CN111411001A - 一种用于甲烷转化的促进装置及其促进方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于甲烷转化的促进装置及其促进方法，包括原料罐、预热装置、匀化缓冲罐、活化促进装置、转化反应室和液化收集装置，原料罐包括甲烷罐、氧气罐、电控阀一、电控阀二和气体流量控制器，预热装置包括甲烷预热管和氧气预热管，匀化缓冲罐包括匀气管和出气口，活化促进装置包括真空罐、螺旋石英管和激光脉冲发生器，转化反应室包括气体泵、喷射管、旋转座、催化剂棒和加热棒，液化收集装置包括压缩机和存储罐。总之，本发明具有结构新颖、方法先进、使用方便等优点。
Description
技术领域
本发明属于能源转化技术领域，具体是涉及一种用于甲烷转化的促进装置及其促进方法。
背景技术
自然界蕴藏有丰富的天然气资源。天然气作为化工原料主要用于合成氨、甲醇及其衍生物，其用量仅占天然气消耗量的5％—7％。可见，作为化工原料它还无法与石油相比。但由于天然气储量远远超过石油储量，从长远发展看，随着石油资源的减少和开采难度加大，天然气对石油相对价格的下跌以及天然气化工技术的进步，天然气有可能在21世纪取代石油成为主要能源和化工原料。甲烷是天然气的主要成分，研究开发甲烷的利用技术是当前国际上的热门课题之一。甲烷的化学利用比较成熟的还是间接转化法，即先从甲烷制合成气，再由合成气合成各种化工原料及油品。间接法流程复杂、能耗大、生产成本高，投资也比较大。由于甲烷的直接转化可以一步得到有机化工产品，因此其直接转化利用更有吸引力。然而，由于甲烷堪称结构最稳定的有机分子，它的活化要比其他烃类困难，特别是希望得到的转化产物的化学活性往往比甲烷分子高得多。如何实现甲烷的定向高效转化是一个巨大的挑战，它吸引众多的科学家进行着大量的研究。
甲烷的选择性活化和定向转化是世界性难题，甲烷的转化通常采用间接法：在高温下通过水蒸气重整将甲烷转化为合成气，再通过费托合成获得多碳的基础化学品；或由合成气制备甲醇，再生产其他化学品。该转化路线冗长，能耗高，排放大量二氧化碳，不仅带来环境负荷，总碳的利用率也不到一半。因此，科学家一直在探索甲烷直接转化利用的方法。
目前甲烷的转化通常是在催化剂的作用下实现转化，但是催化剂存在消耗大、成本高的问题，且仅仅使用催化剂催化反应，家玩的转化效率低，所以，本发明设计了一种用于甲烷转化的促进装置及其促进方法。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供了一种用于甲烷转化的促进装置及其促进方法。
本发明的技术方案是：一种用于甲烷转化的促进装置，主要包括原料罐、预热装置、匀化缓冲罐、活化促进装置、转化反应室和液化收集装置，
所述原料罐包括甲烷罐和氧气罐，所述甲烷罐的出口端设有电控阀一，所述氧气罐的出口端设有电控阀二，所述电控阀一、电控阀二分别通过连接的气体流量控制器控制，用于按照设定比例控制甲烷和氧气的出气速率，
所述预热装置包括与所述电控阀一连通的甲烷预热管和与所述电控阀二连通的氧气预热管，
所述匀化缓冲罐为横卧式罐体，匀化缓冲罐内侧两端设有出气口相对的匀气管，所述匀气管的两侧进气端分别与所述甲烷预热管、氧气预热管的出气端连通，用于将预热后的甲烷、氧气相对喷流，使甲烷、氧气在匀化缓冲罐内混合均匀后向两端扩散，匀化缓冲罐两端均设有出气口，
所述活化促进装置包括真空罐，设置在真空罐内的螺旋石英管，所述螺旋石英管的进气口与所述匀化缓冲罐的两个出气口连接，螺旋石英管的内部中轴线上设有激光脉冲发生器，所述脉冲激光发生器包括两端与所述真空罐内壁两侧端固定的脉冲管，所述脉冲管上圆周性设有多个激光脉冲头，
所述转化反应室包括与所述真空罐出气端连接的气体泵，与所述气体泵出气端连接的喷射管，所述喷射管竖直设置，且喷射管内侧设有多个喷射嘴，转化反应室的内顶部还设有通过电机驱动的旋转座，所述旋转座上交错设有催化剂棒和加热棒，所述喷射嘴的喷射方向朝向所述催化剂棒和加热棒，
