專利名稱：一種合成氣完全甲烷化反應(yīng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于合成氣甲烷化領(lǐng)域，特別涉及一種合成氣完全甲烷化反應(yīng)裝置。
背景技術(shù)：
合成氣甲烷化反應(yīng)能夠提高燃氣熱量密度，減小燃氣運輸動力消耗和儲運設(shè)備投資，具有更好的經(jīng)濟性。甲烷化反應(yīng)是一個強放熱反應(yīng)，為了保證甲烷化過程的生產(chǎn)效能和操作連續(xù)性，避免床層飛溫造成催化劑燒結(jié)失活而導致無法正常生產(chǎn)，反應(yīng)熱移出方式的工藝設(shè)計成為甲烷化工藝技術(shù)的核心內(nèi)容。CN91106812. 0中公開了德國Lurgi公司與南非SASOL公司共同開發(fā)的多級絕熱固定床反應(yīng)工藝，采用提高水汽比控制反應(yīng)放熱量；US3967936公開了多級串聯(lián)的固定床甲烷化工藝，各反應(yīng)器間配合多個驟冷區(qū)共同使用，用以調(diào)節(jié)各反應(yīng)器所排放的反應(yīng)產(chǎn)品氣溫度。以上過程中單程反應(yīng)產(chǎn)品純度較低，反應(yīng)器需多次循環(huán)，致使工藝操作復雜，熱利用率低，且穩(wěn)定操作范圍窄。湖南化學工業(yè)設(shè)計院申請的CN1071190A和CN1195020A先后公開并優(yōu)化的一種水熱變換反應(yīng)和甲烷化反應(yīng)集成的工藝流程，其甲烷化反應(yīng)器采用外冷列管式固定床反應(yīng)器，冷卻用導熱油移出的反應(yīng)熱用于生產(chǎn)水汽變化反應(yīng)的水蒸氣，該技術(shù)主要用于水煤氣經(jīng)甲烷化反應(yīng)生產(chǎn)城市煤氣，其缺點是原料氣中硫含量需小于Ippm以上方可滿足反應(yīng)要求。為了改善反應(yīng)的耐硫性能，專利CN1718692A公開了一種低壓耐硫的甲烷化生產(chǎn)工藝方法，該技術(shù)的核心部件甲烷化反應(yīng)設(shè)備依然采用了外冷列管式固定床反應(yīng)工藝，反應(yīng)放出的熱量由殼程中導熱油氣化移出?？偟膩砜矗瑑?nèi)置換熱器式固定床反應(yīng)工藝技術(shù)在一定程度上提高了反應(yīng)器熱量移取的速率和裝置產(chǎn)能，相對多級絕熱反應(yīng)工藝來說具有一定的技術(shù)優(yōu)勢。但上述專利技術(shù)的換熱過程均采用了導熱油氣化取熱，其反應(yīng)熱回收利用效率受到了限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于針對甲烷化固定床工藝中由于反應(yīng)傳熱及其回收利用導致的產(chǎn)能較小和工藝復雜等問題，而提供一種合成氣完全甲烷化反應(yīng)裝置以及集成化反應(yīng)方法， 該裝置及方法適用于甲烷化固定床工藝的管殼式反應(yīng)器移熱及同時副產(chǎn)過熱蒸汽的集成化工藝，利用高壓過熱水作為移熱介質(zhì)，通過過熱水相變移熱，并副產(chǎn)高品位過熱蒸汽；該方法可提高傳熱效率，簡化工藝過程，增加裝置產(chǎn)能。