CN211936855U - 等温甲烷化反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种等温甲烷化反应器。等温甲烷化反应器包括外筒、反应框及催化剂床层，所述反应框内具有多个等温反应区，所述多个等温反应区均设有多个换热管，所述多个等温反应区沿气流方向依次设置，且沿所述气流方向位于上游的所述等温反应区内的所述换热管的管孔占有率大于位于下游的所述等温反应区内的所述换热管的管孔占有率；其中，每一所述等温反应区内的所述换热管的管孔占有率范围为8％～48％。本实用新型的等温甲烷化反应器，可使得在反应初始阶段，使移热面积大，移热量大，故能保证了移热及时，而对催化剂床层不造成烧坏的影响，随着反应的进程，移热面积逐渐减小，也就是移热量逐渐减小，故不会存在材料的浪费，降低了设备成本。

Description

等温甲烷化反应器

技术领域

本实用新型涉及化工技术领域，特别是涉及一种等温甲烷化反应器。

背景技术

合成气甲烷化反应是CO与H2、CO2与H2在一定温度、压力和催化剂存在条件下发生的强放热反应。

甲烷化基本反应方程式为：

3H2+CO＝CH4+H2O+206.4KJ

CO2+4H2＝CH4+2H2O+164.9KJ

副反应方程式为：

2CO＝CO2+C析炭反应

Ni+4CO＝Ni(CO)4羰基化反应

甲烷化的反应热为甲醇合成2倍，1％CO生成CH4温升72℃。因此，反应温度必须加以控制，才可防止超温而使催化剂失活，甚至烧坏。

现有等温反应器均采用换热管进行移热，但仍然存在移热不及时而出现催化反应超温的情况。

实用新型内容

基于此，有必要针对现有等温反应器，存在移热不及时而出现催化反应超温的情况的问题，提供一种移热及时的等温甲烷化反应器。

一种等温甲烷化反应器，包括外筒、设置于所述外筒内的反应框及设置于所述反应框内的催化剂床层；

所述反应框内具有多个等温反应区，所述多个等温反应区均设有多个换热管，所述多个等温反应区沿气流方向依次设置，且沿所述气流方向位于上游的所述等温反应区内的所述换热管的管孔占有率大于位于下游的所述等温反应区内的所述换热管的管孔占有率；

其中，每一所述等温反应区内的所述换热管的管孔占有率范围为8％～48％。

在其中一个实施例中，所述反应框内的所述等温反应区的数量不小于3个，沿所述气流方向位于最上游的所述等温反应区的所述换热管的管孔占有率与相邻的所述等温反应区的所述换热管的管孔占有率之间的差值，大于其他任意两个相邻的所述等温反应区的所述换热管的管孔占有率之间的差值。

在其中一个实施例中，相邻两个所述等温反应区的所述换热管的管孔占有率之间的差值范围为10％～25％。

在其中一个实施例中，同一所述等温反应区内的相邻两个所述换热管之间的间距相同。

在其中一个实施例中，任意两个所述等温反应区内的所述换热管之间的间距、所述换热管的管孔面积、所述换热管的数量中的至少有一种不同。

在其中一个实施例中，每一所述等温反应区内的所述换热管的管孔占有率范围为14％～47％。

在其中一个实施例中，在所述反应框内的所述气流方向与所述外筒的径向方向平行，所述等温反应区为以所述外筒的中心为圆心的圆环区域。

在其中一个实施例中，在所述反应框内的所述气流方向与所述外筒的轴向方向平行，所述等温反应区为沿所述外筒的轴向分段的柱状区域。

在其中一个实施例中，所述反应框还具有绝热反应区，所述绝热反应区沿所述气流方向位于最下游的所述等温反应区的下游。

上述的等温甲烷化反应器，通过设置反应框内沿气流方向位于上游的等温反应区内的换热管的管孔占有率大于位于下游的等温反应区内的换热管的管孔占有率，并且设置每一等温反应区内内的换热管的管孔占有率为8％～48％，可使得在反应初始阶段，使移热面积大，移热量大，故能保证了移热及时，而对催化剂床层不造成烧坏的影响，并且随着反应的进程，移热面积逐渐减小，也就是移热量逐渐减小，故不会存在材料的浪费，降低了设备成本。

附图说明

图1为本实用新型一实施例中的等温甲烷化反应器的结构示意图；

图2为本实用新型一实施例中的等温甲烷化反应器的等温反应区的截面示意图；

图3为图2所示的等温甲烷化反应器的等温反应区中的换热管的截面示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似改进，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

