CN204247177U - 一种绝热-等温甲烷化反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种绝热-等温甲烷化反应器，目的在于解决现有的甲烷化反应器，存在原料气移热能力有限，气相传热系数低，无法达到移热要求，且内、外层壳体间气体分布不均，可能而导致局部高温的问题。该反应器包括壳体、上封头、下封头等。同时，本实用新型在列管之上设置绝热层催化剂层，能快速提高反应气体温度。本实用新型采用热量转移的设计和气体分布器的设计，有效解决了移热和气体分布的问题。采用本实用新型进行甲烷化反应时，气体分布均匀、转化率高、选择性好、能及时移热，有效避免反应温度过高，延长甲烷合成催化剂寿命。同时，本实用新型设备成本低，并有效提高能源的利用率。

Description

一种绝热-等温甲烷化反应器

技术领域

本实用新型涉及化工领域，尤其是天然气领域，具体为一种绝热-等温甲烷化反应器，其能够用于焦炉气或煤制天然气。

背景技术

近年来，随着我国天然气消费量不断增加，而我国天然气藏量有限，产能不能满足需求，导致天然气供需缺口逐年扩大。煤制天然气作为对我国天然气资源的有效补充手段，其能在一定程度上解决天然气供应不足的问题。煤制天然气的流程为:煤气化装置生产的粗煤气依次经一氧化碳变换、酸性气体脱除后，得到净化气，净化气再经甲烷化反应及干燥后，得到满足国家相关标准天然气。甲烷化技术是煤制天然气的工艺核心，相应的用于甲烷化技术的甲烷化反应器则是其中的核心设备。

该方法中，净化气的主要成分为一氧化碳和氢气，其经过脱硫处理后，进入绝热-等温甲烷化反应器，在催化剂作用下，反应生成甲烷和水，甲烷化反应为强放热反应。这使得反应器壳体既要承受较高压力，又要承受甲烷化反应所带来的急剧温升。因此，传统的冷壁绝热式反应器对材质的要求较高，且要使用冷激气降温，这使得催化剂效率较低，也使得反应器分为多段，且体积庞大。同时催化剂在反应产生的高温作用下，也容易失活。

为了解决移热问题，中国专利CN103752227A提出一种甲烷化反应器，该反应器具有双层壳体，内层壳体装有甲烷化催化剂，原料气从外层壳体与内层壳体之间通道进入，可移走甲烷化反应放出热量，同时原料气得到加热，换热后进入内层壳体进行甲烷化反应。采用该结构，该反应器的外层壳体只承受高压，内层壳体只承受高温。但甲烷化反应器为强放热反应，该反应器仍存在原料气移热能力有限，气相传热系数低，无法达到移热要求，同时，内、外层壳体间气体分布不均，可能而导致局部高温，仍有待进一步改进。

实用新型内容

申请人通过研究发现，现有绝热-等温甲烷化反应器内反应温度高，主要有两方面原因：一是反应器进口气体分布不均，二是热量未及时移走。前述甲烷化反应器虽然进行了改进，但任有一定的局限性。

本实用新型的发明目的在于：针对现有的甲烷化反应器，存在原料气移热能力有限，气相传热系数低，无法达到移热要求，且内、外层壳体间气体分布不均，可能而导致局部高温的问题，提供一种绝热-等温甲烷化反应器。本实用新型对反应器进行了全新的结构设计，采用热量转移的设计和气体分布器的设计，有效解决了移热和气体分布的问题。采用本实用新型进行甲烷化反应时，气体分布均匀、转化率高、选择性好、能及时移热，有效避免反应温度过高，延长甲烷合成催化剂寿命。同时，本实用新型能降低对反应器的材质要求，降低设备成本，并有效提高能源的利用率。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种绝热-等温甲烷化反应器，包括壳体、设置壳体上端的上封头、设置壳体下端的下封头，所述上封头、壳体、下封头依次相连，所述上封头上设置有进料管口，所述下封头上设置有出料管口，所述壳体内设置有用于装填催化剂的列管，所述列管的上下两端分别设置有上管板、下管板，所述列管的两端分别与上封头、下封头连通，所述列管与壳体、上管板、下管板之间形成用于与冷却介质相连的换热空间；

