一種等溫低溫甲烷化反應器的制造方法
【專利摘要】本實用新型屬于化學領域，涉及一種等溫低溫甲烷化反應器，包括殼體，殼體內部空間自上而下通過上管板、下管板分隔為水室，汽室和反應室，反應室通過設有多個通氣孔的徑向筐分隔成位于外側的環隙空間和位于內部的筐內室，筐內室中設有多根換熱管，以及至少一根中心管；殼體上設有連通至環隙空間的未反應氣進口，中心管的一端設有反應氣輸出口，其特征在于，所述多根換熱管通過下管板連通至汽室，所述換熱管內部設有內套管，內套管通過上管板連通至水室，內套管的下端一直延伸至換熱管底部或接近底端處。該反應器可將甲烷化反應放出的熱量及時用另一種介質移走，維持反應在低溫恒溫下進行。
【專利說明】一種等溫低溫甲烷化反應器
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于化學領域，涉及一種化學合成設備，具體地說，涉及一種反應器，其可在一定的恒定低溫下進行CO與H2反應生成甲烷和水以及CO2與H2反應生成甲烷和水的設備，應用于含有大量的CO及CO2分別與H2反應生成甲烷，即合成天然氣。
【背景技術】
[0002]目前，工業上合成天然氣主要有焦爐氣制天然氣及煤制天然氣兩種。合成天然氣的關鍵反應是甲烷化反應，其反應式為:
[0003]C0+3H2=CH4+H20 Λ H298 = — 206KJ/mol
[0004]C02+4H2=CH4+2H20 Δ H298 =- 165KJ/mol
[0005]甲烷化反應均為強放熱可逆反應，在典型的甲烷化反應條件下，氣體中每1%C0轉化的絕熱溫升約為72°C，每1%C02轉化的絕熱溫升約為60°C。
[0006]由于合成天然氣的原料氣體中CO及CO2含量很高，為了控制溫度，甲烷化反應器必須采用多臺串聯的方式，并且采用大量氣體循環的方式以降低反應器進口氣體中CO及CO2含量(一般控制C0+C02:3?5%)。若第一甲烷化反應器氣體進口溫度為300°C，則出口溫度為600?700°C。
[0007]現有的甲烷化反應均采用高溫反應器，其中的合成反應為絕熱反應形式，即經催化劑床層絕熱反應后，氣體出反應器，再經高壓鍋爐產生蒸汽回收熱量。
[0008]高溫甲烷化反應溫度非常高，設備材質要求高，安全性差。由于反應溫度高，尤其是第一甲烷化反應器溫度為600?700°C，需要使用耐高溫的材料制作，設備造價高。如專利申請號201110418273.4的中國專利申請，其通過采用耐高溫的不銹鋼材質和受熱沖擊高溫耐火材料等來提高反應器的使用壽命。
[0009]但是，絕熱式的高溫反應器仍然存在一系列缺陷:
[0010]1.安全性方面:如果發生甲烷化反應器進口氣體中CO及CO2含量突然增加時，反應器很容易發生超溫事故，安全可靠性較差。
[0011]2.催化劑成本高:高溫甲烷化工藝，必須使用能耐700°C高溫的甲烷化催化劑，以滿足該工藝的要求。甲烷化催化劑主要活性成分為鎳，以氧化鋁為載體。普通的甲烷化催化劑中鎳含量約為20?30%，其使用溫度范圍為200?400°C。高溫甲烷化催化劑中鎳含量約為40?50%，其使用溫度范圍為300?700°C。高溫甲烷化催化劑制造成本高，價格昂
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[0012]3.高溫積炭:高溫甲烷化工藝為絕熱反應，反應器內催化劑床層溫度為300?7000C。當溫度在400°C以上時容易產生積炭反應，造成催化劑表面積炭，使催化劑的活性下降，影響催化劑的使用壽命。