此外，附图并不是1：1的比例绘制，并且各元件的相对尺寸在附图中仅以示例地绘制，而不一定按照真实比例绘制。

正如背景技术所说，现有的等温反应器为了控制反应温度，均采用换热管进行移热，以达到等温反应，从而保护催化剂不被烧坏。

通常，换热管在等温反应器的反应框内的布置方式采用均布方式，例如，采用等间距进行布管。

但经实用新型人研究发现，由于甲烷化反应为高浓度的强放热反应，在反应初始阶段，催化反应非常剧烈，放热量大而且放热速度快，而在反应末尾阶段，反应速度下降明显，放热量也降低，故采用现有均布方式布管，会出现在反应初始阶段移热不及时，且在反应末尾阶段布管数量多而造成材料浪费，增加设备成本的情况。

因此，需要提供一种等温甲烷化反应器，以使反应热移热及时且设备成本低。

图1为本实用新型一实施例中的等温甲烷化反应器的结构示意图；图2为本实用新型一实施例中的等温甲烷化反应器的等温反应区的截面示意图；图3为图2所示的等温甲烷化反应器的等温反应区中的换热管的截面示意图。为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分。

参阅附图，本实用新型一实施例中，提供一种等温甲烷化反应器100，包括外筒10、设置于外筒10内的反应框20及设置于反应框20内的催化剂床层30。

反应框20内具有多个等温反应区21，多个等温反应区21均设有多个换热管40，多个等温反应区21沿气流方向依次设置，且沿气流方向位于上游的等温反应区21内的换热管40的管孔占有率大于位于下游的等温反应区21内的换热管40的管孔占有率。

其中，每一等温反应区21内的换热管40的管孔占有率范围为8％～48％。

应当理解的是，管孔占有率是指，同一横截面下，一等温反应区21内，换热管40的总管孔面积与反应区的面积的比值。因此，管孔占有率越大，移热面积越大。

经实用新型人研究表明，设置每一等温反应区内21内的换热管40的管孔占有率为8％～48％，一方面，在此区间内设定的可满足各等温反应区21之间管孔占有率差值的需求，另一方面，也可以让反应更加充分，提高反应效率。

因此，通过设置反应框20内沿气流方向位于上游的等温反应区21内的换热管40的管孔占有率大于位于下游的等温反应区21内的换热管40的管孔占有率，并且设置每一等温反应区内21内的换热管40的管孔占有率为8％～48％，可使得在反应初始阶段，使移热面积大，移热量大，故能保证了移热及时，而对催化剂床层30不造成烧坏的影响，并且随着反应的进程，移热面积逐渐减小，也就是移热量逐渐减小，故不会存在材料的浪费，降低了设备成本。

在一优选的实施例中，每一等温反应区内21内的换热管40的管孔占有率为8％～48％。

在一些实施例中，反应框20内的等温反应区21的数量范围为2～5个。优选地，反应框20内的等温反应区21的数量为2个或3个。

在一些实施例中，相邻两个等温反应区21的换热管40的管孔占有率之间的差值范围为10％～25％。如此，可合理地布置换热管40，以保证反应按照反应平衡曲线和最适宜温度曲线进行。

在一些实施例中，当反应框20内的等温反应区21的数量不小于3个时，为了在反应初始阶段推动增大反应推动力，故可设置沿气流方向位于最上游的等温反应区21的管孔占有率与相邻的等温反应区21的管孔占有率之间的差值大于其他任意两个相邻的等温反应区21的管孔占有率之间的差值。

在一些实施例中，同一等温反应区21内的相邻两个换热管40之间的间距相同。如此，可使得该等温反应区21内的移热面积一致，进而保证反应温度在该等温反应区21内的温度稳定。

在一些实施例中，任意两个等温反应区21内的换热管40的间距、换热管40的管孔面积、换热管的数量中的至少有一种不同。如此，可使得任意两个等温反应区21之间的换热管40的管孔占有率不同。

请在此参阅图1，在具体一实施例中，等温甲烷化反应器100包括进气口11和出气口12，合成气沿气流方向从进气口11进入反应框20内部反应，生成反应气从出气口12排出。

在一些实施例中，在反应框20内的气流方向与外筒10的径向方向平行，也就是说，等温甲烷化反应器100为等温甲烷化径向反应器。

具体地，进气口11和出气口12均位于外筒10的下端，外筒10与反应框20之间沿径向方向具有间隙，该间隙与进气口11连通，反应框20的侧壁上沿周向设有多个第一通孔，合成气从进气口11进入后，经外筒10与反应框20之间的间隙，从反应框20的侧壁上的第一通孔沿外筒10的径向方向进入反应框20内反应。

