一種合成氣甲烷化的流化床反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種合成氣甲烷化的流化床反應(yīng)器，一種合成氣甲烷化的流化床反應(yīng)器，所述流化床反應(yīng)器包括反應(yīng)器筒體，所述反應(yīng)器筒體包括湍流段和擴(kuò)大段，所述擴(kuò)大段通過圓臺與所述湍流段連接，其特征在于，所述反應(yīng)器筒體還包括移動床段，所述移動床段由多孔支撐板與所述擴(kuò)大段分隔開來并且設(shè)有催化劑入口和催化劑出口。所述反應(yīng)器還包括換熱構(gòu)件和擋板構(gòu)件。本實(shí)用新型的新型流化床反應(yīng)器既可以快速移出反應(yīng)熱量、有效促進(jìn)原料與催化劑間的傳質(zhì)，同時(shí)顯著提高合成氣的轉(zhuǎn)化率，并副產(chǎn)高低壓蒸汽。
【專利說明】一種合成氣甲烷化的流化床反應(yīng)器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及煤制天然氣【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種合成氣甲烷化的流化床反應(yīng)器。

【背景技術(shù)】
[0002]我國富煤、少油、貧氣。優(yōu)化利用相對豐富的煤炭資源(特別是劣質(zhì)碎煤)制代用天然氣(SNG)，不僅可以緩解我國天然氣供應(yīng)不足的局面，彌補(bǔ)天然氣供需缺口，對于實(shí)現(xiàn)油氣資源的多元化、能源安全、節(jié)能減排等方面具有戰(zhàn)略性意義。
[0003]煤制SNG的技術(shù)基礎(chǔ)是甲烷化反應(yīng)。所謂甲烷化反應(yīng)通常是指CO或CO2在催化劑作用下加氫生成CH4和H2O的強(qiáng)放熱反應(yīng)。反應(yīng)熱的移出是甲烷化反應(yīng)器設(shè)計(jì)的核心問題之一。
[0004]目前，甲烷化反應(yīng)器技術(shù)一般分為固定床(特別是絕熱固定床)，流化床或固定床與流化床組合反應(yīng)技術(shù)。中國專利申請CN1957076A及美國專利US3967936公開固定床反應(yīng)器的甲烷化裝置。固定床甲烷化反應(yīng)器技術(shù)一般采用外置或內(nèi)置換熱器方式移出反應(yīng)熱。然而固定床反應(yīng)器技術(shù)所需的設(shè)備較多，工藝復(fù)雜，熱利用率低，催化劑處于一種不均勻溫度，對催化劑的制備要求較高。流化床反應(yīng)器甲烷化技術(shù)則具有熱量傳遞較快，傳遞效果較好等優(yōu)點(diǎn)。
[0005]中國專利CN1960954B公開了一種基于流化床反應(yīng)器的甲烷化反應(yīng)工藝，盡管該工藝技術(shù)取熱方式較新穎，依賴于原料氣中附加的芳香烴熱化學(xué)反應(yīng)和重整吸熱來平衡，但增加了后續(xù)產(chǎn)品分離設(shè)備和操作費(fèi)用，而且消耗苯、甲苯或萘等高價(jià)值的物質(zhì)取熱并不具有顯著的經(jīng)濟(jì)性和普適性。
[0006]中國專利申請CN102600771A公開了一種用于含H2和CO混合氣甲烷化流化床反應(yīng)器及方法，該甲烷化流化床工藝通過直接使用冷卻水和低溫原料氣與產(chǎn)品氣分段直接接觸，有效解決了床層內(nèi)部的飛溫現(xiàn)象，抑制催化劑在高溫下的燒結(jié)。但由于水是甲烷化的反應(yīng)產(chǎn)物之一，直接使用水將不利于甲烷化反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)整個反應(yīng)工藝必然產(chǎn)生大量需要處理的廢水，環(huán)保壓力較大。
[0007]中國專利CN102180757B公開了一種通道式循環(huán)流化床反應(yīng)器用于甲烷化反應(yīng)，核心是在通道反應(yīng)器器壁上涂覆Ni基甲烷化催化劑，合成氣攜帶吸附劑CaO和MgO進(jìn)入通道式反應(yīng)器充分接觸反應(yīng)，其CO轉(zhuǎn)化率略低。而且，該反應(yīng)技術(shù)較難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，對甲烷化這樣的大宗產(chǎn)品生產(chǎn)不太適用。