所述液化收集装置包括与所述转化反应室出气端连接用于将甲烷合成气体浓缩液化的压缩机和与所述压缩机连通用于存储液化甲烷合成气体的存储罐。
进一步地，所述甲烷预热管与所述氧气预热管内均盘旋设有加热管道，所述加热管道的入口端、出口端分别与用于向加热管道内泵入导热液体的循环泵连接，所述加热管道入口端与循环泵连接处设有用于将导热液体按甲烷预热管、氧气预热管内气体比例分流的分流阀，所述加热管道出口端与所述循环泵连接处设有用于加热回流导热液体的加热器，通过盘旋的加热管道对气体进行预热，避免气体反应时急剧升温发生燃烧或爆炸。
进一步地，所述气体流量控制器与所述分流阀连接，用于根据气体流量控制器设定的甲烷、氧气出气速率比来调节甲烷预热管、氧气预热管内加热管道的导热液体流量比，根据甲烷、氧气出气速率调节加热管道的导热液体流量比可以使甲烷预热管、氧气预热管内气体受热均匀，两种气体的预热温度相同，避免因气体温度不同而导致的气体分层。
进一步地，所述甲烷预热管和氧气预热管的出口端分别安装有用于放置气体倒流的止回阀，避免匀化缓冲罐内混合气体反冲入甲烷预热管、氧气预热管内。
进一步地，所述匀气管中部为螺旋管道，是避免直管设置使匀化缓冲罐内混合气体反冲入甲烷预热管、氧气预热管内。
进一步地，所述旋转座、催化剂棒和加热棒均绝缘处理，避免因旋转座旋转产生电火花引爆甲烷-氧气混合气体。
进一步地，所述存储罐内层罐体与外层罐体之间设有多层真空隔温层，通过真空层对存储罐进行隔温保存，保存效果好。
上述促进装置进行甲烷转化的促进方法，主要包括以下步骤：
S1：预热处理
将甲烷与氧气按照反应比输入至气体流量控制器中，气体流量控制器分别控制甲烷罐与氧气罐的出气流量，使甲烷、氧气分别进入甲烷预热管、氧气预热管中，循环泵将机构加热器加热的导热液体在加热管道内循环，对甲烷预热管、氧气预热管中的甲烷、氧气进行预热，进入甲烷预热管、氧气预热管中的导热液体流量比通过分流阀控制，使甲烷预热管、氧气预热管内甲烷、氧气受热均匀且温度相同；
S2：气体匀化活化
甲烷预热管、氧气预热管内的甲烷、氧气预热后通过匀化缓冲罐两端分别进入两个出气口相对的匀气管内，经出气口喷出后，甲烷与氧气混合并逐渐向匀化缓冲罐两端扩散，在扩散过程中，甲烷与氧气混合均匀，混合均匀后的甲烷-氧气混合气体经匀化缓冲罐的出气口进入活化促进装置的螺旋石英管中，在通入过程中，螺旋石英管中部的激光脉冲发生器向螺旋石英管内的甲烷-氧气混合气体发射激光脉冲，通过激光脉冲消除妨碍分子间重新组合的能量壁垒来加快反应的速度；
S3：转化反应
经激光脉冲照射后的甲烷-氧气混合气体进入转化反应室，气体泵将甲烷-氧气混合气体加压后经喷射管上的喷射嘴向催化剂棒、加热棒喷出，在催化剂和加热的作用下，甲烷与氧气反应生成合成气体，催化剂棒、加热棒的旋转使转化反应室内的甲烷-氧气混合气体充分与催化剂棒、加热棒接触反应；
S4：收集存储
反应生成的合成气体经压缩机压缩液化后送至存储罐内隔温存储。
本发明的有益效果是：本发明提供的，一种用于甲烷转化的促进装置及促进方法，尤其适用于甲烷合成气转化使用，通过气体流量控制器分别控制甲烷与氧气的比例，然后分别对甲烷与氧气进行预热，并且根据甲烷与氧气的比例控制加热管道的导热液体比，从而使甲烷与氧气的温度相同，然后设置匀化缓冲罐，使预热后的甲烷与氧气在匀化缓冲罐内初步混合均匀，同时设置活化促进装置，利用激光脉冲消除妨碍甲烷-氧气分子间重新组合的能量壁垒来加快后续转化反应的速度，最后设置转化反应室，通过向旋转的催化剂棒和加热棒喷射甲烷-氧气混合气体，使甲烷-氧气混合气体在催化剂的催化下进行反应。总之，本发明具有结构新颖、方法先进、使用方便等优点。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的匀化缓冲罐结构示意图；
