甲烷化反應(yīng)工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種甲烷化反應(yīng)工藝，解決了現(xiàn)有甲烷化反應(yīng)工藝復(fù)雜、流程長、系統(tǒng)溫度控制不穩(wěn)定、催化劑易失活的問題。技術(shù)方案包括原料氣經(jīng)氣液分離罐氣液分離后送入脫硫槽脫硫，然后送入進(jìn)料氣加熱器中與出等溫反應(yīng)器的反應(yīng)氣換熱升溫，升溫后的原料氣送入等溫反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后的反應(yīng)氣送入所述進(jìn)料氣加熱器與原料氣換熱降溫后再送入低溫絕熱反應(yīng)器進(jìn)一步充分反應(yīng)得到甲烷氣。本發(fā)明工藝流程極其簡單、控制可靠、設(shè)備投資低、運(yùn)行成本低、節(jié)能降耗、可獲得高品位蒸汽。
【專利說明】甲烷化反應(yīng)工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種甲烷化工藝，具體的說是一種甲烷化反應(yīng)工藝。

【背景技術(shù)】
[0002] 采用甲烷化反應(yīng)制取天然氣產(chǎn)品如SNG、LNG、CNG等是天然氣化工中一個(gè)重要的 途徑。以SNG為例，SNG生產(chǎn)需要的原料氣是一氧化碳和氫氣，甲烷化反應(yīng)是原料氣借助于 催化劑的作用，在一定溫度下，在甲烷化反應(yīng)器中使一氧化碳和氫氣反應(yīng)，生成甲烷的工藝 過程。甲烷化反應(yīng)屬強(qiáng)放熱反應(yīng)，且是一個(gè)熱力學(xué)控制的過程，工業(yè)上甲烷化裝置多采用 絕熱固定床反應(yīng)器，這種反應(yīng)流程一般配置多臺(tái)絕熱固定床反應(yīng)器和多臺(tái)換熱設(shè)備，工藝 路線長，系統(tǒng)阻力大，工程投資大，運(yùn)行能耗高、低品位熱能多但卻不能有效利用，系統(tǒng)能耗 高，反應(yīng)器易飛溫、催化劑容易高溫失活等問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明目的是為了解決上述技術(shù)問題，提供一種工藝簡單、控制可靠、設(shè)備投資 低、運(yùn)行成本低、節(jié)能降耗、獲得高品位蒸汽的甲烷化反應(yīng)工藝。
[0004] 本發(fā)明工藝包括原料氣經(jīng)氣液分離罐氣液分離后送入脫硫槽脫硫，然后送入進(jìn)料 氣加熱器中與出等溫反應(yīng)器的反應(yīng)氣換熱升溫，升溫后的原料氣送入等溫反應(yīng)器進(jìn)行反 應(yīng)，使原料氣中甲烷轉(zhuǎn)化效率達(dá)90%以上，反應(yīng)后的反應(yīng)氣送入所述進(jìn)料氣加熱器與原料 氣換熱降溫后再送入低溫絕熱反應(yīng)器進(jìn)一步充分反應(yīng)得到甲烷氣。
[0005] 原料氣經(jīng)進(jìn)料氣加熱器換熱后升溫至550_58(TC ;所述反應(yīng)氣經(jīng)進(jìn)料氣加熱器 換熱降溫至330-380°C后再送入低溫絕熱反應(yīng)器，出低溫絕熱反應(yīng)器后原料氣的轉(zhuǎn)化率達(dá) 99. 5%。
[0006] 所述等溫反應(yīng)器包括殼體，所述殼體內(nèi)的上段和下段分別設(shè)有上室布水器和下室 布水器，所述上室布水器與下室布器之間經(jīng)多根換熱管連接，所述上室布水器與殼體頂部 的水汽出口管連通，下室布水器與殼體底部的鍋爐給水管連接，所述殼體頂部設(shè)有原料氣 進(jìn)口、底部設(shè)有反應(yīng)氣出口管，所述殼體的中段填充有催化劑床層，反應(yīng)室中心管位于殼體 中段中心線位置且與反應(yīng)氣出口管連通；所述原料氣由原料氣進(jìn)口進(jìn)入殼體內(nèi)，在穿過催 化劑床層時(shí)與催化劑發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)后的氣體經(jīng)反應(yīng)室中心管由反應(yīng)氣出口管排出；所述 鍋爐給水由鍋爐給水進(jìn)口進(jìn)入下室布水器，由下室布水器進(jìn)入換熱管與管外的催化劑床層 間接換熱，換熱后的水汽經(jīng)上室布水器由水汽出口引出。
