专利名称：用于甲烷合成的反应装置及甲烷合成方法
技术领域：
本发明涉及甲烷合成领域，特别涉及一种焦炉气制甲烷的合成反应装置。
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H20。甲烷合成反应是强放热反应，各反应的焓变如下所示C0+3H2 — CH4+H20, Δ//2°98 = -I^lkJImolC02+4H2 — CH4+2H20, Δ//2°98 =-165.0U / mol甲烷化反应器一般采用轴向流固定床绝热反应器，床层内的流体分布直接影响床层中的传热、传质及催化剂与反应器的利用效率。而甲烷化反应是一个剧烈的放热反应，在绝热的反应器中，当流体分布不均勻时，会造成严重的局部过热，不仅影响催化剂的选择性及转化率，还会使催化剂的寿命明显下降。传统方法是在固定床反应器的流体进口处设置流体分布器，如CN2075277U、CN2705231Y中所述，其优点是能使流体较为均勻的进入催化剂床层。但分布器的结构比较复杂，出催化剂床层未设置流体导向分布装置，不能使流体均勻分布在整个催化剂床层中。反应后高温气体通常通过引出管连接余热回收装置，这种方法是在高压力、高温度的条件下进行的，这使连接管道的设计制造难度加大，还会使余热系统回收的蒸汽等级和产量下降，从而不仅影响系统的节能，而且使装置的经济性明显下降。
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，连续反应，节能的焦炉气制甲烷合成装置。本发明所要解决的技术问题采用的技术方案为在一个实施方案中，本发明的甲烷合成装置具有原料气进口、中部的催化剂床层及其下游的反应产物出口，催化剂床层的上游设有一级气体分布系统，催化剂床层的下游设有二级气体分布系统。在另一个实施方案中，本发明的甲烷合成装置还包括废热锅炉。优选地，所述废热锅炉不经过管路而直接通过法兰或焊接与下游的反应产物出口连接，构成作为整体设备的甲烷合成装置。上述装置中催化剂的装填方式为在砖砌拱顶上部铺设若干层惰性瓷球层，将催化剂装填在该瓷球层上游，并在催化剂上游部再铺设若干层不同粒径的惰性瓷球层。在甲烷合成中，高温反应气的温度范围为250 800°C，压力为0 3. OMPa，副产蒸汽压1. 0 4. 5MPa的饱和蒸汽。本发明具有以下优点1、甲烷合成装置内部采用新型的气体分布结构。该气体分布装置由原料气进口防冲板，催化剂上下游的惰性瓷球层与砖砌拱顶构成。进口防冲板与催化剂的上游的惰性瓷球层组成一级分布系统，对原料气进行初步分布；催化剂下游的惰性瓷球层与砖砌拱顶上的孔道组成二级分布系统，并与一级分布系统相互作用，在催化剂床层中形成均勻气流通道，使原料气在床层中分布更加均勻。降低了床层局部过热的风险，增加了催化剂的活性， 延长了催化剂的寿命。上述的气体分布装置，原料气进料防冲板由一个圆盘与多根吊杆组成，其中圆盘的直径为原料气进口内径的0. 5 1. 5倍，优选为1 1. 2倍。吊杆长度与催化剂床层上游惰性瓷球层的上表面到圆盘的距离比为0. 2 1，优选为0. 4 0. 7。吊杆的数量以能够稳定地固定圆盘为宜，并且可以为2根以上，在本文的实施方案中采用了 4根吊杆，但是本发明不限于此。催化剂上下游均设置多层惰性瓷球，优选上游2 3层，下游2 4层；各层铺设高度为50 300mm之间，优选80 160mm之间；惰性瓷球的粒径为Φ 1 Φ 80mm之间，优选Φ 10 Φ60πιπι之间，每层所铺设瓷球的粒径可以相同或不同。瓷球大小，层数与高度的选择也需要与相应的反应器进行匹配，如果匹配不当，则或者使床层压降过大，或者使气体分布不均勻。砖砌拱顶的弧度为60 150°间，优选80 130°间。拱顶开孔的孔道轴心均大致指向拱顶球心，砖砌拱顶的具有弧形部分的开孔率为拱顶面积的 20%，优选8% 15%。拱顶弧度应与拱顶开孔率相互关联，配比错误会使拱顶承载不住催化剂的重量，导致拱顶的塌陷。2、废热锅炉，具体地为卧式废热锅炉。优选废热锅炉通过法兰或焊接直接与固定床绝热反应器底部连接，从而省去传统使用的高压高温引出管，降低设备费用投资，避免传送过程的热量损失，能够产生更多高品位蒸汽。
图1为本发明一个实施方案的纵向剖视结构图；图2为本发明一个实施方案的原料气进口防冲板的结构图；图中，1-固定床绝热反应器2-卧式废热锅炉3-原料气进口 4-原料气进口防冲板5-催化剂上游的惰性瓷球层6-催化剂床层7-催化剂下游的惰性瓷球层8-砖砌拱顶 9-耐火保温内衬10-反应气出口 11-吊杆12-圆盘图3反应器内部测温点水平面分布中Tl 9代表9组测温点。图4反应器内部测温点纵向分布中Tfe f，代表图3中9组测温点的纵向分布。
