專利名稱：用于甲烷合成的反應(yīng)裝置及甲烷合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及甲烷合成領(lǐng)域，特別涉及一種焦?fàn)t氣制甲烷的合成反應(yīng)裝置。
背景技術(shù)：
甲烷合成反應(yīng)是在高溫和有催化劑存在的情況下，氣體中CO、CO2和H2發(fā)生反應(yīng)， 生成CH4和H20。甲烷合成反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，各反應(yīng)的焓變?nèi)缦滤綜0+3H2 — CH4+H20, Δ//2°98 = -I^lkJImolC02+4H2 — CH4+2H20, Δ//2°98 =-165.0U / mol甲烷化反應(yīng)器一般采用軸向流固定床絕熱反應(yīng)器，床層內(nèi)的流體分布直接影響床層中的傳熱、傳質(zhì)及催化劑與反應(yīng)器的利用效率。而甲烷化反應(yīng)是一個(gè)劇烈的放熱反應(yīng)，在絕熱的反應(yīng)器中，當(dāng)流體分布不均勻時(shí)，會(huì)造成嚴(yán)重的局部過(guò)熱，不僅影響催化劑的選擇性及轉(zhuǎn)化率，還會(huì)使催化劑的壽命明顯下降。傳統(tǒng)方法是在固定床反應(yīng)器的流體進(jìn)口處設(shè)置流體分布器，如CN2075277U、CN2705231Y中所述，其優(yōu)點(diǎn)是能使流體較為均勻的進(jìn)入催化劑床層。但分布器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，出催化劑床層未設(shè)置流體導(dǎo)向分布裝置，不能使流體均勻分布在整個(gè)催化劑床層中。反應(yīng)后高溫氣體通常通過(guò)引出管連接余熱回收裝置，這種方法是在高壓力、高溫度的條件下進(jìn)行的，這使連接管道的設(shè)計(jì)制造難度加大，還會(huì)使余熱系統(tǒng)回收的蒸汽等級(jí)和產(chǎn)量下降，從而不僅影響系統(tǒng)的節(jié)能，而且使裝置的經(jīng)濟(jì)性明顯下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)現(xiàn)狀而提出一種具有結(jié)構(gòu)合理， 制造方便，連續(xù)反應(yīng)，節(jié)能的焦?fàn)t氣制甲烷合成裝置。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案為在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的甲烷合成裝置具有原料氣進(jìn)口、中部的催化劑床層及其下游的反應(yīng)產(chǎn)物出口，催化劑床層的上游設(shè)有一級(jí)氣體分布系統(tǒng)，催化劑床層的下游設(shè)有二級(jí)氣體分布系統(tǒng)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明的甲烷合成裝置還包括廢熱鍋爐。優(yōu)選地，所述廢熱鍋爐不經(jīng)過(guò)管路而直接通過(guò)法蘭或焊接與下游的反應(yīng)產(chǎn)物出口連接，構(gòu)成作為整體設(shè)備的甲烷合成裝置。上述裝置中催化劑的裝填方式為在磚砌拱頂上部鋪設(shè)若干層惰性瓷球?qū)?，將催化劑裝填在該瓷球?qū)由嫌?，并在催化劑上游部再鋪設(shè)若干層不同粒徑的惰性瓷球?qū)?。在甲烷合成中，高溫反?yīng)氣的溫度范圍為250 800°C，壓力為0 3. OMPa，副產(chǎn)蒸汽壓1. 0 4. 5MPa的飽和蒸汽。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、甲烷合成裝置內(nèi)部采用新型的氣體分布結(jié)構(gòu)。該氣體分布裝置由原料氣進(jìn)口防沖板，催化劑上下游的惰性瓷球?qū)优c磚砌拱頂構(gòu)成。進(jìn)口防沖板與催化劑的上游的惰性瓷球?qū)咏M成一級(jí)分布系統(tǒng)，對(duì)原料氣進(jìn)行初步分布；催化劑下游的惰性瓷球?qū)优c磚砌拱頂上的孔道組成二級(jí)分布系統(tǒng)，并與一級(jí)分布系統(tǒng)相互作用，在催化劑床層中形成均勻氣流通道，使原料氣在床層中分布更加均勻。降低了床層局部過(guò)熱的風(fēng)險(xiǎn)，增加了催化劑的活性， 延長(zhǎng)了催化劑的壽命。上述的氣體分布裝置，原料氣進(jìn)料防沖板由一個(gè)圓盤(pán)與多根吊桿組成，其中圓盤(pán)的直徑為原料氣進(jìn)口內(nèi)徑的0. 5 1. 5倍，優(yōu)選為1 1. 2倍。吊桿長(zhǎng)度與催化劑床層上游惰性瓷球?qū)拥纳媳砻娴綀A盤(pán)的距離比為0. 2 1，優(yōu)選為0. 4 0. 7。吊桿的數(shù)量以能夠穩(wěn)定地固定圓盤(pán)為宜，并且可以為2根以上，在本文的實(shí)施方案中采用了 4根吊桿，但是本發(fā)明不限于此。