进一步地，等温甲烷化反应器100还包括中心管50，中心管50设置于反应框20，中心管50的中心线与外筒10的中心线重合，中心管50的侧壁沿周向设有多个第二通孔，且中心管50的一端与出气口12连通。应当理解的是，多个等温反应区21设置于中心管50与反应框20之间。如此，进入反应框20内的合成气经多个等温反应区21反应后，通过中心管50侧壁的第二通孔进入中心管50内，并从排气口12排出。

应当理解的，为了充分利用空间，中心管50与反应框20之间均布置有催化剂床层30。

请在此参阅图2，在一些实施例中，等温反应区21为以外筒10的中心为圆心的圆环区域。由于等温甲烷化反应器100为等温甲烷化反应器100为等温甲烷化径向反应器，故沿着平行于径向方向的气流方向，设置多个圆环区域为等温反应区21，可使各个等温反应区21之间的划分鲜明，且换热管40在等温反应区21内的布管更加均匀，从而使得反应温度控制更加准确且同一等温反应区21内的反应均匀。

在另一些实施例中，在反应框20内的气流方向与外筒10的轴向方向平行，等温反应区21为沿外筒10轴向分段的柱状区域。同样，可使各个等温反应区21之间的划分鲜明，从而使得反应温度控制更加准确，且换热管40在等温反应区21内的布管更加方便。

具体地，等温反应区21内的换热管40的排列方式为三角形排列、正方形排列或等边菱形排列中的一种或任意组合。

需要指出的是，因等温反应区21内的换热管40的排列方式不同，会造成圆环区域的边缘为非规整的圆形，但也在本申请的保护范围内。

请在此参阅图1，在一些实施例中，换热管40具有轴向段，轴向段沿外筒10的轴向延伸。进一步地，等温甲烷化反应器100还包括管板60，管板60设置于反应框20的一端，换热管40的一端固定于管板60。更具体地，管板60包括第一管板61和与第一管板61沿外筒10轴向间隔射装置的第二管板62，换热管40包括进口端和出口端，换热管40的进口端固定于第一管板61，换热管40的出口端固定于第二管板62。在其他实施例中，换热管40的也可固定于外筒10或者中心管50上。

在一些实施例中，换热管40包括外管和套设在外管内腔的内套管，冷却介质从内套管一端的进口进入后，到达内套管底部的出口，并通过外管与内套管之间的径向间隙从外管的出口排出，以完成热交换，在其他实施例中，换热管40也可为其他管形式，例如螺旋管、U型管等，在此不作限制。

在一些实施例中，反应框20还具有绝热反应区22，绝热反应区22沿气流方向位于最下游的等温反应区21的下游。如此，通过在反应末端设置等温反应区21，可提高从出气口12排出的反应气温度，故可满足后续提取甲烷气的工艺温度需求，例如，使用反应气的热量与低压废热锅炉进行热交换而生成过热蒸汽。具体地，绝热反应区22内换热管40的数量为0。

为了便于理解本申请，下面以一具体实施例进行说明：

等温甲烷化反应器100为等温甲烷化径向反应器，合成气经进气热交换器加热至260℃，经等温甲烷化反应器100的底部进气口11进入后，自下而上穿过外筒10与等温甲烷化反应器100的径向框20之间的间隙，而从径向框20的第一通孔进入径向框20内，再均匀通过催化剂床层30在320℃～350℃温度之间反应，反应热被换热管40内沸水吸收产生5.0MPa～6.5MPa蒸汽输送至汽包200。反应后的反应气中CH4含量达94％以上，通过中心管50从等温甲烷化反应器100底部的出气口12排出。

请在此参阅图2，等温反应区21为以外筒10的中心为圆心的圆环区域，根据合成气在径向框20内的流动方向，最外围为变换反应的初始阶段，圆周中心为变换反应的末尾阶段，因此，在布管圆上按反应阶段划分，反应初始阶段划分为第一反应区221，反应末尾阶段划分为第三反应区223，中间区域则为第二反应区222。在第一反应区221，反应剧烈，迅速放热，因此，第一反应区221的换热管40的管孔占有率为43.9％，换热管40的外管直径为32毫米，管间距为46毫米，换热管40的排列方式为三角形排列。

在经过第一反应区221后，气体进入第二反应区222，由于反应气体浓度下降，反应速度下降，放热量减少，因此第二反应区222的换热管40的管孔占有率为30.7％，该区域内换热管外套管直径为32毫米，管间距为55毫米。

而在第三反应区223，进入气体反应末期阶段，反应气体浓度进一步降低，第三反应区223的换热管40的管孔占有率为13.2％，该区域内换热管外套管直径为32毫米，管间距为84毫米。

