CN111422831A - 一种甲醇裂解装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种甲醇裂解装置，由甲醇箱、滤清器、甲醇泵、流量控制阀、三通阀、电磁阀、反应段、单向阀、裂解气存储罐、压力传感器、数字压力显示器、针阀等组成。其中反应段由蒸发管、节流管和裂解管组成，三段管路呈螺旋状，由卡套接头相连，裂解管内填充有促进反应的低温催化剂。本发明通过设置不同直径的蒸发管和节流管，能提高甲醇的蒸发汽化效果和提升裂解反应反应效率。整套装置安装拆卸方便，互换性好，装置结构简单，制造成本较低。

Description

一种甲醇裂解装置

技术领域

本发明属于气体裂解装置技术领域，特别涉及一种甲醇裂解装置。

背景技术

甲醇在常温常压下以液态形式存在的，其密度与汽油相近，容易储存，便于运输，其辛烷值也较高，分子中含氧50％，燃烧速度快，稀燃范围宽泛，是一种富氧、环保、高能的燃料。为保证国家能源安全，依据我国贫油富煤的能源特点，开展煤制甲醇(甲醇可由含碳有机物气化合成，因此也是一种可再生能源)含氧燃料汽车应用的基础研究，建立醇类燃料燃烧、排放及其控制的理论体系尤为重要。经过多年的研究开发，我国已具有了一定的甲醇燃料开发及应用基础，甲醇汽车也得到了逐步推广。但目前推广甲醇汽车还存在一些技术难点未能攻克，其中甲醇发动机的低温冷启动困难是阻碍甲醇汽车市场健康成长的一个重大难题。

现有的低温冷启动解决措施一般为增加一套电加热装置，低温启动时辅助加热甲醇，或是搭载甲醇、汽油双燃料系统，冷启动时燃用汽油，这无疑增加了巨大的成本。因此在甲醇汽车上搭载成本低廉的甲醇裂解装置将甲醇裂解成为氢气和一氧化碳，作为单一燃料甲醇汽车低温冷起动时的辅助燃料，可以避免双供油系统带来的管路复杂、加油不方便等问题，降低成本。甲醇裂解气中含有丰富的氢气,可实现稀薄快速燃烧,从而提高热效率,大幅降低有害排放物，使得发动机无需有大的结构改动就可获得理想的启动效果。在氢能利用方面,甲醇裂解也解决了氢气存储不便、安全系数低等问题。

此外，甲醇裂解气也可以应用于作为可控气氛热处理的各种工艺中，如气体软氮化，退火保护、或者机械、紧固件、小五金等领域的光亮热处理，应用前景较好。近几年甲醇裂解的催化剂有了突破性的进展，在较低的温度下使用价格低廉的特殊催化剂(如氧化铜、氧化锌等)就可以使甲醇完全裂解，降低了甲醇裂解的成本，使得甲醇裂解气的应用得以进一步推广。然而现有的一些甲醇裂解装置换热室和裂解室分开，结构复杂、体积过大，催化剂烧结后难以更换，限制了裂解器的应用范围。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种甲醇裂解装置，该装置缩小了甲醇裂解设备的体积，降低了设备制造成本(减少钢材消耗量)，结构紧凑、拆卸方便、经济可靠。可以应用于对裂解气需求量不是很大的各种场合，或者是搭载于甲醇汽车上，利用发动机排气余热裂解甲醇以供发动机低温冷启动燃料所需，该装置可实现自动补液裂解及收集存储的功能。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种甲醇裂解装置，包括反应段，所述反应段由通过卡套接头7依次连接的蒸发管8、节流管9和裂解管11组成，其中节流管9和裂解管11之间设置有单向阀一10。

