一種低溫甲烷化反應器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種低溫甲烷化反應器，該反應器主要包括反應器冷激氣腔、反應器管程和殼程、產品氣收集腔；反應器列管中設置有冷激氣套管，不同流量的冷激氣由冷激氣腔進入冷激氣套管中，沿冷激氣套管外壁上的通氣小孔溢出，與列管中的高溫反應氣混合換熱，協同控制反應器床層溫度的變化，反應生成的產品氣匯集到產品氣收集腔內通過產品氣出口排出；同時，甲烷化反應放出的大量熱量通過反應器殼程的鍋爐水迅速循環移走，維持反應器床層溫度在較低溫度下進行；該實用新型操作溫度較低，能夠更好地保護的甲烷化催化劑，避免催化劑高溫積碳，催化效率高，且熱能利用率高。
【專利說明】
一種低溫甲烷化反應器
技術領域
[0001]本實用新型屬于天然氣技術領域，特別涉及一種煤制天然氣的低溫甲烷化反應器。
【背景技術】
[0002]甲烷化反應屬于強放熱反應，每I%的⑶甲烷化反應能產生740C的絕熱溫升，每1%的CO2甲烷化反應能夠產生60°C的絕熱溫升，所以甲烷化反應過程要嚴格控制反應器的溫升，反應過程中放出的大量熱量要迅速移走，防止催化劑在高溫條件下的失活與燒結。
[0003]現有的甲烷化技術大多采用多個絕熱固定床串聯的方式，使甲烷化反應在每個絕熱反應器中逐步反應，且為避免出現熱點溫度過高的情況，通常采用多個循環壓縮機采用不小于5的循環比多次循環，將每段的CO體積百分數由25%降低到2%_3%;同時整套工藝需要采用多臺換熱器來移走反應所放出的熱量;這些不僅提高了設備投資，同時也增加能耗。為了解決移熱問題，中國專利CN204247177提出了一種絕熱等溫甲烷化反應器，包括在列管之上設置絕熱層催化劑層，目的是可以迅速提高甲烷化反應起活溫度，其列管中的主反應放出的熱量通過殼程的循環水移走，一定程度上降低了甲烷化反應的熱點溫度，但針對甲烷化反應放熱量大的問題，普通的列管反應器很難適應如此大的熱應力，同樣中國專利CN102827657采用多臺等溫反應器進行甲烷化反應，同樣也存在反應放熱量大，反應器熱應力大等安全隱患，反應器內部很容易發生泄露造成危險;其列管反應器的管程中裝填催化劑，位于反應器殼層、熱容較大的鍋爐水不斷蒸發-冷凝的循環過程，將反應放出的熱量迅速移走，有效抑制反應床層熱點溫度的急劇上升，避免催化劑的高溫積碳，提高系統的可操作性;但是相對于放熱量大的甲烷化反應，列管反應器中的管程與殼程連接較為復雜，在熱應力較大的情況下很容易產生管程與管板之間斷裂，造成危險氣體泄露等安全隱患，所以很難實現反應器的工業化放大制造。
【發明內容】
[0004]為了克服上述現有技術的缺點，本實用新型的目的在于提供一種低溫甲烷化反應器，具有能耗低、操作方便，催化反應效率高的特點。
[0005]為了達到上述目的，本實用新型采用如下技術方案:
[0006]—種低溫甲烷化反應器，主要包括反應器冷激氣腔、反應器管程和殼程以及產品氣收集腔;所述反應器冷激氣腔由設置在反應器內的冷激氣套管管板17和設置在反應器頂部的反應器上法蘭I圍成，反應器冷激氣腔的側壁上開有冷激氣從中通入的冷激氣入口 2 ；所述反應器管程和殼程通過位于冷激氣套管管板17下部的上饒性管板4和下饒性管板13分為兩個獨立的空間，多個反應器列管15將上饒性管板4上部和下饒性管板13下部的腔體連通，甲烷化催化劑位于反應器列管15中，反應器列管15與原料氣入口 16相連通，冷激氣套管3插入反應器列管15中，且冷激氣套管3頂部固定在冷激氣套管管板17并與反應器冷激氣腔連通，冷激氣套管3外表面有開孔率不等的通氣小孔14，熱電偶組11位于中心位置的反應器列管15中，反應器殼程的側壁上開有汽水出口 5和鍋爐水入口 6;所述產品氣收集腔由位于下饒性管板13下部的不銹鋼絲網8和位于反應器底部的反應器下法蘭10圍成，產品氣收集腔內安裝有支撐架9，產品氣收集腔側壁開有產品氣出口 12。