所述上封头与上管板之间还设置有气体分布器，所述下封头与下管板之间设置有绝热填充物。

所述上封头内还设置有绝热催化剂层、用于固定绝热催化剂层的固定丝网，所述绝热催化剂层位于固定丝网与上管板之间。

所述绝热催化剂层的高度为1~400mm。

所述绝热填充物为绝热瓷球。

所述气体分布器为中空的倒锥形柱体，所述倒锥形柱体的侧壁上设置有分布孔。

所述分布孔的直径为20~25mm。

所述分布孔的轴向垂直于分布孔所在平面。

所述倒锥形柱体的高度为上封头高度的0.3~0.5倍，所述倒锥形柱体沿竖直方向的上表面的直径为进料管口直径的2~2.5倍，所述倒锥形柱体沿竖直方向的下表面的直径为进料管口直径的1~1.5倍。

还包括设置倒锥形柱体内的挡片。

所述挡片呈圆形，所述挡片的直径为进料管口直径的1~1.2倍，所述挡片到上表面的距离为倒锥形柱体高度的0.5~0.6倍。

所述挡片通过支撑条与气体分布器相连。

所述上封头、下封头分别为半球形。

列管外径为38~50mm，内径为32~44mm。

所述换热空间的冷却介质为饱和水。

所述列管呈正三角形布置，列管的管心距为50~65mm。

针对现有专利所存在的问题，本实用新型提供一种绝热-等温甲烷化反应器。申请人对现有的绝热-等温甲烷化反应器分析后，认为现有的反应器温度过高的原因在于进口气体分布不均，及热量未及时移走。以中国专利CN103752227的反应器为例，其采用双层壳体，通过原料气换热，来解决前述问题，外层壳体只承受高压，内层壳体只承受高温。而原料气的传热系数低，无法达到移热要求，且依然存在气体分布不均的问题，具有较大的局限性。为此，申请人对反应器的结构进行了全新设计。该绝热-等温甲烷化反应器包括壳体、上封头、下封头，上封头、下封头分别设置在壳体的上下两端，上封头、壳体、下封头依次相连，构成本实用新型的外壳。其中，上封头上设置有进料管口，下封头上设置有出料管口，净化气通过进料管口进入反应器内，进行甲烷化反应后的气体通过出料管口排出。壳体内设置有用于装填催化剂的列管，列管的上下两端分别设置有上管板、下管板，列管的两端分别与上封头、下封头连通，列管与壳体、上管板、下管板之间形成用于与冷却介质相连的换热空间。本实用新型中，通过列管与壳体、上管板、下管板之间的相互配合，形成用于与冷却介质相连的换热空间，通过换热空间内的冷却介质能够对列管进行换热，从而使列管能够处于反应温度下，有效避免因甲烷化反应所导致的急剧温升。由于本实用新型采用该结构，因而能够大大降低反应温度，有效延长催化剂的使用寿命，同时有利于正反应的进行，有效提高终了的转化率。由于所得的产品气中，甲烷含量高，因而无需循环，进一步降低了压缩功耗，同时还能副产中压蒸汽，有效提高能源的利用率。

同时，本实用新型在上封头与上管板之间还设置有气体分布器，下封头与下管板之间设置有绝热填充物，其中，绝热填充物可以为绝热瓷球。该气体分布器为中空的倒锥形柱体，倒锥形柱体的侧壁上设置有分布孔。采用该结构，能够使气体均匀分布，有效避免气体通过进料管口进入上封头后，在局部聚集，导致反应温度过高。通过前述改进，有效避免气体分布不均，反应器内气体温度过高，容易导致催化剂失活的问题。相对于现有反应器，本实用新型能够极大延长催化剂的使用寿命，提高反应效率，所得的产品气中甲烷含量显著提高。如前所述，由于产品气中甲烷含量较高，其能有效降低能源消耗。进一步，分布孔的轴向垂直于分布孔所在平面，其使气体能向外壳壁面方向分布，避免气体向中部集中，进一步避免由于分布不均而引起的局部高温。