[0007] 所述反應(yīng)室中心管上均勻開有多個(gè)小孔，小孔孔徑為0. 1mm?20mm。
[0008] 所述等溫反應(yīng)器的商徑比為2. 0 :1?3. 5 :1。
[0009] 所述上室布水器位于上室支撐板內(nèi)，所述上室支撐板距離殼體壁面具有環(huán)隙，所 述原料氣經(jīng)環(huán)隙向下流入催化劑床層。
[0010] 所述下室布水器位于下室支撐板內(nèi)。
[0011] 所述殼體上的水汽出口管均勻布置有四根，所述鍋爐給水管也均勻布置有四根。
[0012] 所述水汽出口管與汽包的蒸汽管道連接，所述鍋爐給水進(jìn)口管與汽包的鍋爐給水 管道連接，所述鍋爐給水經(jīng)汽包送入等溫反應(yīng)器的鍋爐給水管內(nèi)，蒸汽由水汽出口管引出 經(jīng)汽包的蒸汽管道外送。
[0013] 發(fā)明人改變了過去甲烷化工藝采用多段絕熱反應(yīng)器及多臺(tái)換熱器串聯(lián)的流程，改 用一臺(tái)恒溫的等溫反應(yīng)器，同時(shí)為提高原料氣的轉(zhuǎn)化率，僅串聯(lián)了一臺(tái)低溫絕熱反應(yīng)器，并 對等溫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了改進(jìn)，主要表現(xiàn)在以下方面。
[0014] 首先，發(fā)明人設(shè)置等溫反應(yīng)器串聯(lián)低溫絕熱反應(yīng)器來使原料氣進(jìn)行充分甲烷化反 應(yīng)。通過設(shè)置等溫反應(yīng)器維持系統(tǒng)恒溫在550-580°C，便于控制系統(tǒng)溫度，有效防止系統(tǒng)升 溫，避免催化劑高溫失活；設(shè)置串聯(lián)的絕熱反應(yīng)器，保持系統(tǒng)低溫控制在330-380°C，利用 低溫下絕熱反應(yīng)器內(nèi)充分反應(yīng)的原理，使系統(tǒng)原料氣充分反應(yīng)，提高原料氣轉(zhuǎn)化率。
[0015] 其次，發(fā)明人對等溫反應(yīng)器進(jìn)行改進(jìn)，通過向換熱管內(nèi)通入鍋爐給水，可對等溫反 應(yīng)器內(nèi)的催化劑床層高效換熱，移除甲烷化反應(yīng)熱量，保證等溫反應(yīng)器內(nèi)溫度恒定，避免催 化劑高溫失活，同時(shí)副產(chǎn)高品位蒸汽，改變傳統(tǒng)絕熱多段甲烷化反應(yīng)流程，優(yōu)化工藝流程， 減少甲烷化反應(yīng)器及換熱器數(shù)量，節(jié)省裝置投資，便于操作管理；通過設(shè)置下室布水器，使 鍋爐給水能均勻的進(jìn)入每根換熱管中，保證催化劑床層溫度均勻，避免床層溫度不均導(dǎo)致 的催化劑失活，提高催化劑的使用壽命。
