CN204816460U - 一种集成化甲烷合成反应器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种集成化甲烷合成反应器，该反应器包括壳体、进气管、中心筒、中心管、出气管以及设置在中心筒内用于流体连通出气管和进气管的微反应通道，在该微反应通道内可以负载催化活性组分。与现有技术相比，本实用新型的甲烷合成反应器不仅催化剂使用量少，而且床层压降低，气体停留时间短，反应床空间利用率高、无气体偏流和短路现象。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种集成化甲烷合成反应器。
背景技术
甲烷合成反应器是煤制天然气项目的核心设备之一。甲烷化反应是强烈的放热反应，在合成气甲烷化反应过程中存在着CO和CO2的竞争甲烷化反应与高温下的逆水煤气变换反应，高效的传热与传质是控制CO和CO2竞争甲烷化和高温逆水煤气变换的关键。研究表明，每转化1％的CO或CO2可产生的绝热温升分别达到了70℃或60℃。为了控制甲烷化反应温度，回收反应中产生的大量热能，工业化甲烷化工艺采用多个固定床甲烷合成反应器串连，逐级进行甲烷化反应。已实现甲烷化专利技术商业应用的公司有英国Davy公司、丹麦公司以及德国的Lugri公司。
目前甲烷合成反应器主要有两种类型，一种是轴向固定床反应器，另一种是径向固定床反应器。轴向甲烷合成反应器设计、加工过程相对容易、操作简单，但存在反应器设备尺寸庞大、床层压降大、容易出现局部飞温、移热缓慢、转化率低、放大效应明显以及反应器需要材质等级高等问题。径向床反应器高径比较大、床层压降小、反应物在催化剂床层停留时间短，但很难实现反应物在径向上的均匀分布、单位催化剂床层的生产强度较低。
为了克服传统化工中存在传热、传质效率低的问题，二十世纪八九十年代兴起了微化工技术。微反应器作为微化工技术的核心组成部分，它是以毫米、微米为量级的化学反应系统。一方面微反应器具有微尺度化、较大的比表面、扩散距离短、停留时间短、阻力小等特点，其传质、传热和反应效果较普通反应器高1-3数量级；另一方面，可以根据实际的工业生产能力要求，通过具有功能化的微反应器模块集成以及数量的增减达到控制和调节生产，有利于实现设备的最大利用效率，同时缩短设备的加工时间。
微通道反应器作为微反应器中的一类，将其运用甲烷化反应还鲜有报道。CN201320593757.7公开了一种用于甲烷化工艺的微通道反应器，该微反应通道固定在反应器中部的支撑板上，难以消除热胀冷缩产生的应力；CN201110030881.8公开了一种微通道反应器及其合成气完全甲烷化的方法，该微反应器由若干反应通道和移热通道交替平行排布，反应器的压降较大，同时难以承受高压。
因此，提高单位体积催化剂生产强度、减小反应器的设备尺寸、缩短气体在催化剂表面停留时间、降低反应器压降损失，提高反应物的转化效率，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
本实用新型的目的是提供一种集成化甲烷合成反应器，该甲烷合成反应器采用微反应通道作为反应通道，不仅催化剂使用量少，而且床层压降低，气体停留时间短，反应床空间利用率高、无气体偏流和短路现象。
为了实现上述目的，本实用新型提供一种集成化甲烷合成反应器，其特征在于，该甲烷合成反应器包括壳体、从所述壳体顶部伸入到壳体内部的进气管、从所述壳体底部伸入到壳体内部的出气管、以及设置在所述壳体内所述进气管下方所述出气管上方的至少一个中心筒；所述中心筒具有中心管，中心管与所述出气管流体连通；所述中心筒与中心筒的外壁之间以及中心筒的外壁与所述壳体的内壁之间形成有分流环隙；所述中心筒具有多个径向设置的微反应通道，并且中心筒的筒体内外仅通过该微反应通道流体连通；所述进气管通过所述分流环隙与微反应通道的微通道反应气体入口连通，微反应通道的微通道反应产物出口通过中心管与出气管流体连通。
优选地，所述中心筒的数量为2-10000个。
优选地，所述微反应通道的内表面负载有催化活性组分。
优选地，所述微反应通道的直径从所述微通道反应气体入口向微通道反应产物出口的方向逐渐减小。
