一種微通道反應器及其合成氣完全甲烷化的方法
2023-05-12 05:47:26
專利名稱：一種微通道反應器及其合成氣完全甲烷化的方法
技術領域：
本發明屬於煤制天然氣技術領域，特別涉及一種微通道反應器及其合成氣完全甲烷化的方法。
背景技術：
一氧化碳加氫甲烷化(C0+3H2 = CH4+H20)是化工行業非常重要的過程，應用於富氫原料氣中痕量CO的去除，燃料電池用重整氣的純化，也與費託合成有關。近期，由煤或生物質生產代用天然氣(SNG)引起了工業界很大的關注，特別是在像中國這樣缺乏天然氣資源的地區。完全甲烷化反應，是將煤制合成氣轉化成SNG的主反應。在工業代用天然氣的生產中，原料氣中H2與CO的摩爾比是3. 1，稍微高於化學計量比。甲烷化反應是強放熱過程，研究表明體系中1 % CO加氫甲烷化會導致體系絕熱升溫72度，因此，完全甲烷化過程工藝開發的關鍵在於如何有效的控制反應區的溫度。微化工技術是20世紀90年代發展起來的多學科交叉前沿領域，著重研究時空尺度在數百微米和數百毫秒以內的微型設備和並行分布系統中的過程特徵和規律。在微化工系統中，微反應器是重要的核心之一。微反應器主要通過功能單元的模塊集成和數量的增減來控制和調節實際工業生產，有利於縮短設備的組裝和部署時間；另一方面，微通道反應器由於尺度的微細，傳遞效果比常規反應器提高了 2-3個數量級。強傳熱能力可將反應熱迅速移出，可以有效的抑制體系中熱點的產生，保證過程穩定操作。近年來與微反應器相關的流動、混合、反應等方面的研究工作發展十分迅速，帶動了微反應器技術的快速發展。在微通道反應器中進行甲烷化反應，可以發揮微通道的強換熱能力。同時，微通道反應器可以製備成便攜反應裝置，在原料氣分散分布的地域使用更有優勢，如焦爐氣經甲烷化生產代用天然氣。在微通道反應器內進行完全甲烷化反應尚未見報導。
發明內容
本發明的目的在於提供一種微通道反應器，用於合成氣完全甲烷化。本發明的目的還在於提供一種微通道反應器合成氣完全甲烷化的方法。—種微通道反應器，其特徵在於，該反應器由反應通道、移熱通道、基板和耐壓器壁構成；反應通道和移熱通道交替平行排布；反應通道與移熱通道之間用基板隔開，反應通道一側塗覆A100H溶膠，經過焙燒形成Y-Al2O3 ；反應通道一側的基板通過浸漬、焙燒、還原步驟負載M催化劑或M-Fe催化劑。所述基板為!^CrAl-Al2O3複合基板。所述反應通道和移熱通道的高度在1. 5mm以下，長度為l-50cm，寬度為1-l0cm。反應通道和移熱通道通過基板的增加實現通道數量的放大。一種微通道反應器合成氣完全甲烷化的方法，其特徵在於，將合成氣吐和CO持續通入反應通道中反應，向移熱通道中通入冷卻水或蒸汽移走反應通道中產生的熱量；通入 H2與CO的體積比為3. 0-3. 1，反應系統的操作壓力為2. 0-5. OMPa,反應系統的溫度控制在250-5500C，合成氣的體積空速為ΙΟΟΟΙΟΟΟΟΚ1。本發明的有益效果(1)本發明的微通道反應器具有強換熱能力，可以將反應熱迅速移出體系，有效抑制體系中熱點的產生，保證過程穩定操作，使甲烷化過程在接近於等溫的條件下進行；( 本發明的微通道反應器體積小，可以通過功能單元的模塊集成和數量的增減來控制和調節實際工業生產，有利於縮短設備的組裝和部署時間；C3)本發明的微通道反應器與固定床和流化床反應器相比，可以實現超短接觸反應，接觸時間由秒級縮短為毫秒級，時空收率高，有效降低反應器的成本；(4)本發明的催化劑塗覆在反應器壁面上，相同空速及轉化率情況下，金屬催化劑使用量僅為固定床反應器的10% -20%，有效降低催化劑成本；( 本發明催化劑在合成氣完全甲烷化過程中，CO轉化率接近100%，014選擇超過98 %，適合應用於煤制天然氣生產過程。