[0008]中國專利申請CN102773051A提出了一種磁場環(huán)境作用下流化床合成氣甲烷化的方法，利用磁場強(qiáng)化氣固傳熱傳質(zhì)，提高一氧化碳轉(zhuǎn)化率和甲烷收率。但由于甲烷化反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱的移出是反應(yīng)工藝的重要組成部分，但該專利并沒有提及如何解決換熱問題。
[0009]一般地，流化床反應(yīng)器內(nèi)存在氣固返混現(xiàn)象，從而影響氣固接觸效果，進(jìn)而影響到合成氣甲烷化等這類快速反應(yīng)的反應(yīng)結(jié)果，以致流化床對合成氣的轉(zhuǎn)化率相對較低。而且，合成氣甲烷化反應(yīng)為強(qiáng)放熱反應(yīng)，如何迅速移出反應(yīng)熱倍受關(guān)注?？傊绾瓮瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)流化床的高效換熱及高度轉(zhuǎn)化仍是流化床反應(yīng)器甲烷化技術(shù)的難點(diǎn)，也正是本實(shí)用新型的出發(fā)點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本實(shí)用新型的目的在于提供一種新型甲烷化流化床反應(yīng)器裝置，該裝置集成了流化床與移動床功能，可以同時(shí)解決流化床的高效換熱及高度轉(zhuǎn)化等問題。
[0011]本實(shí)用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0012]本實(shí)用新型提供了一種甲烷化流化床反應(yīng)器，所述流化床反應(yīng)器包括反應(yīng)器筒體，所述反應(yīng)器筒體包括湍流段和擴(kuò)大段，所述擴(kuò)大段通過圓臺與所述湍流段連接，其特征在于，所述反應(yīng)器筒體還包括移動床段，所述移動床段由多孔支撐板與所述擴(kuò)大段分隔開來并且設(shè)有催化劑入口和催化劑出口。
[0013]在本實(shí)用新型的一個優(yōu)選實(shí)施方案中，所述擴(kuò)大段反應(yīng)器筒體的直徑是湍流段的2-5倍。由于湍流段與擴(kuò)大段的直徑不等，二者之間形成圓臺，所述圓臺的高度為湍流段反應(yīng)器筒體直徑的1/3-4/5。移動床段反應(yīng)器筒體的直徑與擴(kuò)大段的相同。所述反應(yīng)器筒體的湍流段、擴(kuò)大段和移動床段是沿豎直方向自下而上依次設(shè)置的。
[0014]在本實(shí)用新型的另一個優(yōu)選實(shí)施方案中，所述反應(yīng)器還包括位于湍流段和擴(kuò)大段的換熱內(nèi)構(gòu)件，例如中心軸換熱管和/或內(nèi)壁換熱構(gòu)件。所述中心軸換熱管可以具有任意形狀，如直管、扁管、螺旋扭曲扁管和內(nèi)置扭帶圓管，優(yōu)選地直管；并且例如可以另外具有垂直于中心軸的區(qū)段，該區(qū)段例如沿著多孔支撐板延伸至反應(yīng)器之外，由此中心軸換熱管中的換熱介質(zhì)可被引入引出反應(yīng)器。所述內(nèi)壁換熱構(gòu)件靠近反應(yīng)器的內(nèi)壁設(shè)置，并可以具有常規(guī)換熱器的任意形狀，如螺旋管形、U型管形、波紋管型等。優(yōu)選地，所述反應(yīng)器還包括位于移動床段的換熱構(gòu)件。所述換熱構(gòu)件可以包括沿著中心軸和/或靠近內(nèi)壁的區(qū)段。原料氣，即CO或CO2和H2的混合氣，從反應(yīng)器底部進(jìn)入，與位于湍流段、擴(kuò)大段和移動床段的催化劑先后接觸后進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，所產(chǎn)生的反應(yīng)熱部分地由上述換熱構(gòu)件分別帶出；換熱介質(zhì)可以為水、導(dǎo)熱油、煙道氣。通過換熱介質(zhì)可以直接或間接副產(chǎn)高低壓蒸汽等。
