專利名稱：電催化合成反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種化工設(shè)備，特別涉及到一種化學(xué)合成反應(yīng)器。
技術(shù)背景當(dāng)前，能源緊張，甲醇、二甲醚代替能源引起人們的興趣，近幾年來在甲醇、二甲醚代替能源用途方 面的耗量己顯著增加，促進了甲醇、二甲醚工業(yè)的發(fā)展。目前廣泛應(yīng)用的合成氨、甲醇、二甲醚的合成設(shè) 備都需要很高的操作壓力在催化劑存在的情況下進行合成目標(biāo)產(chǎn)物，如合成氨的操作壓力在8MPa以上， 合成甲醇的操作壓力在3 15MPa之間，合成氣直接合成二甲醚的操作壓力在2 5MPa之間，要獲得上述 的操作壓力，必須采取多級壓縮才能實現(xiàn)，使得能耗很高，還存在設(shè)備龐大及造價高、催化劑易失活、運 行和維護費用高的缺點。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是要克服現(xiàn)有技術(shù)和設(shè)備的缺點，提供一種能耗低、運行和維護費用低、投資小的合成 反應(yīng)器，包括氨合成裝置、甲醇合成裝置、二甲醚合成裝置。為了達到上述的發(fā)明目的，本發(fā)明采用電催 化方法來使原料氣合成為目標(biāo)產(chǎn)物，其特征是電催化合成反應(yīng)器主要由原料氣進口 (18)、分氣室(3)、 列管式電催化室(16)、集合室(8)、產(chǎn)物出口 (10)、冷卻劑室(5)、殼體(6)組成，其中原料氣進 口 (18)從分氣室(3)的側(cè)面接入；分氣室(3)通過列管式電催化室(16)與集合室(8)連通；產(chǎn)物 出口 (10)從集合室(8)的底部接出；列管式的每個電催化室(16)由外電極管束(15)的內(nèi)空間構(gòu)成， 每個電催化室(16)內(nèi)有中心電極(14);外電極管束(15)的外圍為冷卻劑室(5)。所述的外電極管 束(15)用不銹鋼圓管制作，外電極管束(15)的兩端分別焊接在隔板(11)、隔板(17)上，隔板(11)、 隔板(17)'焊接在圓筒殼體(6)內(nèi)；殼體(6)通過連接導(dǎo)線進行電氣接地，并連接到工作電源。所述的 中心電極(14)為不銹鋼圓棒，中心電極(14)穿過分氣室封頭(21)上的絕緣塞(2)伸出反應(yīng)器，通 過高壓導(dǎo)線連接到工作電源。在中心電極(14)的表面沉積催化劑層，沉積在中心電極(14)表面的催化 劑層還兼作電催化室(16)內(nèi)的放電阻擋介質(zhì)。所述的工作電源為12KV以上的直流或交流電源，工作電 源施加在中心電極(14)與外電極管束(15)之間。在外電極管束(15)內(nèi)還有同心度定位件(7)，同心度 定位件(7)上有氣流通孔，同心度定位件(7)把中心電極(14)定位在外電極管束(15)的軸心。本發(fā)明的另一種電催化合成反應(yīng)器，其特征是反應(yīng)器主要由原料氣進口 (18)、分氣室(3)、列管式 電催化室(16)、中心電極(14)、石英套管(22)、外電極管束(15)、集合室(8)、產(chǎn)物出口 (10)、 冷卻劑室(5)、殼體(6)組成，其中原料氣進口 (18)從分氣室(3)的側(cè)面接入；分氣室(3)通過 列管式電催化室(16)與集合室(8)連通；產(chǎn)物出口 (10)從集合室(8)的底部接出；列管式的每個電 催化室(16)由外電極管束(15)的內(nèi)空間構(gòu)成，每個電催化室(16)內(nèi)有石英套管(22)，每個石英套 管(22)內(nèi)有中心電極(14)，石英套管(22)作為電催化室(16)內(nèi)的放電阻擋介質(zhì)；中心電極(14) 為不銹鋼圓棒，中心電極(14)穿過分氣室封頭(21)上的絕緣塞(2)伸出反應(yīng)器，通過高壓導(dǎo)線連接 到工作電源；外電極管束(15)用不銹鋼圓管制作，外電極管束(15)的兩端分別焊接在隔板(11)、隔 板(17)上，隔板(11)、隔板(17)焊接在圓筒殼體(6)內(nèi)；殼體(6)通過連接導(dǎo)線進行電氣接地， 并連接到工作電源；工作電源為12KV以上直流或交流電源，工作電源施加在中心電極(14)與外電極管 束(15)之間；外電極管束(15)的外圍為冷卻劑室(5)。