一种甲烷化反应器和甲烷化工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种甲烷化反应器和甲烷化工艺，该甲烷化反应器包括壳体、进气管、横向催化反应单元、纵向催化反应单元、出气管、轴向微反应通道和径向微反应通道，在轴向微反应通道和径向微反应通道内可以负载催化活性组分。与现有技术相比，本发明专利技术的甲烷化反应器不仅催化剂使用量少，而且采用该甲烷化反应器进行甲烷化反应时，床层压降低，气体停留时间短，反应床空间利用率高、无气体偏流和短路现象。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种甲烷化反应器和甲烷化工艺。
技术介绍
甲烷化反应器是煤制天然气项目的核心设备之一。甲烷化反应是强烈的放热反应，在合成气甲烷化反应过程中存在着CO和CO2的竞争甲烷化反应与高温下的逆水煤气变换反应，高效的传热与传质是控制CO和CO2竞争甲烷化和高温逆水煤气变换的关键。研究表明，每转化1％的CO或CO2可产生的绝热温升分别达到了70℃或60℃。为了控制甲烷化反应温度，回收反应中产生的大量热能，工业化甲烷化工艺采用多个固定床甲烷化反应器串连，逐级进行甲烷化反应。已实现甲烷化专利技术商业应用的公司有英国Davy公司、丹麦公司以及德国的Lugri公司。目前甲烷化反应器主要有两种类型，一种是轴向固定床反应器，另一种是径向固定床反应器。轴向甲烷化反应器设计、加工过程相对容易、操作简单，但存在反应器设备尺寸庞大、床层压降大、容易出现局部飞温、移热缓慢、转化率低、放大效应明显以及反应器需要材质等级高等问题。径向床反应器高径比较大、床层压降小、反应物在催化剂床层停留时间短，但很难实现反应物在径向上的均匀分布、单位催化剂床层的生产强度较低。为了克服传统化工中存在传热、传质效率低的问题，二十世纪八九十年代兴起了微化工技术。微反应器作为微化工技术的核心组成部分，它是以毫米、微米为量级的化学反应系统。一方面微反应器具有微尺度化、较大的比表面、扩散距离短、停留时间短、阻力小等特点，其传质、传热和反应效果较普通反应器高1-3数量级；另一方面，可以根据实际的工业生产能力要求，通过具有功能化的微反应器模块集成以及数量的增减达到控制和调节生产，有利于实现设备的最大利用效率，同时缩短设备的加工时间。微通道反应器作为微反应器中的一类，将其运用甲烷化反应还鲜有报道。CN201320593757.7公开了一种用于甲烷化工艺的微通道反应器，该微反应通道固定在反应器中部的支撑板上，难以消除热胀冷缩产生的应力；CN201110030881.8公开了一种微通道反应器及其合成气完全甲烷化的方法，该微反应器由若干反应通道和移热通道交替平行排布，反应器的压降较大，同时难以承受高压。因此，提高单位体积催化剂生产强度、减小反应器的设备尺寸、缩短气体在催化剂表面停留时间、降低反应器压降损失，提高反应物的转化效率，充分延长催化剂的使用寿命，满足反应器大型化的需求是目前亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种甲烷化反应器和甲烷化工艺，该甲烷化反应器不仅催化剂使用量少，而且采用该甲烷化反应器进行甲烷化反应时，床层压降低，气体停留时间短，反应床空间利用率高、无气体偏流和短路现象。为了实现上述目的，本专利技术第一方面：提供一种甲烷化反应器，其特征在于，该反应器包括径向圆筒形密封承压壳体、从所述壳体顶部伸入到壳体内部的进气管、从所述壳体底部伸入到壳体内部的出气管、以及设置在所述壳体内所述进气管下方所述出气管上方的纵向催化反应单元和横向催化反应单元；所述纵向催化反应单元和横向催化反应单元为上下设置或下上设置，之间形成有单元空间；纵向催化反应单元包括中心筒和套设在中心筒外的至少一个套筒；中心筒具有中心管，中心管与其下方的单元空间或出气管流体连通；中心筒与套筒的筒壁之间以及相邻两个套筒的筒壁之间通过挡板流体隔绝并隔离出集流道和分流道；最外层的套筒的外壁与壳体的内壁之间形成有环隙；中心筒和套筒均具有多个径向设置的径向微反应通道，并且中心筒的筒体内外以及套筒的筒体内外仅通过该径向微反应通道流体连通；进气管或单元空间通过其下方的分流道或环隙与径向微反应通道的径向微通道反应气体入口流体连通，径向微反应通道的径向微通道反应产物出口通过集流道或中心管与其下方的单元空间或出气管流体连通；横向催化反应单元包括至少一个柱体，柱体与壳体同轴，且柱体的外侧面与壳体的部分内侧面相抵触或相重合；相邻两个柱体之间形成有空隙；柱体设置有轴向穿过柱体的轴向微反应通道，进气管或单元空间与其下方的单元空间或空隙之间、空隙与空隙之间以及空隙与其下方的单元空间或出气管之间仅通过设置在柱体内的轴向微反应通道流体连通，轴向微反应通道具有直径不同的轴向微通道反应气体入口和轴向微通道反应产物出口。优选地，所述套筒的数量为2-500个，所述柱体的数量为2-500个。