專利名稱：甲烷催化部分氧化制合成氣循環(huán)流化床裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型廣義上涉及循環(huán)流化床(CFB)反應(yīng)器，具體而言，是甲烷催化部分氧化制合成氣循環(huán)流化床裝置。它主要是通過采用循環(huán)流化床式的反應(yīng)裝置，使新型的甲烷催化部分氧化制合成氣催化劑得以在裝置中循環(huán)使用。它主要是由提升管(1)，旋風(fēng)分離器(3)，反應(yīng)器(4)等組成。
背景技術(shù)：
天然氣的利用通常首先將其轉(zhuǎn)化為合成氣，因此，天然氣化工的關(guān)鍵步驟在于合成氣的制備。傳統(tǒng)的合成氣制備工藝包括蒸汽重整(簡稱SMR，設(shè)備尺寸巨大，能耗高昂，反應(yīng)時間長，轉(zhuǎn)化爐內(nèi)含有很多根的高含量鎳鉻合金管，裝置投資巨大)、聯(lián)合重整(簡稱SMR/O2R，需要兩個轉(zhuǎn)化爐，爐內(nèi)也裝有鎳鉻合金管)、自熱重整(簡稱ATR，在固定床反應(yīng)器內(nèi)裝有兩個反應(yīng)室)和非催化部分氧化(簡稱POX，在單一的轉(zhuǎn)化爐內(nèi)進行反應(yīng)，反應(yīng)溫度高達1200℃，并且耗氧量高，有煙塵生成)。這些制備合成氣的方法及相應(yīng)裝置目前都有一定的缺點。自九十年代以來，甲烷純氧部分氧化制合成氣工藝(Ashcroft A.T.etal，Nature，344，319，1990；Ashcroft A.T.et al，Nature，352，225，1991)在國內(nèi)外備受關(guān)注，該工藝同目前工藝最成熟的水蒸氣重整方法相比，具有能耗低，空速大的優(yōu)點，但是，在固定床反應(yīng)器上進行的甲烷純氧部分氧化反應(yīng)存在以下缺點催化劑床層有熱點，反應(yīng)所需的純氧需要昂貴的空分設(shè)備制取，制氧成本居高不下。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種甲烷催化部分氧化制合成氣循環(huán)流化床裝置，以適于連續(xù)進行晶格氧催化劑催化部分氧化天然氣制合成氣的反應(yīng)過程。通過空氣和甲烷分開進料，按還原-氧化(Redox)模式實現(xiàn)甲烷氧化制合成氣反應(yīng)的催化循環(huán)。
本實用新型是這樣實現(xiàn)的包括提升管1、旋風(fēng)分離器2、旋風(fēng)分離器3、反應(yīng)器4、柵板式分布器5、換熱器6、耐高溫閥門7、噴嘴8、換熱器9，提升管1的入口和噴嘴8相連，提升管1的出口和旋風(fēng)分離器3相連，旋風(fēng)分離器3的底部和反應(yīng)器4相連，旋風(fēng)分離器2和旋風(fēng)分離器3的出口都安裝有換熱器6、換熱器9，耐高溫閥門7與噴嘴8連接，反應(yīng)器4內(nèi)設(shè)有柵板式分布器5。
耐高溫閥門7由閥桿10、密封填料11、閥舌12、法蘭13、下料管14組成，閥桿10與閥舌12連接，內(nèi)裝有密封填料11，法蘭13與下料管14連接。
反應(yīng)器4的外部設(shè)有有保溫部件。
反應(yīng)器4的上游連接有換熱器6。
提升管1的上游連接有換熱器9。
旋風(fēng)分離器3下部相連的斜管的出口位置位于反應(yīng)器4內(nèi)催化劑床層的水平高度之下。
反應(yīng)器4內(nèi)的底部設(shè)有柵板式分布器5。
柵板式分布器5開孔≥1個，均勻分布。
高溫閥門7的下部設(shè)有噴嘴8。
本實用新型的優(yōu)點是甲烷在反應(yīng)器(4)內(nèi)是以鼓泡床的形式操作的，可控制性強。它可以通過控制甲烷氣體流量的方法控制氣固接觸反應(yīng)時間。如果甲烷和催化劑表面的吸附氧生產(chǎn)過量的CO2，那么在操作時就應(yīng)該相應(yīng)減少提升管(1)中空氣的流量或者增大反應(yīng)器(4)中甲烷氣體流量，控制催化劑中攜帶的氧類型為晶格氧。
本實用新型利用空氣或富氧空氣代替純氧作為原料，可以避免使用昂貴的空分設(shè)備，不會增加制氧成本。