在外電極管束的每個管(15)內(nèi)安裝有催化劑 環(huán)(23)，催化劑環(huán)(23)用具有催化活性的金屬材料或非金屬材料制作。本發(fā)明的又另一種電催化合成反應(yīng)器，其特征是反應(yīng)器主要由原料氣進口 (18)、分氣室(3)、中心 電極(14)、石英套管(22)、第一列管式電催化室(16b)、外電極管束(15b)、過渡室(26)、半產(chǎn)物返 入接口 (27)、第二列管式電催化室(16c)、外電極管束(15c)、集合室(8)、產(chǎn)物出口 (10)、第一冷卻 劑室(5b)、第二冷卻劑室(5c)、殼體(6)組成，其中原料氣進口 (18)從分氣室(3)的側(cè)面接入； 分氣室(3)先后通過第一列管式電催化室(16b)、過渡室(26)、第二列管式電催化室(16c)與集合 室(8)連通；產(chǎn)物出口 (10)從集合室(8)的底部接出；第一列管式的每個電催化室(16b)由外電極3管束(15b)的內(nèi)空間構(gòu)成；第二管式的每個電催化室(16c)由外電極管束(15c)的內(nèi)空間構(gòu)成；第一 列管式的電催化室U6b)與第二列管式的電催化室(16c)上下相對，每個電催化室(16b)和相對應(yīng)電 催化室(16c)由同一根石英套管(22)沿軸心穿過，石英套管(22)內(nèi)有中心電極(14)，石英套管(22) 構(gòu)成電催化室(16b) (16c)內(nèi)的放電阻擋介質(zhì)；中心電極(14)為不銹鋼圓棒，中心電極(14)穿過分 氣室封頭(21)上的絕緣塞(2)伸出反應(yīng)器，通過高壓導(dǎo)線連接到工作電源；外電極管束(15b) (15c) 用不銹鋼圓管制作，圓管的兩端分別焊接在冷卻劑室的隔板上，冷卻劑室的隔板焊接在圓筒殼體(6)內(nèi)， 殼體(6)通過連接導(dǎo)線進行電氣接地，并連接到工作電源；工作電源為12KV以上直流或交流電源，工作 電源施加在中心電極(14)與外電極管束(15b) (15c)之間；半產(chǎn)物返入接口 (27)由過渡室(26)的側(cè) 面接入；外電極管束(15b)的外圍為第一冷卻劑室(5b)，外電極管束(15c)的外圍為第二冷卻劑室(5c)。 在外電極管束的每個管(15b)、 (15c)內(nèi)有催化劑環(huán)(23)，催化劑環(huán)(23)用具有催化活性的金屬材料 或非金屬材料制作。在第二列管的電催化室(16c)內(nèi)有催化劑(28)。上述的電催化合成反應(yīng)器運行時，12KV以上的直流或交流工作電源施加在中心電極(14)與外電極管 束之間，在電催化室內(nèi)形成低溫等離子體，低溫等離子體與催化劑協(xié)同進行催化合成反應(yīng)。所述的低溫等 離子體也稱非平衡等離子體，在低溫等離子體的體系內(nèi)，電子的溫度可以高達數(shù)萬度以上，而重粒子的溫 度接近室溫，因而在放電場內(nèi)的溫度接近室溫；采用介質(zhì)阻擋放電，可以在常壓下形成高能量的低溫等離 子體，在等離子體的內(nèi)部和表面都存在著強大的靜電場，電場向反應(yīng)腔體內(nèi)的氣體分子直接傳遞能量，產(chǎn) 生大量的活性分子、激發(fā)態(tài)分子、活性原子、激發(fā)態(tài)原子等，同時加速電子與氣體分子進行碰撞，把能量 傳遞給參加反應(yīng)的氣體分子，使得通常需要在極其苛刻的條件才能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)變得在接近常壓和室溫 條件下就容易進行。本發(fā)明應(yīng)用低溫等離子體與催化劑協(xié)同進行催化合成反應(yīng)，使合成反應(yīng)可以在接近常 壓的條件下進行，原料氣可不通過壓縮進入合成反應(yīng)器，因而所需能耗極低。由于采用催化電極進行合成反應(yīng)，輸入不同原料氣及應(yīng)用相應(yīng)的催化電極或催化劑，將會有不同的產(chǎn) 物，可生產(chǎn)甲醇、二甲醚、合成氨及其它化學(xué)合成產(chǎn)品。