图3是本发明的转化反应室结构示意图；
图4是本发明的存储罐结构示意图。
其中，1-原料罐、11-甲烷罐、111-电控阀一、12-氧气罐、121-电控阀二、13-气体流量控制器、2-预热装置、21-甲烷预热管、22-氧气预热管、23-加热管道、24-循环泵、25-分流阀、26-加热器、27-止回阀、3-匀化缓冲罐、31-匀气管、32-出气口、4-活化促进装置、41-真空罐、42-螺旋石英管、43-激光脉冲发生器、431-脉冲管、432-激光脉冲头、5-转化反应室、51-气体泵、52-喷射管、521-喷射嘴、53-电机、54-旋转座、55-催化剂棒、56-加热棒、6-液化收集装置、61-压缩机、62-存储罐、621-隔温层。
具体实施方式
为便于对本发明技术方案的理解，下面结合附图1-4和具体实施例对本发明做进一步的解释说明，实施例并不构成对发明保护范围的限定。
实施例1：如图1所示，一种用于甲烷转化的促进装置，主要包括原料罐1、预热装置2、匀化缓冲罐3、活化促进装置4、转化反应室5和液化收集装置6，
原料罐1包括甲烷罐11和氧气罐12，甲烷罐11的出口端设有电控阀一111，氧气罐12的出口端设有电控阀二121，电控阀一111、电控阀二121分别通过连接的气体流量控制器13控制，用于按照设定比例控制甲烷和氧气的出气速率，
预热装置2包括与电控阀一111连通的甲烷预热管21和与电控阀二121连通的氧气预热管22，甲烷预热管21与氧气预热管22内均盘旋设有加热管道23，加热管道23的入口端、出口端分别与用于向加热管道23内泵入导热液体的循环泵24连接，加热管道23入口端与循环泵24连接处设有用于将导热液体按甲烷预热管21、氧气预热管22内气体比例分流的分流阀25，加热管道23出口端与循环泵24连接处设有用于加热回流导热液体的加热器26，气体流量控制器13与分流阀25连接，用于根据气体流量控制器13设定的甲烷、氧气出气速率比来调节甲烷预热管21、氧气预热管22内加热管道23的导热液体流量比，甲烷预热管21和氧气预热管22的出口端分别安装有用于放置气体倒流的止回阀27，
匀化缓冲罐3为横卧式罐体，匀化缓冲罐3内侧两端设有出气口相对的匀气管31，匀气管31的两侧进气端分别与甲烷预热管21、氧气预热管22的出气端连通，用于将预热后的甲烷、氧气相对喷流，使甲烷、氧气在匀化缓冲罐3内混合均匀后向两端扩散，匀气管31中部为螺旋管道，匀化缓冲罐3两端均设有出气口32，
活化促进装置4包括真空罐41，设置在真空罐41内的螺旋石英管42，螺旋石英管42的进气口与匀化缓冲罐3的两个出气口31连接，螺旋石英管42的内部中轴线上设有激光脉冲发生器43，脉冲激光发生器43包括两端与真空罐41内壁两侧端固定的脉冲管431，脉冲管431上圆周性设有多个激光脉冲头432，
转化反应室5包括与真空罐41出气端连接的气体泵51，与气体泵51出气端连接的喷射管52，喷射管52竖直设置，且喷射管52内侧设有多个喷射嘴521，转化反应室5的内顶部还设有通过电机53驱动的旋转座54，旋转座54上交错设有催化剂棒55和加热棒56，喷射嘴521的喷射方向朝向催化剂棒55和加热棒56，旋转座54、催化剂棒55和加热棒56均绝缘处理，
液化收集装置6包括与转化反应室5出气端连接用于将甲烷合成气体浓缩液化的压缩机61和与压缩机61连通用于存储液化甲烷合成气体的存储罐62，存储罐62内层罐体与外层罐体之间设有多层真空隔温层621，
上述电控阀一111、电控阀二121均可选用ZZWPE电控式流量调节阀，气体流量控制器13可选用MFC气体流量控制器，循环泵24可选用DLSB耐高温循环泵，分流阀25可选用ZJHX电动三通流量调节阀，加热器26可选用COD管式加热器，止回阀27可选用KA-06气体止回阀，激光脉冲头432可选用Picopower系列脉冲激光发生器，气体泵51可选用BTV气体泵，电机53可选用YE2-08伺服电机，压缩机61可选用KY-IV气体液化压缩机。