作为优选，倒锥形柱体的高度为上封头高度的0.3~0.5倍，倒锥形柱体沿竖直方向的上表面的直径为进料管口直径的2~2.5倍，倒锥形柱体沿竖直方向的下表面的直径为进料管口直径的1~1.5倍。还包括设置倒锥形柱体内、通过支撑条与气体分布器相连的挡片，挡片呈圆形，挡片的直径为进料管口直径的1~1.2倍，挡片到上表面的距离为倒锥形柱体高度的0.5~0.6倍。采用该结构能够提升气体分布的均匀性，同时，圆形挡板能够防止气体直接通往中部，从而分布更均匀。

上封头内还设置有绝热催化剂层、用于固定绝热催化剂层的固定丝网，绝热催化剂层位于固定丝网与上管板之间，绝热催化剂层的高度为1~400mm。本实用新型在列管之上设置一段绝热层催化剂，其能快速提高反应气体温度。同时，绝热催化剂层能降低反应器入口的温度要求，增强反应器工况适应性。进一步，换热空间的冷却介质为饱和水。原料气在列管中反应生成甲烷，并放出热量，换热空间通中压饱和水，饱和水蒸发为中压蒸汽吸收大量反应热，传热系数高，移热稳定。采用饱和水作为冷却介质，在甲烷化反应进行的同时，能够产生中压蒸汽作为副产物，实现能源的有效利用。

本实用新型中，列管内装填催化剂为主反应区，列管外的换热空间通饱和水进行移热，同时产生副产物中压蒸汽，并维持列管内反应温度接近恒温。本实用新型的列管和壳体温度均接近于饱和水温度，且可降低壳体和列管的承受压力，对材质要求大大降低，从而有效降低设备成本，延长本实用新型的使用寿命。本实用新型采用饱和水移热，温度稳定，基本不会发生飞温现象，并可维持较高转化率。

进一步，上封头、下封头分别为半球形，列管外径为38~50mm，内径为32~44mm，列管呈正三角形布置，列管的管心距为50~65mm。

采用本实用新型进行甲烷化反应时，等温反应大大降低了反应温度，且壳体仅需承受饱和水压力，并进一步降低了对材质的要求。本实用新型采用列管外冷式设计，移热速度快，反应温度稳定，有效延长了催化剂寿命。甲烷化反应为强放热反应，本实用新型的反应温度低，有利于正反应的进行，同时终了转化率高，所得产品气中甲烷含量高，因而无需循环，降低了压缩功耗，且能副产中压蒸汽，有效实现了能源的高效利用。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为上封头与气体分布器的局部放大示意图。

图中标记：1为壳体，2为上封头，3为下封头，4为进料管口，5为出料管口，6为列管，7为上管板，8为下管板，9为气体分布器，10为绝热填充物，11为绝热催化剂层，12为固定丝网，13为分布孔，14为挡片，15为支撑条。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

如图所示，本实施例的绝热-等温甲烷化反应器包括壳体1、上封头2、下封头3，上封头2、下封头3分别设置在壳体1的上下两端，上封头2、壳体1、下封头3依次相连，构成本实用新型的外壳。本实施例中，上封头2、下封头3分别采用半球形、其中，上封头2上设置有进料管口4，下封头3上设置有出料管口5。壳体1内设置有用于装填催化剂的列管6，列管6的上下两端分别设置有上管板7、下管板8，列管6的两端分别与上封头2、下封头3连通，列管6与壳体1、上管板7、下管板8之间形成用于与冷却介质相连的换热空间。本实施例中，换热空间的冷却介质采用饱和水，列管6呈正三角形布置，列管6的管心距为50~65mm。

上封头2与上管板7之间还设置有气体分布器9，下封头3与下管板8之间设置有绝热填充物10，绝热填充物10为绝热瓷球。上封头2内还设置有1~400mm厚的绝热催化剂层11、用于固定绝热催化剂层11的固定丝网12，绝热催化剂层11位于固定丝网12与上管板7之间。