[0007]所述汽水出口5是由八組等外徑的出口管匯集于上水管與汽包中部相連接，鍋爐水入口6由八組等外徑的入口管匯集于下降管與汽包底部相連接，其中八組汽水出口和八組鍋爐水入口的位置沿反應器徑向等距離分布于反應器外壁;通過控制汽包外送蒸汽流量，調節汽包壓力為8-10MPa維持汽包內沸騰水的溫度為290-310°C，利用鍋爐水溫度變化的自然循環作用與反應器殼程建立熱量循環，維持整個床層溫度受熱均勻，避免出現溫度劇烈波動。
[0008]所述冷激氣套管3均勻分布于反應器管程中，并一直延伸到管程的中下部;冷激氣套管3的通氣小孔14的開孔率至上而下逐漸降低，這與反應器床層的軸向熱點溫度的分布位置相對應。
[0009]所述冷激氣套管管板17通過可拆卸的法蘭連接固定于反應器內壁，所述冷激氣套管3采用帶錐形螺栓的高溫卡套密封連接于冷激氣套管管板17上，便于拆卸。
[0010]所述熱電偶組11采用耐高溫的帶錐形螺栓的高溫卡套密封連接于反應器下法蘭10，在實際生產中可根據工況變化，調節合適的熱電偶安裝位置。
[0011]所述支撐架9上分布有兩張20目的不銹鋼絲網8，不銹鋼絲網8上是兩層耐高溫導熱瓷球，其中第一層是Φ 10的耐高溫瓷球，裝填高度是10-15cm，位于反應器最下層，Φ 5的耐高溫瓷球位于第二層，Φ 5的耐高溫瓷球的裝填高度需要高于反應器下饒性管板5-lOcm。
[0012]所述原料氣入口16和產品氣出口 12均采用可拆卸的徑向法蘭連接，便于拆裝運輸。
[0013]所述熱電偶組11包含有五根沿軸向、等距離延長的熱電偶，時刻監測反應器各個床層溫度變化。
[0014]上述所述低溫甲烷化反應器的工作過程，反應原料氣流量為300-500Nm3/h，壓力為2.8-3.2MPa，溫度達到250-300 °C，由原料氣入口 16進入反應器列管15中，與反應器列管15中的甲烷化催化劑進行甲烷化催化反應；冷激氣流量為100-300Nm3/h，壓力為2.8-3.2MPa，溫度為10-25°C，由冷激氣入口2進入冷激氣套管3中，通過冷激氣套管3外壁的通氣小孔14溢出，與甲烷化反應后的混合氣換熱，抑制反應器床層熱點溫度飛溫;反應器殼程通過汽水出口 5和鍋爐水入口 6與汽包相連通換熱，甲烷化反應放出的大量熱量通過冷卻介質鍋爐水迅速移走;反應器殼程的冷卻介質鍋爐水和冷激氣協同控制反應器床層溫度，維持反應器床層溫度300-350 °C。
[0015]和現有技術相比較，本實用新型具備如下優點:
[0016]1、有效的解決了甲烷化反應放熱量大的問題，利用熱容大的鍋爐水自然循環換熱，保持反應器床層溫度恒定，避免反應器床層受熱不均導致的催化劑局部過熱而燒結失活;通過冷激氣-原料氣的熱量交換，強制循環換熱，抑制反應器床層熱點溫度的飛溫，保持甲烷化反應在較低的溫度范圍內進行，較好的保護了甲烷化催化劑，徹底解決了甲烷化催化劑的高溫積碳。
[0017]2、其中反應器管程和殼程的接口采用饒性管板密封連接，有效的避免了甲烷化反應放熱量大所造成的反應器管材熱應力危險，提高了操作安全性。
