CN1864844A - 氢氧复合反应的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氢氧复合反应的装置及方法，所述的装置主要包括流化床反应器，在反应器底部设置有含氧气体入口，入口上连接有氢气分布器，氢气分布器固定设置在筒壁上；在反应器内设置有催化剂密相区，换热器与反应器筒壁相连接；在反应器内催化剂密相区还设置有与换热管相连的内构件，在所述反应器上部设置有扩大段及与之相连的气固分离装置；在反应器扩大段还设置有加热器；在反应器轴向高度上部筒壁上设置有催化剂入口，在反应器底部设置有失活催化剂出口。本发明的氢氧复合反应方法，主要包括控制氢气与氧气的摩尔比，控制反应器催化剂密相区的温度、气速及催化剂的空速等步骤。本发明的反应器操作弹性大、移热方便、氢氧复合转化率高、氢氧反应不需要惰性气体稀释。

Description

氢氧复合反应的装置及方法
技术领域
本发明属于化工工艺过程及设备技术领域。具体涉及一种由氢气与氧气复合反应的装置及方法。
背景技术
在重水制备、核装置运行过程中会产生大量的氢气与氧气，由于氢气具有易爆的特点，该类气体不能直接排放，需要经过化学转化。处理产生的氢气与氧气问题对过程安全性极为重要。
处理产生的氢气与氧气的关键在于控制氢氧浓度，在催化条件下使氢氧进行复合反应，使催化剂转化反应在一个相对安全的环境下进行。目前常用的氢氧复合的方法是利用大量的惰性气体，将所处理的气体中的氢气的含量降低至爆炸限以下的浓度。然后将含氢气体与空气或氧气一起通入装有催化剂的固定床反应器中，在100-400℃的范围内进行氢氧复合反应。该种方法的缺点是在过程中引入了大量的惰性气体。如果对于一些特殊的、需要封闭循环的系统(比如具有放射性的体系)来说，由于不能随便排放系统的任何物质，该方法会导致惰性气体积累量越来越大，最后导致过程不能正常操作。但是在固定床反应器中，如果不把氢气的浓度降至爆炸限以下，在反应器中局部氢气与氧气的接触会导致爆炸，致使过程无法进行。同样，对于氢气处理量大的过程，在氢氧复合反应中会产生大量的热量，由于在固定床反应器中传热系数较低，移热速率低。这样会在短时间内反应器内的温度会超过1000℃，导致催化剂失效。
德国费罗马托姆ANP有限责任公司2000年提交了名称为《使气体混合物中氢气和/或一氧化碳与氧气催化复合的复合装置和方法》(专利申请号为00805710.9)的发明专利申请，该发明专利申请提供了一种使气体混合物中的氢气和/或一氧化碳与氧气催化复合的复合装置，复合装置的特点是包括至少一个催化剂系统，该催化剂系统被安装在一工作时供所述气体混合物以自由对流方式流动的壳体中。本发明的催化剂系统在气体混合物的流动方向上分成多个分区，其中在第一分区的流动方向上包括一被阻挡层包围的用于阻止流入和/或流出反应气体扩散的催化剂体，并且接在第一分区后面的第二分区至少包括一反应气体可直接进入的催化剂体，可以可靠的避免工作时气体混合物无意点燃。其不足之处在于，该发明仅适合于核电厂安全容器，通用性较差。
发明内容
本发明提供一种氢氧复合反应的装置及方法。本发明可以较好的解决高浓度氢气与氧气的复合处理问题，具有通用性。
本发明的氢氧复合反应的装置采用带两个独立气体分布器的流化床反应器，既能解决高浓度氢气与氧气复合反应的安全性问题及热量移出及高效转化氢气。
本发明的氢氧复合反应的装置，包括：流化床反应器，在反应器底部设置有含氧气体入口，入口与固定在反应器底部封头相连接，反应器底部筒壁固定设置有氧气分布器；
在含氧气体入口上部设置有含氢气体入口，氢气分布器与含氢气气体入口相连并固定在反应器筒壁上；
在反应器内催化剂密相区设置有与反应器筒壁固定连接的换热器；
在氢气分布器的上方的换热器上设置有内构件；
气固分离部分包括设置在反应器上端的扩大段和固定在扩大段的筒壁上的旋风分离器，旋风分离器的料腿分别与两个催化剂密相区相连；