具体实施例方式下面结合附图对本发明详细说明，以下仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明的范围。即大凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属于本发明所涵盖的范围。实施例1该反应装置用于焦炉气制甲烷，并副产4. OMPa的饱和蒸汽。原料气温度300°C，压力 2. OMPa，组分摩尔含量分别为C0 6. 5%, CO2 2. 4%, N2 2. 8%, CH4 25%, H2 48%, CnHn 2. 5%, H2O 12. 8%，催化剂的装填高度为2. 5m，反应器直径1. 8m。如图1所示，卧式废热锅炉通过焊接直接与固定床绝热反应器的底部相连。原料气进口防冲板的直径为原料气进口内径的1. 2倍；吊杆长度与催化剂床层上游惰性瓷球层的上表面到圆盘的距离比为0. 6，催化剂上游铺设两层惰性瓷球，一层为Φ 60mm惰性瓷球 (萍乡市鑫陶化工填料有限公司，规格Φ 60mm)，填装高度为120mm，一层为Φ 20mm惰性瓷球(萍乡市鑫陶化工填料有限公司，规格Φ 20mm)，填装高度为80mm;催化剂下游铺设二层惰性瓷球，一层为Φ 25mm惰性瓷球(萍乡市鑫陶化工填料有限公司，规格Φ 25mm)，填装高度为100mm，一层为Φ50πιπι惰性瓷球(萍乡市鑫陶化工填料有限公司，规格Φ 50mm)，填装高度为IOOmm ；砖砌拱顶弧度为120°，开孔率为10%。催化剂床层温度分布如表1所示，由表1可以看出整个反应床层温度分布均勻，无局部热点。说明反应气体在反应器中得到了良好的分布。表 1
123456789a300300300300300300300300300b651650651650650650651650651C651650651650651650651650651d650650650650650650650650650e649650650650650650650649649f649649650650650650650649649表中温度的单位为摄氏度。实施例2反应气体组成及操作条件与实施例1相同。卧式废热锅炉通过法兰连接直接与固定床绝热反应器的底部相连。原料气进口防冲板的直径为原料气进口内径的1倍；吊杆长度与催化剂床层上游惰性瓷球层的上表面到圆盘的距离比为0.4，催化剂上游铺设两层惰性瓷球，一层为Φ50πιπι惰性瓷球(萍乡市鑫陶化工填料有限公司，规格Φ 50mm)，填装高度为100mm，一层为Φ 40mm惰性瓷球(萍乡市鑫陶化工填料有限公司，规格Φ 40mm)，填装高度为120mm ；催化剂下游铺设三层惰性瓷球，一层为ΦΙΟπιπι惰性瓷球(萍乡市鑫陶化工填料有限公司，规格ΦΙΟπιπι)，填装高度为 50mm, 一层为Φ 25mm惰性瓷球(萍乡市鑫陶化工填料有限公司，规格Φ 25mm)，填装高度为 100mm, 一层为Φ 50mm惰性瓷球(萍乡市鑫陶化工填料有限公司，规格Φ 25mm)，填装高度为 IOOmm ；砖砌拱顶弧度为90°，开孔率为14%。催化剂床层温度分布如表2所示，由表2可以看出整个反应床层温度分布均勻，无局部热点。说明反应气体在反应器中得到了良好的分布。
表 权利要求
1.一种甲烷合成装置，所述甲烷合成装置具有原料气进口、中部的催化剂床层及其下游的反应产物出口，所述催化剂床层的上游设有一级气体分布系统，所述催化剂床层的下游设有二级气体分布系统。
2.根据权利要求1所述的甲烷合成装置，其中，所述一级气体分布系统设有原料气进料防冲板和设于催化剂床层的上游的惰性瓷球层。
3.根据权利要求1所述的甲烷合成装置，其中，所述二级气体分布系统设有催化剂床层下游的惰性瓷球层和砖砌拱顶，拱顶上有多个孔道。
4.根据权利要求2所述的甲烷合成装置，其中，所述原料气进料防冲板由一个圆盘和多个吊杆构成，其中所述圆盘的直径为原料气进口内径的0. 5 1. 5倍，优选为1 1. 2倍； 所述吊杆长度与所述催化剂床层上游的惰性瓷球层的上表面至圆盘的距离的比为0. 2 1，优选为0.4 0.7。
5.根据权利要求2所述的甲烷合成装置，其中，所述砖砌拱顶的弧度为60 150°，优选80 130° ；所述孔道的轴心均大致指向拱顶球心，所述砖砌拱顶的具有弧形部分的开孔率以面积％计为 20%，优选8% 15%。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的甲烷合成装置，其中，所述催化剂床层上游的惰性瓷球层的层数为2 3层，所述催化剂床层下游的惰性瓷球层的层数为2 4层，每层的铺设高度为50 300mm，优选80 160mm ；所述惰性瓷球的粒径为Φ 1 Φ 80mm，优选 Φ 10 Φ 60mm。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的甲烷合成装置，所述甲烷合成装置还包括与所述下游的反应产物出口连接的废热锅炉。
8.根据权利要求7所述的甲烷合成装置，其中，所述废热锅炉为卧式废热锅炉，所述下游的反应产物出口与所述废热锅炉通过法兰或焊接直接连接。
9.一种合成甲烷的方法，所述方法使用根据权利要求1至8中任一项所述的甲烷合成装置进行。
全文摘要
本发明公开了一种甲烷合成装置及甲烷合成方法。所述甲烷合成装置具有原料气进口、中部的催化剂床层及其下游的反应产物出口，所述催化剂床层的上游设有一级气体分布系统，所述催化剂床层的下游设有二级气体分布系统。所述甲烷合成装置还包括与所述下游的反应产物出口直接连接的废热锅炉。本发明的甲烷合成装置结构合理，制造简单，能够连续进行反应，并且具有改善的节能性能和经济性。
文档编号C07C1/04GK102489222SQ20111039761
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月5日 优先权日2011年12月5日
发明者刘雪飞, 刘鹏翔, 常俊石, 张建祥, 王志彬, 赵海龙 申请人:新地能源工程技术有限公司