优选地，所述微反应通道的直径在2-50毫米之间。
优选地，所述微通道反应气体入口的直径与所述微通道反应产物出口的直径的比值为(1.1-25)：1。
优选地，所述多个径向设置的微反应通道的内部空间的总体积为所有中心筒的总体积的30％-90％。
优选地，所述微反应通道为选自锥形管、喇叭形管和Y形管中的其中一种。
优选地，所述进气管的下部设置有至少一个用于分布送入所述反应器的反应气的气体分布器。
优选地，所述分流环隙的顶端设有开口并与所述进气管流体连通，所述分流环隙的底端密闭。
优选地，所述中心筒的底部与所述壳体的底部之间设置有隔热材料区。
通过上述技术方案，(结合技术方案、工作原理等描述本实用新型的有益效果)。
本实用新型提供的甲烷合成反应器与现有甲烷合成反应器相比，具有如下优点：
1、甲烷化反应是体积缩小的快速强放热反应，采用涂覆含有甲烷化反应催化活性组分的锥形管微通道反应器，随着反应物从锥形管较大直径端向较小直径端流动，反应通道越来越小，增大了甲烷化反应向产物方向转化的推动力，由于气体流速越来越大，使得产物气体在微反应通道中的停留时间较短；
2、采用涂覆甲烷化反应催化活性组分于微反应通道内表面，活性金属使用量为同等处理能力常规固定床反应器所用量的5％-25％，有效地降低了催化剂生产成本；
3、由于反应气体在反应器中停留时间较短，延长了催化剂的使用寿命(寿命可以提高15％-25％)，床层压降较同处理量的径向反应器低(50％-85％)；
4、该反应器由若干大小相同的中心筒(微反应束)构成的催化反应区，每一个微反应束由若干相同大小的微锥形反应通道构成的径向反应区域，无反应死区和气体的偏流现象，床层的温度较为均匀，不会出现热点，充分保证了整个运行周期内的平稳运行；
5、该反应器的原料转化率高，目标产物CH4的选择性超过95％，单位反应器生产强度较常规固定床、流化床高；
6、可以根据实际的工业生产能力要求，通过具有功能化的微反应通道模块集成以及数量的增减达到控制和调节生产，有利于实现反应器的最大利用效率，无明显放大效应，同时缩短反应器的加工时间，进一步降低反应器生产成本；
7、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。
本实用新型的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
图1是本实用新型提供的甲烷合成反应器的一种具体实施方式的结构示意图；
图2是本实用新型提供的甲烷合成反应器的一种具体实施方式的剖视图(即图1中A-A面的剖视图)；
图3是本实用新型提供的甲烷合成反应器所采用的微反应通道的一种具体实施方式(锥形管)的示意图；
图4是本实用新型提供的甲烷合成反应器所采用的微反应通道的一种具体实施方式(喇叭形管)的示意图；
图5是本实用新型提供的甲烷合成反应器所采用的微反应通道的一种具体实施方式(Y形管)的示意图。
附图标记说明
1壳体2进气管3出气管4中心筒5中心管
6分流空隙7微反应通道8微通道反应气体入口
9微通道反应产物出口10隔热材料区11第一气体分布器
12第二气体分布器
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
本实用新型提供一种集成化甲烷合成反应器，其特征在于，该甲烷合成反应器包括壳体1、从所述壳体1顶部伸入到壳体内部的进气管2、从所述壳体1底部伸入到壳体内部的出气管3、以及设置在所述壳体1内所述进气管2下方所述出气管3上方的至少一个中心筒4；所述中心筒4具有中心管5，中心管5与所述出气管3流体连通；所述中心筒4与中心筒4的外壁之间以及中心筒4的外壁与所述壳体1的内壁之间形成有分流环隙6；所述中心筒4具有多个径向设置的微反应通道7，并且中心筒4的筒体内外仅通过该微反应通道7流体连通；所述进气管2通过所述分流环隙6与微反应通道7的微通道反应气体入口8连通，微反应通道7的微通道反应产物出口9通过中心管5与出气管3流体连通。