优选地，所述壳体的侧面设置有至少一对冷却介质入口和冷却介质出口，所述冷却介质入口通过穿过所述柱体和/或单元空间和/或空隙和/或中心管和/或集流道的冷却介质管线与所述冷却介质出口流体连通。优选地，所述壳体的侧面设置有至少一对冷却介质入口和冷却介质出口，所述冷却介质入口通过所述柱体的内壁与所述轴向微反应通道的外壁所形成的腔室与所述冷却介质出口流体连通。优选地，所述径向微反应通道的内表面负载有催化活性组分，所述轴向微反应通道的内表面负载有催化活性组分。优选地，所述径向微反应通道的直径从所述径向微通道反应气体入口向径向微通道反应产物出口的方向逐渐减小，所述轴向微反应通道的直径从所述轴向微通道反应气体入口向轴向微通道反应产物出口的方向逐渐减小。优选地，所述径向微反应通道的直径在2-50毫米之间，所述轴向微反应通道的直径在2-50毫米之间。优选地，所述径向微通道反应气体入口的直径与所述径向微通道反应产物出口的直径的比值为(1.1-25)：1，所述轴向微通道反应气体入口的直径与所述轴向微通道反应产物出口的直径的比值为(1.1-25)：1。优选地，所述径向微反应通道的内部空间的总体积为纵向催化反应单元的总体积的30％-90％，所述轴向微反应通道的内部空间的总体积为横向催化反应单元的总体积的30％-90％。优选地，所述径向微反应通道为选自锥形管、喇叭形管和Y形管中的其中一种，所述轴向微反应通道为选自锥形管、喇叭形管和Y形管中的其中一种。优选地，所述进气管的下部设置有至少一个用于分布送入所述反应器的反应气的气体分布器；所述单元空间内设置有至少一个用于分布从纵向催化反应单元向横向催化反应单元或横向催化反应单元向纵向催化反应单元流动的气体的气体分布器。优选地，纵向催化反应单元或横向催化反应单元与所述壳体的内底面之间设置有隔热材料区。本专利技术第二方面：提供一种甲烷化工艺，该工艺包括：a、将含有含碳氧化合物和氢气的甲烷化合成气经净化处理和预热后分别送入并联的1#主甲烷化反应器和2#主甲烷化反应器进行主甲烷化反应，得到第一产物；b、将步骤a中所得的第一产物经降温后送入补充甲烷化反应器进行补充甲烷化反应，得到第二产物；c、将步骤b中所得的第二产物经降温后进行分离处理，得到甲烷化产物；其中，所述1#主甲烷化反应器、2#主甲烷化反应器和补充甲烷化反应器中的至少一台为选自权利要求1-12中任意一项所述的甲烷化反应器。优选地，该工艺还包括：将锅炉给水送入1#主甲烷化反应器、2#主甲烷化反应器和补充甲烷化反应器中进行取热，所产生的蒸汽送入汽包中。优选地，所述含碳氧化合物为M值为2.85-3.5的一氧化碳和/或二氧化碳；所述M值为所述甲烷化合成气所含氢气的体积与含碳氧化合物中二氧化碳的体积之差同含碳氧化合物体积的比值。优选地，所述净化处理依次包括水解、脱硫、脱氧和脱硝处理。优选地，所述主甲烷化反应的条件为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种甲烷化反应器，其特征在于，该反应器包括径向圆筒形密封承压壳体（1）、从所述壳体（1）顶部伸入到壳体内部的进气管（2）、从所述壳体（1）底部伸入到壳体内部的出气管（3）、以及设置在所述壳体（1）内所述进气管（2）下方所述出气管（3）上方的纵向催化反应单元（4）和横向催化反应单元（5）；所述纵向催化反应单元（4）和横向催化反应单元（5）为上下设置或下上设置，之间形成有单元空间（26）；纵向催化反应单元（4）包括中心筒（6）和套设在中心筒（6）外的至少一个套筒（7）；中心筒（6）具有中心管（8），中心管（8）与其下方的单元空间（26）或出气管（3）流体连通；中心筒（6）与套筒（7）的筒壁之间以及相邻两个套筒（7）的筒壁之间通过挡板（9）流体隔绝并隔离出集流道（10）和分流道（11）；最外层的套筒（7）的外壁与壳体（1）的内壁之间形成有环隙（12）；中心筒（6）和套筒（7）均具有多个径向设置的径向微反应通道（13），并且中心筒（6）的筒体内外以及套筒（7）的筒体内外仅通过该径向微反应通道（13）流体连通；进气管（2）或单元空间（26）通过其下方的分流道（11）或环隙（12）与径向微反应通道（13）的径向微通道反应气体入口（14）流体连通，径向微反应通道（13）的径向微通道反应产物出口（15）通过集流道（10）或中心管（8）与其下方的单元空间（26）或出气管（3）流体连通；横向催化反应单元（5）包括至少一个柱体（16），柱体（16）与壳体（1）同轴，且柱体（16）的外侧面与壳体（1）的部分内侧面相抵触或相重合；相邻两个柱体（16）之间形成有空隙（18）；柱体（16）设置有轴向穿过柱体的轴向微反应通道（17），进气管（2）或单元空间（26）与其下方的单元空间（26）或空隙（18）之间、空隙（18）与空隙（18）之间以及空隙与其下方的单元空间（26）或出气管（3）之间仅通过设置在柱体（16）内的轴向微反应通道（17）流体连通，轴向微反应通道（17）具有直径不同的轴向微通道反应气体入口（19）和轴向微通道反应产物出口（20）。...