催化劑上下游均設(shè)置多層惰性瓷球，優(yōu)選上游2 3層，下游2 4層；各層鋪設(shè)高度為50 300mm之間，優(yōu)選80 160mm之間；惰性瓷球的粒徑為Φ 1 Φ 80mm之間，優(yōu)選Φ 10 Φ60πιπι之間，每層所鋪設(shè)瓷球的粒徑可以相同或不同。瓷球大小，層數(shù)與高度的選擇也需要與相應(yīng)的反應(yīng)器進(jìn)行匹配，如果匹配不當(dāng)，則或者使床層壓降過(guò)大，或者使氣體分布不均勻。磚砌拱頂?shù)幕《葹?0 150°間，優(yōu)選80 130°間。拱頂開(kāi)孔的孔道軸心均大致指向拱頂球心，磚砌拱頂?shù)木哂谢⌒尾糠值拈_(kāi)孔率為拱頂面積的 20%，優(yōu)選8% 15%。拱頂弧度應(yīng)與拱頂開(kāi)孔率相互關(guān)聯(lián)，配比錯(cuò)誤會(huì)使拱頂承載不住催化劑的重量，導(dǎo)致拱頂?shù)乃荨?、廢熱鍋爐，具體地為臥式廢熱鍋爐。優(yōu)選廢熱鍋爐通過(guò)法蘭或焊接直接與固定床絕熱反應(yīng)器底部連接，從而省去傳統(tǒng)使用的高壓高溫引出管，降低設(shè)備費(fèi)用投資，避免傳送過(guò)程的熱量損失，能夠產(chǎn)生更多高品位蒸汽。


圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的縱向剖視結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的原料氣進(jìn)口防沖板的結(jié)構(gòu)圖；圖中，1-固定床絕熱反應(yīng)器2-臥式廢熱鍋爐3-原料氣進(jìn)口 4-原料氣進(jìn)口防沖板5-催化劑上游的惰性瓷球?qū)?-催化劑床層7-催化劑下游的惰性瓷球?qū)?-磚砌拱頂 9-耐火保溫內(nèi)襯10-反應(yīng)氣出口 11-吊桿12-圓盤(pán)圖3反應(yīng)器內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)水平面分布中Tl 9代表9組測(cè)溫點(diǎn)。圖4反應(yīng)器內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)縱向分布中Tfe f，代表圖3中9組測(cè)溫點(diǎn)的縱向分布。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明詳細(xì)說(shuō)明，以下僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，不能以此限定本發(fā)明的范圍。即大凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所作的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬于本發(fā)明所涵蓋的范圍。實(shí)施例1該反應(yīng)裝置用于焦?fàn)t氣制甲烷，并副產(chǎn)4. OMPa的飽和蒸汽。原料氣溫度300°C，壓力 2. OMPa，組分摩爾含量分別為C0 6. 5%, CO2 2. 4%, N2 2. 8%, CH4 25%, H2 48%, CnHn 2. 5%, H2O 12. 8%，催化劑的裝填高度為2. 5m，反應(yīng)器直徑1. 8m。如圖1所示，臥式廢熱鍋爐通過(guò)焊接直接與固定床絕熱反應(yīng)器的底部相連。原料氣進(jìn)口防沖板的直徑為原料氣進(jìn)口內(nèi)徑的1. 2倍；吊桿長(zhǎng)度與催化劑床層上游惰性瓷球?qū)拥纳媳砻娴綀A盤(pán)的距離比為0. 6，催化劑上游鋪設(shè)兩層惰性瓷球，一層為Φ 60mm惰性瓷球 (萍鄉(xiāng)市鑫陶化工填料有限公司，規(guī)格Φ 60mm)，填裝高度為120mm，一層為Φ 20mm惰性瓷球(萍鄉(xiāng)市鑫陶化工填料有限公司，規(guī)格Φ 20mm)，填裝高度為80mm;催化劑下游鋪設(shè)二層惰性瓷球，一層為Φ 25mm惰性瓷球(萍鄉(xiāng)市鑫陶化工填料有限公司，規(guī)格Φ 25mm)，填裝高度為100mm，一層為Φ50πιπι惰性瓷球(萍鄉(xiāng)市鑫陶化工填料有限公司，規(guī)格Φ 50mm)，填裝高度為IOOmm ；磚砌拱頂弧度為120°，開(kāi)孔率為10%。催化劑床層溫度分布如表1所示，由表1可以看出整個(gè)反應(yīng)床層溫度分布均勻，無(wú)局部熱點(diǎn)。說(shuō)明反應(yīng)氣體在反應(yīng)器中得到了良好的分布。表 1
