CN108212025B - 一种复合塔式甲烷化反应器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合塔式甲烷化反应器，包括：异径塔式承压壳体、取热介质分布大环管、取热介质列管、取热介质集合大环管、管箱、缠绕式换热管、缠绕式换热管支撑管、取热介质进口、弯管、取热介质出口。取热介质分布大环管分布于壳体底部，并与取热介质列管直连，取热介质列管与取热介质集合大环管通过弯管连接；取热介质进口设置在取热介质分布大环管上；取热介质出口设置在取热介质集合大环管上；缠绕式换热管缠绕于缠绕式换热管支撑管上，并通过管箱进出壳体，缠绕式换热管支撑管两端固定于壳体中部内壁。该反应器简化了流程，加深反应平衡，减少甲烷化反应器和蒸汽发生器的设置，同时能够解决高温管线的热应力问题。

Description

一种复合塔式甲烷化反应器

技术领域

本发明涉及甲烷化反应技术领域，更具体地，涉及一种复合塔式甲烷化反应器。

背景技术

甲烷化是煤制替代天然气制备过程的核心技术，甲烷化反应器是核心设备。甲烷化反应具有强放热、体积减小的特点，目前，现有工业化装置的甲烷化反应器均为绝热固定床反应器，一方面由于甲烷化反应很快达到热点温度，使得下部大量的催化剂长期处于极端温度状态影响其使用寿命，而且高温限制了甲烷化反应的平衡深度，只能通过增加反应器数量来达到产品其要求，同时大量的反应热通过反应器外蒸汽发生器发生蒸汽进行回收，使得工艺流程复杂，设备投资及占地增加；另一方面绝热固定床反应器出口温度通常在600-700℃，反应器出口与蒸汽发生器之间的管线应力及设备间的布置是一大难点。

发明内容

本发明的目的是针对现有的甲烷化反应器存在的问题，提供一种复合塔式甲烷化反应器，能够综合绝热固定床反应器、等温反应器、缠绕式换热器的特点及优势，简化了流程，加深反应平衡，减少甲烷化反应器和蒸汽发生器的设置，同时能够解决高温管线的热应力问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种复合塔式甲烷化反应器，该反应器包括：

异径塔式承压壳体、取热介质分布大环管、取热介质列管、取热介质集合大环管、管箱、缠绕式换热管、缠绕式换热管支撑管、取热介质进口、弯管、取热介质出口。

所述取热介质分布大环管分布于所述异径塔式承压壳体底部，并与所述取热介质列管直连，所述取热介质列管与所述取热介质集合大环管通过弯管连接；

所述取热介质进口设置在所述取热介质分布大环管上，述取热介质出口设置在取热介质集合大环管上；

所述缠绕式换热管缠绕于缠绕式换热管支撑管上，并通过管箱进出异径塔式承压壳体，所述缠绕式换热管支撑管两端固定于异径塔式承压壳体中部内壁。

根据本发明提供的复合塔式甲烷化反应器，优选地，所述异径塔式承压壳体分为：下部等温反应区、中部换热区和上部绝热反应区；所述上部绝热反应区的壳体直径小于所述下部等温反应区和中部换热区的壳体直径；所述下部等温反应区和中部换热区的壳体直径相等。

进一步优选地，所述上部绝热反应区的壳体不设置衬里，所述下部等温反应区和中部换热区的壳体设置衬里。所述下部等温反应区和中部换热区的壳体设置100mm-200mm厚的耐磨、耐热衬里。

进一步优选地，所述下部等温反应区和上部绝热反应区的下方均设有支撑格栅，上方均设有压块格栅。

进一步优选地，所述中部换热区为单股流换热或多股流换热。

根据本发明，从所述异径塔式承压壳体底部进入壳体内部的取热介质分布大环管、取热介质列管以及取热介质进口，均位于下部等温反应区中；从所述异径塔式承压壳体中部进出壳体内部的管箱、缠绕式换热管、缠绕式换热管支撑管、取热介质集合大环管以及取热介质出口，均位于中部换热区中。

根据本发明提供的复合塔式甲烷化反应器，优选地，所述取热介质分布大环管为直径不同的同心圆圆管，所述取热介质列管均匀分布在同心圆圆管上；同一圆周上的取热介质列管的管间距为20mm-100mm，相邻圆周上的取热介质列管的管间距为100mm-500mm。所述取热介质列管内的取热介质为锅炉给水，发生3.5MPag-10MPag等级蒸汽。

根据本发明提供的复合塔式甲烷化反应器，优选地，所述取热介质集合大环管为直径不同的同心圆圆管。

在本发明中，所述取热介质分布大环管通过取热介质进口进入异径塔式承压壳体；所述取热介质集合大环管通过所述取热介质出口离开异径塔式承压壳体。

根据本发明提供的复合塔式甲烷化反应器，所述缠绕式换热管支撑管的两端固定在壳体内壁上，其中心线高于或者低于管箱的中心线。优选地，所述缠绕式换热管通过管箱后，螺旋缠绕在缠绕式换热管支撑管上。