[0015]在本實(shí)用新型的另一個優(yōu)選實(shí)施方案中，所述反應(yīng)器還包括位于擴(kuò)大段、與中心軸換熱管連接的擋板構(gòu)件。優(yōu)選地，所述擋板構(gòu)件的總數(shù)為至少一個，其形狀是開口朝下的空心截頭圓錐形，其與換熱管的夾角為50-70°，所述截頭圓錐形的擋板構(gòu)件的斜邊長度(即沿著圓錐體的側(cè)面延伸的長度)為湍流段反應(yīng)器筒體直徑的1/8-1/3，所述截頭圓錐形的擋板構(gòu)件的上緣與所述圓臺的上緣的距離為湍流段反應(yīng)器筒體直徑的1.0-1.5倍。該擋板的作用是使得部分催化劑(如顆粒尺寸較大的催化劑)返混，以免進(jìn)入移動床段。
[0016]在本實(shí)用新型的另一個優(yōu)選實(shí)施方案中，所述反應(yīng)器還包括至少一個位于所述移動床段的擋板構(gòu)件。優(yōu)選地，當(dāng)移動床段催化劑入口高于催化劑出口時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)移動床段催化劑的流動功能，所述擋板構(gòu)件的一部分或者其中一個靠近移動床段的催化劑入口并與反應(yīng)器的內(nèi)壁相連，所述擋板構(gòu)件的另一部分或者另一個靠近移動床段的催化劑出口并與反應(yīng)器的內(nèi)壁及多孔支撐板相連，并且優(yōu)選地，前者的安裝位置高于后者的安裝位置，以使催化劑更易流動。催化劑從移動床段的催化劑入口加入，在所述移動床段擋板構(gòu)件的作用下流經(jīng)多室，然后從該段反應(yīng)器筒體的另一側(cè)出口移出。
[0017]在本實(shí)用新型的另一個優(yōu)選實(shí)施方案中，所述反應(yīng)器還包括氣體分布器，其位于反應(yīng)器筒體內(nèi)并設(shè)置于反應(yīng)器筒體的湍流段之下。在一定的壓力下，原料氣從反應(yīng)器筒體底部進(jìn)入反應(yīng)器，經(jīng)由氣體分布器使湍流段的催化劑處于湍流流化狀態(tài)，接著催化劑與未反應(yīng)完全的混合氣進(jìn)入擴(kuò)大段，隨后部分較細(xì)催化劑與混合氣經(jīng)由多孔支撐板從擴(kuò)大段進(jìn)入移動床段。
[0018]在本實(shí)用新型的另一個優(yōu)選實(shí)施方案中，所述反應(yīng)器還包括用于分離氣體和催化劑的氣固分離器，如旋風(fēng)分離器，其可位于反應(yīng)器筒體外并與移動床段的頂部連通。優(yōu)選地，氣固分離器還通過催化劑輸送管與反應(yīng)器筒體湍流段連通。優(yōu)選地，氣固分離器位于反應(yīng)器的上方，該分離器分離從移動床段帶出的催化劑，并優(yōu)選地將分離出的催化劑通過氣固分離器的催化劑輸送管加入湍流段；氣固分離器還設(shè)有產(chǎn)品氣體出口，用于收集氣體產(chǎn)品O
[0019]在本實(shí)用新型流化床反應(yīng)器的一個優(yōu)選實(shí)施方案中，甲烷化反應(yīng)的高度轉(zhuǎn)化和高效換熱是如下實(shí)現(xiàn)的:
[0020](I)首先，原料氣，即CO或CO2和H2的混合氣，從反應(yīng)器筒體底部進(jìn)入反應(yīng)器，經(jīng)由氣體分布器使催化劑處于湍流流化狀態(tài)，進(jìn)入湍流段，此時(shí)原料氣與催化劑顆粒接觸并進(jìn)行部分反應(yīng)得到混合反應(yīng)氣；
[0021](2)進(jìn)入擴(kuò)大段后，混合反應(yīng)氣中未轉(zhuǎn)化的原料氣與催化劑進(jìn)一步反應(yīng)，隨后所述經(jīng)進(jìn)一步反應(yīng)的混合反應(yīng)氣與部分較細(xì)的催化劑經(jīng)由多孔支撐板進(jìn)入移動床段，而設(shè)于擴(kuò)大段的擋板使得部分催化劑返混；
[0022](3)進(jìn)入移動床段后，催化劑從移動床段的催化劑入口加入，經(jīng)移動床段的擋板流經(jīng)多室，然后從該段反應(yīng)器筒體的另一側(cè)出口移出，而來自擴(kuò)大段的混合反應(yīng)氣往上流經(jīng)移動床段，與催化劑呈錯流狀態(tài)；經(jīng)移動床段后，原料氣基本達(dá)到完全轉(zhuǎn)化；
[0023](4)將移動床段的甲烷化反應(yīng)后的氣體及較細(xì)的催化劑經(jīng)氣固分離器分離，分離出的催化劑通過氣固分離器的催化劑輸送管加入湍流段，分離出的氣體經(jīng)后續(xù)處理得到純凈的甲烷氣體。