[0013]4.電耗高:由于甲烷化反應原料氣體中的CO及CO2含量高(C0+C02: 20?25%)，為了控制溫度，必須采用大量氣體循環的方式以降低反應器進口氣體中CO及CO2含量(一般控制C0+C02:3?5%)，其循環氣體流量約為新鮮氣體流量的5倍，電耗較高。[0014]盡管存在上述諸多缺陷，目前的甲烷化反應器的改進方向仍然是以如何提升設備耐熱性為主。鮮有業內人士關注于如何降低反應溫度。
[0015]作為同樣是一種放熱合成的反應器——CO與水蒸氣變換成CO2和H2的反應設備，已有研究采用一種等溫低溫CO變換反應器來實現上述反應，如專利號200910227101.1的中國專利。該反應器包括圓筒外殼中的徑向筐和汽室、水室，設有中心管的徑向筐中裝填催化劑組成的催化床，催化床中設有多根懸置換熱管且內有水，短管上端同汽室相連通，催化床中還設有倒U形管，其兩端口分別同兩個同心的環形管相連，一個環形管經接管及蒸汽進口同汽包的蒸汽出口相連，另一個環形管經對應接管同圓筒外殼與徑向筐之間的環隙相同，未反應氣進口也同該環隙相通；汽包水出口同水室相連，汽室的蒸汽出口連至汽包的蒸汽進口。這樣，反應中產生的熱靠蒸汽蒸發移熱，維持反應在低溫恒溫下進行。上述反應器設計上的特點適應于CO變換反應，但是，當將該反應器用于甲烷化反應時，其移熱效果卻不佳，達不到有效地將反應溫度維持在較低溫度下進行的效果，這是因為，雖然CO變換反應也是放熱反應，但甲烷化反應的放熱強度相當于CO變換反應的四倍以上，因此，上述反應器還不足以使用在甲烷化反應中。
實用新型內容
[0016]本實用新型的目的在于針對現有高溫甲烷化技術存在的缺陷，提供一種等溫低溫甲烷化反應器，它可以將甲烷化反應中不斷放出的熱量及時用另一種介質移走，維持反應在低溫恒溫下進行。
[0017]本實用新型的目的在于克服現有技術的缺陷，提供一種能持續有效散熱的甲烷化反應器。
[0018]實用新型提供的甲烷化反應器，包括殼體，殼體內部空間自上而下通過上管板、下管板分隔為水室，汽室和反應室，反應室通過設有多個通氣孔的徑向筐分隔成位于外側的環隙空間和位于內部的筐內室，筐內室內設有多根換熱管和至少一根中心管，所述中心管(側壁上)設有多個通氣孔；殼體上設有連通至環隙空間的未反應氣進口，中心管的一端設有反應氣輸入開口，所述多根換熱管通過下管板連通至汽室，所述換熱管內部設有內套管，內套管通過上管板連通至水室，內套管的下端一直延伸至換熱管底部或接近底端處。
[0019]優選地，所述的換熱管和中心管呈徑向豎直排布。所述徑向筐側壁呈圓筒狀，中心管與徑向筐同軸。
[0020]通過上述的設置，所述筐內室中多根換熱管之間，以及換熱管與中心管之間的空間，成為填充有催化劑的催化反應空間。待反應的氣體通過未反應器進口進入反應室內，首先彌漫于環隙空間，再通過徑向筐上均勻分布的小孔進入筐內室，在筐內室的催化反應空間中，發生強放熱的合成反應，此時，所產生的熱量傳遞至換熱管中。換熱管由于和水室相連通，管內充滿水，水持續受熱并蒸發斷帶走熱量，形成蒸汽進入汽室并排出反應系統之外。
[0021]本實用新型能獲得良好及時的持續的移熱效果，換熱管中的內套管起到了非常關鍵的作用。在本實用新型中，內套管上端連接水室，下端一直深入到換熱管深處，接近底端的地方。由此，液態水可以從換熱管的底部開始注入，由此形成升膜蒸發相變傳熱，其傳熱系數大，尤其適用于這種強放熱反應中，經試驗，該設置有利于有效地將甲烷化反應系統控制在較低的恒定溫度下，例如控制在300?320°C的反應溫度下。