所述蒸发管8、节流管9和裂解管11均呈螺旋状。

所述蒸发管8和裂解管11为单螺旋管结构。

所述裂解管11内填充有促进反应的低温催化剂。

所述低温催化剂为铜系催化剂，形态为固体珠状小颗粒，催化剂粒径与裂解管11直径之比为1:6，裂解管11的进出口均填充有石英棉。

本发明可通过设置不同直径的蒸发管8调节蒸发容量，通过节流管9，提高甲醇的蒸发汽化效果和提升裂解反应效率，其中节流管9的直径小于蒸发管8和裂解管11的直径。例如，可设置裂解管11与蒸发管8采用1/4英制管路，节流管9采用1/16英制管路，装置内其余管路采用1/8英制管路。

所述蒸发管8的入口端连接三通阀5的一个出口，三通阀5的另一个出口连接电磁阀6的入口，电磁阀6的出口回接甲醇箱1，甲醇箱1出口依次通过滤清器2、甲醇泵3和流量控制阀4接三通阀5的入口，所述裂解管11的出口通过单向阀二12连接裂解气存储罐13，所述裂解气存储罐13中设置压力传感器14，并与供气管路、冷凝管路相连，冷凝管路上装有针阀16且与甲醇箱1连通，压力传感器14连接数字压力显示器15，所述电磁阀6的控制信号根据数字压力显示器15的数据给出，达到设定压力上限后，控制开启电磁阀6，回醇管路旁通，停止裂解，当裂解气因消耗而压力下降至设定下限值时，控制关闭电磁阀6，继续裂解。

所述反应段及装置中的管路均为304或316奥氏体不锈钢材质。

所述反应段的加热装置采用马弗炉、导热油、发动机尾气或电加热器等。

与现有技术相比，本实施例具有如下优点：

(1)一种小型甲醇裂解装置结构简单，制造成本较低，管路采用市面常见的不锈钢管，反应段各部分均用卡套接头连接，结构紧凑，方便装填催化剂，可以随时更换不同直径的裂解管和蒸发管，以满足不同裂解速率、裂解气体量裂的需求，实现可调安装，增强了互换性，避免了专用件的生产。

(2)反应段各管路呈螺旋状，可以抵消管路因热胀冷缩变形产生的应力，延长使用寿命。采用直径细、长度长、螺距大的螺旋管道，可以增大给热系数，在相同容积内的有效传热面积增大，此外螺旋管路改变了管内流体状态，增强流体的湍流效果，因此换热效果相较于传统列管换热器大大提高。

(3)设置直径较小的节流管与蒸发管构成渐缩段，使得流体压力突变，流速增大，流体紊流程度进一步增强。甲醇蒸汽在节流管继续换热，使其得以完全蒸发汽化，保证甲醇裂解高效率。

(4)管路采用不锈钢材质的螺旋管换热，避免了甲醇裂解反应中产生的甲酸和碳酸对管路的腐蚀。

(5)通过压力传感器检测裂解气存储罐压力变化，控制回醇管路电磁阀开闭可实现自动补液裂解及收集存储的自适应裂解功能。

附图说明

图1是本发明所述甲醇裂解装置的结构示意图

图2是本发明所述反应段的结构示意图

图中数字所表示的相应部件名称:1-甲醇箱，2-滤清器，3-甲醇泵，4-流量控制阀，5-三通阀，6-电磁阀，7-卡套接头，8-蒸发管，9-节流管，10、12-单向阀，11-裂解管，13-裂解气存储罐，14-压力传感器，15-数字压力显示器，16-针阀。图1中箭头指向供气方向，图2箭头为裂解气出口。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1和图2所示，本发明为一种小型甲醇裂解装置，主要包括甲醇箱1、滤清器2、甲醇泵3、流量控制阀4、三通阀5、电磁阀6、卡套接头7、蒸发管8、节流管9、单向阀一10、裂解管11、单向阀二12、裂解气存储罐13、压力传感器14、数字压力显示器15、针阀16、加热装置(未图示)、催化剂(未图示)等。

