专利名称：适用于气相放热反应的反应器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于气相放热反应的反应器，特别涉及一种适用于由合成气制 备甲烷的反应器。
背景技术：
由合成气制备甲烷是一种强放热反应，其反应方程如下
CO + 3H2 ο CH4 + H2O - 206.3KJ / mol
CO2 + AH1 CHa + IH2O -\65.\KJ/mol该反应的特点是可逆、放热、体积缩小。催化剂一般为镍系催化剂、反应压力 3MPa 7MPa、反应温度250°C 650°C，反应速度快。目前，用于合成气制备甲烷的反应器多为固定床绝热反应器。其存在的缺陷是 (1)为提高一氧化碳的转化率，需将多个固定床绝热反应器串联使用。换言之，单个固定床 绝热反应器的一氧化碳的转化率不高。(2)因反应温度较高，为防止所用固定床绝热反应器 的外筒体超温，一般在其内需内衬一层隔热层(厚度约为250mm 300mm)。由于隔热层的 存在，减少了催化剂装填的有效体积。此外，现有由合成气制备甲烷生产工艺中需要多个固 定床绝热反应器串联使用，导致整个流程中必须有多台换热器移走反应热，工艺路线复杂。鉴于此，研制一种新型的适用于气相放热反应(特别适用于由合成气制备甲烷) 的反应器成为本发明需要解决的技术问题。
发明内容
本发明目的在于，提供一种适用于气相放热反应(特别适用于由合成气制备甲 烷)的反应器，克服现有技术中存在的问题。本发明所述的适用于气相放热反应(特别适用于由合成气制备甲烷)的反应器， 其由水冷反应部分、气冷反应部分和气冷激部分组成，水冷反应部分经气冷激部分与气冷 反应部分连通，且水冷反应部分、气冷反应部分和气冷激部分集成于一圆柱形密闭容器 中；在所述的水冷反应部分主要设置有产物出口，至少一对冷却水的出、入口，和若 干用于装填催化剂的管状物；在所述的气冷反应部分主要设置有至少一个反应物(原料)进口，和若干用于装 填催化剂的管状物；在所述的气冷激部分主要设置有至少一个冷激气入口，和至少一个气体混合器。在本发明一个优选的技术方案中，气冷反应部分的用于装填催化剂的管状物的总 容积与水冷反应部分的用于装填催化剂的管状物的总容积的比为(1 5) 1。本发明所设计的适用于气相放热反应(特别适用于由合成气制备甲烷)的反应器的最大优点在于，其床层温度序列合理，单层转化率得到提高，可用一个反应器替代现有的 多个合成反应器，降低了装置投资费用。
图1.为本发明所述的适用于气相放热反应的反应器的结构示意图；其中1-产物出口，2-冷却水入口，3-筒体，4-催化剂装填管(水冷反应部分)， 5-冷却水出口，6-气体混合器，7-冷激气入口，8-反应物(原料)入口，9-催化剂装填管 (气冷反应部分)，10-上管板，11-下管板，12-惰性瓷球，13-催化剂触媒支撑；601-气体混合器6上的螺旋小孔，1001-上管板10上的小孔。图2.为图1中A-A面的剖面图。图3.为图1中气体混合器6的俯视图。图4.为图1中上管板10的俯视图。
图5.气体混合器6剖面图
具体实施例方式结合附图，对本发明所述适用于气相放热反应的反应器作进一步说明。由图1.可知本发明所述的反应器为一密闭的圆柱形容器，在所述的圆柱形容器 的一端端面设置有产物出口 1 ；在近产物出口 1端，为水冷反应部分，在水冷反应部分的外侧面至少设置一对冷 却水的出口 5、和入口 2，在水冷反应部分内部主要设置有若干个催化剂装填管4，在催化剂 装填管4的两端(或称上、下端)分别设有上管板10和下管板11，所说的上管板10和下 管板11上设有若干个圆孔1001 (参见图4，下管板11的俯视图与图4相同，故省略)，圆孔 1001的个数与催化剂装填管4的个数相同，且圆孔1001的面积与催化剂装填管4的截面积 相等，在下管板11的下方设置有惰性瓷球12和催化剂触媒支撑13 ；在产物出口 1的另一端，为气冷反应部分，在气冷反应部分的外侧面至少设置一 个反应物(原料)入口 8，在气冷反应部分内部主要设置有若干个催化剂装填管9，在催化 剂装填管9近水冷反应部分一端设置有惰性瓷球12 (用于支撑催化剂装填管9内的催化 剂)；连接水冷反应部分和气冷反应部分(即在水冷反应部分与气冷反应部分中间)， 为气冷激部分，在气冷激部分的外侧面至少设置有一个冷激气入口 7，在气冷激部分的内部 主要设置有气体混合器6 ；所说的气体混合器6为设置有若干螺旋小孔601的筛板(参见图3和图5)。