123456789a300300300300300300300300300b651650651650650650651650651C651650651650651650651650651d650650650650650650650650650e649650650650650650650649649f649649650650650650650649649表中溫度的單位為攝氏度。實(shí)施例2反應(yīng)氣體組成及操作條件與實(shí)施例1相同。臥式廢熱鍋爐通過(guò)法蘭連接直接與固定床絕熱反應(yīng)器的底部相連。原料氣進(jìn)口防沖板的直徑為原料氣進(jìn)口內(nèi)徑的1倍；吊桿長(zhǎng)度與催化劑床層上游惰性瓷球?qū)拥纳媳砻娴綀A盤(pán)的距離比為0.4，催化劑上游鋪設(shè)兩層惰性瓷球，一層為Φ50πιπι惰性瓷球(萍鄉(xiāng)市鑫陶化工填料有限公司，規(guī)格Φ 50mm)，填裝高度為100mm，一層為Φ 40mm惰性瓷球(萍鄉(xiāng)市鑫陶化工填料有限公司，規(guī)格Φ 40mm)，填裝高度為120mm ；催化劑下游鋪設(shè)三層惰性瓷球，一層為ΦΙΟπιπι惰性瓷球(萍鄉(xiāng)市鑫陶化工填料有限公司，規(guī)格ΦΙΟπιπι)，填裝高度為 50mm, 一層為Φ 25mm惰性瓷球(萍鄉(xiāng)市鑫陶化工填料有限公司，規(guī)格Φ 25mm)，填裝高度為 100mm, 一層為Φ 50mm惰性瓷球(萍鄉(xiāng)市鑫陶化工填料有限公司，規(guī)格Φ 25mm)，填裝高度為 IOOmm ；磚砌拱頂弧度為90°，開(kāi)孔率為14%。催化劑床層溫度分布如表2所示，由表2可以看出整個(gè)反應(yīng)床層溫度分布均勻，無(wú)局部熱點(diǎn)。說(shuō)明反應(yīng)氣體在反應(yīng)器中得到了良好的分布。
表 權(quán)利要求
1.一種甲烷合成裝置，所述甲烷合成裝置具有原料氣進(jìn)口、中部的催化劑床層及其下游的反應(yīng)產(chǎn)物出口，所述催化劑床層的上游設(shè)有一級(jí)氣體分布系統(tǒng)，所述催化劑床層的下游設(shè)有二級(jí)氣體分布系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的甲烷合成裝置，其中，所述一級(jí)氣體分布系統(tǒng)設(shè)有原料氣進(jìn)料防沖板和設(shè)于催化劑床層的上游的惰性瓷球?qū)印?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的甲烷合成裝置，其中，所述二級(jí)氣體分布系統(tǒng)設(shè)有催化劑床層下游的惰性瓷球?qū)雍痛u砌拱頂，拱頂上有多個(gè)孔道。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的甲烷合成裝置，其中，所述原料氣進(jìn)料防沖板由一個(gè)圓盤(pán)和多個(gè)吊桿構(gòu)成，其中所述圓盤(pán)的直徑為原料氣進(jìn)口內(nèi)徑的0. 5 1. 5倍，優(yōu)選為1 1. 2倍； 所述吊桿長(zhǎng)度與所述催化劑床層上游的惰性瓷球?qū)拥纳媳砻嬷翀A盤(pán)的距離的比為0. 2 1，優(yōu)選為0.4 0.7。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的甲烷合成裝置，其中，所述磚砌拱頂?shù)幕《葹?0 150°，優(yōu)選80 130° ；所述孔道的軸心均大致指向拱頂球心，所述磚砌拱頂?shù)木哂谢⌒尾糠值拈_(kāi)孔率以面積％計(jì)為 20%，優(yōu)選8% 15%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的甲烷合成裝置，其中，所述催化劑床層上游的惰性瓷球?qū)拥膶訑?shù)為2 3層，所述催化劑床層下游的惰性瓷球?qū)拥膶訑?shù)為2 4層，每層的鋪設(shè)高度為50 300mm，優(yōu)選80 160mm ；所述惰性瓷球的粒徑為Φ 1 Φ 80mm，優(yōu)選 Φ 10 Φ 60mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的甲烷合成裝置，所述甲烷合成裝置還包括與所述下游的反應(yīng)產(chǎn)物出口連接的廢熱鍋爐。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的甲烷合成裝置，其中，所述廢熱鍋爐為臥式廢熱鍋爐，所述下游的反應(yīng)產(chǎn)物出口與所述廢熱鍋爐通過(guò)法蘭或焊接直接連接。
9.一種合成甲烷的方法，所述方法使用根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的甲烷合成裝置進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種甲烷合成裝置及甲烷合成方法。所述甲烷合成裝置具有原料氣進(jìn)口、中部的催化劑床層及其下游的反應(yīng)產(chǎn)物出口，所述催化劑床層的上游設(shè)有一級(jí)氣體分布系統(tǒng)，所述催化劑床層的下游設(shè)有二級(jí)氣體分布系統(tǒng)。所述甲烷合成裝置還包括與所述下游的反應(yīng)產(chǎn)物出口直接連接的廢熱鍋爐。本發(fā)明的甲烷合成裝置結(jié)構(gòu)合理，制造簡(jiǎn)單，能夠連續(xù)進(jìn)行反應(yīng)，并且具有改善的節(jié)能性能和經(jīng)濟(jì)性。
文檔編號(hào)C07C1/04GK102489222SQ20111039761
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月5日
發(fā)明者劉雪飛, 劉鵬翔, ?？∈? 張建祥, 王志彬, 趙海龍 申請(qǐng)人:新地能源工程技術(shù)有限公司