具体地，滤清器2设置于甲醇箱1与甲醇泵3之间，过滤甲醇杂质、避免管路堵塞，流量控制阀4控制阀门开度，可控制甲醇供醇量，进一步控制反应空速，三通阀5连接供醇管路、蒸发管路和回醇管路，即，三通阀5的一个出口连接蒸发管8的入口端，另一个出口连接电磁阀6的入口，电磁阀6的出口回接甲醇箱1，甲醇箱1出口依次通过滤清器2、甲醇泵3和流量控制阀4接三通阀5的入口。

反应段由蒸发管8、节流管9和裂解管11组成，均呈螺旋状，本实施例中蒸发管8和裂解管11为单螺旋管结构。各段之间用卡套接头7相连接，反应段所有管路采用304不锈钢管制成的螺旋管，以提升换热、裂解效率。本发明可通过设置不同直径的蒸发管8和节流管9，提高甲醇的蒸发汽化效果和提升裂解反应效率。在本实例中裂解管11与蒸发管8采用1/4英制管路，节流管9采用1/16英制管路，装置内其余管路采用1/8英制管路。小直径的节流管9使得蒸发管8中未完全蒸发的甲醇进一步蒸发，并且增加甲醇蒸汽的流速，减少单位时间进入裂解管11内的甲醇蒸汽，保证甲醇裂解效率。

裂解管11内填充有促进反应的催化剂。催化剂采用成本低廉的低温铜系催化剂，为固体珠状小颗粒，置于裂解管11内部，为保证甲醇裂解良好，防止裂解时出现架桥、偏流现象，催化剂粒径与裂解管11直径之比一般为1:6。甲醇蒸汽在催化剂颗粒之间的微孔内流动，增大了甲醇蒸汽和催化剂的接触面积，增长了甲醇蒸汽流动的路径，延长换热及反应时间，从而进一步提高裂解能力。此外在裂解管11的进出口填有少量石英棉，可防止催化剂因流体流速过大而泄露，引起管路堵塞。

单向阀一10设置在节流管9和裂解管11之间，用以防止裂解产生的高压气体回流，堵塞甲醇蒸汽；单向阀二12设置在裂解管11与裂解气存储罐13之间，用以防止未能充分裂解的甲醇蒸汽在管路中冷凝回流至裂解管11出口引起堵塞。

裂解气存储罐13用以存储裂解后的高压气体，罐体采用不锈钢制成，分别与进气管路、供气管路和冷凝管路相连，并装有压力传感器14检测压力，进气管路即裂解管11出口管路，供气管路通往用气单元。裂解气在罐内自然冷却后，未裂解完全的甲醇蒸汽冷凝，通过装有针阀16的冷凝管路流回甲醇箱1。压力传感器14检测罐内压力，并通过数字压力显示器15显示，达到设定压力上限后，自动或者手动控制开启回醇管路上的电磁阀6，回醇管路旁通，停止裂解，当裂解气因消耗而压力下降至设定下限值时，电磁阀6关闭，继续裂解。

本发明的工作原理如下：

反应段与供醇管路连接，由甲醇泵3供给约4bar的甲醇。催化剂采用廉价的铜铝锌等氧化物组成的铜系催化剂，填充于裂解管11中，蒸发后的甲醇与催化剂接触后开始裂解，裂解气体通过细管道注入裂解气存储罐13，未裂解的甲醇冷却重新凝结到罐底，经冷凝管路泄回甲醇箱1。在本实例中，当加热温度达到300℃时，流量控制阀4打开，控制甲醇流量，正常情况下，电磁阀6关闭，甲醇液体流入蒸发管8吸热后开始迅速蒸发汽化。甲醇在蒸发管8螺旋流道中迅速蒸发。甲醇混合气流经节流管9后，管路截面积突变，流速增加，未完全蒸发的甲醇在节流管9进一步蒸发完全。此外由于节流管9较小的直径，使得进入裂解管11的甲醇蒸汽量得以控制，保证甲醇裂解效率。甲醇蒸汽在裂解管11中的催化剂空隙之间流动，在催化剂的作用下发生如下裂解反应：

