CN203678354U - 一种等温低温甲烷化反应器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于化学领域，涉及一种等温低温甲烷化反应器，包括壳体，壳体内部空间自上而下通过上管板、下管板分隔为水室，汽室和反应室，反应室通过设有多个通气孔的径向筐分隔成位于外侧的环隙空间和位于内部的筐内室，筐内室中设有多根换热管，以及至少一根中心管；壳体上设有连通至环隙空间的未反应气进口，中心管的一端设有反应气输出口，其特征在于，所述多根换热管通过下管板连通至汽室，所述换热管内部设有内套管，内套管通过上管板连通至水室，内套管的下端一直延伸至换热管底部或接近底端处。该反应器可将甲烷化反应放出的热量及时用另一种介质移走，维持反应在低温恒温下进行。
Description
技术领域
本实用新型属于化学领域，涉及一种化学合成设备，具体地说，涉及一种反应器，其可在一定的恒定低温下进行CO与H2反应生成甲烷和水以及CO2与H2反应生成甲烷和水的设备，应用于含有大量的CO及CO2分别与H2反应生成甲烷，即合成天然气。
背景技术
目前，工业上合成天然气主要有焦炉气制天然气及煤制天然气两种。合成天然气的关键反应是甲烷化反应，其反应式为：
CO+3H2=CH4+H2O △H298＝－206KJ/mol
CO2+4H2=CH4+2H2O △H298＝－165KJ/mol
甲烷化反应均为强放热可逆反应，在典型的甲烷化反应条件下，气体中每1%CO转化的绝热温升约为72℃，每1%CO2转化的绝热温升约为60℃。
由于合成天然气的原料气体中CO及CO2含量很高，为了控制温度，甲烷化反应器必须采用多台串联的方式，并且采用大量气体循环的方式以降低反应器进口气体中CO及CO2含量（一般控制CO+CO2：3～5%）。若第一甲烷化反应器气体进口温度为300℃，则出口温度为600～700℃。
现有的甲烷化反应均采用高温反应器，其中的合成反应为绝热反应形式，即经催化剂床层绝热反应后，气体出反应器，再经高压锅炉产生蒸汽回收热量。
高温甲烷化反应温度非常高，设备材质要求高，安全性差。由于反应温度高，尤其是第一甲烷化反应器温度为600～700℃，需要使用耐高温的材料制作，设备造价高。如专利申请号201110418273.4的中国专利申请，其通过采用耐高温的不锈钢材质和受热冲击高温耐火材料等来提高反应器的使用寿命。
但是，绝热式的高温反应器仍然存在一系列缺陷：
1.安全性方面：如果发生甲烷化反应器进口气体中CO及CO2含量突然增加时，反应器很容易发生超温事故，安全可靠性较差。
2.催化剂成本高：高温甲烷化工艺，必须使用能耐700℃高温的甲烷化催化剂，以满足该工艺的要求。甲烷化催化剂主要活性成分为镍，以氧化铝为载体。普通的甲烷化催化剂中镍含量约为20～30%，其使用温度范围为200～400℃。高温甲烷化催化剂中镍含量约为40～50%，其使用温度范围为300～700℃。高温甲烷化催化剂制造成本高，价格昂贵。
3.高温积炭：高温甲烷化工艺为绝热反应，反应器内催化剂床层温度为300～700℃。当温度在400℃以上时容易产生积炭反应，造成催化剂表面积炭，使催化剂的活性下降，影响催化剂的使用寿命。
4.电耗高：由于甲烷化反应原料气体中的CO及CO2含量高（CO+CO2：20～25%），为了控制温度，必须采用大量气体循环的方式以降低反应器进口气体中CO及CO2含量（一般控制CO+CO2：3～5%），其循环气体流量约为新鲜气体流量的5倍，电耗较高。
尽管存在上述诸多缺陷，目前的甲烷化反应器的改进方向仍然是以如何提升设备耐热性为主。鲜有业内人士关注于如何降低反应温度。