[0018]3、同時，整套裝置操作溫度較低，可采用普通的合金鋼材加工制造，有效的降低了設備成本;該實用新型操作簡單，催化效率高，且節能高效。
【附圖說明】
[0019]以下結合附圖來詳細說明本實用新型的實施方案:
[0020]圖1是本實用新型提供的反應器結構示意圖。
[0021 ]圖中:1、反應器上法蘭，2、冷激氣入口，3、冷激氣套管，4、上饒性管板，5、汽水出口，6、鍋爐水入口，7、手孔，8、不銹鋼絲網，9、支撐架，10、反應器下法蘭，11、熱電偶組，12、產品氣出口，13、下饒性管板，14、通氣小孔，15、反應器列管，16、原料氣入口，17、冷激氣套管管板。
【具體實施方式】
[0022]下面結合【具體實施方式】對本實用新型進一步的詳細描述，所舉實例僅為了闡述本實用新型，而不是為了限制本實用新型的范圍。
[0023]首先，打開手孔7法蘭蓋，將20目的不銹鋼絲網8安裝在支撐架9上，拆開反應器上法蘭I和冷激氣套管管板17，采用“襪袋法”向反應器列管15中裝填甲烷化催化劑;首先裝填1cm高的Φ 10的耐高溫瓷球，由上部列管口順管穿過，均勻散落在支撐架9上的不銹鋼絲網8上，再裝填Φ 5的耐高溫瓷球，其裝填位置是高于反應器下饒性管板5cm處，接著再裝填甲烷化催化劑，反應器整個管程中裝滿甲烷化催化劑，且在裝填過程中要用橡膠錘擊打反應器外壁，保證催化劑裝填均勻，避免內部出現“架橋”，其中催化劑裝填高度高于上饒性管板5cm;在催化劑的上表面先裝填一層1cm高的Φ 5的耐高溫瓷球，再鋪一層20目的不銹鋼絲網，最后再裝填一層5cm高的Φ 10的耐高溫瓷球，裝填結束后先密封冷激氣套管管板17，再密封反應器上法蘭I，采用干燥的氮氣對設備進行打壓側漏，并用還原氣體對反應器中的甲烷化催化劑進行還原活化，還原結束后，準備接原料氣；
[0024]實施例1
[0025]反應原料氣組分是H2含量35 %，⑶含量6 %，⑶2含量2.5%, CH4含量50 %，N2含量6.5%,原料氣分成兩路，其中一路調節流量280Nm3/h，壓力2.8MPa，通過預熱溫度達到300°C，由原料氣入口 16進入到反應器列管15中，與反應器列管15中的甲烷化催化劑進行甲烷化催化反應；調節汽包壓力8.6 M P a維持汽包內沸騰水的溫度3 O O °C ;另一路原料氣壓力2.8MPa，溫度15°C，作為冷激氣調節流量至170Nm3/h，由冷激氣入口 2進入到冷激氣套管3中，通過冷激氣套管3外壁的通氣小孔14溢出，與甲烷化反應后的混合氣換熱，維持反應器床層溫度330-332°C;采用本實例的等溫甲烷化反應器⑶轉化率在95.86%，運行1000小時后反應活性良好，未出現催化劑燒結失活、床層飛溫等現象。
[0026]對比例I
[0027]反應原料氣組分是H2含量37 %，⑶含量7 %，⑶2含量2.5%, CH4含量48 %，N2含量5.5%,原料氣分成兩路，其中一路調節流量300Nm3/h，壓力2.8MPa，通過預熱溫度達到285°C，由原料氣入口 16進入到反應器列管15中，與反應器列管15中的甲烷化催化劑進行甲烷化催化反應；調節汽包壓力9.8 M P a維持汽包內沸騰水的溫度310 °C ;另一路原料氣壓力2.8MPa，溫度20°C，作為冷激氣調節流量至180Nm3/h，由冷激氣入口 2進入到冷激氣套管3中，通過冷激氣套管3外壁的通氣小孔14溢出，與甲烷化反應后的混合氣換熱，維持反應器床層溫度335-338°C;采用本實例的等溫甲烷化反應器⑶轉化率在96.43%，運行1000小時后反應活性良好，未出現催化劑燒結失活、床層飛溫等現象。