在甲烷制合成氣區(qū)，通過調(diào)整氣固比和氣固接觸時間，用可還原的金屬氧化物的晶格氧作為烴類氧化的氧化劑，按Redox模式，在反應(yīng)器中烴分子在大于900℃高溫反應(yīng)區(qū)，生成CO和H2，失去晶格氧的催化劑被輸送到再生器中用空氣氧化到初始高價態(tài)，然后送入反應(yīng)器中再進行還原反應(yīng)。由于甲烷的氧化反應(yīng)是在沒有氣相氧分子的條件下進行的，可減小甲烷和空氣發(fā)生爆炸的可能性，并減少催化劑表面的深度氧化反應(yīng)，從而提高甲烷氧化反應(yīng)的選擇性和經(jīng)濟性，而且該工藝因不受爆炸極限的限制可提高原料濃度，使反應(yīng)產(chǎn)物容易分離回收，是節(jié)約資源和保護環(huán)境的綠色化學(xué)工藝，具有重要的應(yīng)用前景。


圖1為本實用新型甲烷催化部分氧化制合成氣循環(huán)流化床裝置簡圖；圖2是本實用新型耐高溫閥門7的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
圖1中，1是提升管，2、3是旋風(fēng)分離器，4是反應(yīng)器，5是柵板式分布器，6是換熱器，7是耐高溫閥門，8是噴嘴或預(yù)流化裝置，9是換熱器。
如圖1所示，本實用新型涉及的甲烷催化部分氧化制合成氣循環(huán)流化床裝置，主要包括提升管1、旋風(fēng)分離器3、反應(yīng)器4。提升管1的入口和噴嘴8相連，出口和旋風(fēng)分離器3相連，旋風(fēng)分離器3的底部和反應(yīng)器4相連，旋風(fēng)分離器2和旋風(fēng)分離器3的出口都安裝有換熱器6、9。
如圖2所示，10是閥桿，11是耐高溫密封填料，12是閥舌，13是法蘭，14是下料管，閥桿10與閥舌12連接，內(nèi)裝有密封填料11，法蘭13與下料管14連接。
下面介紹具體實施方式
，本實用新型涉及的甲烷催化部分氧化制合成氣循環(huán)流化床的操作，具體可以由兩套方案組成。
具體實施例一提升管1內(nèi)來自空氣壓縮機的空氣首先和旋風(fēng)分離器3流出的空氣通過換熱器9換熱至600℃或更高，然后經(jīng)噴嘴8將從反應(yīng)器4流出的鈣鈦礦型催化劑帶出，于900℃左右下在提升管1內(nèi)和還原態(tài)的鈣鈦礦型催化劑在高溫下快速地將空氣中的分子氧以晶格氧的形式固定并儲存起來。提升管1的出口連接旋風(fēng)分離器3，被分離的鈣鈦礦型催化劑經(jīng)斜管流回反應(yīng)器4進行反應(yīng)，廢空氣經(jīng)旋風(fēng)分離器3上部出口流出至換熱器9，以加熱進料空氣。
反應(yīng)器4內(nèi)來自于天然氣壓縮機的甲烷首先通過換熱器6預(yù)熱至600℃或更高，然后經(jīng)柵板式分布器5使甲烷均勻通過催化劑床層，于900℃左右下在床層內(nèi)甲烷氣體和鈣鈦礦型催化劑中攜帶的晶格氧高選擇性的反應(yīng)生成合成氣CO和H2，然后缺少晶格氧的鈣鈦礦型催化劑經(jīng)耐高溫閥門7流向提升管1進行補充晶格氧反應(yīng)，產(chǎn)品合成氣CO和H2經(jīng)旋風(fēng)分離器2上部出口流出至換熱器6。
具體實施例二提升管1內(nèi)來自天然氣壓縮機的甲烷首先通過換熱器9預(yù)熱至600℃或更高，經(jīng)噴嘴8將從反應(yīng)器4流出的鈣鈦礦型催化劑帶出，于900℃左右下在提升管內(nèi)和鈣鈦礦型催化劑中攜帶的晶格氧高選擇性的反應(yīng)生成合成氣CO和H2，合成氣經(jīng)旋風(fēng)分離器3的上部出口流向換熱器9，而缺少晶格氧的鈣鈦礦型催化劑經(jīng)斜管重新流回反應(yīng)器4重新進行補充晶格氧反應(yīng)。
反應(yīng)器4內(nèi)來自于空氣壓縮機的空氣首先通過換熱器6預(yù)熱至600℃，然后空氣經(jīng)柵板式分布器5均勻通過催化劑床層，于900℃左右下在床層內(nèi)和還原態(tài)的鈣鈦礦型催化劑可以快速地將空氣中的分子氧以晶格氧的形式固定并儲存起來。廢空氣經(jīng)旋風(fēng)分離器2的出口流向換熱器6，而攜帶有晶格氧的催化劑經(jīng)耐高溫閥門7流向提升管1進行甲烷催化部分氧化制合成氣反應(yīng)。
