比例3装置流程复杂且能耗明显高于实施例2。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冷激式内移热甲烷化反应器，包括壳体和顶部的进料口，其特征在于，所述壳体内从上到下依次设置有绝热层、冷激层以及换热层，所述绝热层设置有绝热层催化剂床层以及热电偶Ⅰ，所述冷激层设置有轴径向气体分布器以及热电偶Ⅱ，所述换热层设置有与壳体平行的反应管以及与反应管垂直的管板，所述反应管内装填有换热层催化剂，所述换热层壳体内设置有供饱和蒸汽流动的壳层。
2.如权利要求1所述一种冷激式内移热甲烷化反应器，其特征在于，所述进料口下方设置有气体分布器。
3.如权利要求1所述一种冷激式内移热甲烷化反应器，其特征在于，所述冷激层层数≥1。
4.如权利要求1所述一种冷激式内移热甲烷化反应器，其特征在于，所述管板采用挠性薄管板。
5.如权利要求1所述一种冷激式内移热甲烷化反应器，其特征在于，所述换热层的壳体外侧还设置有与壳层连接相通的下降管与上升管。
6.如权利要求1所述一种冷激式内移热甲烷化反应器，其特征在于，所述换热层内还设置有折流板。
7.如权利要求1所述一种冷激式内移热甲烷化反应器，其特征在于，所述饱和蒸汽的压力为2.0MPa～10.03MPa，所述饱和蒸汽的回流比大于12:1。
8.如权利要求1所述一种冷激式内移热甲烷化反应器，其特征在于，所述热电偶Ⅰ为两个或两个以上，所述热电偶Ⅱ为两个或两个以上，所述反应管为多个，所述管板为两层或两层以上。
9.如权利要求1所述一种冷激式内移热甲烷化反应器，其特征在于，所述绝热层催化剂床层的催化剂以及换热层催化剂为以镍为主活性组分的甲烷化催化剂。
10.如权利要求1所述一种冷激式内移热甲烷化反应器，其特征在于，所述反应器的底部设置有下管箱，集气盒，卸料口以及出口。
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