[0022]作為一種優選的實施方式，筐內室下端設為漏斗形。由于筐內室的間隙中填充了催化劑，為了方便催化劑的更換，筐內室下端設為漏斗形，錐形下端設有催化劑出口。所述催化劑出口設有活動式密封機構。當需要更換催化劑時，打開該密封機構使催化劑出口敞開，以輸出催化劑；平時，催化劑出口則通過密封機構封閉密封。所述殼體上設有連通至筐內室頂部空間的進料口，以在更換催化劑時，從該進料口輸入催化劑。
[0023]進一步地，在殼體外設有汽包，汽包設有進水口和蒸汽出口。該汽包可設于殼體上方，汽室通過蒸汽輸送管連通至汽包，分離水后的蒸汽可進一步通過設置于汽包上的蒸汽輸送管輸出系統之外。汽包還進一步設有出水口連通至所述水室，以補充水室內的水量。
[0024]優選地，所述的進水口連接設有調節閥的進水管，所述蒸汽出口連接設有調節閥的出水管，由此更好地調節水位和蒸汽壓力。
[0025]在反應空間中，反應合成的甲烷，逐漸擴散至中央的中心管附近，通過中心管壁上均勻分布的通氣孔進入中心管內，并通過位于中心管一端的反應氣輸出口，輸出反應系統之外。
[0026]作為一種優選的實施方式，為了有利于換熱效率和反應產率的提升，系統中的換熱管的分布密度從外側向內部逐漸變低。
[0027]優選地，所述的未反應氣進口設置于殼體底部。
[0028]本實用新型的進一步改進在于，利用液體的相變將大量的反應熱移走，以保持溫度恒定不變；由于水的汽化潛熱很大，約為430Kcal/Kg，只要布置足夠數量的換熱管，即可將大量的反應熱全部移走，維持催化劑床層溫度不變。
[0029]本實用新型的進一步改進在于，通過壓力調節閥4控制水的汽化壓力來控制相應的汽化溫度；因甲烷化反應為可逆放熱反應，溫度低有利于向生成甲烷的方向進行，因此反應溫度應選擇催化劑允許的底端溫度；控制蒸汽壓力為5.0Mpa，汽化溫度相應為260°C，SP可控制反應溫度為300?320°C ;由于水汽形成自然循環系統，只要壓力恒定不變，溫度也會恒定不變，催化劑床層就不會超溫。
[0030]與現有技術比，本實用新型具有以下有益效果:
[0031]1.本實用新型首次將散熱機構引入甲烷化反應器中，利用升膜蒸發相變傳熱，通過在換熱管中設置內套管，將內套管延伸至換熱管的底部或接近底端處，有利于將反應過程產生的熱能有效及時地由水蒸氣帶離系統之外。
[0032]2.催化劑使用壽命長。甲烷化反應在低溫(300?320°C)恒溫下進行，催化劑處于低溫等溫狀態，不易老化，表面不易積炭，使用壽命長。
[0033]3.設備投資小。因甲烷化反應為可逆放熱反應，反應溫度低，有利于向生成物的方向移動，一臺反應器就能將反應進行完全，生產出合格的天然氣，設備投資小；而現有的高溫甲烷化裝置需要采用多臺(一般為3?5臺)反應器串聯的方式才能滿足要求。
[0034]4.能耗低。因甲烷化反應為強放熱反應，采用液體的相變將大量的反應熱移走，以保持催化劑床層溫度恒定不變，氣體不需要循環，電耗低；而現有的高溫甲烷化裝置必須采用大量(約為新鮮氣量的5倍)氣體循環的方式以降低反應器進口氣體中CO及CO2含量，從而控制催化劑床層溫度。
[0035]5.采用徑向催化劑床，氣體阻力小(約為0.01?0.02MPa)。[0036]6.操作容易，安全性好。只需要控制蒸汽壓力，即可控制反應溫度，不會發生催化劑床層超溫現象，安全性好；而現有的高溫甲烷化裝置中催化劑床層為絕熱反應，很容易發生超溫事故，安全可靠性較差。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0037]圖1為本實用新型甲烷化反應器示意圖；
[0038]圖2為本實用新型一種優選的甲烷化反應器示意圖；