為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的合成氣完全甲烷化反應(yīng)裝置，其包括一管殼式反應(yīng)器、一換熱器 2、一汽包8、一補給水泵6、一冷凝器10和一氣液分離器11 ；所述管殼式反應(yīng)器由反應(yīng)器腔體、分別固定于反應(yīng)器腔體內(nèi)腔上部和底部腔壁上的將所述反應(yīng)器腔體分為上部腔室3、中部腔室和底部腔室31三部分的下水平氣體分布板 32’和上水平氣體分布板32，及由列管構(gòu)成的列管陣列組成；所述下水平氣體分布板32’和上水平氣體分布板32上分別開有上下對應(yīng)的一組通孔，列管陣列中的列管33分別裝于所述下水平氣體分布板32’和上水平氣體分布板32的所述通孔上；所述列管33中裝填有甲烷化催化劑4構(gòu)成甲烷化催化反應(yīng)床層；所述列管33與反應(yīng)器腔體之間以及所述列管33 之間留有空隙，所述空隙由中部汽相部分和中部液相部分組成，所述中部液相部分內(nèi)裝有溫度為100至550°C的過熱水換熱介質(zhì)，所述上部汽相部分內(nèi)充滿水蒸汽；所述換熱器2入口與合成氣原料氣氣源相連通，原料氣經(jīng)換熱升溫后由換熱器2 出口通過管道從反應(yīng)器腔體底部進入底部腔室并與所述列管陣列中的所有列管33相連通；所述汽包8底部通過管道與所述空隙的中部液相部分相連通；汽包8上部通過管道與空隙的中部氣相部分相連通；所述補給水泵6通過管道與所述汽包8相連通，并在相連通的管道上安裝一水量調(diào)節(jié)閥7 ；所述冷凝器10底部與所述氣液分離器11頂部相連通；所述冷凝器10下部與所述補給水泵6相連通；所述冷凝器10頂部與所述換熱器2相連通；所述汽包8頂端裝有帶壓力調(diào)節(jié)閥9的過熱蒸汽輸出口管14 ；所述冷凝器10上部裝有冷凝水入口管；所述氣液分離器11頂端裝有合成氣甲烷化后的產(chǎn)物出口管12 ；所述氣液分離器 11底端裝有副產(chǎn)品出口管13。所述列管陣列中相鄰的列管33的軸心呈三角形或矩形排列。所述三角形為正三角形，所述矩形為正方形。所述列管33橫截面形狀為圓形、方形或多邊形。所述列管直徑為lO-lOOmm，管心距為15_150mm。所述列管為鑄造列管或為外壁上添加翅片的列管。 本發(fā)明的合成氣完全甲烷化反應(yīng)裝置，采用管殼式反應(yīng)器實現(xiàn)甲烷化反應(yīng)及反應(yīng)熱量移取，其中管殼式反應(yīng)器內(nèi)部的列管33內(nèi)裝填甲烷化催化劑4構(gòu)成甲烷化催化反應(yīng)床層，反應(yīng)器殼程(即為列管33與反應(yīng)器腔體之間以及列管33之間留有的空隙，)內(nèi)裝有過熱水換熱介質(zhì)；合成氣甲烷化反應(yīng)的原料氣以含有一氧化碳和氫氣的混合氣體作為原料， 首先通過換熱升溫到一定溫度后，由管殼式反應(yīng)器底部進入，經(jīng)氣體分布板后經(jīng)由反應(yīng)器內(nèi)部列管的甲烷化催化反應(yīng)床層上行，在甲烷化催化劑4作用下，含有一氧化碳和氫氣的合成反應(yīng)氣完成甲烷化反應(yīng)，反應(yīng)放出的熱量通過管殼式反應(yīng)器中溫度為100至550°C的過熱水換熱介質(zhì)的相變吸熱帶出反應(yīng)器，并副產(chǎn)過熱蒸汽；甲烷化反應(yīng)出口產(chǎn)物氣體經(jīng)原料氣換熱后進入冷凝器水冷，然后進入氣液分離器實現(xiàn)氣相產(chǎn)物和液相產(chǎn)物分離；整個工藝過程產(chǎn)生的過熱蒸汽可用于外供發(fā)電或供給本反應(yīng)過程中水汽變換反應(yīng)中用于調(diào)節(jié)反應(yīng)原料氣的氫碳比；補給水泵6將冷凝器中輸出的熱水注入汽包8，以保持汽包8中液位高度不變。本發(fā)明的管殼式反應(yīng)器為耐溫耐壓材料的容器，合成氣甲烷化反應(yīng)在常壓或高壓下進行，采用過熱水作為移熱介質(zhì)，通過過熱水部分汽化過程中的相變吸熱，帶走甲烷化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量。本發(fā)明通過調(diào)整管殼式反應(yīng)器的列管直徑和數(shù)目，或者通過修飾列管外壁性狀等，增大換熱面積，提高反應(yīng)裝置的產(chǎn)能和效率。