CN204469677U - 一种热管传热径向床甲烷化反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种热管传热径向床甲烷化反应器。包括壳体，壳体分为上壳体和下壳体，上壳体和下壳体通过高压凸封头连接；热管竖直设置在壳体空间内，热管垂直穿过高压凸封头、催化剂顶部密封板、催化剂床层和催化剂底部密封板插入到隔热材料中；热管与高压凸封头、催化剂顶部密封板和催化剂底部密封板分别固定连接。本实用新型结构简单、床层压降小、能及时取走反应热量，均化床层温度，提高反应物转化率，避免催化剂出现过热区域，延长催化剂使用寿命。

Description

一种热管传热径向床甲烷化反应器

技术领域

本实用新型涉及一种甲烷化反应器，进一步地说，是涉及一种用于煤制替代天然气工艺的径向热管甲烷化反应器。

背景技术

甲烷化反应器是煤制替代天然气路线的关键设备之一。甲烷化反应是快速的强放热反应。计算表明，每转化1％的CO或CO₂可产生的绝热温升分别达到了70℃和60℃。为了控制甲烷化反应温升，回收反应放出的大量热能，目前工业化甲烷化工艺采用多个固定床甲烷化反应器串并联、部分产品富甲烷气循环的方式，逐级进行甲烷化反应，在反应器出口设置蒸汽发生器回收反应热，通过压缩机循环部分产品气来控制每台反应器的甲烷化反应转化深度。已实现商业应用的主要的甲烷化技术专利商有英国Davy公司、丹麦公司以及德国的Lugri公司。传统的甲烷化反应器存在反应器设备尺寸庞大、容易出现局部飞温、移热缓慢、床层温度高、催化剂容易失活以及反应和取热必须在两个独立设备中进行的问题。

因此，减小反应器的设备尺寸，降低反应器压降损失，提高反应物的转化效率，尽可能的回收高温位热量，充分延长催化剂的使用寿命，满足反应器大型化的需求是目前亟待解决的技术问题。

实用新型内容

为解决现有技术中出现的问题，本实用新型提供了一种热管传热径向床甲烷化反应器。结构简单、床层压降小、能及时取走反应热量，均化床层温度，提高反应物转化率，避免催化剂出现过热区域，延长催化剂使用寿命。

本实用新型的目的是提供一种热管传热径向床甲烷化反应器。

所述甲烷化反应器包括壳体，壳体分为上壳体和下壳体，上壳体内的空间为换热区，下壳体内的空间为甲烷化反应区；所述上壳体和下壳体通过高压凸封头连接；

甲烷化反应器顶部设置进气口，底部设置产物出口；上壳体上设置有冷却介质进口和蒸汽出口；

换热区内设置有折流挡板；甲烷化反应区设置有催化剂床层，催化剂床层顶部和底部分别设置有催化剂顶部密封板和催化剂底部密封板；甲烷化反应区底部设置有隔热材料；

热管竖直设置在壳体空间内，热管垂直穿过高压凸封头、催化剂顶部密封板、催化剂床层和催化剂底部密封板插入到隔热材料中；热管与高压凸封头、催化剂顶部密封板和催化剂底部密封板分别密封固定连接。

其中，优选：

连接进气口的进气管穿过高压凸封头深入到甲烷化反应区内，进气管的末端设置气体分布器，所述气体分布器优选为两级气体分布器；

所述甲烷化反应区是径向流反应器；

所述径向流反应器由环隙，催化剂床层及中心管构成；中心管布置于催化剂床层中央，一端连接出气口，一端与催化剂顶部密封板连接，并与催化剂底部密封板、下壳体密封固定；所述环隙由约翰逊网构成；

所述中心管优选设置有不均匀小孔来控制反应气体在催化剂床层中均匀分布。

热管直径为10mm-100mm；

两相邻热管中心距离为100mm-500mm；优选为100mm-300mm，更优选为200mm。

热管与反应器底部挡板的距离50mm-100mm；

热管与中心管、环隙的间距为50mm-100mm。

热管是一种高导热性能传热元件，依靠自身内部液体工质的相变传输热量无需外加动力。具有传热效率高、等温性能好、热流密度可以自动调节、热流方向具有可逆性、结构可以按需要灵活布置以及高可靠性的特点。