根据本发明提供的复合塔式甲烷化反应器，优选地，该反应器还包括：位于所述异径塔式承压壳体顶部的出口管、位于所述异径塔式承压壳体底部的原料气入口管；在所述原料气入口管的顶端设有气体分布器，在所述出口管的底端设有气体收集器。

本发明技术方案带来的有益效果在于：

1)本发明的复合塔式甲烷化反应器集成了绝热固定床催化剂床层、缠绕式换热器及等温甲烷化催化剂床层，有效简化了换热流程及设备数量、占地，同时根据甲烷化反应体积减小的特点，复合塔式甲烷化反应器中绝热固定催化剂床层体积显著减小；

2)由传统反应器的外部换热改为内部换热，有效利用了内部工艺气体的热量，并节省了空间；

3)本发明的复合塔式甲烷化反应器中，只对应等温甲烷化催化剂床层及缠绕式换热器的壳体部分设置耐热、耐磨衬里，绝热固定催化剂床层由于温升减少，不需要设置衬里，简化了制造难度；

4)反应器底部为等温反应区，利于加大甲烷化反应平衡深度，进一步减少甲烷化反应器的设置，减少了压力降；

5)采用大环管式取热介质分布和收集方式，利于取热介质均匀分布于每一根取热介质列管中。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了本发明的复合塔式甲烷化反应器的示意图。

图2示出了图1所示甲烷化反应器的取热介质分布大环管、取热介质列管的示意图。

上述图中标号说明如下：

1.异径塔式承压壳体；5.取热介质分布大环管；6.取热介质列管；7.取热介质集合大环管；8.管箱；9.缠绕式换热管；10.缠绕式换热管支撑管；11.出口管；12.取热介质进口；13.弯管；14.取热介质出口；15.原料气入口管；101.下部等温反应区；102.中部换热区；103.上部绝热反应区；16.气体收集器；17.气体分布器；18.支撑格栅；19.压块格栅。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。

根据本发明的一种优选实施方式，提供一种复合塔式甲烷化反应器，如图1所示，包括：异径塔式承压壳体1、取热介质分布大环管5、取热介质列管6、取热介质集合大环管7、管箱8、缠绕式换热管9、缠绕式换热管支撑管10、取热介质进口12、弯管13、取热介质出口14；

所述取热介质分布大环管5分布于所述异径塔式承压壳体1底部，并与所述取热介质列管6直连，所述取热介质列管6与所述取热介质集合大环管7通过弯管13连接；

所述取热介质进口12设置在所述取热介质分布大环管5上，所述取热介质出口14设置在取热介质集合大环管7上；

所述缠绕式换热管9缠绕于缠绕式换热管支撑管10上，并通过管箱8进出异径塔式承压壳体1，所述缠绕式换热管支撑管10两端固定于异径塔式承压壳体1中部内壁；

所述异径塔式承压壳体1分为：下部等温反应区101、中部换热区102和上部绝热反应区103；所述上部绝热反应区103的壳体直径小于所述下部等温反应区101和中部换热区102的壳体直径；所述下部等温反应区101和中部换热区102的壳体直径相等；

所述上部绝热反应区103的壳体不设置衬里，所述下部等温反应区101和中部换热区102的壳体设置衬里；所述下部等温反应区101和中部换热区102的壳体设置200mm厚的耐磨、耐热衬里；

所述下部等温反应区101和上部绝热反应区103的下方均设有支撑格栅18，上方均设有压块格栅19；

所述取热介质分布大环管5为直径不同的同心圆圆管，所述取热介质列管6均匀分布在同心圆圆管上，同一圆周上的取热介质列管6的管间距为100mm，相邻圆周上的取热介质列管6的管间距为500mm；

该反应器还包括：位于所述异径塔式承压壳体1底部的原料气入口管15，在所述原料气入口管15的顶端设有气体分布器17；

该反应器还包括：位于所述异径塔式承压壳体1顶部的出口管11，在所述出口管11的底端设有气体收集器16。

实施例：

在本发明的一个示例中，采用如图1所示的复合塔式甲烷化反应器进行甲烷化反应工艺，具体工艺过程为：原料气由原料气入口管15进入复合塔式甲烷化反应器的异径塔式承压壳体1中，并经过气体分布器17均匀分布在反应器横截面上，然后进入下部等温反应区101；下部等温反应区101下方设置的支撑格栅18用于支撑上方的催化剂床层，支撑格栅18上为一层200mm厚的耐热瓷球，瓷球上方为等温甲烷化反应催化剂。取热介质采用锅炉给水发生4.0MPag等级蒸汽的方式进行取热，锅炉给水由取热介质分布大环管5通过取热介质进口12进入反应器内，取热介质进口12及取热介质分布大环管5均位于瓷球层上方200mm处，下部等温反应区101的反应温度为550℃。根据反应放出的热量，取热介质分布大环管5由3组异径的同心圆圆管组成，如图2所示，其直径分别为3m，2m，1m，相邻圆管间距为500mm，每根圆管均与取热介质列管6直连，取热介质列管6均匀分布在各圆管的圆周上，同一圆管圆周上的取热介质列管6的间距为100mm，取热介质分布大环管5和取热介质列管6的分布根据下部等温反应区101的目标温度进行优化调整。取热介质列管6穿过催化剂床层及压块格栅19，通过弯管13与取热介质集合大环管7连接，弯管13用来解决反应热带来的列管膨胀应力问题，取热介质集合大环管7的结构与取热介质分布大环管5相同，且位于压块格栅19上方500mm，最终介质通过取热介质出口14离开壳体。