在反应器扩大段固定有加热器，在反应器扩大段的顶部封头外设置有反应气体出口，在反应器轴向高度上部筒壁设置有催化剂入口，在反应器底部筒壁设置有失活催化剂出口。
氧气分布器采用多孔板分布器、浮阀式分布器、管式分布器中的一种。
管式分布器的形式采用水平管式或垂直管式，管的形状为直管式、环管式或其组合。
管式分布器采用从反应器轴向单层横截面或多层横截面的进气形式。
氢气分布器气流喷出的方向与氧气分布器喷出气流的上升方向相反设置。
氧气分布器与氢气分布器间的气流出口的距离为100mm～1000mm。
一种氢氧复合反应方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将平均粒径为45μm～300μm的金属负载型催化剂装入反应器，催化剂的静止装填高度为反应器直径的2～10倍；
2)向设置在反应器内的换热管或夹套换热器中通入加热介质，使反应器中温度达到100℃～200℃；然后先从含氧气体的入口及氧气分布器通入含氧气体；再由含氢气体的入口及氢气分布器通入含氢气体；氢气与氧气在催化剂上进行接触，并发生反应；
3)当反应器内的温度升至150℃～250℃时，将通入换热器的加热介质关闭，切换为冷却介质；控制冷却介质的流量，使反应器内部的温度低于700℃；在氢气与氧气的摩尔比在1.8∶1-2∶1的范围内时，控制催化剂的处理氢气的能力为0.1Nm3～5Nm3氢气/kg催化剂/h，反应器的绝对压力为0.1MPa～10.0MPa；
4)启动设置在反应器扩大段的加热器，控制反应器扩大段与气固分离部分的温度为100℃-500℃；
5)控制含氢气体与含氧气体的总进料流量，使反应器中的实际气速达到0.05m/s～0.9m/s；反应气体经过催化剂密相区后，转化成水，反应产物经过反应器扩大段和气固分离部分排出。
步骤2)向设置在反应器内的换热管或夹套换热器中通入加热介质采用直接向反应器内通入热的惰性气体加热替代，其余不变。
为了保证氧气与高浓度氢气的接触是在催化剂上完成的。本发明强调氧气分布器位于反应器的底部，氧气进入反应器后，首先吸附在催化剂上，然后再与氢气接触。为了保证氧气与氢气的充分接触，本发明氢气分布器的气流出口位置与氧气分布器的气流出口位置的安装距离为100mm～1000mm，并且强调氢气流的喷射方向与氧气上升气流的方向相反，这样可保证氢气与氧气在两分布器间的区域内在催化剂上进行复合反应。
为了防止氢气浓度过大，或氢气绝对流量过大，而导致与氧气反应时反应器局部区域内温度过高，超过800℃时会使催化剂烧结而失去活性。所以本发明强调氢气的分布器形式可为多层水平管式分布器或立式管式分布器或多层向下喷的喷嘴，在反应器的轴向高度上分多层通入氢气，这样可保证整个反应器中的温度比较均匀。而为了保证在反应器内任一水平截面上的气流的浓度均匀，并且增强气固接触效果，本发明强调在催化剂密相区设置能够破碎气泡，增加气固接触效果的内置构件。
为了保证催化剂的初始反应活性，及保证正常反应时的大量反应热量的顺利移出，本发明强调在催化剂密相区设置换热装置。在未通氢气与氧气之前，先用热的介质，使反应器内的温度升至100℃以上。这样催化剂就有充分的活性进行氢气的转化。而当大量氢气被转化时，反应放出的热量很大，这时可向换热器中通入冷却介质，保持反应器中的温度在催化剂的热稳定性范围之内。
为了避免反应生成的水在反应器的扩大段及出口冷凝，而使气固分离部分无法正常工作，本发明强调在反应器的扩大段设置加热器，这样可保证扩大段的温度始终高于操作压力下水蒸汽的露点，这样生成的水可始终以汽态形式出反应器。而气流所携带的催化剂固体，在扩大段由于气速降低大部分自动回落至催化剂密相区后，少量被气固分离部分捕集，或内置固体过滤器阻挡，返回催化剂密相区。
当催化剂失活后，在反应器底部的出口进行回收，进行再生，同时从催化剂入口连续补加催化剂，保证过程连续运行。
