一種集成化甲烷合成反應(yīng)器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種集成化甲烷合成反應(yīng)器。
【背景技術(shù)】
[0002] 甲烷合成反應(yīng)器是煤制天然氣項(xiàng)目的核心設(shè)備之一。甲烷化反應(yīng)是強(qiáng)烈的放熱反 應(yīng)，在合成氣甲烷化反應(yīng)過(guò)程中存在著CO和CO2的競(jìng)爭(zhēng)甲烷化反應(yīng)與高溫下的逆水煤氣變 換反應(yīng)，高效的傳熱與傳質(zhì)是控制CO和CO2競(jìng)爭(zhēng)甲烷化和高溫逆水煤氣變換的關(guān)鍵。研究 表明，每轉(zhuǎn)化1 %的CO或0)2可產(chǎn)生的絕熱溫升分別達(dá)到了 70°C或60°C。為了控制甲烷化 反應(yīng)溫度，回收反應(yīng)中產(chǎn)生的大量熱能，工業(yè)化甲烷化工藝采用多個(gè)固定床甲烷合成反應(yīng) 器串連，逐級(jí)進(jìn)行甲烷化反應(yīng)。已實(shí)現(xiàn)甲烷化專利技術(shù)商業(yè)應(yīng)用的公司有英國(guó)Davy公司、 丹麥T〇ps0e公司以及德國(guó)的Lugri公司。
[0003]目前甲烷合成反應(yīng)器主要有兩種類(lèi)型，一種是軸向固定床反應(yīng)器，另一種是徑向 固定床反應(yīng)器。軸向甲烷合成反應(yīng)器設(shè)計(jì)、加工過(guò)程相對(duì)容易、操作簡(jiǎn)單，但存在反應(yīng)器設(shè) 備尺寸龐大、床層壓降大、容易出現(xiàn)局部飛溫、移熱緩慢、轉(zhuǎn)化率低、放大效應(yīng)明顯以及反應(yīng) 器需要材質(zhì)等級(jí)高等問(wèn)題。徑向床反應(yīng)器高徑比較大、床層壓降小、反應(yīng)物在催化劑床層停 留時(shí)間短，但很難實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物在徑向上的均勻分布、單位催化劑床層的生產(chǎn)強(qiáng)度較低。
[0004] 為了克服傳統(tǒng)化工中存在傳熱、傳質(zhì)效率低的問(wèn)題，二十世紀(jì)八九十年代興起了 微化工技術(shù)。微反應(yīng)器作為微化工技術(shù)的核心組成部分，它是以毫米、微米為量級(jí)的化學(xué)反 應(yīng)系統(tǒng)。一方面微反應(yīng)器具有微尺度化、較大的比表面、擴(kuò)散距離短、停留時(shí)間短、阻力小等 特點(diǎn)，其傳質(zhì)、傳熱和反應(yīng)效果較普通反應(yīng)器高1-3數(shù)量級(jí)；另一方面，可以根據(jù)實(shí)際的工 業(yè)生產(chǎn)能力要求，通過(guò)具有功能化的微反應(yīng)器模塊集成以及數(shù)量的增減達(dá)到控制和調(diào)節(jié)生 產(chǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的最大利用效率，同時(shí)縮短設(shè)備的加工時(shí)間。
[0005] 微通道反應(yīng)器作為微反應(yīng)器中的一類(lèi)，將其運(yùn)用甲烷化反應(yīng)還鮮有報(bào)道。 CN201320593757. 7公開(kāi)了一種用于甲烷化工藝的微通道反應(yīng)器，該微反應(yīng)通道固定在反應(yīng) 器中部的支撐板上，難以消除熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力；CN201110030881. 8公開(kāi)了一種微通道 反應(yīng)器及其合成氣完全甲烷化的方法，該微反應(yīng)器由若干反應(yīng)通道和移熱通道交替平行排 布，反應(yīng)器的壓降較大，同時(shí)難以承受高壓。
[0006] 因此，提高單位體積催化劑生產(chǎn)強(qiáng)度、減小反應(yīng)器的設(shè)備尺寸、縮短氣體在催化劑 表面停留時(shí)間、降低反應(yīng)器壓降損失，提高反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化效率，充分延長(zhǎng)催化劑的使用壽 命，滿足反應(yīng)器大型化的需求是目前亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007] 本實(shí)用新型的目的是提供一種集成化甲烷合成反應(yīng)器，該甲烷合成反應(yīng)器采用微 反應(yīng)通道作為反應(yīng)通道，不僅催化劑使用量少，而且床層壓降低，氣體停留時(shí)間短，反應(yīng)床 空間利用率高、無(wú)氣體偏流和短路現(xiàn)象。