本發(fā)明還可以通過調(diào)整移熱介質(zhì)的溫度和壓力，實現(xiàn)不同生產(chǎn)效率下反應(yīng)強放熱的移出。本發(fā)明的移熱介質(zhì)表現(xiàn)出高溫特征，避免了列管與水平氣體分布板連接處存在的較大的溫差應(yīng)力；移熱介質(zhì)還表現(xiàn)出高壓特征，使得過熱水可以緩慢汽化，減小了迅速汽化過程中渦流的振動應(yīng)力。本發(fā)明的技術(shù)效果十分顯著本發(fā)明的合成氣完全甲烷化反應(yīng)裝置，通過過熱水換熱介質(zhì)的相變吸熱，有效提高了傳熱速率和反應(yīng)熱量回收利用的效率，并簡化了工藝過程，增大了反應(yīng)器的操作范圍； 另外，該合成氣完全甲烷化反應(yīng)裝置的管殼式反應(yīng)器移熱方法大大改善了甲烷化固定床工藝中反應(yīng)器的受力狀況，提高了設(shè)備運行可靠性和穩(wěn)定性。


圖1為本發(fā)明合成氣完全甲烷化反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為一實施例中列管分布的示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施例進一步描述本發(fā)明。圖1為本實施例的合成氣完全甲烷化反應(yīng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖1可知，本發(fā)明提供的本發(fā)明提供的合成氣完全甲烷化反應(yīng)裝置，其包括一管殼式反應(yīng)器、一換熱器2、 一汽包8、一補給水泵6、一冷凝器10和一氣液分離器11 ；所述管殼式反應(yīng)器由反應(yīng)器腔體、分別固定于反應(yīng)器腔體內(nèi)腔上部和底部腔壁上的將所述反應(yīng)器腔體分為上部腔室3、中部腔室和底部腔室31三部分的下水平氣體分布板 32’和上水平氣體分布板32，及由列管構(gòu)成的列管陣列組成；所述下水平氣體分布板32’和上水平氣體分布板32上分別開有上下對應(yīng)的一組通孔，列管陣列中的列管33分別裝于所述下水平氣體分布板32’和上水平氣體分布板32的所述通孔上；所述列管33中裝填有甲烷化催化劑4構(gòu)成甲烷化催化反應(yīng)床層；所述列管33與反應(yīng)器腔體之間以及所述列管33 之間留有空隙，所述空隙由中部汽相部分和中部液相部分組成，所述中部液相部分內(nèi)裝有溫度為100至550°C的過熱水換熱介質(zhì)，所述上部汽相部分內(nèi)充滿水蒸汽；所述換熱器2入口與合成氣原料氣氣源相連通，原料氣經(jīng)換熱升溫后由換熱器2 出口通過管道從反應(yīng)器腔體底部進入底部腔室并與所述列管陣列中的所有列管33相連通；所述汽包8底部通過管道與所述空隙的中部液相部分相連通；汽包8上部通過管道與空隙的中部氣相部分相連通；所述補給水泵6通過管道與所述汽包8相連通，并在相連通的管道上安裝一水量調(diào)節(jié)閥7 ；所述冷凝器10底部與所述氣液分離器11頂部相連通；所述冷凝器10下部與所述補給水泵6相連通；所述冷凝器10頂部與所述換熱器2相連通；所述汽包8頂端裝有帶壓力調(diào)節(jié)閥9的過熱蒸汽輸出口管14 ；