作为同样是一种放热合成的反应器——CO与水蒸气变换成CO2和H2的反应设备，已有研究采用一种等温低温CO变换反应器来实现上述反应，如专利号200910227101.1的中国专利。该反应器包括圆筒外壳中的径向筐和汽室、水室，设有中心管的径向筐中装填催化剂组成的催化床，催化床中设有多根悬置换热管且内有水，短管上端同汽室相连通，催化床中还设有倒U形管，其两端口分别同两个同心的环形管相连，一个环形管经接管及蒸汽进口同汽包的蒸汽出口相连，另一个环形管经对应接管同圆筒外壳与径向筐之间的环隙相同，未反应气进口也同该环隙相通；汽包水出口同水室相连，汽室的蒸汽出口连至汽包的蒸汽进口。这样，反应中产生的热靠蒸汽蒸发移热，维持反应在低温恒温下进行。上述反应器设计上的特点适应于CO变换反应，但是，当将该反应器用于甲烷化反应时，其移热效果却不佳，达不到有效地将反应温度维持在较低温度下进行的效果，这是因为，虽然CO变换反应也是放热反应，但甲烷化反应的放热强度相当于CO变换反应的四倍以上，因此，上述反应器还不足以使用在甲烷化反应中。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对现有高温甲烷化技术存在的缺陷，提供一种等温低温甲烷化反应器，它可以将甲烷化反应中不断放出的热量及时用另一种介质移走，维持反应在低温恒温下进行。
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种能持续有效散热的甲烷化反应器。
实用新型提供的甲烷化反应器，包括壳体，壳体内部空间自上而下通过上管板、下管板分隔为水室，汽室和反应室，反应室通过设有多个通气孔的径向筐分隔成位于外侧的环隙空间和位于内部的筐内室，筐内室内设有多根换热管和至少一根中心管，所述中心管（侧壁上）设有多个通气孔；壳体上设有连通至环隙空间的未反应气进口，中心管的一端设有反应气输入开口，所述多根换热管通过下管板连通至汽室，所述换热管内部设有内套管，内套管通过上管板连通至水室，内套管的下端一直延伸至换热管底部或接近底端处。
优选地，所述的换热管和中心管呈径向竖直排布。所述径向筐侧壁呈圆筒状，中心管与径向筐同轴。
通过上述的设置，所述筐内室中多根换热管之间，以及换热管与中心管之间的空间，成为填充有催化剂的催化反应空间。待反应的气体通过未反应器进口进入反应室内，首先弥漫于环隙空间，再通过径向筐上均匀分布的小孔进入筐内室，在筐内室的催化反应空间中，发生强放热的合成反应，此时，所产生的热量传递至换热管中。换热管由于和水室相连通，管内充满水，水持续受热并蒸发断带走热量，形成蒸汽进入汽室并排出反应系统之外。
本实用新型能获得良好及时的持续的移热效果，换热管中的内套管起到了非常关键的作用。在本实用新型中，内套管上端连接水室，下端一直深入到换热管深处，接近底端的地方。由此，液态水可以从换热管的底部开始注入，由此形成升膜蒸发相变传热，其传热系数大，尤其适用于这种强放热反应中，经试验，该设置有利于有效地将甲烷化反应系统控制在较低的恒定温度下，例如控制在300～320℃的反应温度下。
作为一种优选的实施方式，筐内室下端设为漏斗形。由于筐内室的间隙中填充了催化剂，为了方便催化剂的更换，筐内室下端设为漏斗形，锥形下端设有催化剂出口。所述催化剂出口设有活动式密封机构。当需要更换催化剂时，打开该密封机构使催化剂出口敞开，以输出催化剂；平时，催化剂出口则通过密封机构封闭密封。所述壳体上设有连通至筐内室顶部空间的进料口，以在更换催化剂时，从该进料口输入催化剂。
进一步地，在壳体外设有汽包，汽包设有进水口和蒸汽出口。该汽包可设于壳体上方，汽室通过蒸汽输送管连通至汽包，分离水后的蒸汽可进一步通过设置于汽包上的蒸汽输送管输出系统之外。汽包还进一步设有出水口连通至所述水室，以补充水室内的水量。
优选地，所述的进水口连接设有调节阀的进水管，所述蒸汽出口连接设有调节阀的出水管，由此更好地调节水位和蒸汽压力。
在反应空间中，反应合成的甲烷，逐渐扩散至中央的中心管附近，通过中心管壁上均匀分布的通气孔进入中心管内，并通过位于中心管一端的反应气输出口，输出反应系统之外。
作为一种优选的实施方式，为了有利于换热效率和反应产率的提升，系统中的换热管的分布密度从外侧向内部逐渐变低。
优选地，所述的未反应气进口设置于壳体底部。
本实用新型的进一步改进在于，利用液体的相变将大量的反应热移走，以保持温度恒定不变；由于水的汽化潜热很大，约为430Kcal/Kg，只要布置足够数量的换热管，即可将大量的反应热全部移走，维持催化剂床层温度不变。
本实用新型的进一步改进在于，通过压力调节阀4控制水的汽化压力来控制相应的汽化温度；因甲烷化反应为可逆放热反应，温度低有利于向生成甲烷的方向进行，因此反应温度应选择催化剂允许的底端温度；控制蒸汽压力为5.0Mpa，汽化温度相应为260℃，即可控制反应温度为300～320℃；由于水汽形成自然循环系统，只要压力恒定不变，温度也会恒定不变，催化剂床层就不会超温。
