一种微通道反应器及其合成气完全甲烷化的方法

摘要

本发明公开了一种属于煤制天然气技术领域的微通道反应器及其合成气完全甲烷化的方法。该反应器由反应通道、移热通道、基板和耐压器壁构成。本发明将H2与CO体积比为3.0-3.1的合成气通入微通道反应器中，在2.0-5.0MPa，250-550℃，空速1000-80000h-1条件下，实现CO接近100％转化，产品气中CH4选择性大于98％。本发明的方法具有移热能力强，时空收率高，金属催化剂用量低，设备体积小等优点。

权利要求

1.一种在微通道反应器中合成气完全甲烷化的方法，其特征在于，将合成气H2和CO持续通入反应通道中反应，向移热通道中通入冷却水或蒸汽移走反应通道中产生的热量；通入H2与CO的体积比为3.0-3.1，反应系统的操作压力为2.0-5.0MPa，反应系统的温度控制-1在250-550℃，合成气的体积空速为1000-80000h ；

所述微通道反应器由反应通道、移热通道、基板和耐压器壁构成；反应通道和移热通道交替平行排布；反应通道与移热通道之间用基板隔开，反应通道一侧涂覆AlOOH溶胶，经过焙烧形成γ-Al2O3；反应通道一侧的基板通过浸渍、焙烧、还原步骤负载Ni催化剂或Ni-Fe催化剂；

所述基板为FeCrAl-Al2O3复合基板；

所述反应通道和移热通道的高度在1.5mm以下，长度为1-50cm，宽度为1-10cm；

反应通道和移热通道通过基板的增加实现通道数量的放大。

说明书

一种微通道反应器及其合成气完全甲烷化的方法

技术领域

[0001] 本发明属于煤制天然气技术领域，特别涉及一种微通道反应器及其合成气完全甲烷化的方法。

背景技术

[0002] 一氧化碳加氢甲烷化(CO+3H2＝CH4+H2O)是化工行业非常重要的过程，应用于富氢原料气中痕量CO的去除，燃料电池用重整气的纯化，也与费托合成有关。近期，由煤或生物质生产代用天然气(SNG)引起了工业界很大的关注，特别是在像中国这样缺乏天然气资源的地区。完全甲烷化反应，是将煤制合成气转化成SNG的主反应。在工业代用天然气的生产中，原料气中H2与CO的摩尔比是3.1，稍微高于化学计量比。甲烷化反应是强放热过程，研究表明体系中1％CO加氢甲烷化会导致体系绝热升温72度，因此，完全甲烷化过程工艺开发的关键在于如何有效的控制反应区的温度。

[0003] 微化工技术是20世纪90年代发展起来的多学科交叉前沿领域，着重研究时空尺度在数百微米和数百毫秒以内的微型设备和并行分布系统中的过程特征和规律。在微化工系统中，微反应器是重要的核心之一。微反应器主要通过功能单元的模块集成和数量的增减来控制和调节实际工业生产，有利于缩短设备的组装和部署时间；另一方面，微通道反应器由于尺度的微细，传递效果比常规反应器提高了2-3个数量级。强传热能力可将反应热迅速移出，可以有效的抑制体系中热点的产生，保证过程稳定操作。近年来与微反应器相关的流动、混合、反应等方面的研究工作发展十分迅速，带动了微反应器技术的快速发展。

[0004] 在微通道反应器中进行甲烷化反应，可以发挥微通道的强换热能力。同时，微通道反应器可以制备成便携反应装置，在原料气分散分布的地域使用更有优势，如焦炉气经甲烷化生产代用天然气。在微通道反应器内进行完全甲烷化反应尚未见报道。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种微通道反应器，用于合成气完全甲烷化。

[0006] 本发明的目的还在于提供一种微通道反应器合成气完全甲烷化的方法。

[0007] 一种微通道反应器，其特征在于，该反应器由反应通道、移热通道、基板和耐压器壁构成；反应通道和移热通道交替平行排布；反应通道与移热通道之间用基板隔开，反应通道一侧涂覆AlOOH溶胶，经过焙烧形成γ-Al2O3；反应通道一侧的基板通过浸渍、焙烧、还原步骤负载Ni催化剂或Ni-Fe催化剂。