本發(fā)明可以不在反應(yīng)器內(nèi)裝填顆粒的催化劑，使 得反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、氣流阻力小、流量大，因而克服了設(shè)備龐大、投資大、維護費用高的缺點；另外，電 催化的優(yōu)點是易于控制反應(yīng)速度、選擇性好，電催化室置于冷卻劑中，反應(yīng)器內(nèi)溫差小，可以提高目標(biāo)產(chǎn) 物的產(chǎn)出率，從而大大提高催化效率，使得生產(chǎn)成本降低。本發(fā)明的電催化合成反應(yīng)器的工作原理是12KV以上的工作電源施加到中心電極(14)和外電極管束 之間，在電催化室內(nèi)建立起電場，形成低溫等離子體，這時，原料氣由原料氣進口 (18)輸入到反應(yīng)器內(nèi)， 通過分氣室(3)進入電催化室(16)或(16b)或(16c)，在等離子體和催化劑環(huán)(23)或催化劑(28) 協(xié)同下，原料氣被合成了目標(biāo)產(chǎn)物，目標(biāo)產(chǎn)物與未反應(yīng)的原料氣相混合從產(chǎn)物出口 (10)輸出，對混合物 進行分離，把產(chǎn)物送入儲罐，把未反應(yīng)物返回電催化合成反應(yīng)器進行循環(huán)反應(yīng)；在原料氣合成為目標(biāo)產(chǎn)物 的同時放出熱量，熱量傳遞到外電極管束的管壁，被冷卻劑室內(nèi)的循環(huán)媒水吸收，通過循環(huán)媒水把反應(yīng)熱 移出反應(yīng)器，可對從反應(yīng)器內(nèi)移出的熱量進行回收利用；通過調(diào)節(jié)循環(huán)媒水的流量可以控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度，通過調(diào)節(jié)原料氣的流量、反應(yīng)溫度、工作電流，使合成反應(yīng)達到最佳狀況。本發(fā)明的有益效果是在接近常壓的條件下采用電催化方法來把原料氣合成為目標(biāo)產(chǎn)物，具有選擇性好、易于控制反應(yīng)速度、能耗低、效率高的優(yōu)點，從而克服了現(xiàn)有設(shè)備的壓縮能耗高、設(shè)備龐大、 催化劑易失活、效率低、運行和維護費用高、投資大的缺點。本設(shè)備可生產(chǎn)甲醇、二甲醚、合成氨及其它 化學(xué)合成產(chǎn)品。


本發(fā)明提供下列附圖作進一步的說明，但各附圖及以下的具體實施方式
均不構(gòu)成對本發(fā)明的限制 圖1是本發(fā)明的其中一種電催化合成反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)圖。 圖2是本發(fā)明的另一種電催化合成反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)圖。 圖3是本發(fā)明的又另一種電催化合成反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)圖。 圖4是圖2和圖3的A-A剖面圖。圖5是以本發(fā)明的電催化合成反應(yīng)器所構(gòu)成的合成氨設(shè)備的系統(tǒng)方框圖。 圖6是以本發(fā)明的電催化合成反應(yīng)器所構(gòu)成的合成甲醇設(shè)備的系統(tǒng)方框圖。圖7是以本發(fā)明的電催化合成反應(yīng)器所構(gòu)成的合成氣直接合成二甲醚設(shè)備的系統(tǒng)方框圖。圖中1.電極帽，2.絕緣塞，3.分氣室，4.冷卻劑出口， 4b.冷卻劑出口， 4c.冷卻劑出口， 5.冷卻劑 室，5b.第一冷卻劑室，5c.第二冷卻劑室，6.殼體，7.同心度定位件，8.集合室，9.集合室封頭，10.產(chǎn) 物出口， 11.隔板，12.密封墊圈，13.冷卻劑進口， 13b.冷卻劑進口， 13c.冷卻劑進口， 14.中心電極，15.外 電極管束，15b.外電極管束，15c，外電極管束，16.電催化室，16b.第一列管的電催化室，16c.第二列管 的電催化室，17.隔板，18.原料氣進口， 19.密封墊圈，20.緊固件，21.分氣室封頭，22.石英套管，23.催 化劑環(huán)，24.花孔隔板，25.返氣接口， 26.過渡室，27.半產(chǎn)物返入接口， 28.催化劑。