实施例2：利用实施例1提供的促进装置进行甲烷转化的促进方法，主要包括以下步骤：
S1：预热处理
将甲烷与氧气按照反应比输入至气体流量控制器13中，气体流量控制器13分别控制甲烷罐11与氧气罐12的出气流量，使甲烷、氧气分别进入甲烷预热管21、氧气预热管22中，循环泵24将机构加热器26加热的导热液体在加热管道23内循环，对甲烷预热管21、氧气预热管22中的甲烷、氧气进行预热，进入甲烷预热管21、氧气预热管22中的导热液体流量比通过分流阀25控制，使甲烷预热管21、氧气预热管22内甲烷、氧气受热均匀且温度相同；
S2：气体匀化活化
甲烷预热管21、氧气预热管22内的甲烷、氧气预热后通过匀化缓冲罐3两端分别进入两个出气口相对的匀气管31内，经出气口喷出后，甲烷与氧气混合并逐渐向匀化缓冲罐3两端扩散，在扩散过程中，甲烷与氧气混合均匀，混合均匀后的甲烷-氧气混合气体经匀化缓冲罐3的出气口32进入活化促进装置4的螺旋石英管42中，在通入过程中，螺旋石英管42中部的激光脉冲发生器向螺旋石英管42内的甲烷-氧气混合气体发射激光脉冲，通过激光脉冲消除妨碍分子间重新组合的能量壁垒来加快反应的速度；
S3：转化反应
经激光脉冲照射后的甲烷-氧气混合气体进入转化反应室5，气体泵51将甲烷-氧气混合气体加压后经喷射管52上的喷射嘴向催化剂棒55、加热棒56喷出，在催化剂和加热的作用下，甲烷与氧气反应生成合成气体，催化剂棒55、加热棒56的旋转使转化反应室5内的甲烷-氧气混合气体充分与催化剂棒55、加热棒56接触反应；
S4：收集存储
反应生成的合成气体经压缩机61压缩液化后送至存储罐62内隔温存储。
实验例：研究实施例1提供促进装置对于甲烷转化效率的影响
实验条件：分别采用实施例1提供转化促进装置和现有工业级甲烷转化装置A分别对同体积的甲烷气体进行转化处理，分别检测转化后合成气体的体积进行对比，对比结果如表1所示：
表1 甲烷转化效率对比表
结论：实施例1提供的转化促进装置在转化相同体积甲烷气体时，所消耗的氧气体积小，转化成本低，且生成合成气气体体积大，转化率更高。
Claims (8)
1.一种用于甲烷转化的促进装置，其特征在于，主要包括原料罐(1)、预热装置(2)、匀化缓冲罐(3)、活化促进装置(4)、转化反应室(5)和液化收集装置(6)，
所述原料罐(1)包括甲烷罐(11)和氧气罐(12)，所述甲烷罐(11)的出口端设有电控阀一(111)，所述氧气罐(12)的出口端设有电控阀二(121)，所述电控阀一(111)、电控阀二(121)分别通过连接的气体流量控制器(13)控制，用于按照设定比例控制甲烷和氧气的出气速率，
所述预热装置(2)包括与所述电控阀一(111)连通的甲烷预热管(21)和与所述电控阀二(121)连通的氧气预热管(22)，
所述匀化缓冲罐(3)为横卧式罐体，匀化缓冲罐(3)内侧两端设有出气口相对的匀气管(31)，所述匀气管(31)的两侧进气端分别与所述甲烷预热管(21)、氧气预热管(22)的出气端连通，用于将预热后的甲烷、氧气相对喷流，使甲烷、氧气在匀化缓冲罐(3)内混合均匀后向两端扩散，匀化缓冲罐(3)两端均设有出气口(32)，
所述活化促进装置(4)包括真空罐(41)，设置在真空罐(41)内的螺旋石英管(42)，所述螺旋石英管(42)的进气口与所述匀化缓冲罐(3)的两个出气口(31)连接，螺旋石英管(42)的内部中轴线上设有激光脉冲发生器(43)，所述脉冲激光发生器(43)包括两端与所述真空罐(41)内壁两侧端固定的脉冲管(431)，所述脉冲管(431)上圆周性设有多个激光脉冲头(432)，
