CN110003962B - 一种轴向固定床甲烷化反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轴向固定床甲烷化反应器。该反应器主要由固定床和石英管构成，所述固定床包括：外部的金属壳体(1)和热电偶(5)，内部的氧化铝套筒(2)，电阻丝(3)，隔温砖(4)；所述石英管自上而下依次包括顶部的帽罩(6)(帽罩顶部为出气口)，石英管体中部恒温区有三层承载催化剂的石英孔板(8)，下部为进气口；与现有的甲烷化反应器相比，本发明不仅适用于颗粒状催化剂，更适用于成型催化剂，同时具有良好的耐温能力。甲烷化反应过程中，合成气转化效率高，床层空间利用率大，无气体偏流现象。

Description

一种轴向固定床甲烷化反应器
技术领域
本发明涉及一种使用生物质气化合成气(经酸处理净化后的粗燃气)作为反应气体制备天然气的甲烷化设备。
背景技术
由于我国天然气供需矛盾日益突出，据《2018年国内外油气行业发展报告》显示，至2018年底，我国已成为全球第一大天然气进口国，天然气进口量达1254亿立方米，对外依存度高达45.3％，严重威胁我国能源安全。因此，利用生物质气化合成气制备天然气成为补充我国天然气资源的一种有效手段。
甲烷化反应器是甲烷化过程中的主要设备，甲烷化反应过程中会放出大量的热，所以高效的传热传质和承热能力是控制甲烷化反应过程的关键，虽然径向甲烷化反应器具有高径比大、床层压降小、停留时间短的优点，但很难实现反应气体在径向上的均匀分布，单位体积催化剂的生产强度低。专利CN102205220A公开了一种具有内外通道的反应器，使得反应气体能够通过通道反复进入填料床层，但该反应器的承热能力有待提高。因此，提高甲烷化反应器的承热能力，在有效范围内延长反应气体在催化剂表面的停留时间，提高反应气体的转化效率，以及提高催化剂的生产强度是当前甲烷化反应器需要解决的技术问题。
发明内容
本发明提出一种轴向固定床甲烷化反应器，以克服传统甲烷化反应器耐受温度低，结构复杂等问题。提出的甲烷化反应器最高耐受温度可达1200℃，而且石英管具有良好的热稳定性和防腐蚀性，对催化剂和反应原料的要求较低。反应气体由底部进气口轴向进入反应器，与石英孔板上的催化剂充分接触，在一定条件下发生催化作用，最终的甲烷化产气由反应器顶部出气口排出。由于反应气体从石英管恒温区底部到帽罩顶部的出气口距离约800毫米，反应后的产物到达顶部出气口时，温度约为200℃，因此，对于出气口导管的材料选择没有较为严格的耐温要求。
本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种轴向固定床甲烷化反应器，由固定床a和石英管b构成，所述固定床a包括金属壳体1，氧化铝套筒2，电阻丝3，隔温砖4，热电偶5，内部为中空结构，以放置石英管；
所述石英管b自上而下依次为石英帽罩6，承载催化剂的三层石英孔板8，磨砂进气口9；
所述帽罩6上部为磨砂出气口，下部与石英管接触部位也为磨砂口；
所述石英孔板8共有三层，位于反应器的恒温区c(恒温区长度为300毫米)，孔板上均匀分布着圆形孔洞，用于放置催化剂，通气效果较好，使催化剂与反应气体具有良好的接触效果。
所述石英管b主要分为两部分：石英帽罩6和管体7。所述石英帽罩6扣在管体7顶部，石英帽罩6与管体7接触部分为磨砂口，密封效果好。
所述管体7上部为催化剂进料口，口径大于固定床内径，使石英管可直接卡在固定床上，起到支撑作用；石英孔板8位于固定床恒温区，共有三层，孔板厚度均为2毫米，用于承载催化剂，孔板上有均匀分布的圆形孔洞，其直径为3毫米，通气效果较好。孔板间距为60毫米，这种特殊的催化剂放置方法，可以增大反应气体与催化剂的接触面积，在有效的范围内延长反应气体在石英管恒温区内的停留时间，使得催化反应更完全，进而提高反应气体甲烷化效果；管体7下部为磨砂进气口。
所述石英管总长度(由进气口至出气口距离)为1250毫米；
所述帽罩长度为175毫米，石英管管体1090毫米；
所述帽罩和石英管管体厚度均为4毫米；
所述石英管进气口和出气口长度均为50毫米，内径均为8毫米，厚度均为2毫米；
所述石英管处于反应器内部内径为52毫米，反应器外部的石英管内径为80毫米；
所述石英管恒温区设置的孔板间距均为60毫米，孔板厚度均为2毫米，孔板上的孔洞直径为3毫米；
本发明的有益效果：