此外，整个反应器的直径优选为2米 6米，在气冷反应部分中，催化剂装填管 9的根数根据生产规模定，一般为300 7，000，单根催化剂装填管9的内径(直径)为 22mm 58mm，高度为4m IOm ；同样，水冷反应部分中，催化剂装填管4的根数根据生产规模定，一般为300 7，000根，单根催化剂装填管4内径(直径)为22mm 58mm，高度細 10m。气体混合器6所用的筛板上设有2，000 6，000个直径为2mm 5mm的螺旋小孔。下面以由合成气制备甲烷为例，对本发明所述反应器的使用作进一步说明。
首先，在所述催化剂装填管4和9内，装填有现有用于合成气制备甲烷的负载型催 化剂，其活性组份为金属镍，载体为氧化铝(Al2O3)。然后，在“开车”时，将3MPa SMPa原料气(CCHH2)通过外置的电加热器预热原料 气至200°C 230°C由反应物(原料)入口 8进入所述反应器的气冷反应部分内，由催化剂 装填管9的上部进入催化剂装填管9内反应，反应后气体温度为400°C 450°C，当达到稳 定操作时，停止加热原料气。后续原料气[(C(HH2)其温度为20°C 40°C ]与催化剂装填 管9内的气体换热，使其温度升至230°C 250°C。由催化剂装填管9导出气体与另一股温度为20°C 40°C原料气(由冷激气入口 7 进入)经气体混合器6混合，得温度为220°C 250°C的混合气体，该混合气体经上管板10 进入催化剂装填管4内，催化剂装填管4的温度内温度控制在220°C 280°C，催化剂装填 管4内的反应热由其外面的冷却水移走，催化剂装填管4内生成气体产物经下管板11和惰 性瓷球12等，由产物出口 1导出。该反应器由于采用了气冷-冷激-水冷的方式，使整个反应器床层的温度序列合 理，单程转化率得到提高，催化剂生产强度也得到提高，可用一个反应器替代现有的多个合 成反应器，降低了装置投资费用。如对于由合成气制备甲烷个案而言，在反应器的上部(气冷反应部分)，反应温度 为对0°〇 450°C，在反应器的下部(水冷反应部分)，反应温度为220°C ^0°C。由于甲 烷合成反应是放热反应，在反应器的上部，反应剧烈，反应温度高，预热了原料气，又因为原 料气在壳层，原料气温度不会超过250°C，可以不用设置保温层，增加反应器空间利用率； 在反应器的下部，反应温度低，远离化学平衡，对反应的化学平衡有利，反应热通过管外水 移走，副产蒸汽，热量能够得到合理利用。下面通过实施例对本发明作进一步说明，其目的仅在于更好理解本发明的内容而 非限制本发明的保护范围。在下面的实施例中，除特别说明外，所述的百分比均为体积百分 比。实施例1原料气组成:C0:17. 82%, CO2 :1. 62%,N2+Ar 0. 54%, H2 :61. 01%, CH4 :19. 01%, 合计100. 00，原料气温度32°C，反应压力5. OMPa,进入气冷-冷激-水冷式反应器内，原料 气与反应管内的气体换热，温度升到230°C，在气冷段，原料气在反应管9内反应，温度从 230°C升高到400°C，在冷激段，反应温度为400°C的反应气与温度为32°C的原料气混合，混 合后的气体温度为240°C，进入水冷段反应，反应气体的温度从240°C升高到275°C。原料中 CO和CO2的总转化率为99. 7%,出口 气体组成为CO 0. 09 %, CO2 0. 01 %, N2+Ar 0. 89 %, H2 0. 41 %, CH4 63. 43%, H2035. 17% ；出口气体干基组成CO 0. 14 %, CO2 0. 01 %, N2+Ar 1. 37 %, H2 0. 64 %, CH4 97. 84%。实施例2原料气组成CO17. 82%, CO2 1. 62%, N2+Ar 0. 54%, H2 61. 01%, CH4 19. 01%, 合计100. 