【技术特征摘要】
1.一种甲烷化反应器，其特征在于，该反应器包括径向圆筒形密封承压壳体（1）、从所述壳体（1）顶部伸入到壳体内部的进气管（2）、从所述壳体（1）底部伸入到壳体内部的出气管（3）、以及设置在所述壳体（1）内所述进气管（2）下方所述出气管（3）上方的纵向催化反应单元（4）和横向催化反应单元（5）；所述纵向催化反应单元（4）和横向催化反应单元（5）为上下设置或下上设置，之间形成有单元空间（26）；纵向催化反应单元（4）包括中心筒（6）和套设在中心筒（6）外的至少一个套筒（7）；中心筒（6）具有中心管（8），中心管（8）与其下方的单元空间（26）或出气管（3）流体连通；中心筒（6）与套筒（7）的筒壁之间以及相邻两个套筒（7）的筒壁之间通过挡板（9）流体隔绝并隔离出集流道（10）和分流道（11）；最外层的套筒（7）的外壁与壳体（1）的内壁之间形成有环隙（12）；中心筒（6）和套筒（7）均具有多个径向设置的径向微反应通道（13），并且中心筒（6）的筒体内外以及套筒（7）的筒体内外仅通过该径向微反应通道（13）流体连通；进气管（2）或单元空间（26）通过其下方的分流道（11）或环隙（12）与径向微反应通道（13）的径向微通道反应气体入口（14）流体连通，径向微反应通道（13）的径向微通道反应产物出口（15）通过集流道（10）或中心管（8）与其下方的单元空间（26）或出气管（3）流体连通；横向催化反应单元（5）包括至少一个柱体（16），柱体（16）与壳体（1）同轴，且柱体（16）的外侧面与壳体（1）的部分内侧面相抵触或相重合；相邻两个柱体（16）之间形成有空隙（18）；柱体（16）设置有轴向穿过柱体的轴向微反应通道（17），进气管（2）或单元空间（26）与其下方的单元空间（26）或空隙（18）之间、空隙（18）与空隙（18）之间以及空隙与其下方的单元空间（26）或出气管（3）之间仅通过设置在柱体（16）内的轴向微反应通道（17）流体连通，轴向微反应通道（17）具有直径不同的轴向微通道反应气体入口（19）和轴向微通道反应产物出口（20）。2.根据权利要求1的甲烷化反应器，其特征在于，所述套筒（7）的数量为2-500个，所述柱体（16）的数量为2-500个。3.根据权利要求1的甲烷化反应器，其特征在于，所述壳体（1）的侧面设置有至少一对冷却介质入口和冷却介质出口，所述冷却介质入口通过穿过所述柱体（16）和/或单元空间（26）和/或空隙（18）和/或中心管（8）和/或集流道（10）的冷却介质管线与所述冷却介质出口流体连通。4.根据权利要求1的甲烷化反应器，其特征在于，所述壳体（1）的侧面设置有至少一对冷却介质入口和冷却介质出口，所述冷却介质入口通过所述柱体（16）的内壁与所述轴向微反应通道（17）的外壁所形成的腔室与所述冷却介质出口流体连通。5.根据权利要求1的甲烷化反应器，其特征在于，所述径向微反应通道（13）的内表面负载有催化活性组分，所述轴向微反应通道（17）的内表面负载有催化活性组分。6.根据权利要求1的甲烷化反应器，其特征在于，所述径向微反应通道（13）的直径从所述径向微通道反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旭，戴文松，王子宗，蒋荣兴，
申请(专利权)人：中国石化工程建设有限公司，中石化炼化工程集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11