气体分布器9为中空的倒锥形柱体，倒锥形柱体的侧壁上设置有分布孔13，分布孔13的轴向垂直于分布孔13所在平面，分布孔13的直径为20~25mm。倒锥形柱体的高度为上封头2高度的0.3~0.5倍，倒锥形柱体沿竖直方向的上表面的直径为进料管口4直径的2~2.5倍，倒锥形柱体沿竖直方向的下表面的直径为进料管口4直径的1~1.5倍。气体分布器9内还设置有圆形挡片14、支撑条15，挡片14通过支撑条15与气体分布器9相连，挡片14的直径为进料管口4直径的1~1.2倍，挡片14到上表面的距离为倒锥形柱体高度的0.5~0.6倍。

本实用新型工作时，净化气通过进料管口4进入反应器内，在气体分布器9的作用下，达到均匀分布，有效避免局部过热，经气体分布器9后的净化气通过绝热催化剂层11会迅速提升温度，达到理想反应温度。再进入列管6中进行甲烷化反应，同时放出大量热量，由列管6外的饱和水移走热量，保证稳定的反应温度，而换热空间内的饱和水则汽化为中压蒸汽。原料气经过列管6反应后，基本转化为甲烷，汇集后由出料管口5送出。本实施例中，绝热催化剂层11能够迅速提高反应气体的温度，提升对进口气体的适应性，列管6外通饱和水迅速移走热量，稳定反应温度，并副产蒸汽。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种绝热-等温甲烷化反应器，其特征在于，包括壳体（1）、设置壳体（1）上端的上封头（2）、设置壳体（1）下端的下封头（3），所述上封头（2）、壳体（1）、下封头（3）依次相连，所述上封头（2）上设置有进料管口（4），所述下封头（3）上设置有出料管口（5），所述壳体（1）内设置有用于装填催化剂的列管（6），所述列管（6）的上下两端分别设置有上管板（7）、下管板（8），所述列管（6）的两端分别与上封头（2）、下封头（3）连通，所述列管（6）与壳体（1）、上管板（7）、下管板（8）之间形成用于与冷却介质相连的换热空间；

所述上封头（2）与上管板（7）之间还设置有气体分布器（9），所述下封头（3）与下管板（8）之间设置有绝热填充物（10）。

2.根据权利要求1所述绝热-等温甲烷化反应器，其特征在于，所述上封头（2）内还设置有绝热催化剂层（11）、用于固定绝热催化剂层（11）的固定丝网（12），所述绝热催化剂层（11）位于固定丝网（12）与上管板（7）之间。

3.根据权利要求2所述绝热-等温甲烷化反应器，其特征在于，所述绝热催化剂层（11）的高度为1~400mm。

4.根据权利要求1所述绝热-等温甲烷化反应器，其特征在于，所述绝热填充物（10）为绝热瓷球。

5.根据权利要求1-4任一项所述绝热-等温甲烷化反应器，其特征在于，所述气体分布器（9）为中空的倒锥形柱体，所述倒锥形柱体的侧壁上设置有分布孔（13）。

6.根据权利要求5所述绝热-等温甲烷化反应器，其特征在于，所述分布孔（13）的轴向垂直于分布孔（13）所在平面。

7.根据权利要求5所述绝热-等温甲烷化反应器，其特征在于，所述倒锥形柱体的高度为上封头（2）高度的0.3~0.5倍，所述倒锥形柱体沿竖直方向的上表面的直径为进料管口（4）直径的2~2.5倍，所述倒锥形柱体沿竖直方向的下表面的直径为进料管口（4）直径的1~1.5倍。

8.根据权利要求5所述绝热-等温甲烷化反应器，其特征在于，还包括设置倒锥形柱体内的挡片（14）。

9.根据权利要求8所述绝热-等温甲烷化反应器，其特征在于，所述挡片（14）呈圆形，所述挡片（14）的直径为进料管口（4）直径的1~1.2倍，所述挡片（14）到上表面的距离为倒锥形柱体高度的0.5~0.6倍。

10.根据权利要求1所述绝热-等温甲烷化反应器，其特征在于，所述换热空间的冷却介质为饱和水。