本套方案是甲烷在提升管1內(nèi)和鈣鈦礦型催化劑攜帶的晶格氧進行反應(yīng)，提升管內(nèi)的固氣比必須大于50才能保證甲烷高轉(zhuǎn)化率反應(yīng)，提升管1內(nèi)的固氣比可以通過耐高溫閥門7來調(diào)節(jié)。如果甲烷和鈣鈦礦型催化劑表面的吸附氧生成CO2，那么在操作時就應(yīng)該減小反應(yīng)器4中空氣的流量或者增大提升管1中甲烷流量，控制催化劑中攜帶的氧類型為晶格氧。這套方案的優(yōu)點是甲烷反應(yīng)處理量比實施例一中的情況大，同時由于提升管1和反應(yīng)器4內(nèi)的表觀氣速相對較小，因此顆粒損失和磨損都比較小，利于節(jié)約成本。
權(quán)利要求1.甲烷催化部分氧化制合成氣循環(huán)流化床裝置，包括提升管(1)、旋風(fēng)分離器(3)、反應(yīng)器(4)、換熱器(6)、換熱器(9)，其特征在于提升管(1)的入口設(shè)置在反應(yīng)器(4)的底部，提升管(1)出口連接旋風(fēng)分離器(3)，旋風(fēng)分離器(3)的下部通過斜管與反應(yīng)器(4)相連，出口處連接有換熱器(9)，反應(yīng)器(4)的入口處連接有換熱器(6)，出口處連接有旋風(fēng)分離器(3)，反應(yīng)器(4)底部通過耐高溫閥門(7)與提升管(1)的入口相連。
2.按照權(quán)利要求書1所述的甲烷催化部分氧化制合成氣循環(huán)流化床裝置，其特征在于耐高溫閥門(7)由閥桿(10)、密封填料(11)、閥舌(12)、法蘭(13)、下料管(14)組成，閥桿(10)與閥舌(12)連接，內(nèi)裝有密封填料(11)，法蘭(13)與下料管(14)連接。
3.按照權(quán)利要求書1所述的甲烷催化部分氧化制合成氣循環(huán)流化床裝置，其特征在于所說的反應(yīng)器(4)的外部有保溫部件。
4.按照權(quán)利要求書1所述的甲烷催化部分氧化制合成氣循環(huán)流化床裝置，其特征在于所說的反應(yīng)器(4)的上游連接有換熱器(6)。
5.按照權(quán)利要求書1所述的甲烷催化部分氧化制合成氣循環(huán)流化床裝置，其特征在于所說的提升管(1)的上游連接有換熱器(9)。
6.按照權(quán)利要求書1所述的甲烷催化部分氧化制合成氣循環(huán)流化床裝置，其特征在于所說的旋風(fēng)分離器(3)下部相連的斜管的出口位置位于反應(yīng)器(4)內(nèi)催化劑床層的水平高度之下。
7.按照權(quán)利要求書1所述的甲烷催化部分氧化制合成氣循環(huán)流化床裝置，其特征在于所說的反應(yīng)器(4)內(nèi)的底部有柵板式分布器(5)。
8.按照權(quán)利要求書6所述的甲烷催化部分氧化制合成氣循環(huán)流化床裝置，其特征在于所說的柵板式分布器(5)開孔≥1，均勻分布。
9.按照權(quán)利要求書1所述的甲烷催化部分氧化制合成氣循環(huán)流化床裝置，其特征在于所說的耐高溫閥門(7)的下部設(shè)有噴嘴8。
專利摘要一種甲烷催化氧化制合成氣循環(huán)流化床裝置，包括提升管(1)、旋風(fēng)分離器(3)、反應(yīng)器(4)等，提升管(1)的入口設(shè)置在反應(yīng)器(4)的底部，提升管(1)出口連接旋風(fēng)分離器(3)，旋風(fēng)分離器(3)的下部通過斜管與反應(yīng)器(4)相連，出口處連接有換熱器(9)，反應(yīng)器(4)的入口處連接有換熱器(6)，出口處連接有旋風(fēng)分離器(3)，反應(yīng)器(4)底部通過耐高溫閥門(7)與提升管(1)的入口相連，它采用循環(huán)流化床式的反應(yīng)裝置，使新型的甲烷催化部分氧化催化劑得以在裝置中循環(huán)使用，既保留了甲烷部分氧化制合成氣高效、高選擇性的優(yōu)點，又不需要昂貴的空分制氧裝置，有可能大幅度降低合成氣的生產(chǎn)成本。
文檔編號C01B3/00GK2934206SQ20062011301
公開日2007年8月15日 申請日期2006年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月21日
發(fā)明者張志翔, 魏偉勝, 樊江濤, 苑慧敏, 徐建, 孫建林, 鮑曉軍, 張忠濤, 王鳳榮, 孟素風(fēng), 王斯晗, 張寶軍, 張婧元 申請人:中國石油天然氣股份有限公司, 中國石油大學(xué)(北京)