根据本实用新型的一种具体实施方式，所述中心筒4可以由密封连接的顶部密封板、底部密封板和侧壁构成，其内可以空心，可以实心，只要能够容纳微反应通道7即可。所述中心筒4的直径与中心管5的直径之比可以为适合的任意比，相邻中心筒4之间的距离也可以为合适的任意值。
根据本实用新型，在相同的反应条件和反应器直径下，增加中心筒4的数量可以增加反应气体与催化剂的接触时间，降低反应气体流速，从而达到减小压降，提高转化率的作用。可以根据实际反应情况来调整中心筒4的数量，所述中心筒4的数量优选2-10000个，进一步优选为2-2000个。
根据本实用新型，为了使所述甲烷合成反应器能够用于制取甲烷，所述微反应通道7的内表面可以负载有催化活性组分。所述催化活性组分可以采用本领域技术人员所熟知的催化活性组分，例如可以是具有甲烷化反应活性的镍、钌和铑等金属；所述的负载是指可以通过浸渍、离子溅射、涂覆或装填等方法将含有活性组分的催化剂或直接将活性组分负载到微反应通道内。其中，活性金属组分涂覆负载过程可以采用本领域技术人员所熟知的包括金属基体的预处理和催化剂沉积两个阶段的涂覆方法。
根据本实用新型，为了保证甲烷化反应的效率，所述微反应通道7的直径可以在2-50毫米之间。由于甲烷化反应是总体积缩小的反应，因此所述微反应通道7的直径可以从所述微通道反应气体入口8向微通道反应产物出口9的方向逐渐减小(保证微通道反应气体入口8的直径大于微通道反应产物出口9的直径即可，也包括通道直径先减小后不变的情况)。所述微通道反应气体入口8的直径与所述微通道反应产物出口9的直径的比值可以为(1.1-25)：1，优选为(2-10)：1。需要说明的是，如果将本实用新型的反应器用于其它反应，可以根据该反应的具体情况设置微反应通道7的直径。
根据本实用新型，由于甲烷化反应是放热反应，为了兼顾反应效率和甲烷合成反应器的温度控制，所述多个径向设置的微反应通道7的内部空间的总体积可以为所有中心筒4的总体积的30％-90％。优选为50％-85％。
根据本实用新型的一种具体实施方式，所述微反应通道7可以为选自锥形管、喇叭形管和Y形管中的其中一种(分别如图3、图4和图5所示)；应该理解的是，所述微通道反应气体入口8直径大于所述微通道反应产物出口9直径。所述锥形管、喇叭形管和Y形管可以采用金属材质管、陶瓷材质管，优选采用不与甲烷化反应系统中的气体发生反应的金属管。需要说明的是，本领域技术人员常规使用的锥形管是指两端开口的圆台形中空型材，而非轴向截面为锥形的型材。
根据本实用新型，所述进气管2的下部可以设置有至少一个用于分布送入所述反应器的反应气的气体分布器。所述气体分布器可以采用本领域技术人员所常规使用的，本实用新型不再赘述，所述气体分布器优选设置有两个。
根据本实用新型，所述分流环隙6的顶端可以设有开口并与所述进气管2流体连通，所述分流环隙6的底端可以密闭。
根据本实用新型，为了防止壳体1的底部过度受热以及阻止中心筒4向下移动，所述中心筒4的底部与所述壳体1的底部之间可以设置有隔热材料区10。所述隔热材料区10内可以放置有本领域技术人员所熟知的单一材质或多种复合材质的隔热球、隔热毡毯或隔热带等隔热材料。
下面将结合附图通过实施例来进一步说明本实用新型，但是本实用新型并不因此而受到任何限制。
如图1所示，本实施例所采用的甲烷合成反应器包括上端设有进气管2、下端设有出气管3的承压壳体1，所述进气管2的上部设置有进气口，下部设有第一气体分布器11，第一气体分布器11的下方设置有第二气体分布器12。设置在所述壳体1内所述进气管2的下方的是160个中心筒4(为了显示清楚，图2中仅画出9个)，所述中心筒4具有中心管5。中心筒4为可容纳微反应通道12的容器，由顶部密封板、底部密封板和侧壁构成。中心筒4之间以及中心筒4与壳体1的内壁之间形成分流环隙6，分流环隙6的上方、顶部密封板的同一水平上设置有开口(可以根据气体分布的需要设置)，分流环隙6的底部密封，使其与出口管3流体隔绝。如图2所示，所述中心筒4内设置有由若干内表面涂覆有甲烷化催化活性组分的微反应通道7构成的径向流反应区。如图3所示，所述锥形管结构的微反应通道7，管壁涂覆有甲烷化活性组分，两端分别与中心筒4的侧壁密封连接。