圖1為本發明微通道反應器示意圖；其中，1-反應通道、2-移熱通道、3-基板、4-耐壓器壁；圖2為高壓微通道反應裝置示意圖；其中，5-微通道反應器、6-加熱爐、7-冷凝器、8-背壓閥、9-氣相色譜、10-氫氣鋼瓶、11- 一氧化碳鋼瓶、12-質量流量計、13-質量流量劑。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的描述，但本發明的實施方式不限於此，不能理解為對本發明保護範圍的限制。實施例1 製備微通道反應器，由反應通道、移熱通道、基板和耐壓器壁構成；反應通道和移熱通道平行位於高壓容器中，且尺寸相等，即長X寬X高=5. 5cmX2cmX 0.08cm，反應通道一側基板負載NiO為5g/m2 (圖1)。在含有微通道反應器的裝置中(圖2)，在反應溫度為450°C，體系壓力為3. OMPa, 合成氣吐與CO的體積比為3. 1，合成氣體積空速為400001Γ1，進入移熱通道水量為5mL/min 條件下，進行反應，然後對所制微通道反應器的完全甲烷化性能進行評價。經氣相色譜分析，CO轉化率為100%，CH4選擇性為98. 7%。實施例2:在含有微通道反應器的裝置中(圖2)，使用實施例1中所製備的微通道反應器， 在反應溫度為450°C，體系壓力為3. OMPa,合成氣H2與CO的體積比為3. 0，合成氣體積空速為400001^,進入移熱通道水量為5mL/min條件下，進行反應，然後對所制微通道反應器的完全甲烷化性能進行評價。經氣相色譜分析，CO轉化率為99. 5%，014選擇性為96. 5%。實施例3 在含有微通道反應器的裝置中(圖2)，使用實施例1中所製備的微通道反應器，在反應溫度為450°C，體系壓力為3. OMPa,合成氣H2與CO的體積比為3. 1，合成氣體積空速為 200( -1，進入移熱通道水量為lmL/min條件下，進行反應，然後對所制微通道反應器的完全甲烷化性能進行評價。經氣相色譜分析，CO轉化率為100%，CH4選擇性為99. 5%。
實施例4 在含有微通道反應器的裝置中(圖2)，使用實施例1中所製備的微通道反應器， 在反應溫度為550°C，體系壓力為5. OMPa,合成氣H2與CO的體積比為3. 1，合成氣體積空速為400001^,進入移熱通道水量為5mL/min條件下，進行反應，然後對所制微通道反應器的完全甲烷化性能進行評價。經氣相色譜分析，CO轉化率為100%，CH4選擇性為98%。實施例5 製備微通道反應器，由反應通道、移熱通道、基板和耐壓器壁構成；反應通道和移熱通道各兩個，平行位於高壓容器中，四個通道的尺寸相等，即長X寬X高= 5. 5cmX 2cmX0. 08cm，反應通道一側基板負載NiO為5g/m2。在含有微通道反應器的裝置中(圖2)，在反應溫度為450°C，體系壓力為3. OMPa, 合成氣吐與CO的體積比為3. 1，合成氣體積空速為SOOOOtT1，進入移熱通道水量為IOmL/ min條件下，進行反應，然後對所制微通道反應器的完全甲烷化性能進行評價。經氣相色譜分析，CO轉化率為100%，CH4選擇性為98. 5%。實施例6 製備微通道反應器，由反應通道、移熱通道、基板和耐壓器壁構成；反應通道和移熱通道平行位於高壓容器中，兩個通道的尺寸相等，即長X寬X高= 5. 5cmX 2cmX0. 04cm，反應通道一側基板負載NiO為5g/m2。在含有微通道反應器的裝置中(圖2)，在反應溫度為450°C，體系壓力為3. OMPa, 合成氣吐與CO的體積比為3. 1，合成氣體積空速為SOOOOtT1，進入移熱通道水量為5mL/min 條件下，進行反應，然後對所制微通道反應器的完全甲烷化性能進行評價。經氣相色譜分析，CO轉化率為100%，CH4選擇性為98.8%。實施例7 製備微通道反應器，由反應通道、移熱通道、基板和耐壓器壁構成；反應通道和移熱通道平行位於高壓容器中，兩個通道的尺寸相等，即長X寬X高= 5. 5cmX2cmX0. 12cm，反應通道一側基板負載NiO為5g/m2。在含有微通道反應器的裝置中(圖2)，在反應溫度為450°C，體系壓力為3. OMPa, 合成氣H2與CO的體積比為3. 1，合成氣體積空速為250001^，進入移熱通道水量為5mL/min 條件下，進行反應，然後對所制微通道反應器的完全甲烷化性能進行評價。