00，原料气温度32°C，反应压力8. OMPa,进入气冷-冷激-水冷式反应器内，原料 气与反应管内的气体换热，温度升到230°C，在气冷段，原料气在反应管9内反应，温度从230°C升高到420°C，在冷激段，反应温度为400°C的反应气与温度为32°C的原料气混合，混 合后的气体温度为250°C，进入水冷段反应，反应气体的温度从250°C升高到280°C。原料中 CO和CO2的总转化率为99. 9%,出口 气体组成为CO 0. 03 %, CO2 0. 00 %, N2+Ar 0. 89 %, H2 0.22 %, CH4 63. 58%, H2035. 28% ；出口气体干基组成CO 0.05%, CO2 0. 00 %, N2+Ar 1. 37 %, H2 0.33 %, CH4
98. 24%。
权利要求
1.一种适用于气相放热反应的反应器，其特征在于，所述的反应器由水冷反应部分、气 冷反应部分和气冷激部分组成，水冷反应部分经气冷激部分与气冷反应部分连通，且水冷 反应部分、气冷反应部分和气冷激部分集成于一圆柱形密闭容器中；在所述的水冷反应部分主要设置有产物出口，至少一对冷却水的出、入口，和若干用 于装填催化剂的管状物；在所述的气冷反应部分主要设置有至少一个反应物进口，和若干用于装填催化剂的 管状物；在所述的气冷激部分主要设置有至少一个冷激气入口，和至少一个气体混合器。
2.如权利要求1所述的反应器，其特征在于，气冷反应部分的用于装填催化剂的管状 物的总容积与水冷反应部分的用于装填催化剂的管状物的总容积的比为(1 5) 1。
3.如权利要求1或2所述的反应器，其特征在于，所述的反应器为一密闭的圆柱形容 器，在所述的圆柱形容器的一端端面设置有产物出口(1)；在近产物出口(1)端，为水冷反应部分，在水冷反应部分的外侧面至少设置一对冷却 水的出口(5)、和入口(2)，在水冷反应部分内部主要设置有若干个催化剂装填管(4)，在催 化剂装填管(4)的称上端和下端分别设有上管板(10)和下管板(11)，所说的上管板(10) 和下管板(11)上设有若干个圆孔，所述圆孔的个数与催化剂装填管(4)的个数相同，且圆 孔的面积与催化剂装填管(4)的截面积相等，在下管板(11)的下方设置有惰性瓷球(12) 和催化剂触媒支撑(13)；在产物出口 1的另一端，为气冷反应部分，在气冷反应部分的外侧面至少设置一个反 应物入口(8)，在气冷反应部分内部主要设置有若干个催化剂装填管(9)，在催化剂装填管 (9)近水冷反应部分一端设置有惰性瓷球12 ；连接水冷反应部分和气冷反应部分为气冷激部分，在气冷激部分的外侧面至少设置有 一个冷激气入口(7)，在气冷激部分的内部主要设置有气体混合器(6)；所述的气体混合器(6)为设置有若干螺旋小孔(601)的筛板。
4.如权利要求3所述的反应器，其特征在于，其中所述的圆柱形容器的直径为2米 6米。
5.如权利要求3所述的反应器，其特征在于，其中催化剂装填管(9)的数量为300 7，000 根。
6.如权利要求5所述的反应器，其特征在于，其中单根催化剂装填管(9)内径为22毫 米 58毫米，高度为4米 10米。
7.如权利要求3所述的反应器，其特征在于，其中催化剂装填管(4)的数量为300 7，000 根。
8.如权利要求7所述的反应器，其特征在于，其中单根催化剂装填管(4)内径为22毫 米 58毫米，高度为4米 10米。
9.如权利要求3所述的反应器，其特征在于，其中所述的气体混合器(6)为设置有 2，000 6，000个，直径为2mm 5mm的螺旋小孔(601)的筛板。
全文摘要
本发明涉及一种适用于气相放热反应的反应器。所述的反应器由水冷反应部分、气冷反应部分和气冷激部分组成，水冷反应部分经气冷激部分与气冷反应部分连通，且水冷反应部分、气冷反应部分和气冷激部分集成于一圆柱形密闭容器中。本发明所设计的适用于气相放热反应(特别适用于由合成气制备甲烷)的反应器的最大优点在于，其床层温度序列合理，单层转化率得到提高，可用一个反应器替代现有的多个合成反应器，降低了装置投资费用。
文档编号C07C1/02GK102133512SQ20101011062
公开日2011年7月27日 申请日期2010年1月21日 优先权日2010年1月21日
发明者丁百全, 刘殿华, 应卫勇, 张海涛, 房鼎业, 曹发海, 李涛, 马宏方 申请人:华东理工大学