[0024](5)合成氣甲烷化的換熱發(fā)生于上述位于湍流段和擴(kuò)大段的中心軸換熱管與內(nèi)壁換熱構(gòu)件、以及位于移動床段的換熱構(gòu)件。
[0025]本實(shí)用新型的流化床反應(yīng)器采用多段換熱及中心軸換熱管換熱，迅速移出甲烷化反應(yīng)所產(chǎn)生大量的熱量；利用擴(kuò)大段上方引入移動床段，可實(shí)現(xiàn)將原料氣基本全部轉(zhuǎn)化?？傊摷淄榛骰卜磻?yīng)器既可以快速移出反應(yīng)熱量、有效促進(jìn)原料與催化劑間的傳質(zhì)，同時(shí)顯著提高合成氣的轉(zhuǎn)化率，并副產(chǎn)高低壓蒸汽。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本實(shí)用新型合成氣甲烷化的流化床反應(yīng)器的示意圖。
[0027]附圖標(biāo)記說明:
[0028]1-氣體分布器；2-中心軸換熱管；3-內(nèi)壁換熱構(gòu)件；4 -擋板構(gòu)件；5 -催化劑入口 ；6_催化劑出口 ；7 -擋板構(gòu)件；8_換熱構(gòu)件；9_旋風(fēng)分離器；及10-催化劑輸送管。

【具體實(shí)施方式】
[0029]為了更好地說明本實(shí)用新型，便于理解本實(shí)用新型的技術(shù)方案，本實(shí)用新型的典型但非限制性的實(shí)施例如下。
[0030]實(shí)施例1合成氣甲烷化的流化床反應(yīng)器
[0031]本實(shí)用新型的流化床反應(yīng)器裝置包括流化床反應(yīng)器筒體、氣體分布器1、中心軸換熱管2、內(nèi)壁換熱構(gòu)件3和位于移動床段的換熱構(gòu)件8、與中心軸換熱器2連接的位于擴(kuò)大段的擋板構(gòu)件4、位于移動床段的擋板構(gòu)件7、催化劑入口 5和催化劑出口 6、旋風(fēng)分離器9及催化劑輸送管10。所述流化床反應(yīng)器筒體包括三段，下部分為湍流段，中間部分為擴(kuò)大段，上部分為移動床段。
[0032]其中，湍流段與擴(kuò)大段所形成的圓臺的高度為湍流段反應(yīng)器筒體直徑的2/3，擴(kuò)大段反應(yīng)器筒體的直徑是湍流段的2.5倍，移動床段反應(yīng)器筒體的直徑與擴(kuò)大段的相同。
[0033]其中，擋板構(gòu)件4呈截頭圓錐形，并與中心軸換熱管2連接，并與該換熱管所形成的夾角為55°，該截頭圓錐形擋板構(gòu)件的斜邊長度為湍流段反應(yīng)器筒體直徑的1/6，擋板構(gòu)件4上緣與圓臺上緣的距離為湍流段反應(yīng)器筒體的直徑的1.1倍。
[0034]原料氣經(jīng)氣體分布器I后使催化劑處于湍流流化狀態(tài)，反應(yīng)后的氣體與較細(xì)的催化劑經(jīng)旋風(fēng)分離器9進(jìn)行氣固分離。甲烷化反應(yīng)所產(chǎn)生的反應(yīng)熱由中心軸換熱管2與內(nèi)壁換熱構(gòu)件3和換熱構(gòu)件8中的換熱介質(zhì)帶出。
[0035]移動床段的催化劑由反應(yīng)器筒體的一側(cè)的催化劑入口 5加入，在擋板構(gòu)件7的作用下流經(jīng)多室，然后從反應(yīng)器筒體的另一側(cè)的催化劑出口 6移出；而來自擴(kuò)大段的混合反應(yīng)氣往上流經(jīng)移動床段，與催化劑呈錯流狀態(tài)；經(jīng)移動床段后，原料氣基本達(dá)到完全轉(zhuǎn)化。
[0036]實(shí)施例2合成氣甲烷化的流化床反應(yīng)器
[0037]與實(shí)施例1類似。區(qū)別在于湍流段與擴(kuò)大段所形成的圓臺的高度為湍流段反應(yīng)器筒體直徑的4/5 ;以及，擋板構(gòu)件4與中心軸換熱管2所形成的夾角為65°，該擋板構(gòu)件的斜邊長度為湍流段反應(yīng)器筒體直徑的1/3 ;擋板構(gòu)件4上緣與圓臺上緣的距離為湍流段反應(yīng)器筒體的直徑的1.4倍。還有，擴(kuò)大段反應(yīng)器筒體的直徑是湍流段的4.5倍，移動床段反應(yīng)器筒體的直徑與擴(kuò)大段的相同。
