[发明专利]一种甲烷合成反应器

说明书

技术领域

本发明涉及甲烷合成领域，特别涉及一种甲烷合成反应器。

背景技术

甲烷合成反应是在高温和有催化剂存在的情况下，气体中CO、CO₂和H₂发生反应，生成CH₄和H₂O。甲烷合成反应是强放热反应，绝热温升的数值大致为：

同时甲烷合成反应的操作温度相对较高，必须及时从反应器内取走反应热，控制反应温度，才能保证反应器的正常运行。为有效地移出大量的反应热，使反应器稳定操作，延长催化剂使用寿命，反应器的结构型式成为甲烷化工艺的核心技术之一。

甲烷化反应主要有两方面的应用：一、在合成氨厂用于气体净化作用，二、制取天然气和城市煤气增加燃气的热值。目前氨厂一般控制甲烷化进口CO浓度＜1％，如何实现甲烷化反应热平衡问题是这类甲烷化反应器设计重点，因此在美国专利US4252771和US4323252以及中国专利CN98240557.X中的换热型甲烷化反应器采用其底部设置有换热面积大的换热器，新鲜气体在反应器内的换热器中与产品气换热升温后再去催化剂床层反应，降低进出气体的温度差，实现反应热利用；而在合成气制甲烷过程，反应气体中CO浓度大于5％，在反应过程会产生大量的热，在其反应器设计过程中更着重如何将反应过程中产生的热量及时有效的移走，防止催化剂飞温，保证反应器安全稳定操作。在美国专利US 4,064,256和丹麦托普索合成气生产天然气工艺(美国专利US 4,298,694、US4,130,573)采用2，3个绝热型反应器串联使用，利用产品气大量循环，移走反应热，降低绝热反应器催化剂床层温度，使强放热的甲烷合成反应在催化剂的使用温度范围内得以充分进行，但是较高的反应器操作温度，给设备的选材和成本造成负担，即使降低反应器操作温度，过大的产品气循环量就会直接增加反应气线速度和催化剂床层高度，导致反应器压降过大和外部循环压缩机功率的增大。因此上述反应器结构还有待于进一步改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术现状而提出一种具有结构合理，制造方便，床层温度均衡、低循环比和连续反应的节能甲烷合成反应器。

本发明所要解决的技术问题采用的技术方案为：

该甲烷合成反应器具有壳体顶部原料进气口、壳体顶部冷激气进气口、反应器承压外壳、反应器顶部密封与上承板形成的缓冲腔、上承板、冷激气分布器、催化剂上下部填料层、催化剂床层、逆流换热管和顺流换热管、催化剂下承板、上升气流和下降气流的连通气腔、催化剂下承板与反应器底部密封形成的缓冲腔、壳体底部产品出气、热电偶安装口等。

所述热电偶位于顺流换热管和逆流换热管间中心位置。

所述反应器中催化剂床层上下部为填料层，填料层优选瓷球或催化剂载体。

本发明的优点在于：在甲烷合成反应器的催化剂床层中，增加了若干顺流逆流换热管，顺流换热管和逆流换热管的横截面面积比通常为0.2/1～4/1，优选0.5/1～2/1，最优选0.7～0.9/1；顺流逆流换热管横截面总面积通常占反应器壳体横截面面积的10％～90％，优选20％～70％，最优选20～50％。

原料气可为合成气和循环产品气的混合气；也可以不用产品气循环。原料气中通常CO的含量为5％～13％、H₂的含量为15％～54％，CH₄含量为0％～78.4％，CO₂含量为0～37％，其他气体含量＜4％。

顺流换热管的上部位于反应器顶部密封与上承板形成的缓冲腔中，逆流换热管的上部位于上承板与催化剂上填料层之间。顺流换热管和逆流换热管的下部通常位于催化剂的下承板与反应器底部密封形成的缓冲腔中，为保证气流通畅及换热效率，优选逆流换热管的下部低于顺流换热管的下部。顺流逆流换热管将甲烷合成反应产生的大量热通过催化剂床层中换热管中的原料气移走，来降低了床层温度，使床层温度分布更均衡；又预热了原料，实现了反应热的有效利用，使强放热的甲烷合成反应在催化剂的使用温度范围内得以充分进行；同时减少产品气的循环量，降低反应器压降和循环压缩机功率。