一种旋转填料式甲烷化反应装置的制作方法

本实用新型涉及一种甲烷化反应装置，特别是一种旋转填料式甲烷化反应装置。

背景技术：

由于我国是“富煤、贫油、少气”的能源格局，为了满足国内天然气日益增长的消费需求，除了进口天然气外，还要加强天然气从其他资源的转化，其中从含碳物质（如煤、生物质和焦炭等）气化成合成气再经甲烷化反应制成天然气是一个主要的天然气来源，其次还有焦炭的附属产品——焦炉煤气也是制取天然气的一个重要途径。以CO、CO₂和H₂等为主要成分的合成气、焦炉煤气、甲醇驰放气和高炉煤气等其他气源（本文以下统称原料气）的原料气制取天然气的过程，都须经过甲烷化反应。

甲烷化反应是体积缩小的强放热反应，气体中每1%的CO转化的绝热温升约为72℃，每1%的CO₂转化的绝热温升约为60℃，故需将甲烷化反应产生的热量及时移去，否则飞温将造成催化剂仓失活和损坏设备，甚至造成事故影响正常生产，因此，控制甲烷化的反应温度至关重要，如何及时有效地将甲烷化反应器中甲烷化反应产生的反应热移除到外界是一个十分重要的研究方向。目前，已投产和在建项目的原料气制取天然气中的甲烷化反应都采取的是固定床反应器，有绝热式固定床和等温式固定床两种，其都是通过向原料气中加入水蒸汽、大量的循环气体（可高达5倍）和多个串并联反应器分段反应等方式来稀释进入甲烷化反应器中的CO、CO₂和H₂浓度，达到控制反应器内甲烷化反应温度的目的，且其甲烷化装置设有多个换热设备和压缩机，存在工艺流程复杂、能耗高、甲烷化转化率较低和不易控制反应器内甲烷化反应温度等问题。甲烷化绝热式固定床因要耐700℃左右的高温，不仅对其催化剂仓的耐温性、强度和耐腐蚀性等性能要求高，而且要用约250mm厚的耐火材料对其进行隔绝保温，造成设备比较笨重，另外由甲烷化反应生成的高温水蒸汽对耐火材料有侵蚀作用，对耐火材料的定期维护和更换费时费力。甲烷化等温式固定床一般在约450℃下使用，虽不需采用耐火材料进行隔绝保温，但催化剂仓装填量少，设备结构复杂，制造成本高，且后期不易检修维护。此外，甲烷化固定床反应器因气体易分布不均，局部甲烷化反应剧烈，局部的飞温可造成催化剂仓失活和损坏设备，因此固定床反应器放大困难，难以适用大规模的制取天然气项目的甲烷化反应。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种易控制反应温度、流程简单、能耗低、甲烷化转化率高、设备结构简单易加工制造、易于维护的和适用范围广的旋转填料式甲烷化反应装置。

本实用新型的目的是这样实现的，一种旋转填料式甲烷化反应装置，其特征是：至少包括甲烷化反应器、第一换热器、循环液缓冲罐、循环液泵、第二换热器和气液分离罐；甲烷化反应器包括气体出口管、气体进口管、液体出口管和液体进口管；所述的甲烷化反应器的液体出口管至液体进口管上至少依次设有第一换热器、循环液缓冲罐和循环液泵，液体出口管、第一换热器、循环液缓冲罐、循环液泵和液体进口管之间通过管件阀门相连，循环液泵的出口与液体进口管之间设有阀门；所述甲烷化反应器的气体出口管和循环液缓冲罐的入口管之间至少依次设有第二换热器和气液分离罐，气液分离罐分离出的循环液去往循环液缓冲罐。

所述的甲烷反应器为圆柱形结构，至少包括固定的圆柱形壳体和相对圆柱形壳体转动的转轴及转子，圆柱形壳体侧部设置有气体进口管，下端设置有液体出口管；转轴在圆柱形壳体的中心由上穿过底部，转轴上侧部是气体出口管，转轴中心是液体进口管；所述的圆柱形壳体内为腔体结构，气体进口管到腔体内至转子内中轴线之间分隔成进气室、反应室和出气室三个同心圆室；进气室和出气室之间为反应室，进气室通过反应室与出气室相通。