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供一種集成化甲烷合成反應(yīng)器，其特征在于，該 甲烷合成反應(yīng)器包括殼體、從所述殼體頂部伸入到殼體內(nèi)部的進(jìn)氣管、從所述殼體底部伸 入到殼體內(nèi)部的出氣管、以及設(shè)置在所述殼體內(nèi)所述進(jìn)氣管下方所述出氣管上方的至少一 個(gè)中心筒；所述中心筒具有中心管，中心管與所述出氣管流體連通；所述中心筒與中心筒 的外壁之間以及中心筒的外壁與所述殼體的內(nèi)壁之間形成有分流環(huán)隙；所述中心筒具有多 個(gè)徑向設(shè)置的微反應(yīng)通道，并且中心筒的筒體內(nèi)外僅通過(guò)該微反應(yīng)通道流體連通；所述進(jìn) 氣管通過(guò)所述分流環(huán)隙與微反應(yīng)通道的微通道反應(yīng)氣體入口連通，微反應(yīng)通道的微通道反 應(yīng)產(chǎn)物出口通過(guò)中心管與出氣管流體連通。
[0009] 優(yōu)選地，所述中心筒的數(shù)量為2-10000個(gè)。
[0010] 優(yōu)選地，所述微反應(yīng)通道的內(nèi)表面負(fù)載有催化活性組分。
[0011] 優(yōu)選地，所述微反應(yīng)通道的直徑從所述微通道反應(yīng)氣體入口向微通道反應(yīng)產(chǎn)物出 口的方向逐漸減小。
[0012] 優(yōu)選地，所述微反應(yīng)通道的直徑在2-50毫米之間。
[0013] 優(yōu)選地，所述微通道反應(yīng)氣體入口的直徑與所述微通道反應(yīng)產(chǎn)物出口的直徑的比 值為（1. 1-25) :1。
[0014] 優(yōu)選地，所述多個(gè)徑向設(shè)置的微反應(yīng)通道的內(nèi)部空間的總體積為所有中心筒的總 體積的30% -90%。
[0015] 優(yōu)選地，所述微反應(yīng)通道為選自錐形管、喇叭形管和Y形管中的其中一種。
[0016] 優(yōu)選地，所述進(jìn)氣管的下部設(shè)置有至少一個(gè)用于分布送入所述反應(yīng)器的反應(yīng)氣的 氣體分布器。
[0017] 優(yōu)選地，所述分流環(huán)隙的頂端設(shè)有開(kāi)口并與所述進(jìn)氣管流體連通，所述分流環(huán)隙 的底端密閉。
[0018] 優(yōu)選地，所述中心筒的底部與所述殼體的底部之間設(shè)置有隔熱材料區(qū)。
[0019] 通過(guò)上述技術(shù)方案，（結(jié)合技術(shù)方案、工作原理等描述本實(shí)用新型的有益效果）。
[0020] 本實(shí)用新型提供的甲烷合成反應(yīng)器與現(xiàn)有甲烷合成反應(yīng)器相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0021] 1、甲烷化反應(yīng)是體積縮小的快速?gòu)?qiáng)放熱反應(yīng)，采用涂覆含有甲烷化反應(yīng)催化活性 組分的錐形管微通道反應(yīng)器，隨著反應(yīng)物從錐形管較大直徑端向較小直徑端流動(dòng)，反應(yīng)通 道越來(lái)越小，增大了甲烷化反應(yīng)向產(chǎn)物方向轉(zhuǎn)化的推動(dòng)力，由于氣體流速越來(lái)越大，使得產(chǎn) 物氣體在微反應(yīng)通道中的停留時(shí)間較短；
[0022] 2、采用涂覆甲烷化反應(yīng)催化活性組分于微反應(yīng)通道內(nèi)表面，活性金屬使用量為同 等處理能力常規(guī)固定床反應(yīng)器所用量的5% -25%，有效地降低了催化劑生產(chǎn)成本；
[0023] 3、由于反應(yīng)氣體在反應(yīng)器中停留時(shí)間較短，延長(zhǎng)了催化劑的使用壽命（壽命可以 提高15% -25% )，床層壓降較同處理量的徑向反應(yīng)器低（50% -85% );
[0024] 4、該反應(yīng)器由若干大小相同的中心筒（微反應(yīng)束）構(gòu)成的催化反應(yīng)區(qū)，每一個(gè)微 反應(yīng)束由若干相同大小的微錐形反應(yīng)通道構(gòu)成的徑向反應(yīng)區(qū)域，無(wú)反應(yīng)死區(qū)和氣體的偏流 現(xiàn)象，床層的溫度較為均勻，不會(huì)出現(xiàn)熱點(diǎn)，充分保證了整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的平穩(wěn)運(yùn)行；