[0039]圖3為圖2的甲烷化反應器筐內室下端的局部放大圖；
[0040]圖4為顯示了一個優選實施例的筐內室中換熱管分布的橫截面圖。
[0041]1-補水管，2-補水閥，3-汽包，
[0042]4-壓力調節閥， 5-蒸汽出口，6-蒸汽輸送管，
[0043]7-出水口，8-上管板，9-下管板，
[0044]10-內套管，11-換熱管，12-中心管，
[0045]13-徑向筐，14-殼體，15-反應氣輸出口，
[0046]16-進料口，18-未反應氣進口， 19-環隙空間，
[0047]20-反應室，21-汽室，22-水室，
[0048]23-筐內室。
【具體實施方式】
[0049]以下【具體實施方式】是對本實用新型技術方案的進一步闡釋，而非限制。
[0050]實施例1
[0051]如圖1所示，本實用新型的等溫低溫甲烷化反應器
[0052]米用一立式圓筒殼體14,殼體14內腔上部裝有上管板8和下管板9,上管8與圓筒殼體14上封頭之間的腔體為水室22，上管板8與下管板9之間的腔體為汽室21，下管板9直至殼體底端的空間為反應室20 ;圓筒殼體14中裝有徑向筐13，其底部為封頭而側壁分布有許多通氣小孔(通氣小孔在圖中未顯示)，該徑向筐13頂端與所述下管板9連接，徑向筐13外壁與圓筒殼體14內壁之間留有環隙，形成環隙空間19 ;徑向筐13內部形成筐內室23 ;筐內室23中心裝有中心管12，其頂端封閉而管壁分布有許多通氣小孔(通氣小孔在圖中未顯不),該中心管12下端位于圓筒殼體14底部下方的反應氣輸出口 15,反應氣輸出口15與反應氣出口管相連；筐內室23內裝有多根換熱管11，其結構形式為懸置式雙套管，即，換熱管11中還設有內套管10，；換熱管11底端封閉而頂端與下管板9連接,換熱管的內套管10頂端與所述上管板8連接而下端插入對應的換熱管11中，并一直延伸至換熱管11接近底端處；圓筒殼體14底部裝有未反應氣進口 18，未反應氣進口 18與未反應氣進口管相連；汽室21通過蒸汽輸送管6連通至圓筒殼體14上方的汽包3，汽包3底部設有出水口 7與所述水室22相通，汽包3設有蒸汽出口 5，蒸汽出口 5連接設有調節閥4的輸出管道。汽包3上裝有補水管I及補水閥2。
[0053]筐內室中多根換熱管之間，以及換熱管與中心管之間的空間，成為填充有催化劑的催化反應空間。
[0054]氣體在本實用新 型的甲烷化反應器中的流程是:預熱后的未反應氣經未反應氣進口 18，進入圓筒殼體14與徑向筐13之間的環隙空間19，再沿著環隙20由下而上流動，經過徑向筐13側壁分布的通氣小孔進入徑向筐13內的催化劑床層反應，反應后的氣體經中心管12側壁分布的通氣小孔進入中心管12內，從上而下流入反應氣輸出口 15，再進入反應氣出口管，最后流出甲烷化反應器外。由于反應氣是徑向通過徑向筐13內的催化劑床層，阻力較小，電耗較低。
[0055]水汽在所述反應器中的流程是:給水經補水管I由補水閥2控制加入汽包3，與汽包3內水混合后，通過出水口 7進入水室22，均勻流入多根內套管10內，再從內套管10的下端進入外套管11的底部，被外套管11外部反應熱氣加熱變成汽水混合物，上升至汽室21，再經蒸汽輸送管6進入汽包3，在汽包3內，分離出水后的飽和蒸汽經壓力調節閥4控制壓力后，由蒸汽出口 5流出系統。