本实用新型的等温甲烷化反应器100，与现有技术相比，具有以下优势：

(1)、通过设置反应框20内沿气流方向位于上游的等温反应区21内的换热管40的管孔占有率大于位于下游的等温反应区21内的换热管40的管孔占有率，并且设置每一等温反应区内21内的换热管40的管孔占有率为8％～48％，可使得在反应初始阶段，使移热面积大，移热量大，故能保证了移热及时，而对催化剂床层30不造成烧坏的影响，随着反应的进程，移热面积逐渐减小，也就是移热量逐渐减小，故不会存在材料的浪费，降低了设备成本；

(2)、通过设置相邻两个等温反应区21的换热管40的管孔占有率之间的差值范围为10％～25％，可合理地布置换热管40，以保证反应按照反应平衡曲线和最适宜温度曲线进行；

(3)、通过设置沿气流方向位于最上游的等温反应区21的管孔占有率与相邻的等温反应区21的管孔占有率之间的差值大于其他任意两个相邻的等温反应区21的管孔占有率之间的差值，可在在反应初始阶段推动增大反应推动力。

(4)、通过设置同一等温反应区21内的相邻两个换热管40之间的间距相同，可使得该等温反应区21内的移热面积一致，进而保证反应温度在该等温反应区21内的温度稳定；

(5)、通过设置在反应框20内的气流方向与外筒10的径向方向平行，等温反应区21为以外筒10的中心为圆心的圆环区域，可使各个等温反应区21之间的划分鲜明，且换热管40在等温反应区21内的布管更加均匀，从而使得反应温度控制更加准确且同一等温反应区21内的反应均匀；

(6)、通过设置在反应框20内的气流方向与外筒10的轴向方向平行，等温反应区21为沿外筒10轴向分段的柱状区域，可使各个等温反应区21之间的划分鲜明，从而使得反应温度控制更加准确，且换热管40在等温反应区21内的布管更加方便；

(7)、通过设置反应框20还具有绝热反应区22，绝热反应区22沿气流方向位于等温反应区21的下游，可提高从出气口12排出的反应气温度，以可满足后续提取甲烷气的工艺温度需求。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种等温甲烷化反应器，其特征在于，包括外筒、设置于所述外筒内的反应框及设置于所述反应框内的催化剂床层；

所述反应框内具有多个等温反应区，所述多个等温反应区均设有多个换热管，所述多个等温反应区沿气流方向依次设置，且沿所述气流方向位于上游的所述等温反应区内的所述换热管的管孔占有率大于位于下游的所述等温反应区内的所述换热管的管孔占有率；

其中，每一所述等温反应区内的所述换热管的管孔占有率范围为8％～48％。

2.根据权利要求1所述的等温甲烷化反应器，其特征在于，所述反应框内的所述等温反应区的数量范围为2～5个。

3.根据权利要求1所述的等温甲烷化反应器，其特征在于，所述反应框内的所述等温反应区的数量不小于3个，沿所述气流方向位于最上游的所述等温反应区的所述换热管的管孔占有率与相邻的所述等温反应区的所述换热管的管孔占有率之间的差值，大于其他任意两个相邻的所述等温反应区的所述换热管的管孔占有率之间的差值。

4.根据权利要求1所述的等温甲烷化反应器，其特征在于，相邻两个所述等温反应区的所述换热管的管孔占有率之间的差值范围为10％～25％。

5.根据权利要求1所述的等温甲烷化反应器，其特征在于，同一所述等温反应区内的相邻两个所述换热管之间的间距相同。

6.根据权利要求1所述的等温甲烷化反应器，其特征在于，任意两个所述等温反应区内的所述换热管之间的间距、所述换热管的管孔面积、所述换热管的数量中的至少有一种不同。

7.根据权利要求1所述的等温甲烷化反应器，其特征在于，每一所述等温反应区内的所述换热管的管孔占有率范围为14％～47％。

8.根据权利要求1～7任一项所述的等温甲烷化反应器，其特征在于，在所述反应框内的所述气流方向与所述外筒的径向方向平行，所述等温反应区为以所述外筒的中心为圆心的圆环区域。

9.根据权利要求1～7任一项所述的等温甲烷化反应器，其特征在于，在所述反应框内的所述气流方向与所述外筒的轴向方向平行，所述等温反应区为沿所述外筒的轴向分段的柱状区域。

10.根据权利要求1～7任一项所述的等温甲烷化反应器，其特征在于，所述反应框还具有绝热反应区，所述绝热反应区沿所述气流方向位于最下游的所述等温反应区的下游。

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