原料气经下部等温反应区101反应后，形成的高温气体进入中部换热区102，通过与其它介质(如：原料气，锅炉给水等)换热，换热至上部绝热反应区103催化剂床层需要的温度。换热介质通过管箱8分配到缠绕式换热管9中并进入反应器壳体，缠绕式换热管9螺旋缠绕在缠绕式换热管支撑管10上，换热完成后的介质再通过管箱8离开壳体，图1为单股流换热。由于下部等温反应区101和中部换热区102均处于高温，因此其对应的壳体设置200mm厚的耐磨耐热衬里。

换热完成后，工艺气继续向上进入上部绝热反应区103，上部绝热反应区103下方设置的支撑格栅18用于支撑上方的催化剂床层，支撑格栅18上为一层200mm后的耐热瓷球，瓷球上方为绝热甲烷化反应催化剂，此时由于下部等温反应区101异径发生一步甲烷化反应，因此，该反应区的反应程度相对缓和，对应的壳壁不需要在设置衬里。绝热反应完成后，工艺气通过气体收集器16以及出口管11离开壳体。

以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (9)

1.一种复合塔式甲烷化反应器，其特征在于，该反应器包括：

异径塔式承压壳体(1)、取热介质分布大环管(5)、取热介质列管(6)、取热介质集合大环管(7)、管箱(8)、缠绕式换热管(9)、缠绕式换热管支撑管(10)、取热介质进口(12)、弯管(13)、取热介质出口(14)；

所述取热介质分布大环管(5)分布于所述异径塔式承压壳体(1)底部，并与所述取热介质列管(6)直连，所述取热介质列管(6)与所述取热介质集合大环管(7)通过弯管(13)连接；

所述取热介质进口(12)设置在所述取热介质分布大环管(5)上，所述取热介质出口(14)设置在取热介质集合大环管(7)上；

所述缠绕式换热管(9)缠绕于缠绕式换热管支撑管(10)上，并通过管箱(8)进出异径塔式承压壳体(1)，所述缠绕式换热管支撑管(10)两端固定于异径塔式承压壳体(1)中部内壁；所述异径塔式承压壳体(1)分为：下部等温反应区(101)、中部换热区(102)和上部绝热反应区(103)；

所述上部绝热反应区(103)的壳体直径小于所述下部等温反应区(101)和中部换热区(102)的壳体直径；所述下部等温反应区(101)和中部换热区(102)的壳体直径相等。

2.根据权利要求1所述的复合塔式甲烷化反应器，其中，所述上部绝热反应区(103)的壳体不设置衬里，所述下部等温反应区(101)和中部换热区(102)的壳体设置衬里。

3.根据权利要求1所述的复合塔式甲烷化反应器，其中，所述下部等温反应区(101)和中部换热区(102)的壳体设置100mm-200mm厚的耐磨、耐热衬里。

4.根据权利要求1所述的复合塔式甲烷化反应器，其中，所述下部等温反应区(101)和上部绝热反应区(103)的下方均设有支撑格栅(18)，上方均设有压块格栅(19)。

5.根据权利要求1所述的复合塔式甲烷化反应器，其中，所述取热介质分布大环管(5)为直径不同的同心圆圆管，所述取热介质列管(6)均匀分布在同心圆圆管上，同一圆周上的取热介质列管(6)的管间距为20mm-100mm，相邻圆周上的取热介质列管(6)的管间距为100mm-500mm。

6.根据权利要求1所述的复合塔式甲烷化反应器，其中，所述取热介质集合大环管(7)为直径不同的同心圆圆管。

7.根据权利要求1所述的复合塔式甲烷化反应器，其中，所述缠绕式换热管(9)通过管箱(8)后，螺旋缠绕在缠绕式换热管支撑管(10)上。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的复合塔式甲烷化反应器，其中，该反应器还包括：位于所述异径塔式承压壳体(1)底部的原料气入口管(15)，在所述原料气入口管(15)的顶端设有气体分布器(17)。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的复合塔式甲烷化反应器，其中，该反应器还包括：位于所述异径塔式承压壳体(1)顶部的出口管(11)，在所述出口管(11)的底端设有气体收集器(16)。

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