[0038]盡管本實(shí)用新型已進(jìn)行了一定程度的描述，明顯地，在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍的條件下，可進(jìn)行各個條件的適當(dāng)變化。可以理解，本實(shí)用新型不限于所述實(shí)施方案，而歸于權(quán)利要求的范圍，其包括所述每個要素的等同替換。
【權(quán)利要求】
1.一種合成氣甲烷化的流化床反應(yīng)器，所述流化床反應(yīng)器包括反應(yīng)器筒體，所述反應(yīng)器筒體包括湍流段和擴(kuò)大段，所述擴(kuò)大段通過圓臺與所述湍流段連接，其特征在于，所述反應(yīng)器筒體還包括移動床段，所述移動床段由多孔支撐板與所述擴(kuò)大段分隔開來并且設(shè)有催化劑入口和催化劑出口。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流化床反應(yīng)器，其特征在于，所述擴(kuò)大段反應(yīng)器筒體的直徑是所述湍流段的2-5倍；所述移動床段反應(yīng)器筒體的直徑與擴(kuò)大段的相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流化床反應(yīng)器，其特征在于，所述圓臺的高度為所述湍流段反應(yīng)器筒體直徑的1/3-4/5。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的流化床反應(yīng)器，其特征在于，所述反應(yīng)器還包括位于湍流段和擴(kuò)大段的中心軸換熱管(2)和/或內(nèi)壁換熱構(gòu)件(3)、和/或位于移動床段的換熱構(gòu)件⑶。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的流化床反應(yīng)器，其特征在于，所述反應(yīng)器還包括至少一個位于擴(kuò)大段的擋板構(gòu)件(4)，該擋板構(gòu)件與所述中心軸換熱管(2)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的流化床反應(yīng)器，其特征在于，所述擋板構(gòu)件(4)的形狀是開口朝下的空心截頭圓錐，所述擋板構(gòu)件(4)與所述換熱管的夾角為50-70°。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的流化床反應(yīng)器，其特征在于，所述截頭圓錐形擋板構(gòu)件(4)的斜邊長度為湍流段反應(yīng)器筒體直徑的1/8-1/3，所述擋板構(gòu)件(4)的上緣與所述圓臺的上緣的距離為湍流段反應(yīng)器筒體的直徑的1.0-1.5倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的流化床反應(yīng)器，其特征在于，所述反應(yīng)器還包括至少一個位于所述移動床段的擋板構(gòu)件(7)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的流化床反應(yīng)器，其特征在于，所述擋板構(gòu)件(7)的一部分或者其中一個靠近所述移動床段的催化劑入口并與所述反應(yīng)器筒體的內(nèi)壁相連，所述擋板構(gòu)件(7)的另一部分或者另一個靠近所述移動床段的催化劑出口并與所述反應(yīng)器筒體的內(nèi)壁及所述多孔支撐板相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的流化床反應(yīng)器，其特征在于，所述反應(yīng)器還包括:位于所述反應(yīng)器筒體內(nèi)并設(shè)置于所述反應(yīng)器筒體的湍流段之下的氣體分布器(I);和用于分離氣體和催化劑的氣固分離器，該氣固分離器位于所述反應(yīng)器筒體外并且與所述移動床段的頂部和所述湍流段連通。
【文檔編號】C10L3/08GK204182372SQ201420568058
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月29日
【發(fā)明者】李春啟, 鄭進(jìn)保, 湯俊麗, 張諾偉, 梅長松, 陳秉輝, 劉學(xué)武, 左玉幫, 郜捷 申請人:大唐國際化工技術(shù)研究院有限公司, 廈門大學(xué)