[0008] 所述基板为FeCrAl-Al2O3复合基板。

[0009] 所述反应通道和移热通道的高度在1.5mm以下，长度为1-50cm，宽度为1-10cm。

[0010] 反应通道和移热通道通过基板的增加实现通道数量的放大。

[0011] 一种微通道反应器合成气完全甲烷化的方法，其特征在于，将合成气H2和CO持续通入反应通道中反应，向移热通道中通入冷却水或蒸汽移走反应通道中产生的热量；通入H2与CO的体积比为3.0-3.1，反应系统的操作压力为2.0-5.0MPa，反应系统的温度控制在-1250-550℃，合成气的体积空速为1000-80000h 。

[0012] 本发明的有益效果：(1)本发明的微通道反应器具有强换热能力，可以将反应热迅速移出体系，有效抑制体系中热点的产生，保证过程稳定操作，使甲烷化过程在接近于等温的条件下进行；(2)本发明的微通道反应器体积小，可以通过功能单元的模块集成和数量的增减来控制和调节实际工业生产，有利于缩短设备的组装和部署时间；(3)本发明的微通道反应器与固定床和流化床反应器相比，可以实现超短接触反应，接触时间由秒级缩短为毫秒级，时空收率高，有效降低反应器的成本；(4)本发明的催化剂涂覆在反应器壁面上，相同空速及转化率情况下，金属催化剂使用量仅为固定床反应器的10％-20％，有效降低催化剂成本；(5)本发明催化剂在合成气完全甲烷化过程中，CO转化率接近100％，CH4选择超过98％，适合应用于煤制天然气生产过程。

附图说明

[0013] 图1为本发明微通道反应器示意图；

[0014] 其中，1-反应通道、2-移热通道、3-基板、4-耐压器壁；

[0015] 图2为高压微通道反应装置示意图；

[0016] 其中，5-微通道反应器、6-加热炉、7-冷凝器、8-背压阀、9-气相色谱、10-氢气钢瓶、11-一氧化碳钢瓶、12-质量流量计、13-质量流量剂。

具体实施方式

[0017] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此，不能理解为对本发明保护范围的限制。

[0018] 实施例1：

[0019] 制备微通道反应器，由反应通道、移热通道、基板和耐压器壁构成；反应通道和移热通道平行位于高压容器中，且尺寸相等，即长×宽×高＝5.5cm×2cm×0.08cm，反应通2
道一侧基板负载NiO为5g/m(图1)。

[0020] 在含有微通道反应器的装置中(图2)，在反应温度为450℃，体系压力为3.0MPa，-1合成气H2与CO的体积比为3.1，合成气体积空速为40000h ，进入移热通道水量为5mL/min条件下，进行反应，然后对所制微通道反应器的完全甲烷化性能进行评价。经气相色谱分析，CO转化率为100％，CH4选择性为98.7％。

[0021] 实施例2：

[0022] 在含有微通道反应器的装置中(图2)，使用实施例1中所制备的微通道反应器，在反应温度为450℃，体系压力为3.0MPa，合成气H2与CO的体积比为3.0，合成气体积空速-1为40000h ，进入移热通道水量为5mL/min条件下，进行反应，然后对所制微通道反应器的完全甲烷化性能进行评价。经气相色谱分析，CO转化率为99.5％，CH4选择性为96.5％。

[0023] 实施例3：

[0024] 在含有微通道反应器的装置中(图2)，使用实施例1中所制备的微通道反应器，在反应温度为450℃，体系压力为3.0MPa，合成气H2与CO的体积比为3.1，合成气体积空速为-12000h ，进入移热通道水量为1mL/min条件下，进行反应，然后对所制微通道反应器的完全甲烷化性能进行评价。经气相色谱分析，CO转化率为100％，CH4选择性为99.5％。

[0025] 实施例4：

[0026] 在含有微通道反应器的装置中(图2)，使用实施例1中所制备的微通道反应器，在反应温度为550℃，体系压力为5.0MPa，合成气H2与CO的体积比为3.1，合成气体积空速-1为40000h ，进入移热通道水量为5mL/min条件下，进行反应，然后对所制微通道反应器的完全甲烷化性能进行评价。经气相色谱分析，CO转化率为100％，CH4选择性为98％。