[0056]本反應器的工作原理是，由于徑向筐13內裝有許多根換熱管，其結構形式為懸置式雙套管，外套管11的外部裝有催化劑，管內為液體；當管外發生甲烷化反應時，放出大量的熱量，熱量通過管壁被管內液體吸收后汽化變成蒸汽，蒸汽進入汽室21，再經蒸汽輸送管6進入汽包3，分離水后的蒸汽經壓力調節閥4控制壓力后，經蒸汽輸送管5送出系統；汽包3中的液體經底部的出水口 7自動流入水室22，水室22中的液體經內套管10的下端進入外套管11的底部，再經加熱后汽化，如此水汽形成自然循環；運行時，通過壓力調節閥4控制汽包3內的蒸汽壓力恒定為5.0Mpa,即水沸騰汽化溫度恒定為260°C，相對應的管外催化劑床層反應溫度則可控制在略高于管內水沸騰汽化溫度，若保持40?60°C的傳熱溫差，即可控制反應溫度為300?320°C。
[0057]實施例2
[0058]如同實施例1.但進一步地，如圖2和3所示，徑向筐13的底部為漏斗形。漏斗形下端為催化劑出口 24。催化劑出口 24設有活動式密封機構；所述殼體上設有連通至筐內室23頂部空間的進料口 16。當需要對催化劑進行更換時，打開密封機構使催化劑從催化劑出口 24流出。清空催化劑之后，對出口 24進行重新密封，打開進料口 16，重新灌裝新的催化劑。
[0059]實施例3
[0060]如同實施例1或實施例2。但進一步地，如圖4所示，筐內室23中的多根換熱管分布于筐內室內部，中心管外部，且越靠近外端的分布密度越高。
【權利要求】
1.一種甲烷化反應器，包括殼體(14)，其特征在于，殼體(14)內部空間自上而下通過上管板(8)、下管板(9)分隔為水室(22)，汽室(21)和反應室(20)，反應室(20)通過設有多個通氣孔的徑向筐(13)分隔成位于外側的環隙空間(19)和位于內部的筐內室(23)，筐內室(23)中設有多根換熱管(11)和至少一根中心管(12)，所述中心管(12)設有多個通氣孔；所述殼體上設有連通至環隙空間(19)的未反應氣進口(18)，中心管的一端設有反應氣輸出口(15)，所述多根換熱管(11)通過下管板(9)連通至汽室(21)，所述換熱管(11)內部設有內套管(10)，內套管(10)通過上管板(8)連通至水室(22)，內套管(10)的下端一直延伸至換熱管(11)底部或接近底端處。
2.如權利要求1所述的反應器，其特征在于，所述的筐內室(23)下端設為漏斗形，漏斗形下端為催化劑出口(24)。
3.如權利要求2所述的反應器，其特征在于所述催化劑出口(24)設有活動式密封機構；所述殼體上設有連通至筐內室(23)頂部空間的進料口(16)。
4.如權利要求1所述的反應器，其特征在于，所述汽室(21)通過蒸汽輸送管(6)連通至設置于殼體(14)外部的汽包(3)，汽包(3)設有出水口連通至所述水室(22)。
5.如權利要求4所述的反應器，其特征在于所述的汽包設有進水口(I)和蒸汽出口(5)。
6.如權利要求5所述的反應器，其特征在于所述的進水口(I)連接設有調節閥的進水管；所述蒸汽出口(5)連接設有調節閥的輸出管道。
7.如權利要求1所述的反應器，其特征在于所述筐內室(23)內多根換熱管(11)之間，以及換熱管(11)與中心管(12)之間的空間，成為填充有催化劑的催化反應空間。
8.如權利要求1所述的反應器，其特征在于所述的未反應氣進口(18)設置于殼體(14)底部。
9.如權利要求4所述的反應器，其特征在于所述的反應氣輸出口(15)位于中心管的下端；所述汽包(3)位于殼體(14)的上方。
10.如權利要求1所述的反應器，其特征在于所述的多根換熱管的分布密度從外側向內側逐漸變低。
【文檔編號】C10L3/08GK203678354SQ201320842753
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年12月17日 優先權日:2013年12月17日
【發明者】尹明大 申請人:尹明大