本发明氢氧复合反应的装置及方法，具有以下特点：
(1)流化床内的固体的热容非常大，所以具有非常大的传热系数。可以保证氢气流量非常大且反应热量非常大的氢氧复合体系。与固定床技术相比，拓宽了原料气的使用范围。
(2)由于流化床内的固体颗粒非常小，在气流的湍动下，混合均匀，保证了反应器内的温度均匀，无热点存在，减少了热应力对催化剂寿命的影响，可以延长催化剂的使用寿命。
(3)由于氢氧复合是在催化剂上进行的，所以本技术适用于任意氢氧浓度比例的混合气。不需要用惰性气体来稀释氢气，可减小进气装置的规模及设备投资。
(4)当氢氧比例适当时，氢氧可完全转化为水，则出反应器的蒸汽可被完全冷凝。不会产生气体在整个系统中的积累现象，可以保证特殊的、需要长周期封闭运行的系统的安全运行。
(5)由于催化剂在气流的作用下处于悬浮状态，所以更换催化剂时不需要停车。与固定床技术相比，本发明中的流化床技术可保证整个系统的连续运行。
本发明的反应器具有操作弹性大、移热方便、氢氧复合转化率高、氢氧反应不需要惰性气体稀释等优点。
附图说明
图1为本发明的氢氧复合反应的装置的实施例1的结构示意图
图2为本发明的氢氧复合反应的装置的实施例2的结构示意图
图3为本发明的氢氧复合反应的装置的实施例3的结构示意图
图4为本发明的氢氧复合反应的装置的实施例4的结构示意图
图中：1.含氧气体入口  2.失活催化剂出口  3.含氢气体入口  4.催化剂入口5.旋风分离器入口  6.反应气体出口  7.换热器入口  8.换热器出口  9.氧气分布器  10.氢气分布器  11.催化剂密相区  12.换热器  13.内构件  14.料腿15.反应器扩大段  16.旋风分离器  17.加热器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明所提供的装置进一步加以说明。
在反应器上端设置的气固分离部分，包括反应器的扩大段15和旋风分离器16；旋风分离器通过固定件与反应器扩大段的内壁相连。被气流携带进入反应器扩大段的催化剂，首先经重力沉降，部分返回催化剂密相区11，部分经旋风分离器入口6进入旋风分离器16，经料腿14返回催化剂密相区11。
在反应器中部设置有催化剂入口4，在反应器底部设置有失活催化剂出口2。
反应所用含氧气体与含氢气体分别通过含氧气体入口1与含氢气体入口3，分别再经分布器9和氢气分布器10，进入反应器。
设置在催化剂密相区11的内构件13，通过固定件与反应器的内壁相连。
设置在催化剂密相区的换热器12，通过固定件与反应器的内壁相连。
催化剂从催化剂入口4进入反应器。为了使催化剂能全部进入反应器，加催化剂时在反应器底部含氧气体入口1经氧气体分布器9通入氮气或空气。在气流量较小的氮气或空气的松动下，催化剂颗粒从催化剂入口4进入反应器，自动堆集在催化剂密相区11。将催化剂装入反应器中后，经换热器入口7向换热器12通入高压过热水蒸汽将反应器中的气温度升至100～200℃。然后先经含氧气体入口1，氧气分布器9向反应器中通入含氧气体。控制反应器中的气速在0.05～0.6m/s之间，保证催化剂处于流化状态。然后通过含氧气体入口3与氢气分布器10向反应器中逐渐通入含氢气体。在所通含氢气体过程中，将换热器12中的加热介质切换为冷却介质，经换热器入口7向换热器12中通入冷却水，冷却水经过换热器12后温度升高，变为汽水混合物从换热器出口8出换热器12。这样可控制反应器中的温度在300～500℃之间。在加大含氢气体流量的同时，加大冷却水的流量，保持反应器中的温度低于700℃，直至含氢气体流量达到工艺要求值。在反应的同时，启动设置在反应器扩大段15内部或外部的加热器17，保证反应器扩大段15及旋风分离器16的温度高于操作压力下的饱和水蒸汽的露点。反应气体经过催化剂密相区11后被转化为水。反应产物进入反应器扩大段15，从旋风分离器入口5进入旋风分离器16，并从旋风分离器16的出口6出反应器。
