本发明专利技术提供一种由二氧化碳催化加氢生产甲烷的模块式装置及方法，该模块式装置，包括依次串联的预热器、反应器、急冷器和干燥器；反应器为带冷却介质的列管式固定床反应器；壳程内设有强化换热机构，强化换热机构为折流板、散堆填料、规整填料中的至少一种；壳程内通有循环冷却介质；反应器的顶部设有原料气体入口，底部设有反应产物排出口管程与原料气体入口和反应产物排出口相联通；管程内装填甲烷化催化剂，原料气体在管程内发生甲烷化反应。本发明专利技术结构简单，操作方便，采用带冷却介质的列管式固定床反应器，可以及时将反应产生的热量移除，既能提高催化剂的使用寿命，又能提高甲烷化反应效率。
【技术实现步骤摘要】
一种二氧化碳催化加氢生产甲烷的模块式装置及方法
本专利技术属于化工
，具体涉及一种二氧化碳催化加氢生产甲烷的模块式装置及方法。
技术介绍
目前，以二氧化碳为代表的温室气体排放，已造成全球气候变暖、冰川融化、海平面上升等诸多问题。同时，大量的二氧化碳还给全球农业生产和生态系统带来严峻挑战。二氧化碳减排问题已成为摆在世界各国面前的共同话题。另一方面，由于自然资源分布的不平衡，以我国中西部为代表的地区可再生能源比较丰富，如光电、风电、水电等，但经济发展相对落后，电力过剩造成“弃光”、“弃风”等现象。甲烷是天然气的主要成分，也是一种重要的燃料，可通过天然气管网输送到各类终端用户。电制气（PtG）技术通过电解制氢及二氧化碳加氢甲烷化工艺，可将过剩电力转化为甲烷，目前受到越来越多的关注。目前已有多项针对二氧化碳甲烷化设备和方法的专利。其中，专利文献CN107922862A公开了一种流化床反应器，反应所产生的热量可通过浸在流化床内的交换器来去除，但反应器的设计较为复杂；专利文献CN102151531A公开了一种属于煤制天然气
的微通道反应器及其合成气完全甲烷化的方法，反应器由反应通道、移热通道、基板和耐压器壁构成，其主要用途为一氧化碳加氢甲烷化；专利文献CN110354765A公开了一种用于二氧化碳加氢甲烷化反应的光热固定床反应实验装置及方法，反应箱体的上下和前后四个面分别安装有氙灯和反射罩，四个灯管可以使催化剂床层温度更为均匀，但反应器内部缺少对温度的监控，无法实时调节装置内部的温度。总的来说，目前已公开的二氧化碳甲烷化设备和方法都存在设计复杂、能耗高、可靠性低等问题，难以实现产业化应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种二氧化碳催化加氢生产甲烷的模块式装置及方法，以克服现有技术中存在的上述问题，既能提高甲烷化的反应效率，又能提升甲烷产品的纯度。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：本专利技术的一种二氧化碳催化加氢生产甲烷的模块式装置，包括依次串联的预热器、反应器、急冷器和干燥器；其特征在于，所述反应器为带冷却介质的列管式固定床反应器；所述反应器的壳程内设有强化换热机构，所述强化换热机构为折流板、散堆填料、规整填料中的至少一种；管程内装填甲烷化催化剂；所述壳程内通有循环冷却介质；所述反应器的顶部设有原料气体入口，底部设有反应产物排出口，管程与所述原料气体入口和所述反应产物排出口相联通；所述管程内装填甲烷化催化剂，所述原料气体在所述管程内发生甲烷化反应。进一步地，所述预热器为电热式固定床、间壁式换热器、电热管加热器中的一种，或者其它类似功能的换热设备。进一步地，所述急冷器为间壁式换热器，所述间壁式换热器为管壳式换热器、夹套式换热器、喷淋式换热器、沉浸式蛇管换热器、板式换热器中的一种，或者其它功能的换热设备。进一步地，所述干燥器为固定床干燥器，所述干燥器的干燥介质为包括但不限于分子筛、硅胶、碱石灰、生石灰、蒙脱石中的一种或几种的混合物。进一步地，本专利技术的一种二氧化碳催化加氢生产甲烷的模块式装置，还包括控制系统；所述控制系统通过信号传输线与所述预热器、反应器、急冷器和干燥器的进料流量控制单元、出料流量控制单元、温度控制单元和压力控制单元相连接，可实现所述模块化装置的进料速率、操作温度和操作压力的自动控制。采用本专利技术所述的模块式装置进行二氧化碳催化加氢生产甲烷的方法，其特征在于，包括以下步骤：二氧化碳和氢气的混合原料气在所述预热器中预热；预热后的原料气送入所述反应器中，在甲烷化催化剂作用下发生甲烷化反应，生成的反应产物为甲烷和水；该反应产物送入所述急冷器中，脱除反应产物中的大部分水；从所述急冷器出来的反应产物送入所述干燥器中，脱除余下的水分，得到合格的甲烷产品；其特征在于，所述预热器的操作压力为0.1～10MPa，出口温度为80～500℃；所述反应器的反应压力为0.1～10MPa，但不高于所述预热器操作压力，出口温度为150～500℃；所述急冷器操作压力为0.1～10MPa，但不高于所述反应器操作压力，出口温度为-10～80℃。进一步地，所述甲烷化催化剂为过渡金属镍、铜、钴、铁、铈、锌和钌中的一种或几种的混合；优选为负载在载体上的纳米级金属镍、铜、钴、铁、铈、锌和钌中的一种或两种，所述载体为氧化铝（Al2O3）、氧化锆（ZrO2）、氧化钛（TiO2）一种或几种。进一步地，所述干燥器出口物料中水的质量分数为0～3%。本专利技术与现有技术相比，有如下好处：由于二氧化碳甲烷化反应的放热量很大，催化剂会因过热出现结焦和失活现象，从而导致催化剂的活性降低和转化效率降低。本专利技术结构简单，操作方便，采用带冷却介质的列管式固定床反应器，可以及时将反应产生的热量移除，既能提高催化剂的使用寿命，又能提高甲烷化反应效率。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图中：1-预热器，2-反应器，3-急冷器，4-干燥器，5-控制系统。具体实施方式本