經氣相色譜分析，CO轉化率為98. 5%，CH4選擇性為97%。實施例8 製備微通道反應器，由反應通道、移熱通道、基板和耐壓器壁構成；反應通道和移熱通道平行位於高壓容器中，兩個通道的尺寸相等，即長X寬X高=5. 5cmX2cmX0. 08cm 的微通道，基板負載NiO為10g/m2。在含有微通道反應器的裝置中(圖2)，在反應溫度為450°C，體系壓力為3. OMPa, 合成氣吐與CO的體積比為3. 1，合成氣體積空速為400001Γ1，進入移熱通道水量為5mL/min 條件下，進行反應，然後對所制微通道反應器的完全甲烷化性能進行評價。經氣相色譜分析，CO轉化率為99%，CH4選擇性為97. 5%0實施例9 製備微通道反應器，由反應通道、移熱通道、基板和耐壓器壁構成；反應通道和移
5熱通道平行位於高壓容器中，兩個通道的尺寸相等，即長X寬X高=5. 5cmX2cmX0. 08cm 的微通道，基板負載NiO為2. 5g/m2。在含有微通道反應器的裝置中(圖2)，在反應溫度為450°C，體系壓力為3. OMPa, 合成氣吐與CO的體積比為3. 1，合成氣體積空速為lOOOOtT1，進入移熱通道水量為3mL/min 條件下，進行反應，然後對所制微通道反應器的完全甲烷化性能進行評價。經氣相色譜分析，CO轉化率為98 %，CH4選擇性為95 %。實施例10 製備微通道反應器，由反應通道、移熱通道、基板和耐壓器壁構成；反應通道和移熱通道平行位於高壓容器中，兩個通道的尺寸相等，即長X寬X高=5. 5cmX2cmX0. 08cm 的微通道，基板負載NiO為5g/m2，Fe2O3為1. 8g/m2。在含有微通道反應器的裝置中(圖2)，在反應溫度為450°C，體系壓力為3. OMPa, 合成氣吐與CO的體積比為3. 1，原料氣體積空速為400001Γ1，進入移熱通道水量為5mL/min 條件下，進行反應，然後對所制微通道反應器的完全甲烷化性能進行評價。經氣相色譜分析，CO轉化率為100%，CH4選擇性為99.4%。
權利要求
1.一種微通道反應器，其特徵在於，該反應器由反應通道、移熱通道、基板和耐壓器壁構成；反應通道和移熱通道交替平行排布；反應通道與移熱通道之間用基板隔開，反應通道一側塗覆AlOOH溶膠，經過焙燒形成Y-Al2O3 ；反應通道一側的基板通過浸漬、焙燒、還原步驟負載Ni催化劑或Ni-Fe催化劑。
2.根據權利要求1所述一種微通道反應器，其特徵在於，所述基板為!^crAl-Al2O3複合基板。
3.根據權利要求1所述一種微通道反應器，其特徵在於，所述反應通道和移熱通道的高度在1. 5mm以下，長度為l-50cm，寬度為1-lOcm。
4.根據權利要求1所述一種微通道反應器，其特徵在於，反應通道和移熱通道通過基板的增加實現通道數量的放大。
5.一種微通道反應器合成氣完全甲烷化的方法，其特徵在於，將合成氣吐和CO持續通入反應通道中反應，向移熱通道中通入冷卻水或蒸汽移走反應通道中產生的熱量；通入 H2與CO的體積比為3. 0-3. 1，反應系統的操作壓力為2. 0-5. OMPa,反應系統的溫度控制在 250-5500C，合成氣的體積空速為ΙΟΟΟ-δΟΟΟΟΙΓ1。
全文摘要
本發明公開了一種屬於煤制天然氣技術領域的微通道反應器及其合成氣完全甲烷化的方法。該反應器由反應通道、移熱通道、基板和耐壓器壁構成。本發明將H2與CO體積比為3.0-3.1的合成氣通入微通道反應器中，在2.0-5.0MPa，250-550℃，空速1000-80000h-1條件下，實現CO接近100％轉化，產品氣中CH4選擇性大於98％。本發明的方法具有移熱能力強，時空收率高，金屬催化劑用量低，設備體積小等優點。
文檔編號C07C1/04GK102151531SQ20111003088
公開日2011年8月17日 申請日期2011年1月28日 優先權日2011年1月28日
發明者田大勇, 程易, 翟緒麗 申請人:清華大學