所述转化反应室(5)包括与所述真空罐(41)出气端连接的气体泵(51)，与所述气体泵(51)出气端连接的喷射管(52)，所述喷射管(52)竖直设置，且喷射管(52)内侧设有多个喷射嘴(521)，转化反应室(5)的内顶部还设有通过电机(53)驱动的旋转座(54)，所述旋转座(54)上交错设有催化剂棒(55)和加热棒(56)，所述喷射嘴(521)的喷射方向朝向所述催化剂棒(55)和加热棒(56)，
所述液化收集装置(6)包括与所述转化反应室(5)出气端连接用于将甲烷合成气体浓缩液化的压缩机(61)和与所述压缩机(61)连通用于存储液化甲烷合成气体的存储罐(62)。
2.根据权利要求1所述的一种用于甲烷转化的促进装置，其特征在于，所述甲烷预热管(21)与所述氧气预热管(22)内均盘旋设有加热管道(23)，所述加热管道(23)的入口端、出口端分别与用于向加热管道(23)内泵入导热液体的循环泵(24)连接，所述加热管道(23)入口端与循环泵(24)连接处设有用于将导热液体按甲烷预热管(21)、氧气预热管(22)内气体比例分流的分流阀(25)，所述加热管道(23)出口端与所述循环泵(24)连接处设有用于加热回流导热液体的加热器(26)。
3.根据权利要求1所述的一种用于甲烷转化的促进装置，其特征在于，所述甲烷预热管(21)和氧气预热管(22)的出口端分别安装有用于放置气体倒流的止回阀(27)。
4.根据权利要求1所述的一种用于甲烷转化的促进装置，其特征在于，所述匀气管(31)中部为螺旋管道。
5.根据权利要求1所述的一种用于甲烷转化的促进装置，其特征在于，所述旋转座(54)、催化剂棒(55)和加热棒(56)均绝缘处理。
6.根据权利要求1所述的一种用于甲烷转化的促进装置，其特征在于，所述存储罐(62)内层罐体与外层罐体之间设有多层真空隔温层(621)。
7.根据权利要求1所述的一种用于甲烷转化的促进装置，其特征在于，所述氧气预热管(22)的出口端安装有用于放置气体倒流的止回阀(27)。
8.利用权利要求1-7任意一项所述装置促进甲烷转化的方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
S1：预热处理
将甲烷与氧气按照反应比输入至气体流量控制器(13)中，气体流量控制器(13)分别控制甲烷罐(11)与氧气罐(12)的出气流量，使甲烷、氧气分别进入甲烷预热管(21)、氧气预热管(22)中，循环泵(24)将机构加热器(26)加热的导热液体在加热管道(23)内循环，对甲烷预热管(21)、氧气预热管(22)中的甲烷、氧气进行预热，进入甲烷预热管(21)、氧气预热管(22)中的导热液体流量比通过分流阀(25)控制，使甲烷预热管(21)、氧气预热管(22)内甲烷、氧气受热均匀且温度相同；
S2：气体匀化活化
甲烷预热管(21)、氧气预热管(22)内的甲烷、氧气预热后通过匀化缓冲罐(3)两端分别进入两个出气口相对的匀气管(31)内，经出气口喷出后，甲烷与氧气混合并逐渐向匀化缓冲罐(3)两端扩散，在扩散过程中，甲烷与氧气混合均匀，混合均匀后的甲烷-氧气混合气体经匀化缓冲罐(3)的出气口(32)进入活化促进装置(4)的螺旋石英管(42)中，在通入过程中，螺旋石英管(42)中部的激光脉冲发生器向螺旋石英管(42)内的甲烷-氧气混合气体发射激光脉冲，通过激光脉冲消除妨碍分子间重新组合的能量壁垒来加快反应的速度；
S3：转化反应
经激光脉冲照射后的甲烷-氧气混合气体进入转化反应室(5)，气体泵(51)将甲烷-氧气混合气体加压后经喷射管(52)上的喷射嘴向催化剂棒(55)、加热棒(56)喷出，在催化剂和加热的作用下，甲烷与氧气反应生成合成气体，催化剂棒(55)、加热棒(56)的旋转使转化反应室(5)内的甲烷-氧气混合气体充分与催化剂棒(55)、加热棒(56)接触反应；
S4：收集存储
反应生成的合成气体经压缩机(61)压缩液化后送至存储罐(62)内隔温存储。
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