[发明专利]一种甲烷化反应器和甲烷化工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种甲烷化反应器和甲烷化工艺。

背景技术

甲烷化反应器是煤制天然气项目的核心设备之一。甲烷化反应是强烈的放热反应，在合成气甲烷化反应过程中存在着CO和CO₂的竞争甲烷化反应与高温下的逆水煤气变换反应，高效的传热与传质是控制CO和CO₂竞争甲烷化和高温逆水煤气变换的关键。研究表明，每转化1％的CO或CO₂可产生的绝热温升分别达到了70℃或60℃。为了控制甲烷化反应温度，回收反应中产生的大量热能，工业化甲烷化工艺采用多个固定床甲烷化反应器串连，逐级进行甲烷化反应。已实现甲烷化专利技术商业应用的公司有英国Davy公司、丹麦公司以及德国的Lugri公司。

目前甲烷化反应器主要有两种类型，一种是轴向固定床反应器，另一种是径向固定床反应器。轴向甲烷化反应器设计、加工过程相对容易、操作简单，但存在反应器设备尺寸庞大、床层压降大、容易出现局部飞温、移热缓慢、转化率低、放大效应明显以及反应器需要材质等级高等问题。径向床反应器高径比较大、床层压降小、反应物在催化剂床层停留时间短，但很难实现反应物在径向上的均匀分布、单位催化剂床层的生产强度较低。

为了克服传统化工中存在传热、传质效率低的问题，二十世纪八九十年代兴起了微化工技术。微反应器作为微化工技术的核心组成部分，它是以毫米、微米为量级的化学反应系统。一方面微反应器具有微尺度化、较大的比表面、扩散距离短、停留时间短、阻力小等特点，其传质、传热和反应效果较普通反应器高1-3数量级；另一方面，可以根据实际的工业生产能力要求， 通过具有功能化的微反应器模块集成以及数量的增减达到控制和调节生产，有利于实现设备的最大利用效率，同时缩短设备的加工时间。

微通道反应器作为微反应器中的一类，将其运用甲烷化反应还鲜有报道。CN201320593757.7公开了一种用于甲烷化工艺的微通道反应器，该微反应通道固定在反应器中部的支撑板上，难以消除热胀冷缩产生的应力；CN201110030881.8公开了一种微通道反应器及其合成气完全甲烷化的方法，该微反应器由若干反应通道和移热通道交替平行排布，反应器的压降较大，同时难以承受高压。

因此，提高单位体积催化剂生产强度、减小反应器的设备尺寸、缩短气体在催化剂表面停留时间、降低反应器压降损失，提高反应物的转化效率，充分延长催化剂的使用寿命，满足反应器大型化的需求是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种甲烷化反应器和甲烷化工艺，该甲烷化反应器不仅催化剂使用量少，而且采用该甲烷化反应器进行甲烷化反应时，床层压降低，气体停留时间短，反应床空间利用率高、无气体偏流和短路现象。

为了实现上述目的，本发明第一方面：提供一种甲烷化反应器，其特征在于，该反应器包括径向圆筒形密封承压壳体、从所述壳体顶部伸入到壳体内部的进气管、从所述壳体底部伸入到壳体内部的出气管、以及设置在所述壳体内所述进气管下方所述出气管上方的至少一个柱体；所述柱体与所述壳体同轴，且所述柱体的外侧面与所述壳体的内侧面相抵触或相重合；相邻两个柱体之间以及最下方柱体的底面与所述壳体的底面之间形成有空隙；所述柱体内设置有多个轴向穿过所述柱体的微反应通道，所述进气管与所述空隙之间以及所述空隙与所述空隙之间仅通过设置在所述柱体内的微反应通道 流体连通，最下方的空隙与所述出气管流体连通；所述微反应通道具有微通道反应气体入口和微通道反应产物出口，所述微通道反应气体入口的直径大于所述微通道反应产物出口的直径。

优选地，所述壳体的侧面设置有至少一对冷却介质入口和冷却介质出口；所述冷却介质入口和冷却介质出口通过穿过所述空隙的冷却介质管线流体连通。

优选地，所述冷却介质管线为选自筒状绕制管线、环状绕制管线和盘状绕制管线中的至少一种。

优选地，所述柱体的数量为2-500个。

优选地，所述微反应通道的内表面负载有催化活性组分。

优选地，所述微反应通道的直径从所述微通道反应气体入口向微通道反应产物出口的方向逐渐减小。

优选地，所述微反应通道的直径在2-50毫米之间。

优选地，所述微通道反应气体入口的直径与所述微通道反应产物出口的直径的比值为(1.1-25)：1。

优选地，所述微反应通道的内部空间的总体积为所有柱体的总体积的30％-90％。

优选地，所述微反应通道为选自锥形管、喇叭形管和Y形管中的其中一种。