具體實施方式
圖1所示的實施例中，電催化合成反應(yīng)器主要由原料氣進口 (18)、分氣室(3)、列管式電催化室(16)、 中心電極(14)、絕緣塞(2)、外電極管束(15)、集合室(8)、產(chǎn)物出口 (10)、冷卻劑室(5)、冷卻劑 進口 (13)、冷卻劑出口 (4)、殼體(6)組成，其中原料氣進口 (18)從分氣室(3)的側(cè)面接入；分 氣室(3)通過列管式電催化室(16)與集合室(8)連通；產(chǎn)物出口 (10)從集合室(8)的底部接出； 列管式的每個電催化室(16)由外電極管束(15)的內(nèi)空間構(gòu)成，每個電催化室(16)內(nèi)有中心電極(14); 外電極管束(15)的外圍為冷卻劑室(5);循環(huán)媒水由冷卻劑進口 (13)進入到冷卻劑室(5)，吸收熱量 后由冷卻劑出口 (4)輸出，可通過余熱鍋爐回收反應(yīng)熱；外電極管束(15)用不銹鋼圓管制作，外電極 管束(15)的兩端分別焊接在隔板(11)、隔板(17)上，隔板(11)、隔板(17)焊接在圓筒殼體(6) 內(nèi)；殼體(6)通過連接導(dǎo)線進行電氣接地，并連接到工作電源；中心電極(14)為不銹鋼圓棒，中心電 極(14)穿過分氣室封頭(21)上的絕緣塞(2)伸出反應(yīng)器，通過高壓導(dǎo)線連接到工作電源；在中心電 極(14)的表面沉積催化劑層，沉積在中心電極(14)表面的催化劑層還兼作電催化室(16)內(nèi)的放電阻 擋介質(zhì)；在外電極管束(15)內(nèi)還有同心度定位件(7)，同心度定位件(7)上有氣流通孔，同心度定位 件(7)把中心電極(14)定位在外電極管束(15)的軸心。本實施例中心電極(14)與外電極管束(15) 之間的放電間隙為5 20rara,工作電源為20000 35000V的直流電源。本實施例作為氨合成設(shè)備時，'用90% 的鐵氧化物與氧化鋁、氧化鉀、氧化鈣、二氧化硅混合沉積在中心電極(14)的表面，輸入一體積的氮氣 和三體積的氫氣到反應(yīng)器內(nèi)，在中心電極(14)與外電極管束(15)之間施加工作電源，就可生產(chǎn)合成 氨，設(shè)備運行時，通過調(diào)節(jié)循環(huán)媒水的流量可以控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度，通過調(diào)節(jié)原料氣的流量、反應(yīng)溫度、 工作電流，使合成反應(yīng)達到最佳狀況，獲得最高產(chǎn)量；作為合成甲醇設(shè)備時，改為48%的氧化銅、46%的氧 化鋅、5%的氧化鋁沉積在中心電極(14)的表面，輸入一體積的一氧化碳和二體積的氫氣到反應(yīng)器內(nèi)，合 成產(chǎn)物是甲醇；作為合成氣直接合成二甲醚的設(shè)備時，改為48%的氧化銅、46%的氧化鋅、5%的氧化鋁沉積 在中心電極(14)的表面，加填ZSM-5分子篩到電催化室(16)及集合室(8)內(nèi)，輸入一體積的一氧化 碳和二體積的氫氣到反應(yīng)器內(nèi)，合成產(chǎn)物是二甲醚。圖2所示的實施例中，電催化合成反應(yīng)器主要由原料氣進口(18)、分氣室(3)、列管式電催化室(16)、 中心電極(14)、絕緣塞(2)、石英套管(22)、外電極管束(15)、集合室(8)、產(chǎn)物出口 (10)、冷 卻劑室(5)、冷卻劑進口 (13)、冷卻劑出口 (4)、殼體(6)組成，其中原料氣進口 (18)從分氣室(3) 的側(cè)面接入；分氣室(3)通過列管式電催化室(16)與集合室(8)連通；產(chǎn)物出口 (10)從集合室(8) 的底部接出；列管式的每個電催化室(16)由外電極管束(15)的內(nèi)空間構(gòu)成，每個電催化室(16)內(nèi)有 石英套管(22)，每個石英套管(22)內(nèi)有中心電極(14)，石英套管(22)作為電催化室(16)內(nèi)的放電 阻擋介質(zhì)；中心電極(14)為不銹鋼圓棒，中心電極(14)穿過分氣室封頭(21)上的絕緣塞(2)伸出 反應(yīng)器，通過高壓導(dǎo)線連接到工作電源；外電極管束(15)用不銹鋼圓管制作，外電極管束(15)的兩端 分別焊接在隔板(11)、隔板(17)上，隔板(11)、隔板(17)焊接在圓筒殼體(6)內(nèi)；殼體(6)通過 連接導(dǎo)線進行電氣接地，并連接到工作電源；外電極管束(15)的外圍為冷卻劑室(5);在外電極管束的 每個管(15)內(nèi)安裝有催化劑環(huán)(23);循環(huán)媒水由冷卻劑進口 (13)進入到冷卻劑室(5)，吸收熱量后 由冷卻劑出口 (4)輸出，可通過余熱鍋爐回收反應(yīng)熱。