【主權項】
1.一種低溫甲烷化反應器，其特征在于:主要包括反應器冷激氣腔、反應器管程和殼程以及產品氣收集腔;所述反應器冷激氣腔由設置在反應器內的冷激氣套管管板(17)和設置在反應器頂部的反應器上法蘭(I)圍成，反應器冷激氣腔的側壁上開有冷激氣從中通入的冷激氣入口(2);所述反應器管程和殼程通過位于冷激氣套管管板(17)下部的上饒性管板(4)和下饒性管板(13)分為兩個獨立的空間，多個反應器列管(15)將上饒性管板(4)上部和下饒性管板(13)下部的腔體連通，甲烷化催化劑位于反應器列管(15)中，反應器列管(15)與原料氣入口(16)相連通，冷激氣套管(3)插入反應器列管(15)中，且冷激氣套管(3)頂部固定在冷激氣套管管板(17)并與反應器冷激氣腔連通，冷激氣套管(3)外表面有開孔率不等的通氣小孔(14)，熱電偶組(11)位于中心位置的反應器列管(15)中，反應器殼程的側壁上開有汽水出口(5)和鍋爐水入口(6);所述產品氣收集腔由位于下饒性管板(13)下部的不銹鋼絲網(8)和位于反應器底部的反應器下法蘭(10)圍成，產品氣收集腔內安裝有支撐架(9)，產品氣收集腔側壁開有產品氣出口( 12)。2.根據權利要求1所述的一種低溫甲烷化反應器，其特征在于:所述汽水出口(5)是由八組等外徑的出口管匯集于上水管與汽包中部相連接，鍋爐水入口(6)由八組等外徑的入口管匯集于下降管與汽包底部相連接，其中八組汽水出口和八組鍋爐水入口的位置沿反應器徑向等距離分布于反應器外壁。3.根據權利要求1所述的一種低溫甲烷化反應器，其特征在于:所述冷激氣套管(3)均勻分布于反應器管程中，并一直延伸到管程的中下部;冷激氣套管(3)的通氣小孔(14)的開孔率至上而下逐漸降低，這與反應器床層的軸向熱點溫度的分布位置相對應。4.根據權利要求1所述的一種低溫甲烷化反應器，其特征在于:所述冷激氣套管管板(17)通過可拆卸的法蘭連接固定于反應器內壁，所述冷激氣套管(3)采用帶錐形螺栓的高溫卡套密封連接于冷激氣套管管板(17)上，便于拆卸。5.根據權利要求1所述的一種低溫甲烷化反應器，其特征在于:所述熱電偶組(11)采用耐高溫的帶錐形螺栓的高溫卡套密封連接于反應器下法蘭(10)。6.根據權利要求1所述的一種低溫甲烷化反應器，其特征在于:所述支撐架(9)上分布有兩張20目的不銹鋼絲網(8)，不銹鋼絲網(8)上是兩層耐高溫導熱瓷球，其中第一層是Φ10的耐高溫瓷球，裝填高度是10-15cm，位于反應器最下層，Φ 5的耐高溫瓷球位于第二層，Φ 5的耐高溫瓷球的裝填高度需要高于反應器下饒性管板5-lOcm。7.根據權利要求1所述的一種低溫甲烷化反應器，其特征在于:所述原料氣入口(16)和產品氣出口(12)均采用可拆卸的徑向法蘭連接，便于拆裝運輸。8.據權利要求1所述的一種低溫甲烷化反應器，其特征在于:所述熱電偶組(11)包含有五根沿軸向、等距離延長的熱電偶，時刻監測反應器各個床層溫度變化。
【文檔編號】B01J8/06GK205627895SQ201620363360
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月27日
【發明人】王曉龍, 何忠, 劉蓉, 肖天存
【申請人】中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司