具体可采用以下技术方案：

本实用新型技术方案包括承压壳体、反应器上端进气口、下端产物出口，所述承压壳体由上部换热区和下部甲烷化反应区两个区域构成，所述两个区域中设置有垂直连通的热管，所述换热区内设置有折流挡板，所述换热区域设置有冷却介质的进口和蒸汽出口，所述反应区域是径向流反应器，所述反应区域下部设置隔热材料，所述热管传热元件底部插入隔热材料内部。

所述承压壳体由换热区和反应区构成。

所述承压壳体上分别设置反应气体入口和产物出口。

所述换热区设置有换热介质的进出口，换热介质选用锅炉给水，避免换热区域内管件的结垢。

所述两个区域内设置有直径为10mm-100mm的连通热管，最优的选择25mm。

所述上部换热区域内设置有至少一块折流挡板，最优选择3块折流挡板。

所述催化剂床层下端设置有隔热材料。

所述反应气体进入反应区内设置有第一气体分布器，优选两级气体分布器。

所述反应区是径向流反应器。

所述催化剂床层上端设置有一段供催化剂热胀冷缩用的瓷球，也称作催化剂封。

所述径向反应器环隙优选择约翰逊网，所述中心管上不均匀开孔控制反应气体均匀分布。

本实用新型采用高效的热管技术，在催化剂床层中插入热管，能将反应热量及时取走，均化了催化剂床层温度，避免了催化剂出现过热区域，延长了催化剂使用寿命，提高了反应物转化率、目标产物的选择性。

通过设置气体分布器，结合中心管和环隙，使得反应气体能够均匀地通过催化剂床层。在反应器上部设置换热区域，可以尽可能多地回收反应热。由于进料气体经过上部换热区域，能够预热原料气，可以降低原料气进料温度要求，在一定程度上提高整个甲烷化工艺的能量利用效率。由于煤制天然气是快速、强放热反应，采用的反应空速高，反应区域为径向反应器，可以使得反应产物快速的通过催化剂床层，反应器压降较低。由于反应热得到及时移除，反应物出口温度降低、甲烷化反应向产物方向移动，提高了反应物的转化率，可以进一步提高原料的进料量。另外，由于热管的使用，可以降低反应物的反应温度，从而降低壳体材质要求，达到降低成本的目的。

有益效果：

本实用新型反应器不会出现催化剂局部过热失活现象，床层温度均匀，可以解决有限的空间条件下大量反应热的移除问题。延长了催化剂的使用寿命(寿命可以提高15％-20％)。反应物的转化效率可提高5％-15％，目标产物甲烷的选择性可提高5％-10％，床层压降较同处理量的轴向反应器低(20％-35％)。

因为热管结构外形简单，对反应器内流体流动干扰小。

可根据实际工程情况，设置热管数量和疏密程度，达到催化剂床层温度的均匀化。

本实用新型不仅可以运用于煤制替代天然气和焦炉煤气甲烷化工艺，还可用于甲醇合成、CO变换、费托合成等固定床催化放热反应。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为图1的A-A面剖视图；

图3为热管与反应器环隙之间位置关系局部示意图；

图4为热管与反应器中心管之间位置关系局部示意图；

附图标记说明：

1—进气口，2—壳体，3—折流挡板，4—高压凸封头，5—热管，6—催化剂顶部密封板，7—催化剂床层，8—催化剂底部密封板，9—出气口，10—隔热材料区，11—中心管，12—环隙，13—催化剂封，14—第二气体分布器，15—第一气体分布器，16—蒸汽出口，17—冷却介质进口，18—热管与环隙间距，19—热管之间间距，20—热管与中心管间距。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本实用新型。

实施例

如图1～图4所示，一种热管传热径向床甲烷化反应器。包括壳体2，壳体分为上壳体和下壳体，上壳体内的空间为换热区，下壳体内的空间为甲烷化反应区；所述上壳体和下壳体通过高压凸封头4连接；

甲烷化反应器顶部设置进气口1，底部设置产物出口9；上壳体上设置有冷却介质进口17和蒸汽出口16；

换热区内设置有折流挡板3；甲烷化反应区设置有催化剂床层7，催化剂床层顶部和底部分别设置有催化剂顶部密封板6和催化剂底部密封板8；阻止催化剂7向下移动，并防止反应气体进入隔热区域，甲烷化反应区底部设置有隔热材料10；

热管5竖直设置在壳体空间内，热管5垂直穿过高压凸封头4、催化剂顶部密封板6、催化剂床层7和催化剂底部密封板8插入到隔热材料10中；热管5与高压凸封头4、催化剂顶部密封板6和催化剂底部密封板8分别固定连接。