本實施例的低溫等離子體在石英套管(22)的外 壁與外電極管束(15)之間形成，石英套管(22)的外壁與外電極管束(15)之間的放電間隙為3 7mm, 工作電源為25000 40000V的交流或直流電源。本實施例作為氨合成設(shè)備時，用90%的鐵氧化物與氧化鋁、 氧化鉀、氧化鈣、二氧化硅混合以金屬材料為載體制作催化劑環(huán)(23),安裝在外電極管束的每個管(15)內(nèi)，輸入一體積的氮氣和三體積的氫氣到反應(yīng)器內(nèi)，在中心電極(14)與外電極管束(15)之間施加工 作電源，就可生產(chǎn)合成氨，設(shè)備運行時，通過調(diào)節(jié)循環(huán)媒水的流量可以控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度，通過調(diào)節(jié) 原料氣的流量、反應(yīng)溫度、工作電流，使合成反應(yīng)達到最佳狀況，獲得最高產(chǎn)量；作為合成甲醇設(shè)備時， 改為48%的氧化銅、46%的氧化鋅、5%的氧化鋁混合以金屬材料為載體制作催化劑環(huán)(23)，輸入一體積的 一氧化碳和二體積的氫氣到反應(yīng)器內(nèi)，合成產(chǎn)物是甲醇；作為合成氣直接合成二甲醚的設(shè)備時，改為48% 的氧化銅、46%的氧化鋅、556的氧化鋁混合以金屬材料為載休制作催化劑環(huán)(23)，加填ZSM-5分子篩到電 催化室(16)及集合室(8)內(nèi)，輸入一體積的一氧化碳和二體積的氫氣到反應(yīng)器內(nèi)，合成產(chǎn)物是—甲醚。圖3所示的實施例中，電催化合成反應(yīng)器主要由原料氣進口 (18)、分氣室(3)、中心電極(14)、石 英套管(22)、第一列管式電催化室(16b)、外電極管束(15b)、過渡室(26〉、半產(chǎn)物返入接口 (27)、 第二列管式電催化室(16c)、外電極管束(15c)、集合室(8)、產(chǎn)物出口 (10)、第一冷卻劑室(5b)、冷 卻劑進口 G3b)、冷卻劑出口 (4b)、第二冷卻劑室(5c)、冷卻劑進口 (13c)、冷卻劑出口 (4c)、殼 體(6)組成，其中原料氣進口 (18)從分氣室(3)的側(cè)面接入；分氣室(3)先后通過第一列管式電 催化室(16b)、過渡室(26)、第二列管式電催化室(16c)與集合室(8)連通；產(chǎn)物出口 (10)從集合 室(8)的底部接出半產(chǎn)物返入接口 (27)由過渡室(26)的側(cè)面接入；第一列管式的每個電催化室(16b) 由外電極管束(15b)的內(nèi)空間構(gòu)成；第二管式的每個電催化室Q6c)由外電極管束(15c)的內(nèi)空間構(gòu) 成；第一列管式的電催化室(16b)與第二列管式的電催化室(16c)上下相對，每個電催化室(16b)和 相對應(yīng)電催化室(16c)由同一根石英套管(22)沿軸心穿過，石英套管(22)內(nèi)有中心電極(14),石 英套管(22)構(gòu)成屯催化室(16b) (16c)內(nèi)的放電阻擋介質(zhì)；中心電極(14)為不銹鋼圓棒，中心電 極(14)穿過分氣室封頭(2])上的絕緣塞(2)伸出反應(yīng)器，通過高壓導(dǎo)線連接到工作電源；外電極管 束(15b) (15c)用不銹鋼圓管制作，圓管的兩端分別焊接在冷卻劑室的隔板上，冷卻劑室的隔板焊接在 圓筒殼體(6)內(nèi)，殼體(6)通過連接導(dǎo)線進行電氣接地，并連接到工作電源；外電極管束(15b)的外 圍為第一冷卻劑室(5b),循環(huán)媒水由冷卻劑進口 (13b)進入到第一冷卻劑室(5b),吸收熱量后由冷卻 劑出口 (4.b)輸出；外電極管束(15c)的外圍為第二冷卻劑室(5c)，循環(huán)媒水由冷卻劑進口 (13c)進 入到第二冷卻劑室(5c)，吸收熱量后由冷卻劑出口 (4c)輸出；循環(huán)媒水從第一冷卻劑室(5b)和第二 冷卻劑室(5c)轉(zhuǎn)移出來的熱能可通過余熱鍋爐回收；在外電極管束的每個管(15b)、 (15c)內(nèi)有催化劑 環(huán)(23);在第二列的電催化室(16c)及集合室(8)內(nèi)有催化劑(28)。