甲烷合成反应器壳体直径为1000mm，中心筒的高度为800mm，中心管直径为10mm，中心筒直径为60mm，所采用的锥形管微反应通道长度为25mm，锥形管入口处直径6mm，出口处直径3mm，所有锥形管的总体积占催化反应单元体积的比例为75％。
表1中给出的是本实用新型采用的微通道反应器与工业常用的径向反应器对比情况。两种反应器催化反应单元具有相同尺寸，从目标产物的选择性、使用寿命、床层压降以及活性金属Ni的用量四个指标可以看出，微通道反应器都表现出了较为优异的性能。
表1微通道反应器与径向反应器对比表
| 反应器类型 | CH4选择性/(％) | 使用寿命/(年) | 压降/(bar) | Ni用量/(kg) |
| 径向反应器 | ≥90 | 2 | 0.15 | 150 |
| 微通道反应器 | ≥97 | 2.4 | 0.05 | 18 |
本实用新型实施例所提供的甲烷合成反应器的工作原理如下：
参照图1，煤基合成气由反应器进气口进入壳体1内，依次通过第一气体分布器11和第二气体分布器12，在反应器横截面上均匀分布后，原料气进入分流环隙6，然后从微通道反应气体入口8进入并径向穿过由锥形管构成的微反应通道7的中心筒4，合成气在涂覆有甲烷化活性催化组分的锥形管内表面进行甲烷化反应。反应后的气体沿微反应通道7的微通道反应产物出口9在中心管5汇集。产品气沿中心管5向下流动，并穿过隔热材料区10在壳体1底部通过出气管3的出气口离开甲烷合成反应器。
本实用新型提供的甲烷合成反应器结构紧凑、活性金属用量少、床层压降小、无明显放大效应、单位体积催化剂生产强度大、产物在催化剂表面停留时间短，能及时移除反应热，避免催化剂出现过热区域，延长了催化活性组分的使用寿命。
Claims (11)
1.一种集成化甲烷合成反应器，其特征在于，该甲烷合成反应器包括壳体(1)、从所述壳体(1)顶部伸入到壳体内部的进气管(2)、从所述壳体(1)底部伸入到壳体内部的出气管(3)、以及设置在所述壳体(1)内所述进气管(2)下方所述出气管(3)上方的至少一个中心筒(4)；
所述中心筒(4)具有中心管(5)，中心管(5)与所述出气管(3)流体连通；所述中心筒(4)与中心筒(4)的外壁之间以及中心筒(4)的外壁与所述壳体(1)的内壁之间形成有分流环隙(6)；所述中心筒(4)具有多个径向设置的微反应通道(7)，并且中心筒(4)的筒体内外仅通过该微反应通道(7)流体连通；所述进气管(2)通过所述分流环隙(6)与微反应通道(7)的微通道反应气体入口(8)连通，微反应通道(7)的微通道反应产物出口(9)通过中心管(5)与出气管(3)流体连通。
2.根据权利要求1的甲烷合成反应器，其特征在于，所述中心筒(4)的数量为2-10000个。
3.根据权利要求1的甲烷合成反应器，其特征在于，所述微反应通道(7)的内表面负载有催化活性组分。
4.根据权利要求1的甲烷合成反应器，其特征在于，所述微反应通道(7)的直径从所述微通道反应气体入口(8)向微通道反应产物出口(9)的方向逐渐减小。
5.根据权利要求1的甲烷合成反应器，其特征在于，所述微反应通道(7)的直径在2-50毫米之间。
6.根据权利要求1的甲烷合成反应器，其特征在于，所述微通道反应气体入口(8)的直径与所述微通道反应产物出口(9)的直径的比值为(1.1-25)：1。
7.根据权利要求1的甲烷合成反应器，其特征在于，所述多个径向设置的微反应通道(7)的内部空间的总体积为所有中心筒(4)的总体积的30％-90％。
8.根据权利要求1的甲烷合成反应器，其特征在于，所述微反应通道(7)为选自锥形管、喇叭形管和Y形管中的其中一种。
9.根据权利要求1的甲烷合成反应器，其特征在于，所述进气管(2)的下部设置有至少一个用于分布送入所述反应器的反应气的气体分布器。
10.根据权利要求1的甲烷合成反应器，其特征在于，所述分流环隙(6)的顶端设有开口并与所述进气管(2)流体连通，所述分流环隙(6)的底端密闭。
11.根据权利要求1的甲烷合成反应器，其特征在于，所述中心筒(4)的底部与所述壳体(1)的底部之间设置有隔热材料区(10)。
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