与现有技术比，本实用新型具有以下有益效果：
1.本实用新型首次将散热机构引入甲烷化反应器中，利用升膜蒸发相变传热，通过在换热管中设置内套管，将内套管延伸至换热管的底部或接近底端处，有利于将反应过程产生的热能有效及时地由水蒸气带离系统之外。
2.催化剂使用寿命长。甲烷化反应在低温（300～320℃）恒温下进行，催化剂处于低温等温状态，不易老化，表面不易积炭，使用寿命长。
3.设备投资小。因甲烷化反应为可逆放热反应，反应温度低，有利于向生成物的方向移动，一台反应器就能将反应进行完全，生产出合格的天然气，设备投资小；而现有的高温甲烷化装置需要采用多台（一般为3～5台）反应器串联的方式才能满足要求。
4.能耗低。因甲烷化反应为强放热反应，采用液体的相变将大量的反应热移走，以保持催化剂床层温度恒定不变，气体不需要循环，电耗低；而现有的高温甲烷化装置必须采用大量（约为新鲜气量的5倍）气体循环的方式以降低反应器进口气体中CO及CO2含量，从而控制催化剂床层温度。
5.采用径向催化剂床，气体阻力小（约为0.01～0.02MPa）。
6.操作容易，安全性好。只需要控制蒸汽压力，即可控制反应温度，不会发生催化剂床层超温现象，安全性好；而现有的高温甲烷化装置中催化剂床层为绝热反应，很容易发生超温事故，安全可靠性较差。
附图说明
图1为本实用新型甲烷化反应器示意图；
图2为本实用新型一种优选的甲烷化反应器示意图；
图3为图2的甲烷化反应器筐内室下端的局部放大图；
图4为显示了一个优选实施例的筐内室中换热管分布的横截面图。
1-补水管， 2-补水阀， 3-汽包，
4-压力调节阀， 5-蒸汽出口， 6-蒸汽输送管，
7-出水口， 8-上管板， 9-下管板，
10-内套管， 11-换热管， 12-中心管，
13-径向筐， 14-壳体， 15-反应气输出口，
16-进料口， 18-未反应气进口， 19-环隙空间，
20-反应室， 21-汽室， 22-水室，
23-筐内室。
具体实施方式
以下具体实施方式是对本实用新型技术方案的进一步阐释，而非限制。
实施例1
如图1所示，本实用新型的等温低温甲烷化反应器
采用一立式圆筒壳体14，壳体14内腔上部装有上管板8和下管板9，上管8与圆筒壳体14上封头之间的腔体为水室22，上管板8与下管板9之间的腔体为汽室21，下管板9直至壳体底端的空间为反应室20；圆筒壳体14中装有径向筐13，其底部为封头而侧壁分布有许多通气小孔（通气小孔在图中未显示），该径向筐13顶端与所述下管板9连接，径向筐13外壁与圆筒壳体14内壁之间留有环隙，形成环隙空间19；径向筐13内部形成筐内室23；筐内室23中心装有中心管12，其顶端封闭而管壁分布有许多通气小孔（通气小孔在图中未显示），该中心管12下端位于圆筒壳体14底部下方的反应气输出口15，反应气输出口15与反应气出口管相连；筐内室23内装有多根换热管11，其结构形式为悬置式双套管，即，换热管11中还设有内套管10,；换热管11底端封闭而顶端与下管板9连接，换热管的内套管10顶端与所述上管板8连接而下端插入对应的换热管11中，并一直延伸至换热管11接近底端处；圆筒壳体14底部装有未反应气进口18，未反应气进口18与未反应气进口管相连；汽室21通过蒸汽输送管6连通至圆筒壳体14上方的汽包3，汽包3底部设有出水口7与所述水室22相通，汽包3设有蒸汽出口5，蒸汽出口5连接设有调节阀4的输出管道。汽包3上装有补水管1及补水阀2。
筐内室中多根换热管之间，以及换热管与中心管之间的空间，成为填充有催化剂的催化反应空间。
气体在本实用新型的甲烷化反应器中的流程是：预热后的未反应气经未反应气进口18，进入圆筒壳体14与径向筐13之间的环隙空间19，再沿着环隙20由下而上流动，经过径向筐13侧壁分布的通气小孔进入径向筐13内的催化剂床层反应，反应后的气体经中心管12侧壁分布的通气小孔进入中心管12内，从上而下流入反应气输出口15，再进入反应气出口管，最后流出甲烷化反应器外。由于反应气是径向通过径向筐13内的催化剂床层，阻力较小，电耗较低。