本實施例的低溫等離子體在石 英套管(22)的外壁與外電極管束(15b)和外電極管束(15c)之間形成，石英套管(22)的外壁與外 電極管束(15b) (15c)之間的放電間隙為3 7mm，工作電源為25000 40000V的交流或直流電源。本實 施例把需進行二步化學(xué)反應(yīng)合并為一步化學(xué)反應(yīng)的合成設(shè)備。用合成氣直接合成二甲醚時，催化劑環(huán)(23) 以金屬材料為載體，用4挑的氧化銅、46%的氧化鋅、5%的氧化鋁為活性組份，催化劑(28)為ZSM-5分子 篩；輸入一體積的一氧化碳和二體積的氫氣到反應(yīng)器內(nèi)，在中心電極(14)與外電極管束(15)之間施加 工作電源，就可生產(chǎn)二甲醚。通過調(diào)節(jié)循環(huán)媒水的流量可以控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度，通過調(diào)節(jié)原料氣的流量、 反應(yīng)溫度、工作電流，使合成反應(yīng)達到最佳狀況，獲得最高產(chǎn)量。圖5方框圖所示的實施中，合成氨的設(shè)備系統(tǒng)主要由電催化合成反應(yīng)器、混合器、壓縮機、冷卻分離 器、氮儲罐、工作電源組成，其中電催化合成反應(yīng)器的操作壓力在0 1Mpa之間，操作溫度在100 400°C 之間，采用鐵系催化電極或催化劑，催化劑組份以Fe為主，以A1203、 K20、 CaO、 Si02、 BaO為促進劑；壓縮機為單級壓縮；工作電源的電壓為12000伏以上的直流或交流電源；原料氣N2、 H2按l: 3的體積比例在混合器內(nèi)進行混合，然后輸入到電催化合成反應(yīng)器內(nèi)，原料氣在上述環(huán)境中被合成為氨，其反應(yīng)式 為N2+3H2—2NH3+92.1kj;生成的反應(yīng)熱通過循環(huán)媒水轉(zhuǎn)移到余熱鍋爐；從電催化合成反應(yīng)器輸出的產(chǎn)物 氣與未反應(yīng)的原料氣通過壓縮機進入到冷卻分離器，在冷卻分離器內(nèi)進行氣液分離，產(chǎn)物液態(tài)氨送入氨儲 罐進行儲存，未反應(yīng)的原料氣被送回電催化合成反應(yīng)器進行循環(huán)反應(yīng)。圖6方框圖所示的實施中，合成甲醇的設(shè)備系統(tǒng)主要由電催化合成反應(yīng)器、壓縮機、冷卻分離器、甲 醇儲罐、工作電源組成，其中電催化合成反應(yīng)器的操作壓力在0 lMpa之間，操作溫度在100 300'C之 間，采用銅基催化電極或催化劑，催化劑的活性組份以CuO、 ZnO為主，摻有少量的八1203;壓縮機為單 級壓縮；工作電源的電壓為12000伏以上的直流或交流電源；原料氣CO、H2按l: 2的體積比例混合后輸 入到電催化合成反應(yīng)器內(nèi)，原料氣在上述環(huán)境中被合成為甲醇，其反應(yīng)式為CO+2H2—CH3OH+102.5kj;生成的反應(yīng)熱通過循環(huán)媒水轉(zhuǎn)移到余熱鍋爐；從電催化合成反應(yīng)器輸出的產(chǎn)物與未反應(yīng)的原料氣進入冷卻 分離器，在冷卻分離器內(nèi)進行氣液分離，液態(tài)的甲醇產(chǎn)物送入甲醇儲罐進行儲存，未反應(yīng)的原料氣通過壓 縮機被送回電催化合成反應(yīng)器內(nèi)進行循環(huán)反應(yīng)。