所述冷凝器10上部裝有冷凝水入口管；所述氣液分離器11頂端裝有合成氣甲烷化后的產(chǎn)物出口管12 ；所述氣液分離器 11底端裝有副產(chǎn)品出口管13。所述列管陣列中相鄰的列管33的軸心呈三角形或矩形排列。所述三角形為正三角形，所述矩形為正方形。所述列管33橫截面形狀為圓形、方形或多邊形。所述列管直徑為lO-lOOmm，管心距為15_150mm。所述列管為鑄造列管或為外壁上添加翅片的列管。本實施例的列管陣列中相鄰的列管33的軸心呈正三角形排列排列，其效果最佳。本實施例的列管33橫截面形狀為圓形(當然也可以為方形或多邊形)。本實施例的合成氣為含有一氧化碳和氫氣的混合氣體；本實施例所用甲烷化催化劑4為Ni含量為40_52wt %的氧化鋁負載鎳系甲烷化催化劑。本實施例的列管直徑為20mm，管心距為30mm(可根據(jù)需要將列管直徑控制在 IO-IOOmm,管心距控制在15_150mm之間)。使用本發(fā)明的合成氣完全甲烷化反應(yīng)裝置進行合成氣完全甲烷化集成化反應(yīng)的步驟如下本發(fā)明的反應(yīng)器腔體內(nèi)注入過熱水換熱介質(zhì)5 ；列管內(nèi)裝填氧化鋁負載鎳系甲烷化催化劑4(Μ含量為40-52% )構(gòu)成的甲烷化催化反應(yīng)床層；首先通入氮氣吹掃本發(fā)明裝置，并將吹掃用氮氣逐漸加熱到500°C，使得列管內(nèi)的甲烷化催化反應(yīng)床層溫度升溫到 420 °C后停止吹掃，并保證本發(fā)明的反應(yīng)裝置內(nèi)無氧氣存在；再將氮氣吹掃氣路切換成吹入氫氣，保持氫氣吹入口預(yù)熱溫度為400-45(TC，對列管內(nèi)催化劑4進行活化4- ；催化劑活化完畢后，采用補給水泵6將移熱用水經(jīng)由汽包8注入反應(yīng)器腔體中，期間需要在汽包8入口前采用輔助加熱爐將所述移熱用水預(yù)熱到 300-350°C，可以通過壓力調(diào)節(jié)閥9控制水的溫度為260-300°C，對應(yīng)壓力為4. 7-8. 6MPa，同時待列管33中的催化劑4(甲烷化催化反應(yīng)床層)溫度穩(wěn)定為沈0-觀01后，將含有一氧化碳和氫氣的合成氣由原料氣進口1經(jīng)換熱器2換熱升溫后由管殼式反應(yīng)器底部進入反應(yīng)器列管中；合成原料氣組成為氫氣61.8%，一氧化碳20.2%，氮氣18.0%，經(jīng)換熱器2預(yù)熱升溫后原料氣的反應(yīng)入口溫度為160-240°C，壓力為1.5-3. OMPa，反應(yīng)空速6000-80001^ ； 反應(yīng)開始后，列管33中的催化劑4 (甲烷化催化反應(yīng)床層)快速升溫，調(diào)節(jié)水量調(diào)節(jié)閥7和壓力調(diào)節(jié)閥9，使得列管33中的催化劑4 (甲烷化催化反應(yīng)床層)溫度控制在320-420°C，高壓過熱水5的溫度控制在220-260°C，對應(yīng)過熱蒸汽壓力為2. 3-4. 7MPa ；反應(yīng)系統(tǒng)穩(wěn)定后， 控制列管33中的催化劑4 (甲烷化催化反應(yīng)床層)中心的反應(yīng)溫度為380-390°C，此時一氧化碳的單程轉(zhuǎn)化率為大于99%，甲烷選擇性為78-86%，副產(chǎn)過熱蒸汽壓力為2. 4-2. SMPa ； 所得反應(yīng)產(chǎn)物和原料氣換熱后，經(jīng)冷凝器10繼續(xù)冷卻后進入氣液分離器11，分離得到富含甲烷的氣相產(chǎn)物和含有微量有機物的水溶液分別經(jīng)氣相產(chǎn)物輸出口 12和液相產(chǎn)物輸出口 13進入后續(xù)的凈化工藝。冷凝器10所用的冷凝水出口溫度為40-70°C，用于反應(yīng)器換熱的補給用水；其反應(yīng)過程中副產(chǎn)的過熱蒸汽由過熱蒸汽輸出口 15外供。
權(quán)利要求