CH₃OH＝CO+2H₂-90.7KJ/mol

裂解管内反应之后产生氢气和一氧化碳混合气，分子数增多，管内压力升高，单向阀一10使得裂解气不会回流堵塞管路，裂解气从裂解管11出口进入存储罐13。裂解气在罐中积累，罐内压力不断升高，当达到压力设定值上限后，控制开启电磁阀6，停止裂解。裂解气在罐内冷却，未完全裂解的甲醇冷凝为液态，定期开启针阀16将其泄放。裂解气消耗后，气罐压力降低，甲醇流入裂解罐，到设定压力下限后，电磁阀6关闭，下一裂解周期开始，补充裂解气。这样罐中常备足量裂解气可满足-25℃以下低温冷起动、怠速及小负荷等工况的运行需求。

由此可见，本发明实现了甲醇裂解装置的小型化，其结构简单，制造成本较低，管路采用市面常见的不锈钢管，反应段各部分均用卡套接头连接，互换性较好。此外反应段管路呈螺旋状，增强了换热能力，此外设置蒸发管和节流管使得甲醇蒸发完全，进一步提升了甲醇裂解效率。

本领域的技术人员容易理解，以上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)

1.一种甲醇裂解装置，包括反应段，其特征在于，所述反应段由通过卡套接头(7)依次连接的蒸发管(8)、节流管(9)和裂解管(11)组成，其中节流管(9)和裂解管(11)之间设置有单向阀一(10)。

2.根据权利要求1所述甲醇裂解装置，其特征在于，所述蒸发管(8)、节流管(9)和裂解管(11)均呈螺旋状。

3.根据权利要求1所述甲醇裂解装置，其特征在于，所述蒸发管(8)和裂解管(11)为单螺旋管结构。

4.根据权利要求1或2或3所述甲醇裂解装置，其特征在于，所述裂解管(11)内填充有促进反应的低温催化剂。

5.根据权利要求4所述甲醇裂解装置，其特征在于，所述低温催化剂为铜系催化剂，形态为固体珠状小颗粒，催化剂粒径与裂解管(11)直径之比为1:6，裂解管(11)的进出口均填充有石英棉。

6.根据权利要求1所述甲醇裂解装置，其特征在于，通过设置不同直径的蒸发管(8)以调节蒸发容量，通过节流管(9)提高甲醇的蒸发汽化效果和提升裂解反应效率，其中节流管(9)的直径小于蒸发管(8)和裂解管(11)的直径。

7.根据权利要求1所述甲醇裂解装置，其特征在于，所述裂解管(11)与蒸发管(8)采用1/4英制管路，节流管(9)采用1/16英制管路，装置内其余管路采用1/8英制管路。

8.根据权利要求1所述甲醇裂解装置，其特征在于，所述蒸发管(8)的入口端连接三通阀(5)的一个出口，三通阀(5)的另一个出口连接电磁阀(6)的入口，电磁阀(6)的出口回接甲醇箱(1)，甲醇箱(1)出口依次通过滤清器(2)、甲醇泵(3)和流量控制阀(4)接三通阀(5)的入口，所述裂解管(11)的出口通过单向阀二(12)连接裂解气存储罐(13)，所述裂解气存储罐(13)中设置压力传感器(14)，并与供气管路、冷凝管路相连，冷凝管路上装有针阀(16)且与甲醇箱(1)连通，压力传感器(14)连接数字压力显示器(15)，所述电磁阀(6)的控制信号根据数字压力显示器(15)的数据给出，达到设定压力上限后，控制开启电磁阀(6)，回醇管路旁通，停止裂解，当裂解气因消耗而压力下降至设定下限值时，控制关闭电磁阀(6)，继续裂解。

9.根据权利要求1所述甲醇裂解装置，其特征在于，所述反应段及装置中的管路均为304或316奥氏体不锈钢材质。

10.根据权利要求1所述甲醇裂解装置，其特征在于，所述反应段的加热装置采用马弗炉、导热油、发动机尾气或电加热器。

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