圖7方框圖所示的實施中，合成氣直接合成二甲醚的設(shè)備系統(tǒng)主要由電催化合成反應(yīng)器、工作電源、 第一冷卻分離器、壓縮機、第二冷卻分離器、二甲醚儲罐組成，其中電催化合成反應(yīng)器的操作壓力 在0 lMpa之間，操作溫度在100 300'C之間，采用銅基催化電極或催化劑加ZSM-5分子篩，銅基催化 電極或催化劑的活性組份以CuO、 ZnO為主，摻有少量的Al203;壓縮機為單級壓縮；工作電源的電壓為 12000伏以上的直流或交流電源；原料氣CO、 H2按l: 2的體積比例混合后輸入到電催化合成反應(yīng)器內(nèi)， 原料氣在上述環(huán)境中被合成為二甲醚，其反應(yīng)式為2CO+4H2— (CH3) 2O+H2O+200.2k_j;生成的反應(yīng)熱 通過循環(huán)媒水轉(zhuǎn)移到余熱鍋爐；從電催化合成反應(yīng)器輸出的為產(chǎn)物[(CH3) 20]、半產(chǎn)物(CH3OH)與未 反應(yīng)的原料氣(CO、 H2)的混合物，混合物進入到第一冷卻分離器，在第一冷卻分離器內(nèi)進行分離，分離 出的半產(chǎn)物(CH3OH)送回電催化合成反應(yīng)器進行循環(huán)反應(yīng)，產(chǎn)頓(CH3) 20]和未反應(yīng)的原料氣(CO、 H2) 通過壓縮機進入到第二冷卻分離器，在第二冷卻分離器內(nèi)進行氣液分離，液態(tài)的二甲醚產(chǎn)物[(CH3) 20] 送入二甲醚儲罐進行儲存，未反應(yīng)的原料氣(CO、 H2)被送回電催化合成反應(yīng)器內(nèi)進行循環(huán)反應(yīng)。
權(quán)利要求
1.一種電催化合成反應(yīng)器，包括氨合成裝置、甲醇合成裝置、二甲醚合成裝置，其特征是反應(yīng)器主要由原料氣進口(18)、分氣室(3)、列管式電催化室(16)、集合室(8)、產(chǎn)物出口(10)、冷卻劑室(5)、殼體(6)組成，其中原料氣進口(18)從分氣室(3)的側(cè)面接入；分氣室(3)通過列管式電催化室(16)與集合室(8)連通；產(chǎn)物出口(10)從集合室(8)的底部接出；列管式的每個電催化室(16)由外電極管束(15)的內(nèi)空間構(gòu)成，每個電催化室(16)內(nèi)有中心電極(14)；外電極管束(15)的外圍為冷卻劑室(5)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電催化合成反應(yīng)器，其特征是外電極管束(15)用不銹鋼圓管制作， 外電極管束(15)的兩端分別焊接在隔板(11)、隔板(17)上，隔板(11)、隔板(17)悍接在圓筒殼 體(6)內(nèi)；殼體(6)通過連接導(dǎo)線進行電氣接地，并連接到工作電源。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電催化合成反應(yīng)器，其特征是中心電極(14)為不銹鋼圓棒，中心電 極(14)穿過分氣室封頭(21)上的絕緣塞(2)伸出反應(yīng)器，通過高壓導(dǎo)線連接到工作電源。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種電催化合成反應(yīng)器，其特征是在中心電極(14)的表面沉積催化 劑層。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電催化合成反應(yīng)器，其特征是外電極管束(15)內(nèi)還有同心度定位件(7)， 同心度定位件(7)上有氣流通孔，同心度定位件(7)把中心電極(14)定位在外電極管束(15)的軸心。
6. —種電催化合成反應(yīng)器，其特征是反應(yīng)器主要由原料氣進口 (18)、分氣室(3)、列管式電催化 室(16)、中心電極(14)、石英套管(22)、外電極管束(15)、集合室(8)、產(chǎn)物出口 (10)、冷卻劑 室(5)、殼體(6)組成，其中原料氣進口 (18)從分氣室(3)的側(cè)面接入；分氣室(3)通過列管式 電催化室(16)與集合室(8)連通；產(chǎn)物出口 (10)從集合室(8)的底部接出；列管式的每個電催化 室(16)由外電極管束(15)的內(nèi)空間構(gòu)成，每個電催化室(16)內(nèi)有石英套管(22)，每個石英套管(22) 內(nèi)有中心電極(14);中心電極(14)為不銹鋼圓棒，中心電極(14)穿過分氣室封頭(21)上的絕緣 塞(2)伸出反應(yīng)器，通過高壓導(dǎo)線連接到工作電源；外審極管束(15)用不銹鋼圓管制作，外電極管 束(15)的兩端分別焊接在隔板(11)、隔板(17)上，隔板(11)、隔板(17)焊接在圓筒殼體(6)內(nèi)； 殼體(6)通過連接導(dǎo)線進行電氣接地，并連接到工作電源；外電極管束(15)的外圍為冷卻劑室(5)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種電催化合成反應(yīng)器，其特征是外電極管束的每個管(15)內(nèi)有催化劑 環(huán)(23)，催化劑環(huán)(23)用具有催化活性的金屬材料或非金屬材料制作。
