[发明专利]绝热反应器和在该绝热反应器中产生富甲烷气的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种特定的绝热反应器，以及涉及用于在该特定的绝热反应器中产生富甲烷气的方法和系统。

背景技术

甲烷化反应是一种氢气与一氧化碳和/或二氧化碳进行催化反应以产生富甲烷气的催化反应。该富甲烷气有时还被称为合成天然气(SNG)，而且可被用作天然气的替代气体。在有很少可用天然气的区域中，其它能量源(诸如煤或石油焦炭)可在气化工艺中被部分氧化，以产生包括氢气和一氧化碳的气体。这种包含氢气和一氧化碳的气体有时也被称为合成气。合成气随后可用来在甲烷化工艺中产生合成天然气(SNG)。

在存在合适的甲烷化催化剂的情况下，根据下述方程进行甲烷化反应：

CO+3H₂＝CH₄+H₂O+热量     (1)

CO+4H₂＝CH₄+2H₂O+热量    (2)

在反应期间形成的水随后可依靠存在的催化剂、温度和浓度而根据下述方程在水煤气变换反应中与一氧化碳进行就地反应：

CO+H₂O＝CH₄+H₂+热量      (3)

反应(1)被认为是主要反应，而反应(2)和(3)被认为是副反应。所有反应都是放热的。

甲烷化反应可在一个或多个绝热反应器中进行。由于在一个绝热反应器中仅可能进行部分转化，所以传统地将一系列绝热反应器用于甲烷化工艺中。

由于甲烷化反应是放热的，反应混合物的温度在通过绝热反应器期间将升高。甲烷化反应是可逆的，升高的温度将趋于使平衡朝向较低产率(yield)移动。在使用一系列绝热反应器时，绝热反应器的流出物因此在进入随后的绝热反应器之前被冷却，例如通过使用外部热交换器进行冷却。另外，第一绝热反应器中的温度升高传统地通过用含有甲烷的蒸汽来稀释进入第一绝热反应器的进料流来进行限制。为了该目的，在第一绝热反应器中产生的包括富甲烷气的产品流的相当大部分被冷却并被再循环。例如，进入第一绝热反应器的进料流可与含有甲烷气的再循环流相混合，其中再循环流与进料流的体积比大约与6∶1一样高。

由于该大的再循环流，大量的气体需要经过第一绝热反应器。另外，第一绝热反应器需要额外的体积来提供反应物的点火和启动反应。结果，用于产生富甲烷气的一系列绝热反应器中的第一绝热反应器传统地具有大的反应器体积，该体积可与大约600立方米或700立方米一样高。

在传统的甲烷化工艺中，由于在第一绝热反应器中达到最高反应温度，第一绝热反应器还要求最高的冶金成本。其尺寸和冶金要求的组合使得第一绝热反应器是用于生产富甲烷气的一系列绝热反应器中最贵的反应器。

传统甲烷化工艺的一个实例在标题为“Haldor Topsφe’s Recycle Energy-efficient methanation process(Haldor Topsφe的再生节能甲烷化工艺)”的报导中提供，该报道可从Haldor Topsφe的网站www.topsoe.com获得。在该报道的第四页中说明的甲烷化工艺中，包括氢气和一氧化碳的进料被供给到一系列的三个绝热反应器。在每个绝热反应器之后，反应器流出物在换热器中被冷却，并且第一绝热反应器的反应器流出物被冷却、再循环以及与进料相混合。

GB2018818描述了一种在至少一个绝热操作甲烷化反应器中通过转化预热的合成气流和来自甲烷化反应器的再循环流的组合来制备富甲烷气的工艺。该组合的预热合成气流和再循环流正好在通过甲烷化催化剂之前经过变换催化剂层。

提供一种用于产生富甲烷气的绝热反应器和/或方法或系统将促进本领域发展，其允许人们减小绝热反应器中的一个或多个的反应器体积。还特别有利的是能够减小一系列绝热反应器中的第一绝热反应器的反应器体积，因为第一绝热反应器是最贵的。另外，期望能够减小绝热反应器中的一个或多个的反应器体积，而不升高反应器的入口温度和/或出口温度。

发明内容

利用根据本发明的绝热反应器、方法和/或系统实现上述目的。