所述的反应室内有圆环形催化剂仓，所述的壳体上设有催化剂仓的装卸口。

所述的液体进口管沿转轴的中心线向出气室内延伸，延伸段间隔分布有液体分布器。

所述的转轴与固定的圆柱形壳体之间有密封装置。

所述的催化剂仓在其外环和内环分别设有惰性填料。

所述的催化剂仓为高温甲烷化催化剂仓和低温甲烷化催化剂仓组合而成，高温甲烷化催化剂仓在低温甲烷化催化剂仓的外侧。

所述的催化剂仓为水气变换催化剂仓和高温甲烷化催化剂仓组合而成，水气变换催化剂仓在高温甲烷化催化剂仓的外侧。

所述的催化剂仓包括：水气变换催化剂仓、高温甲烷化催化剂仓和低温甲烷化催化剂仓，由外向内依次布置水气变换催化剂仓、高温甲烷化催化剂仓和低温甲烷化催化剂仓。

本实用新型的有益效果是：利用高速旋转的转子产生的巨大剪应力克服循环液体的表面张力，使得液体被拉伸或撕裂成微小的液膜、液丝和液滴，产生出巨大的相间接触面积，气液混合均匀，极大强化传递过程，有利于循环液体和甲烷化反应气体充分换热，能够及时的移除甲烷化反应产生的热量，不仅有利于控制反应温度，使得甲烷化反应向正向进行，提高甲烷化转化率，而且还可减少催化剂仓的积碳，提高催化剂仓的使用寿命；旋转填料式甲烷化反应器不仅结构简单易加工制造，操作弹性大，易于工业化放大及达到稳定时间短，而且设备体积小，成本低，占地面积小。采用循环液体作为换热介质，直接与甲烷化反应气体接触，提高了换热效率，吸收热量后的高温循环液经换热器换热，可预热原料气或生产水蒸气，提高能量利用率，并且流程简单，能耗低。

附图说明

下面结合实施例附图对本实用新型作进一步说明：

图1是本实用新型实施例装置示意图。

图2是本实用新型实施例甲烷化反应器结构图。

图3是本实用新型实施例催化剂仓组成示意图。

图4是本实用新型另一实施例催化剂仓组成示意图。

图5是本实用新型另一实施例催化剂仓组成示意图。

图中，1、甲烷化反应器；2、第一换热器；3、循环液缓冲罐；4、循环液泵；5、第二换热器；6、气液分离罐；7、阀门；101、壳体；102、转轴；103、转子；104密封装置；105、液体分布器；106、催化剂仓；106a、高温甲烷化催化剂仓；106b、低温甲烷化催化剂仓；106c、水气变换催化剂仓；107、进气室；108、反应室；109、出气室；110、气体进口管；111、液体出口管；112、气体出口管；113、液体进口管；114、惰性填料。

具体实施方式

实施例1

如图1和图2所示，一种旋转填料式甲烷化反应装置，其特征是：至少包括甲烷化反应器1、第一换热器2、循环液缓冲罐3、循环液泵4、第二换热器5和气液分离罐6；甲烷化反应器1包括气体出口管112、气体进口管110、液体出口管111和液体进口管113；所述的甲烷化反应器1的液体出口管111至液体进口管113上至少依次设有第一换热器2、循环液缓冲罐3和循环液泵4，液体出口管111、第一换热器2、循环液缓冲罐3、循环液泵4和液体进口管113之间通过管件阀门相连，循环液泵4的出口与液体进口管113之间设有阀门7；所述甲烷化反应器1的气体出口管112和循环液缓冲罐3的入口管之间至少依次设有第二换热器5和气液分离罐6，气液分离罐6分离出的循环液去往循环液缓冲罐3。

所述的甲烷反应器1为圆柱形结构，至少包括固定的圆柱形壳体101和相对圆柱形壳体101转动的转轴102及转子103，圆柱形壳体101侧边是气体进口管110，下端是液体出口管111；转轴102在圆柱形壳体101的中心由上穿过底部，转轴102上侧部是气体出口管112，转轴102中心是液体进口管113；所述的圆柱形壳体101内为腔体结构，气体进口管110到腔体内至转子103内中轴线之间分隔成进气室107、反应室108和出气室109三个同心圆室；进气室107和出气室109之间为反应室108，进气室107通过反应室108与出气室109相通。