在此过程中，催化剂密相区11中的部分催化剂被气流携带，进入反应器扩大段15，从旋风分离器入口5进入旋风分离器16经旋风分离器的料腿14返回催化剂密相区11。
当催化剂完全失活后，可以通过催化剂失活口2从反应器底部卸出。催化剂可以从催化剂入口4在适当的时期进行补加。
实施例1：
图1为本发明提供的氢氧复合反应的装置的结构示意图，氧气分布器9采用风帽式结构，氢气分布器10采用双层环管式结构，内构件13为脊形内构件，催化剂密相区11采用内置换热器12，反应器扩大段15设置有加热器17，加热器17采用外置式加热方式。
在如图1所示的用于氢氧复合反应的流化床反应器中进行反应。采用含铂量为200mg/kg的催化剂，其平均粒度为60μm，装填量为1000g。从氧气分布器9先通入纯氧气，流量为1Nm3/h，启动加热装置，使催化剂区的温度高于100℃。然后从氢气分布器10逐渐通入纯氢气，在反应器内温度高于150℃，关闭加热器，启动冷却水进入换热。最终使氢与氧的进料摩尔比为2∶1；操作压力(绝对压力)为0.25MPa；催化剂密相区11的温度为100～200℃，催化剂处理氢气的能力为2Nm3氢气/kg催化剂/h，催化剂密相区11中实际气速为0.05m/s。氢气在尾气中的浓度为100ml/m3。
实施例2：
图2为本发明提供的氢氧复合反应的装置的结构示意图，氧气分布器9采用板式结构，氢气分布器10采用双层环管式结构，内构件13为脊形内构件，催化剂密相区11采用内置换热器，反应器扩大段15设置有加热器17，加热器17采用外置式加热方式。
在如图2所示的用于氢氧复合反应的流化床反应器中进行反应。采用含铂量为300mg/kg的催化剂，其平均粒度为300μm，装填量为360g。从氧气分布器9先通入纯氧气，流量为1Nm3/h，启动加热装置，使催化剂区的温度高于100℃。然后从氢气分布器10逐渐通入纯氢气，在反应器内温度高于150℃，关闭加热器，启动冷却水进入换热。最终使氢与氧的进料摩尔比为1.8∶1；操作压力(绝对压力)为1.0MPa；催化剂密相区11的温度为500℃，催化剂处理氢气的能力为5Nm3氢气/kg催化剂/h，催化剂密相区11中实际气速为0.9m/s。氢气在尾气中的浓度为40ml/m3。
实施例3：
图3为本发明提供的氢氧复合反应的装置的结构示意图，氧气分布器9采用环管式结构，氢气分布器10采用单层环管式结构，内构件13为格栅形内构件，催化剂密相区11采用内置换热器，反应器扩大段15设置有加热器17，加热器17采用外置式加热方式。
在如图3所示的用于氢氧复合反应的流化床反应器中进行反应。采用含钯量为200mg/kg的催化剂，其平均粒度为45μm，装填量为1000g。从氧气分布器9先通入纯氧气，流量为1.5Nm3/h，启动加热装置，使催化剂区的温度高于100℃。然后从氢气分布器10逐渐通入纯氢气，在反应器内温度高于150℃，关闭加热器，启动冷却水进入换热。最终使氢与氧的进料摩尔比为2∶1；操作压力(绝对压力)为10.0MPa；催化剂密相区11的温度为200℃，催化剂处理氢气的能力为3Nm3氢气/kg催化剂/h，催化剂密相区11中实际气速为0.45m/s。氢气在尾气中的浓度为60ml/m3。
实施例4：
图4为本发明提供的氢氧复合反应的装置的结构示意图，氧气分布器9采用环管式结构，氢气分布器10采用单层环管式结构，内构件13为格栅形内构件，催化剂密相区11采用反应器夹套换热器，反应器扩大段15设置有加热器17，加热器17采用内置式加热方式。