1.一種合成氣完全甲烷化反應(yīng)裝置，其包括一管殼式反應(yīng)器、一換熱器O)、一汽包 (8)、一補給水泵(6)、一冷凝器(10)和一氣液分離器(11)；所述管殼式反應(yīng)器由反應(yīng)器腔體、分別固定于反應(yīng)器腔體內(nèi)腔上部和底部腔壁上的將所述反應(yīng)器腔體分為上部腔室(3)、中部腔室和底部腔室(31)三部分的上水平氣體分布板 (32)和下水平氣體分布板(32’)，及由列管構(gòu)成的列管陣列組成；所述下水平氣體分布板 (32’)和上水平氣體分布板(3 上分別開有上下對應(yīng)的一組通孔，列管陣列中的列管(33) 分別裝于所述下水平氣體分布板(32’ )和上水平氣體分布板(3 的所述通孔上；所述列管(33)中裝填有甲烷化催化劑(4)構(gòu)成甲烷化催化反應(yīng)床層；所述列管(33)與反應(yīng)器腔體之間以及所述列管(3 之間留有空隙，所述空隙由中部汽相部分和中部液相部分組成， 所述中部液相部分內(nèi)裝有溫度為100至550°C的過熱水換熱介質(zhì)，所述上部汽相部分內(nèi)充滿水蒸汽；所述換熱器( 入口與合成氣原料氣氣源相連通，原料氣經(jīng)換熱升溫后由換熱器(2) 出口通過管道從反應(yīng)器腔體底部進入底部腔室并與所述列管陣列中的所有列管(3 相連通；所述汽包(8)底部通過管道與所述空隙的中部液相部分相連通；汽包(8)上部通過管道與空隙的中部氣相部分相連通；所述補給水泵(6)通過管道與所述汽包(8)相連通，并在相連通的管道上安裝一水量調(diào)節(jié)閥(7)；所述冷凝器(10)底部與所述氣液分離器(11)頂部相連通；所述冷凝器(10)下部與所述補給水泵(6)相連通；所述冷凝器(10)頂部與所述換熱器( 相連通；所述汽包⑶頂端裝有帶壓力調(diào)節(jié)閥(9)的過熱蒸汽輸出口管(14)；所述冷凝器(10)上部裝有冷凝水入口管；所述氣液分離器(11)頂端裝有合成氣甲烷化后的產(chǎn)物出口管(1 ；所述氣液分離器 (11)底端裝有副產(chǎn)品出口管(13)。
2.按權(quán)利要求1所述的合成氣完全甲烷化反應(yīng)裝置，其特征在于，所述列管陣列中相鄰的列管(3 的軸心呈三角形或矩形排列。
3.按權(quán)利要求2所述的合成氣完全甲烷化反應(yīng)裝置，其特征在于，所述三角形為正三角形，所述矩形為正方形。
4.按權(quán)利要求1所述的合成氣完全甲烷化反應(yīng)裝置，其特征在于，所述列管(3 橫截面形狀為圓形、方形或多邊形。
5.按權(quán)利要求1所述的合成氣完全甲烷化反應(yīng)裝置，其特征在于，所述列管(3 直徑為 lO-lOOmm，管心距為 15_150mm。
6.按權(quán)利要求1所述的合成氣完全甲烷化反應(yīng)裝置，其特征在于，所述列管(33)為鑄造列管或為外壁上添加翅片的列管。
全文摘要
一種合成氣完全甲烷化管殼反應(yīng)裝置，其由管殼式反應(yīng)器、換熱器、汽包、補給水泵、冷凝器和氣液分離器組成，反應(yīng)器內(nèi)的列管中裝填催化劑，殼程為用于移熱的過熱水；甲烷化反應(yīng)放出的熱量通過反應(yīng)器殼程中高壓過熱水的相變吸熱帶出裝置，產(chǎn)生的蒸汽進入汽包實現(xiàn)氣液平衡后，可直接產(chǎn)生過熱蒸汽外供；通過控制過熱蒸汽平衡壓力調(diào)控反應(yīng)器列管內(nèi)催化劑床層溫度；反應(yīng)產(chǎn)物出口氣體和原料氣換熱后繼續(xù)冷凝，通過氣液分離器實現(xiàn)氣相產(chǎn)物和液相產(chǎn)物分離，本裝置可實現(xiàn)合成氣完全甲烷化反應(yīng)的連續(xù)穩(wěn)定運行，利用高溫高壓下相變傳熱方式，可有效提高傳熱效能和控制反應(yīng)床層溫度，擴展了合成氣完全甲烷化反應(yīng)的操作范圍，并可有效回收利用反應(yīng)放熱。
文檔編號C07C9/04GK102234213SQ20101015492
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月20日
發(fā)明者余劍, 岳君容, 李強, 汪印, 董利, 許光文, 高士秋 申請人:中國科學院過程工程研究所