[0027] 实施例5：

[0028] 制备微通道反应器，由反应通道、移热通道、基板和耐压器壁构成；反应通道和移热通道各两个，平行位于高压容器中，四个通道的尺寸相等，即长×宽×高＝2
5.5cm×2cm×0.08cm，反应通道一侧基板负载NiO为5g/m。

[0029] 在含有微通道反应器的装置中(图2)，在反应温度为450℃，体系压力为3.0MPa，-1合成气H2与CO的体积比为3.1，合成气体积空速为80000h ，进入移热通道水量为10mL/min条件下，进行反应，然后对所制微通道反应器的完全甲烷化性能进行评价。经气相色谱分析，CO转化率为100％，CH4选择性为98.5％。

[0030] 实施例6：

[0031] 制备微通道反应器，由反应通道、移热通道、基板和耐压器壁构成；反应通道和移热通道平行位于高压容器中，两个通道的尺寸相等，即长×宽×高＝2
5.5cm×2cm×0.04cm，反应通道一侧基板负载NiO为5g/m。

[0032] 在含有微通道反应器的装置中(图2)，在反应温度为450℃，体系压力为3.0MPa，-1合成气H2与CO的体积比为3.1，合成气体积空速为80000h ，进入移热通道水量为5mL/min条件下，进行反应，然后对所制微通道反应器的完全甲烷化性能进行评价。经气相色谱分析，CO转化率为100％，CH4选择性为98.8％。

[0033] 实施例7：

[0034] 制备微通道反应器，由反应通道、移热通道、基板和耐压器壁构成；反应通道和移热通道平行位于高压容器中，两个通道的尺寸相等，即长×宽×高＝2
5.5cm×2cm×0.12cm，反应通道一侧基板负载NiO为5g/m。

[0035] 在含有微通道反应器的装置中(图2)，在反应温度为450℃，体系压力为3.0MPa，-1合成气H2与CO的体积比为3.1，合成气体积空速为25000h ，进入移热通道水量为5mL/min条件下，进行反应，然后对所制微通道反应器的完全甲烷化性能进行评价。经气相色谱分析，CO转化率为98.5％，CH4选择性为97％。

[0036] 实施例8：

[0037] 制备微通道反应器，由反应通道、移热通道、基板和耐压器壁构成；反应通道和移热通道平行位于高压容器中，两个通道的尺寸相等，即长×宽×高＝5.5cm×2cm×0.08cm2
的微通道，基板负载NiO为10g/m。

[0038] 在含有微通道反应器的装置中(图2)，在反应温度为450℃，体系压力为3.0MPa，-1合成气H2与CO的体积比为3.1，合成气体积空速为40000h ，进入移热通道水量为5mL/min条件下，进行反应，然后对所制微通道反应器的完全甲烷化性能进行评价。经气相色谱分析，CO转化率为99％，CH4选择性为97.5％。

[0039] 实施例9：

[0040] 制备微通道反应器，由反应通道、移热通道、基板和耐压器壁构成；反应通道和移热通道平行位于高压容器中，两个通道的尺寸相等，即长×宽×高＝5.5cm×2cm×0.08cm2
的微通道，基板负载NiO为2.5g/m。

[0041] 在含有微通道反应器的装置中(图2)，在反应温度为450℃，体系压力为3.0MPa，-1合成气H2与CO的体积比为3.1，合成气体积空速为10000h ，进入移热通道水量为3mL/min条件下，进行反应，然后对所制微通道反应器的完全甲烷化性能进行评价。经气相色谱分析，CO转化率为98％，CH4选择性为95％。

[0042] 实施例10：

[0043] 制备微通道反应器，由反应通道、移热通道、基板和耐压器壁构成；反应通道和移热通道平行位于高压容器中，两个通道的尺寸相等，即长×宽×高＝5.5cm×2cm×0.08cm2 2
的微通道，基板负载NiO为5g/m，Fe2O3为1.8g/m。

[0044] 在含有微通道反应器的装置中(图2)，在反应温度为450℃，体系压力为3.0MPa，-1合成气H2与CO的体积比为3.1，原料气体积空速为40000h ，进入移热通道水量为5mL/min条件下，进行反应，然后对所制微通道反应器的完全甲烷化性能进行评价。经气相色谱分
4
析，CO转化率为100％，CH 选择性为99.4％。