在如图4所示的用于氢氧复合反应的流化床反应器中进行反应。采用含铂量为500mg/kg的催化剂，其平均粒度为200μm，装填量为300g。从氧气分布器9先通入纯氧气，流量为1.5Nm3/h，启动加热装置，使催化剂区的温度高于100℃。然后从氢气分布器10逐渐通入50％氮气和50％的氢气的混合气，在反应器内温度高于150℃，关闭加热器，启动冷却水进入换热。最终使氢与氧的进料摩尔比为1.5∶1；操作压力(绝对压力)为0.11MPa；催化剂密相区11的温度为500℃，催化剂处理氢气的能力为5Nm3氢气/kg催化剂/h，催化剂密相区11中实际气速为0.6m/s。氢气在尾气中的浓度为10ml/m3。

Claims (8)

1.氢氧复合反应的装置，其特征在于该装置包括：
流化床反应器，在反应器底部设置有含氧气体入口(1)，含氧气体入口(1)与固定在反应器底部封头相连接，反应器底部筒壁固定设置有氧气分布器(9)；
在含氧气体入口(1)上部设置有含氢气体入口(3)，与入口相连并固定在反应器筒壁上的氢气分布器(10)上；
在反应器内催化剂密相区(11)设置有与反应器筒壁固定连接的换热器(12)；
在氢气分布器(10)的上方的换热器(12)上设置有构件(13)；
气固分离部分包括设置在反应器上端的扩大段(15)和固定在扩大段(15)的筒壁上的旋风分离器(16)，旋风分离器(16)的料腿(14)与催化剂密相区(11)相连；
在反应器扩大段(15)固定有加热器(17)，在反应器扩大段(15)的顶部封头外设置有反应气体出口(6)，在反应器轴向高度上部筒壁设置有催化剂入口(4)，在反应器底部筒壁设置有失活催化剂出口(2)。
2.根据权利要求1所述的氢氧复合反应的装置，其特征在于：所述的氧气分布器(9)采用多孔板分布器、浮阀式分布器、管式分布器中的一种。
3.根据权利要求2所述的氢氧复合反应的装置，其特征在于：所述的管式分布器的形式采用水平管式或垂直管式，管的形状为直管式、环管式或其组合。
4.根据权利要求3所述的氢氧复合反应的装置，其特征在于：所述的管式分布器采用从反应器轴向单层横截面或多层横截面的进气形式。
5.根据权利要求1所述的氢氧复合反应的装置，其特征在于：所述的氢气分布器(10)气流喷出的方向与氧气分布器(9)喷出气流的上升方向相反设置。
6.根据权利要求1所述的氢氧复合反应的装置，其特征在于：所述的氧气分布器(9)与氢气分布器(10)间的气流出口的距离为100mm～1000mm。
7.一种用于权利要求1的装置的氢氧复合反应方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将平均粒径为45μm～300μm的金属负载型催化剂装入反应器，催化剂的静止装填高度为反应器直径的2～10倍；
2)向设置在反应器内的换热管或夹套换热器中通入加热介质，使反应器中温度达到100℃～200℃；然后先从含氧气体入口(1)及氧气分布器(9)通入含氧气体；再由含氢气体入口(3)及氢气分布器(10)通入含氢气体；氢气与氧气在催化剂上进行接触，并发生反应；
3)当反应器内的温度升至150℃～250℃时，将通入换热器(12)的加热介质关闭，切换为冷却介质；控制冷却介质的流量，使反应器内部的温度低于700℃；在氢气与氧气的摩尔比在1.8∶1-2∶1的范围内时，控制催化剂的处理氢气的能力为0.1Nm3～5Nm3氢气/kg催化剂/h，反应器的绝对压力为0.1MPa～10.0MPa；
4)启动设置在反应器扩大段(15)的加热器(17)，控制反应器扩大段(15)与气固分离部分的温度为100℃～500℃；
5)控制含氢气体与含氧气体的总进料流量，使反应器中的实际气速达到0.05m/s～0.9m/s；反应气体经过催化剂密相区(11)后，转化成水，反应产物经过反应器扩大段(15)和气固分离部分排出。
8.根据权利要求7所述的氢氧复合反应方法，其特征在于：步骤2)向设置在反应器内的换热管或夹套换热器中通入加热介质采用直接向反应器内通入热的惰性气体加热替代。
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