连接进气口1的进气管穿过高压凸封4头深入到甲烷化反应去内，进气管的末端设置气体分布器，所述气体分布器优选为两级气体分布器；

所述甲烷化反应区是径向流反应器；

所述径向流反应器由环隙12，催化剂床层7及中心管11构成；中心管11插入催化剂床层7中，一端连接出气口9，一端与催化剂顶部密封板6、底部密封板8以及下壳体密封固定连接；

所述环隙12由约翰逊网构成；

所述中心管11设置有不均匀小孔来控制反应气体在催化剂床层中均匀分布。

热管直径为25mm；

两相邻热管中心距离为200mm；

热管与反应器底部挡板的距离75mm；

热管与中心管、环隙的间距为80mm；

所述热管5的吸热段直接布置在催化剂7床层区，热管5的放热段放置于反应器上部的换热区，所述热管5的放热段设有冷却介质。

工作原理

参照图1，原料气(如煤基合成气或焦炉煤气)由反应器入口1进入壳体2内，在换热区域内吸收热量，提高原料气的进料温度。依次通过第一气体分布器15和第二气体分布器14，在反应器横截面上均匀分布后，原料气进入由约翰逊网构成的外桶12，然后沿径向流过催化剂床层7进入中心管。在催化剂床层中的催化剂作用下进行甲烷化反应，同时放出大量的热量。产生的热量以热传导的方式传递给热管5，热管内部介质吸收热量后发生相变，产生含有高能量的蒸汽，蒸汽沿热管中心向上移动，在热管顶部将热量传递给冷却介质(水)，得到高温高压的蒸汽，达到回收热量的目的。气相物质放出热量后，冷凝成液态，密度变大，在重力和吸液芯毛细管作用下，沿热管向下流动，在底部继续吸收热量，完成一个吸热、放热的循环。反应后的气体穿过催化剂床层7在中心管11汇集，继续穿过隔热填料区10，在壳体2底部通过出气口9离开反应器。

Claims (8)

1.一种热管传热径向床甲烷化反应器，其特征在于：

所述甲烷化反应器包括壳体，壳体分为上壳体和下壳体，上壳体内的空间为换热区，下壳体内的空间为甲烷化反应区；所述上壳体和下壳体通过高压凸封头连接；

甲烷化反应器顶部设置进气口，底部设置出气口；上壳体上设置有冷却介质进口和蒸汽出口；

换热区内设置有折流挡板；甲烷化反应区设置有催化剂床层，催化剂床层顶部和底部分别设置有催化剂顶部密封板和催化剂底部密封板；甲烷化反应区底部设置有隔热材料；

热管竖直设置在壳体空间内，热管垂直穿过高压凸封头、催化剂顶部密封板、催化剂床层和催化剂底部密封板插入到隔热材料中；热管与高压凸封头、催化剂顶部密封板和催化剂底部密封板分别密封固定连接。

2.如权利要求1所述的热管传热径向床甲烷化反应器，其特征在于：

连接进气口的进气管穿过高压凸封头深入到甲烷化反应区内，进气管的末端设置气体分布器。

3.如权利要求2所述的热管传热径向床甲烷化反应器，其特征在于：

所述气体分布器为两级气体分布器。

4.如权利要求1所述的热管传热径向床甲烷化反应器，其特征在于：

所述甲烷化反应区是径向流反应器。

5.如权利要求4所述的热管传热径向床甲烷化反应器，其特征在于：

所述径向流反应器由环隙，催化剂床层及中心管构成；中心管设置于催化剂床层中央，一端连接出气口，一端与催化剂顶部密封板连接，并与催化剂底部密封板、下壳体密封固定。

6.如权利要求5所述的热管传热径向床甲烷化反应器，其特征在于：

所述环隙由约翰逊网构成；

所述中心管设置有不均匀小孔来控制反应气体在催化剂床层中均匀分布。

7.如权利要求1～6之一所述的热管传热径向床甲烷化反应器，其特征在于：

热管直径为10mm-100mm；

两相邻热管中心距离为100mm-500mm；

热管与反应器底部挡板的距离50mm-100mm；

热管与中心管、环隙的间距为50mm-100mm。

8.如权利要求7所述的热管传热径向床甲烷化反应器，其特征在于：

两相邻热管中心距离为100mm-300mm。