[0016] 進(jìn)一步的，將反應(yīng)室中心管設(shè)置在殼體中段的中心線上，保證原料氣以盡可能長 的行程穿過催化劑床層與催化劑進(jìn)行充分反應(yīng)，然后再進(jìn)入反應(yīng)室中心管；在反應(yīng)室中心 管的下段管壁上均勻開有多個(gè)小孔，這樣就可使原料氣向催化劑床層中心集中的同時(shí)還增 加了下行的路線才能由反應(yīng)室中心管引出，提高催化反應(yīng)的均勻性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。小孔 孔徑為0. 1_?20_，過大會(huì)造成原料氣未充分進(jìn)行催化反應(yīng)就通過大孔離開系統(tǒng)，從而 降低原料氣轉(zhuǎn)化率，也造成原料的浪費(fèi)；過小會(huì)加大系統(tǒng)阻力降，使發(fā)生甲烷化反應(yīng)后的氣 體不能及時(shí)移出系統(tǒng)。所述等溫反應(yīng)器的高徑比為2. 0 :1?3. 5 :1，在此比例范圍內(nèi)上有 最大甲烷化反應(yīng)效率。
[0017] 所述上室布水器和下室布水器可安裝在對應(yīng)的上室及下室支撐板內(nèi)，所述上室支 撐板距離殼體壁面具有一定環(huán)隙，起到為原料氣導(dǎo)向作用，使原料氣經(jīng)環(huán)隙沿殼體壁面下 行，從催化劑床層的周部向中部行進(jìn)。
[0018] 再次，發(fā)明人設(shè)置進(jìn)料氣加熱器，利用等溫反應(yīng)器出口甲烷氣與原料氣換熱，一方 面升高原料氣溫度，提高等溫反應(yīng)器內(nèi)初期反應(yīng)速率，另一方面降低甲烷氣溫度以進(jìn)入下 段絕熱反應(yīng)器更充分地進(jìn)行甲烷化反應(yīng)，達(dá)到合理利用能量的目的；
[0019] 本發(fā)明工藝僅有兩級(jí)甲烷化反應(yīng)段，溫度控制更為簡單可靠，易于操作，設(shè)備緊 湊、裝置占地面積小、設(shè)備投資和運(yùn)行成本低，甲烷化效率高、同時(shí)副產(chǎn)高品位蒸汽，具有廣 闊的市場應(yīng)用前景，適用于化工廠的以凈化氣中的一氧化碳與氫氣為原料氣進(jìn)行充分甲烷 化的流程。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明工藝流程圖；
[0021] 圖2為本發(fā)明中等溫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022] 圖3為等溫反應(yīng)器中熱換管及布水器的立面圖。
[0023] 其中：A-氣液分離罐、B-脫硫槽、C-進(jìn)料氣加熱器、D-等溫反應(yīng)器、E-絕熱反應(yīng) 器、F-汽包。
[0024] 1-原料氣進(jìn)口、2-反應(yīng)氣出口管、3-鍋爐給水進(jìn)口管、4-水汽出口管、5-催化劑進(jìn) 口、6-催化劑出口、7-上室布水器、8-下室布水器、9-反應(yīng)室中心管、10-環(huán)隙、11-上室支 撐板、12-下室下支撐板、13-換熱管、14-小孔、15-催化劑床層、16-殼體。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步解釋說明：
[0026] 等溫反應(yīng)器D的結(jié)構(gòu)為包括殼體16,所述殼體16內(nèi)的上段和下段分別設(shè)有安裝 上室支撐板11內(nèi)的上室布水器7和安裝在下室支撐板12內(nèi)下室布水器8,所述上室支撐 板11距離殼體16壁面具有環(huán)隙10,所述上室布水器7與下室布器8之間經(jīng)均勻布置的多 根換熱管13連通，所述上室布水器7與殼體16頂部四根均勻布置的水汽出口管4連通，下 室布水器8與殼體16底部四根均勻布置的鍋爐給水管3連通，所述殼體16頂部還設(shè)有原 料氣進(jìn)口 1，底部設(shè)有反應(yīng)氣出口管2,所述殼體16的中段填充有催化劑床層15,反應(yīng)室中 心管9的位于殼體16中段中心線位置且與反應(yīng)氣出口管2連通，所述反應(yīng)室中心管9下段 均勻有開有多個(gè)小孔14,小孔孔徑為0· 1mm?20mm，所述等溫反應(yīng)器的高徑比為2. 0 :1? 3. 5 :1。所述殼體上還設(shè)有與催化劑床層15連通的催化劑進(jìn)口 5和催化劑出口 5。