水汽在所述反应器中的流程是：给水经补水管1由补水阀2控制加入汽包3，与汽包3内水混合后，通过出水口7进入水室22，均匀流入多根内套管10内，再从内套管10的下端进入外套管11的底部，被外套管11外部反应热气加热变成汽水混合物，上升至汽室21，再经蒸汽输送管6进入汽包3，在汽包3内，分离出水后的饱和蒸汽经压力调节阀4控制压力后，由蒸汽出口5流出系统。
本反应器的工作原理是，由于径向筐13内装有许多根换热管，其结构形式为悬置式双套管，外套管11的外部装有催化剂，管内为液体；当管外发生甲烷化反应时，放出大量的热量，热量通过管壁被管内液体吸收后汽化变成蒸汽，蒸汽进入汽室21，再经蒸汽输送管6进入汽包3，分离水后的蒸汽经压力调节阀4控制压力后，经蒸汽输送管5送出系统；汽包3中的液体经底部的出水口7自动流入水室22，水室22中的液体经内套管10的下端进入外套管11的底部，再经加热后汽化，如此水汽形成自然循环；运行时，通过压力调节阀4控制汽包3内的蒸汽压力恒定为5.0Mpa，即水沸腾汽化温度恒定为260℃，相对应的管外催化剂床层反应温度则可控制在略高于管内水沸腾汽化温度，若保持40～60℃的传热温差，即可控制反应温度为300～320℃。
实施例2
如同实施例1.但进一步地，如图2和3所示，径向筐13的底部为漏斗形。漏斗形下端为催化剂出口24。催化剂出口24设有活动式密封机构；所述壳体上设有连通至筐内室23顶部空间的进料口16。当需要对催化剂进行更换时，打开密封机构使催化剂从催化剂出口24流出。清空催化剂之后，对出口24进行重新密封，打开进料口16，重新灌装新的催化剂。
实施例3
如同实施例1或实施例2。但进一步地，如图4所示，筐内室23中的多根换热管分布于筐内室内部，中心管外部，且越靠近外端的分布密度越高。
Claims (10)
1.一种甲烷化反应器，包括壳体(14)，其特征在于，壳体(14)内部空间自上而下通过上管板(8)、下管板(9)分隔为水室(22)，汽室(21)和反应室(20)，反应室(20)通过设有多个通气孔的径向筐(13)分隔成位于外侧的环隙空间(19)和位于内部的筐内室(23)，筐内室(23)中设有多根换热管(11)和至少一根中心管(12)，所述中心管(12)设有多个通气孔；所述壳体上设有连通至环隙空间(19)的未反应气进口(18)，中心管的一端设有反应气输出口(15)，所述多根换热管(11)通过下管板(9)连通至汽室(21)，所述换热管(11)内部设有内套管(10)，内套管(10)通过上管板(8)连通至水室(22)，内套管(10)的下端一直延伸至换热管(11)底部或接近底端处。
2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述的筐内室(23)下端设为漏斗形，漏斗形下端为催化剂出口(24)。
3.如权利要求2所述的反应器，其特征在于所述催化剂出口(24)设有活动式密封机构；所述壳体上设有连通至筐内室(23)顶部空间的进料口(16)。
4.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述汽室(21)通过蒸汽输送管(6)连通至设置于壳体(14)外部的汽包(3)，汽包(3)设有出水口连通至所述水室(22)。
5.如权利要求4所述的反应器，其特征在于所述的汽包设有进水口(1)和蒸汽出口(5)。
6.如权利要求5所述的反应器，其特征在于所述的进水口(1)连接设有调节阀的进水管；所述蒸汽出口(5)连接设有调节阀的输出管道。
7.如权利要求1所述的反应器，其特征在于所述筐内室(23)内多根换热管(11)之间，以及换热管(11)与中心管(12)之间的空间，成为填充有催化剂的催化反应空间。
8.如权利要求1所述的反应器，其特征在于所述的未反应气进口(18)设置于壳体(14)底部。
9.如权利要求4所述的反应器，其特征在于所述的反应气输出口(15)位于中心管的下端；所述汽包(3)位于壳体(14)的上方。
10.如权利要求1所述的反应器，其特征在于所述的多根换热管的分布密度从外 侧向内侧逐渐变低。
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