本发明中的甲烷化反应器结构简单，承热能力较强，特殊的反应器内部结构，在有效范围内延长了反应气体在石英管恒温区内的停留时间，提高了反应气体的转化效率，同时大大增加了反应气体与催化剂的接触面积，提高了单位体积催化剂的生产强度，延长催化剂的使用寿命。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的轴向固定床甲烷化反应器结构示意图。
图2为本发明的轴向固定床甲烷化反应器截面示意图。
附图标记说明：
a-固定床、b-石英管、c-恒温区、1-金属壳体、2-氧化铝套筒、3-电阻丝、4-隔温砖、5-热电偶、6-帽罩、7-石英管管体、8-石英孔板、9-进气口
具体实施方式
实施例1：
本发明中的轴向甲烷化反应器，主要由石英管和固定床构成。其中，固定床由金属壳体1，氧化铝套筒2，电阻丝3，隔温砖4，热电偶5构成。石英管的尺寸已在发明内容中进行详细赘述，反应器恒温区设有三层石英孔板(图1)。
甲烷化反应的催化剂为Ni/Al2O3，其负载基体为圆柱蜂窝状堇青石；
采用溶胶凝胶法将Ni/Al2O3负载到堇青石上，基于该方法，催化剂使用量为常规固定床反应器催化剂使用量的10～30％，有效地降低了成本。
与颗粒状催化剂相比，将催化剂负载至成型基体上的甲烷化催化效果具有明显优势：反应物流经孔道所受阻力减小，因此压降少；传质效率高，反应气体进入堇青石基体孔道时，反应气体可快速接触到催化剂，从而提高气固传质速率。
实施例2：
合成气催化甲烷化反应在轴向固定床甲烷化反应器中进行，具体操作步骤如下：
将生物质气化合成气(经酸处理净化后的粗燃气)按照一定的流量通入甲烷化反应器；
合成气催化甲烷化反应在常压、温度为200～600℃、进气空速为6000～15000mL/(g·h)条件下进行；
待反应稳定后使用气相色谱仪测定生成气体组分；
对于本发明的轴向甲烷化反应器，在常压、反应温度为200～600℃、合成气H2和CO摩尔比为1～5、进气空速为6000～15000mL/(g·h)的条件下进行催化甲烷化反应，对本发明的轴向甲烷化反应器的甲烷化性能进行评价。经过气相色谱仪分析，CO转化率范围为79.8～99.4％，CH4的选择性范围为65.2～98.5％，副产物为温度范围在200～220℃的水蒸气；
本发明提供的甲烷化反应器结构简单，由于石英管中间部位带有三层孔板，使用该反应器进行催化甲烷化反应时，催化剂用量少，反应气体转化率高，在有效的范围内延长停留时间，使得催化反应更完全，进而提高甲烷化效果，延长催化剂的使用寿命，适用于生物质气化合成气制备甲烷的生产过程。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种轴向固定床甲烷化反应器，其特征在于：包括固定床(a)及石英管(b)，所述固定床(a)包括金属壳体(1)，氧化铝套筒(2)，电阻丝(3)，隔温砖(4)，热电偶(5)，固定床(a)内部为中空结构，放置石英管(b)，石英管(b)上部可直接卡在固定床上；所述石英管(b)分为两部分：石英帽罩(6)和管体(7)；所述石英帽罩(6)扣在管体(7)顶部，所述石英管(b)中部为承载催化剂的石英孔板(8)，所述管体(7)下部为磨砂进气口(9)；
所述石英孔板(8)共有三层，位于反应器恒温区(c)，每层孔板厚度均为2毫米，用于承载催化剂，孔板上有均匀分布的圆形孔洞，孔径为3毫米，每层孔板间距60毫米；
所述石英管管体(7)上部为催化剂进料口，口径大于固定床(a)内径，使石英管(b)可直接卡在固定床(a)上，起到支撑作用；
恒温区底部到帽罩顶部的出气口距离为800毫米。
2.根据权利要求1所述的一种轴向固定床甲烷化反应器，其特征在于：石英帽罩(6)与管体(7)接触部分均为磨砂口；所述石英帽罩(6)上部为磨砂出气口，接触部分也为磨砂口。
3.根据权利要求1所述的一种轴向固定床甲烷化反应器，其特征在于：所述固定床(a)外部为金属壳体(1)，内部套筒(2)采用氧化铝材质，套筒外部为缠绕均匀的电阻丝(3)，在甲烷化反应过程中加热石英管；电阻丝(3)外层由隔温砖(4)包裹，其余空隙用石英棉填充。
4.根据权利要求1所述的一种轴向固定床甲烷化反应器，其特征在于：固定床(a)与石英管(b)接触处铺衬耐热材料。
5.根据权利要求1所述的一种轴向固定床甲烷化反应器，其特征在于：所述固定床内部套筒(2)为氧化铝材质，耐热耐腐蚀性强，传热效果良好，机械强度高。
6.根据权利要求1所述的甲烷化反应器，其特征在于：所述固定床(a)外部金属壳体(1)为钢板或钢锻件制造。
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