[0027] 工藝過程：
[0028] 參見圖1，原料氣（以一氧化碳和氫氣作為原料氣，溫度180-280 °C、壓力 3. 0-6. 5MPaG)經(jīng)氣液分離罐A氣液分離后送入脫硫槽B脫硫，脫硫后的原料氣（硫含量 降至20ppb以下）然后送入進(jìn)料氣加熱器C中與出等溫反應(yīng)器D的反應(yīng)氣換熱升溫至 550-580°C，升溫后的原料氣送入等溫反應(yīng)器D進(jìn)行反應(yīng)，使原料氣中甲烷的轉(zhuǎn)化效率達(dá) 90%以上，反應(yīng)后的反應(yīng)氣送入所述進(jìn)料氣加熱器C與原料氣換熱降溫至330-380°C后再 送入低溫絕熱反應(yīng)器E進(jìn)一步充分反應(yīng)得到甲烷氣（甲烷轉(zhuǎn)化效率達(dá)99.5%以上）。鍋爐 給水由經(jīng)汽包F的鍋爐給水管道送入等溫反應(yīng)器D底部的鍋爐給水進(jìn)口管3，所述等溫反應(yīng) 器D頂部引出的水蒸汽（550-580°C的飽和蒸汽）經(jīng)水汽出口管4引出后再經(jīng)汽包F的蒸汽 管道送出外送。
[0029] 參見圖2,在所述等溫反應(yīng)器D中，所述原料氣由原料氣進(jìn)口 1進(jìn)入殼體16上段 再經(jīng)上室支撐板11導(dǎo)向，經(jīng)上室支撐板11與殼體15間的環(huán)隙10沿殼體16的壁面下行， 在穿過催化劑床層15時(shí)與催化劑發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)后的氣體經(jīng)反應(yīng)室中心管9下段的小孔 14進(jìn)入反應(yīng)氣出口管2內(nèi)，最后由反應(yīng)氣出口管2排出；所述鍋爐給水由鍋爐給水進(jìn)口管3 進(jìn)入下室布水器8,由下室布水器8進(jìn)入換熱管13與管外的催化劑床層15間接換熱，換熱 后的水蒸汽經(jīng)上室布水器7由水汽出口管4引出。由于等溫反應(yīng)器D中持續(xù)鍋爐給水的通 入，能夠不斷移走催化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，使等溫反應(yīng)器D內(nèi)的溫度恒定，使原料氣能夠在反 應(yīng)器內(nèi)充分反應(yīng)，不會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)器易飛溫、催化劑容易高溫失活等問題。同樣由于等溫反應(yīng) 器的溫度控制恒定，因此相對于絕熱反應(yīng)器而言，等溫反應(yīng)器D設(shè)備的材料成本及制造難 度也相應(yīng)相降，設(shè)備投資更低。
[0030] 所述絕熱反應(yīng)器E為甲烷化工藝現(xiàn)有常用反應(yīng)器，具體結(jié)構(gòu)在此不作詳述。所述 布水器可以為盤管。所述催化劑床層中填充的催化劑可以為市場中常用的耐高溫甲烷化催 化劑。
[0031] 以年產(chǎn)22億Nm3天然氣的甲烷化工藝為例，若采用本方明工藝，反應(yīng)器溫度控制 平穩(wěn)、催化劑能高效利用不失活、反應(yīng)段數(shù)只需等溫反應(yīng)器與絕熱反應(yīng)器兩段，能有效地提 高原料氣轉(zhuǎn)化效率（達(dá)99. 5%以上），同時(shí)副產(chǎn)蒸汽外送，節(jié)能降耗增效效果明顯。由于流 程簡單，設(shè)備數(shù)量少，不需要頻繁檢修和檢修設(shè)備少，可極大地降低設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用，直接 減少設(shè)備投資約2500萬元，節(jié)約運(yùn)行成本約1600萬元，外送蒸汽產(chǎn)生附加效益約400萬 元，總計(jì)可產(chǎn)生4500萬元的經(jīng)濟(jì)效益。