的一般技术人员应当认识到本实施例仅是用来说明本专利技术，而并非用作对本专利技术的限定，只要在本专利技术的实施范围内对实施例进行变换、变型都可在本专利技术权利要求的范围内。如图1所示。实施例1某工厂以氢气和二氧化碳为原料，催化加氢生产甲烷的模块式装置，包括依次串联的预热器（1）、反应器（2）、急冷器（3）和干燥器（4）；所述反应器（2）为3台并联操作的带冷却介质的列管式固定床反应器，每台列管式固定床反应器包含45根反应管；该反应器的壳程内设有强化换热机构散堆填料，壳程内循环流动冷却介质，冷却介质为冷冻盐水；该反应器的顶部设有原料气体入口，底部设有反应产物排出口，管程与原料气体入口和反应产物排出口相联通；管程内装填甲烷化催化剂，原料气体在管程内发生甲烷化反应，甲烷化催化剂为负载在氧化铝载体上的纳米金属镍；预热器（1）和急冷器（3）均为管壳式换热器，干燥器（4）为2台并联的固定床式干燥器，一开一备，干燥介质为分子筛，可通过再生重复使用；控制系统（5）通过信号传输线与预热器（1）、反应器（2）、急冷器（3）和干燥器（4）的进料流量控制单元、出料流量控制单元、温度控制单元和压力控制单元相连接，可实现所述模块化装置的进料速率、操作温度和操作压力的自动控制。采用该模块式装置进行二氧化碳催化加氢生产甲烷的方法，包括以下步骤：A.二氧化碳和氢气的混合原料气在预热器（1）中预热至150℃，出口压力为0.6MPa；B.预热后的原料气送入反应器（2）中，在甲烷化催化剂作用下发生甲烷化反应，生成的反应产物为甲烷和水；反应产物的出口压力为0.55MPa，出口温度为230℃；C.该反应产物送入急冷器（3）中，脱除反应产物中的大部分水，物料出口压力为0.53MPa，出口温度为75℃；D.从急冷器（3）出来的物料送入干燥器（4）中，脱除余下的水分，得到合格的甲烷产品，其出口压力为0.5MPa，甲烷产品中水的质量分数为0.5%本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种二氧化碳催化加氢生产甲烷的模块式装置，包括依次串联的预热器（1）、反应器（2）、急冷器（3）和干燥器（4）；/n其特征在于，所述反应器（2）为带冷却介质的列管式固定床反应器；所述反应器（2）的壳程内设有强化换热机构，所述强化换热机构为折流板、散堆填料、规整填料中的至少一种；所述壳程内通有循环冷却介质；所述反应器（2）的顶部设有原料气体入口，底部设有反应产物排出口管程与所述原料气体入口和所述反应产物排出口相联通；所述管程内装填甲烷化催化剂。/n
【技术特征摘要】
1.一种二氧化碳催化加氢生产甲烷的模块式装置，包括依次串联的预热器（1）、反应器（2）、急冷器（3）和干燥器（4）；
其特征在于，所述反应器（2）为带冷却介质的列管式固定床反应器；所述反应器（2）的壳程内设有强化换热机构，所述强化换热机构为折流板、散堆填料、规整填料中的至少一种；所述壳程内通有循环冷却介质；所述反应器（2）的顶部设有原料气体入口，底部设有反应产物排出口管程与所述原料气体入口和所述反应产物排出口相联通；所述管程内装填甲烷化催化剂。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳催化加氢生产甲烷的模块式装置，其特征在于，所述预热器（1）为电热式固定床、间壁式换热器、电热管加热器中的一种。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳催化加氢生产甲烷的模块式装置，其特征在于，所述急冷器（3）为间壁式换热器，所述间壁式换热器为管壳式换热器、夹套式换热器、喷淋式换热器、沉浸式蛇管换热器、板式换热器中的一种。
4.根据权利要求1所述的二氧化碳催化加氢生产甲烷的模块式装置，其特征在于，所述干燥器（4）为固定床干燥器，所述干燥器的干燥介质为包括分子筛、硅胶、碱石灰、生石灰、蒙脱石中的一种或几种的混合物。
5.根据权利要求1所述的二氧化碳催化加氢生产甲烷的模块式装置，其特征在于，还包括控制系统（5）；所述控制系统（5）通过信号传输线与所述预热器（1）、反应器（2）、急冷器（3）和干...
【专利技术属性】
技术研发人员：冯毅，宋天琦，倪海勇，刘猛，晏勇，李学刚，肖文德，
申请(专利权)人：上海航天智慧能源技术有限公司，上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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