8. —種電催化合成反應(yīng)器，其特征是反應(yīng)器主要由原料氣進口 (18)、分氣室(3)、中心電極(14)、 石英套管(22)、第一列管式電催化室(16b)、外電極管束(15b)、過渡室(26)、半產(chǎn)物返入接口 (27)、 第二列管式電催化室(16c)、外電極管束(15c)、集合室(8)、產(chǎn)物出口 (10)、第一冷卻劑室(5b)、第 二冷卻劑室(5c)、殼體(6)組成，其中原料氣進口 (18)從分氣室(3)的側(cè)面接入；分氣室(3)先 后通過第一列管式電催化室(16b)、過渡室(26)、第二列管式電催化室(16c)與集合室(8)連通；產(chǎn) 物出口 (10)從集合室(8)的底部接出；半產(chǎn)物返入接口 (27)由過渡室(26)的側(cè)面接入；第一列管 式的每個電催化室(16b)由外電極管束(15b)的內(nèi)空間構(gòu)成；第二管式的每個電催化室(16c)由外電 極管束(15c)的內(nèi)空間構(gòu)成；第一列管式的電催化室(16b)與第二列管式的電催化室(16c)上下相對， 每個電催化室(16b)和相對應(yīng)電催化室(16c)由同一根石英套管(22)沿軸心穿過，石英套管(22) 內(nèi)有中心電極(14);中心電極(14)為不銹鋼圓棒，中心電極(14)穿過分氣室封頭(21)上的絕緣 塞(2)伸出反應(yīng)器，通過高壓導(dǎo)線連接到工作電源；外電極管束(15b) (15c)用不銹鋼圓管制作，圓管 的兩端分別焊接在冷卻劑室的隔板上，冷卻劑室的隔板焊接在圓筒殼體(6)內(nèi)，殼體(6)通過連接導(dǎo)線 進行電氣接地，并連接到工作電源；外電極管束(15b)的外圍為第一冷卻劑室(5b)，外電極管束(15c) 的外圍為第二冷卻劑室(5c)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種電催化合成反應(yīng)器，其特征是外電極管束的每個管(15b)、 (15c)內(nèi) 有催化劑環(huán)(23)，催化劑環(huán)(23)用具有催化活性的金屬材料或非金屬材料制作。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種電催化合成反應(yīng)器，其特征是第二列管的電催化室(16c)內(nèi)有催化 劑(28)。
全文摘要
電催化合成反應(yīng)器，涉及一種化學(xué)合成反應(yīng)器，主要由分氣室、列管式電催化室、集合室、產(chǎn)物出口、冷卻劑室、殼體組成，其中原料氣進口從分氣室的側(cè)面接入，分氣室通過列管式電催化室與集合室連通，產(chǎn)物出口從集合室的底部接出，列管式的每個電催化室由外電極管束的內(nèi)空間構(gòu)成，每個電催化室內(nèi)有中心電極，外電極管束的外圍為冷卻劑室。本合成反應(yīng)器采用低溫等離子體與催化劑協(xié)同催化進行合成反應(yīng)，使合成反應(yīng)可以在接近常壓下進行，原料氣可不通過壓縮進入合成反應(yīng)器，因而所需能耗極低，同時還具有選擇性好、易于控制反應(yīng)速度的優(yōu)點，輸入相應(yīng)目標(biāo)產(chǎn)物的原料氣及選用相應(yīng)的催化電極或催化劑，就可以生產(chǎn)甲醇、二甲醚、合成氨等化工產(chǎn)品。
文檔編號B01J19/08GK101254452SQ200710166618
公開日2008年9月3日 申請日期2007年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月2日
發(fā)明者周開根 申請人:周開根