【權(quán)利要求】
1. 一種甲烷化反應(yīng)工藝，其特征在于，包括原料氣經(jīng)氣液分離罐氣液分離后送入脫硫 槽脫硫，然后送入進(jìn)料氣加熱器中與出等溫反應(yīng)器的反應(yīng)氣換熱升溫，升溫后的原料氣送 入等溫反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，使原料氣中甲烷轉(zhuǎn)化效率達(dá)90%以上，反應(yīng)后的反應(yīng)氣送入所述 進(jìn)料氣加熱器與原料氣換熱降溫后再送入低溫絕熱反應(yīng)器進(jìn)一步充分反應(yīng)得到甲烷氣。
2. 如權(quán)利用求1所述的甲烷化反應(yīng)工藝，其特征在于，所述原料氣經(jīng)進(jìn)料氣加熱器換 熱后升溫至550-580°C;所述反應(yīng)氣經(jīng)進(jìn)料氣加熱器換熱降溫至330-380°C后再送入低溫絕 熱反應(yīng)器，出低溫絕熱反應(yīng)器后原料氣的轉(zhuǎn)化率達(dá)99. 5%。
3. 如權(quán)利用求1或2所述的甲烷化反應(yīng)工藝，其特征在于，所述等溫反應(yīng)器包括殼體， 所述殼體內(nèi)的上段和下段分別設(shè)有上室布水器和下室布水器，所述上室布水器與下室布器 之間經(jīng)多根換熱管連接，所述上室布水器與殼體頂部的水汽出口管連通，下室布水器與殼 體底部的鍋爐給水管連接，所述殼體頂部設(shè)有原料氣進(jìn)口、底部設(shè)有反應(yīng)氣出口管，所述殼 體的中段填充有催化劑床層，反應(yīng)室中心管位于殼體中段中心線位置且與反應(yīng)氣出口管連 通；所述原料氣由原料氣進(jìn)口進(jìn)入殼體內(nèi)，在穿過催化劑床層時(shí)與催化劑發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)后 的氣體經(jīng)反應(yīng)室中心管由反應(yīng)氣出口管排出；所述鍋爐給水由鍋爐給水進(jìn)口進(jìn)入下室布水 器，由下室布水器進(jìn)入換熱管與管外的催化劑床層間接換熱，換熱后的水汽經(jīng)上室布水器 由水汽出口引出。
4. 如權(quán)利用求3所述的甲烷化反應(yīng)工藝，其特征在于，所述反應(yīng)室中心管上均勻開有 多個(gè)小孔，小孔孔徑為〇. 1mm?20_。
5. 如權(quán)利用求3所述的甲烷化反應(yīng)工藝，其特征在于，所述等溫反應(yīng)器的高徑比為 2. 0 :1 ?3. 5 :1。
6. 如權(quán)利用求3所述的甲烷化反應(yīng)工藝，其特征在于，所述上室布水器位于上室支撐 板內(nèi)，所述上室支撐板距離殼體壁面具有環(huán)隙，所述原料氣經(jīng)環(huán)隙向下流入催化劑床層。
7. 如權(quán)利用求3所述的甲烷化反應(yīng)工藝，其特征在于，所述下室布水器位于下室支撐 板內(nèi)。
8. 如權(quán)利用求3所述的甲烷化反應(yīng)工藝，其特征在于，所述殼體上的水汽出口管均勻 布置有四根，所述鍋爐給水管也均勻布置有四根。
9. 如權(quán)利用求1或2所述的甲烷化反應(yīng)工藝，其特征在于，所述水汽出口管與汽包的蒸 汽管道連接，所述鍋爐給水進(jìn)口管與汽包的鍋爐給水管道連接，所述鍋爐給水經(jīng)汽包送入 等溫反應(yīng)器的鍋爐給水管內(nèi)，蒸汽由水汽出口管引出經(jīng)汽包的蒸汽管道外送。
【文檔編號(hào)】C10L3/08GK104152198SQ201410346926
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月21日
【發(fā)明者】張宗飛, 唐鳳金, 湯連英, 晏雙華, 徐建民 申請人:中國五環(huán)工程有限公司