[0025]5、該反應(yīng)器的原料轉(zhuǎn)化率高，目標(biāo)產(chǎn)物CH4的選擇性超過(guò)95 %，單位反應(yīng)器生產(chǎn)強(qiáng) 度較常規(guī)固定床、流化床高；
[0026] 6、可以根據(jù)實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)能力要求，通過(guò)具有功能化的微反應(yīng)通道模塊集成以 及數(shù)量的增減達(dá)到控制和調(diào)節(jié)生產(chǎn)，有利于實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的最大利用效率，無(wú)明顯放大效應(yīng)， 同時(shí)縮短反應(yīng)器的加工時(shí)間，進(jìn)一步降低反應(yīng)器生產(chǎn)成本；
[0027] 7、不僅可以運(yùn)用于煤制替代天然氣和焦?fàn)t煤氣甲烷化工藝，還可用于甲醇合成、 CO變換、費(fèi)托合成等固定床催化放熱反應(yīng)。
[0028] 本實(shí)用新型的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的【具體實(shí)施方式】部分予以詳細(xì)說(shuō)明。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 附圖是用來(lái)提供對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分，與下面 的【具體實(shí)施方式】一起用于解釋本實(shí)用新型，但并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的限制。在附圖中：
[0030] 圖1是本實(shí)用新型提供的甲烷合成反應(yīng)器的一種【具體實(shí)施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031] 圖2是本實(shí)用新型提供的甲烷合成反應(yīng)器的一種【具體實(shí)施方式】的剖視圖（即圖1 中A-A面的剖視圖）；
[0032] 圖3是本實(shí)用新型提供的甲烷合成反應(yīng)器所采用的微反應(yīng)通道的一種具體實(shí)施 方式（錐形管）的示意圖；
[0033] 圖4是本實(shí)用新型提供的甲烷合成反應(yīng)器所采用的微反應(yīng)通道的一種具體實(shí)施 方式（喇叭形管）的示意圖；
[0034] 圖5是本實(shí)用新型提供的甲烷合成反應(yīng)器所采用的微反應(yīng)通道的一種具體實(shí)施 方式（Y形管）的示意圖。
[0035] 附圖標(biāo)記說(shuō)明
[0036] 1殼體2進(jìn)氣管3出氣管4中心筒5中心管
[0037] 6分流空隙 7微反應(yīng)通道 8微通道反應(yīng)氣體入口
[0038] 9微通道反應(yīng)產(chǎn)物出口 10隔熱材料區(qū) 11第一氣體分布器
[0039] 12第二氣體分布器
【具體實(shí)施方式】
[0040] 以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處 所描述的【具體實(shí)施方式】?jī)H用于說(shuō)明和解釋本實(shí)用新型，并不用于限制本實(shí)用新型。
[0041] 本實(shí)用新型提供一種集成化甲烷合成反應(yīng)器，其特征在于，該甲烷合成反應(yīng)器包 括殼體1、從所述殼體1頂部伸入到殼體內(nèi)部的進(jìn)氣管2、從所述殼體1底部伸入到殼體內(nèi) 部的出氣管3、以及設(shè)置在所述殼體1內(nèi)所述進(jìn)氣管2下方所述出氣管3上方的至少一個(gè)中 心筒4;所述中心筒4具有中心管5,中心管5與所述出氣管3流體連通；所述中心筒4與中 心筒4的外壁之間以及中心筒4的外壁與所述殼體1的內(nèi)壁之間形成有分流環(huán)隙6;所述中 心筒4具有多個(gè)徑向設(shè)置的微反應(yīng)通道7,并且中心筒4的筒體內(nèi)外僅通過(guò)該微反應(yīng)通道7 流體連通；所述進(jìn)氣管2通過(guò)所述分流環(huán)隙6與微反應(yīng)通道7的微通道反應(yīng)氣體入口 8連 通，微反應(yīng)通道7的微通道反應(yīng)產(chǎn)物出口 9通過(guò)中心管5與出氣管3流體連通。
[0042] 根據(jù)本實(shí)用新型的一種【具體實(shí)施方式】，所述中心筒4可以由密封連接的頂部密封 板、底部密封板和側(cè)壁構(gòu)成，其內(nèi)可以空心，可以實(shí)心，只要能夠容納微反應(yīng)通道7即可。所 述中