所述的反应室108内有圆环形催化剂仓106，所述的壳体101上设有催化剂仓106的装卸口。

所述的液体进口管113沿转轴102的中心线向出气室109内延伸，延伸段间隔分布有液体分布器105。

所述的转轴102与固定的圆柱形壳体101之间有密封装置104。

所述的催化剂仓106在其外环和内环分别设有惰性填料114，进一步使得气体和液体均匀分布，并使二者充分进行热量交换。

实施例2

优选的，如图3所示，催化剂仓106为高温甲烷化催化剂仓106a和低温甲烷化催化剂仓106b组合而成，高温甲烷化催化剂仓106a在低温甲烷化催化剂仓106b的外侧，原料气首先进入反应室108内的高温甲烷化催化剂仓106a区域，在高温甲烷化催化剂仓106a的作用下，CO与H₂基本上全部反应生成CH₄，大部分的CO₂与H₂反应生成CH₄，原料气中剩余的未反应的CO₂进入低温甲烷化催化剂仓106b区域，在低温甲烷化催化剂仓106b的作用下，剩余未反应的CO₂与H₂反应生成CH₄，其他与实施例1一致。

实施例3

本实施例的另一优选方案为，如图4所示，催化剂仓106为水气变换催化剂仓106c和高温甲烷化催化剂仓106a组合而成，水气变换催化剂仓106c在高温甲烷化催化剂仓106a的外侧，原料气首先进入反应室108内的水气变换催化剂仓106c区域，在水气变换催化剂仓106c的作用下，CO与H₂O反应转换成CO₂和H₂，使得原料气中的碳氢比调节到合适范围，然后进入高温甲烷化催化剂仓106a区域，在高温甲烷化催化剂仓106a的作用下，CO与H₂基本上全部反应生成CH₄，大部分的CO₂与H₂反应生成CH₄，其他与实施例1一致。

实施例4

本实施例的另一优选方案为：如图5所示：催化剂仓106包括：水气变换催化剂仓106c、高温甲烷化催化剂仓106a和低温甲烷化催化剂仓106b组成而成，由外向内依次布置水气变换催化剂仓106c、高温甲烷化催化剂仓106a和低温甲烷化催化剂仓106b；原料气首先进入反应室内的水气变化催化剂仓106c区域，在水气变换催化剂仓106c的作用下，CO与H₂O反应转换成CO₂和H₂，使得原料气中的碳氢比调节到合适范围，然后进入高温甲烷化催化剂仓106a区域，在高温甲烷化催化剂仓106a的作用下，CO与H₂基本上全部反应生成CH₄，大部分的CO₂与H₂反应生成CH₄，原料气中剩余的未反应的CO₂进入低温甲烷化催化剂仓106b区域，在低温甲烷化催化剂仓106b的作用下，剩余未反应的CO₂与H₂反应生成CH₄，其他与实施例1一致。

具体工艺流程如下：原料气由气体进口管110进入进气室107，在压力的作用下从反应室108的周边逐渐进入反应室108内部，反应室108内部有催化剂仓106，在催化剂仓106的作用下参与反应并产生大量的热量，反应后的气体继续穿过反应室108进入出气室109，从其中心的气体出口管112排出，高温气体从甲烷化反应器1中携带的少量循环液蒸汽经第二换热器5与外界换热降温后凝结成液体进入气液分离罐6中实现气液分离，分离出来的低温循环液进入循环液缓冲罐3循环使用；低温循环液经循环液泵4加压后进入甲烷化反应器1的液体进口管113，液体由位于液体进口管113的端头上均布的液体分布器105均匀喷洒在转子103的内缘上进入反应室108，在转轴102高速旋转带动转子103产生离心力的作用下，沿径向由转子103的内缘逐渐进入反应室108内并吸收原料气在催化剂仓106的作用下反应产生的热量，吸收热量后的液体继续沿径向外流动进入进气室107内碰到静止的壳体101后落下，吸收热量后的循环液从位于进气室107底部的液体出口管111排出进入第一换热器2与外界换热降温，降温后的循环液进入循环液缓冲罐3循环使用。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本实用新型的原理而采用的示例性实施方式，然而本实用新型并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本实用新型的保护范围。

本实施例没有详细叙述的部件和结构及装置属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。