一種甲醇低溫裂解反應器設計及反應特性研究

Apr.2009現代化工第29卷第4期72Mordern Chemical Industry209年4月種甲醇低溫裂解反應器設計及反應特性研究楊成,鄭道昌,王炳輝(寧波大學(xué)海運學(xué)院,浙江寧波315211)摘要:設計了一套集成式甲醇低溫裂解反應器,開(kāi)發(fā)了電控反應裝置系統,并進(jìn)行了反應特性實(shí)驗。實(shí)驗結果表明,該反應裝置系統適宜的甲醇裂解反應溫度為310℃,最佳甲醇加料速度為2550h-1,甲醇裂解率為845%,裂解氣中C0和H2含量高反應裝置簡(jiǎn)單,長(cháng)期運行穩定性好,透合實(shí)際應用關(guān)鍵詞:甲醉;反應器;催化裂解;電控中圖分類(lèi)號:T203.8;TQ0525文獻標識碼:A文章編號:0253-4320(200)04-0072-03A low-temperature methanol cracking reactor: Its design of a low-temperaturecracking reactor for methanol and its reaction characteristicsYANG Cheng, ZHENG Dao-chang, WANG Bing-hui(The Faculty of Maritime, Ningbo University, Ningbo 315211,ChinaAbstract: A set of integrated methanol low-temperature cracking reactor and its electronic control unit system for thereactor is designed and developed, and the reaction characteristics experiment for the reactor system is studied. The results showat the optimal methanol cracking temperature is 310C and the feed rate of methanol is 25.5 h-l, and the cracking rate ofmethanol can reach 84.5%, the volume of CO and H is high in the cracked gas, the reaction equipment is simple, and the long-term stability of the process is good, it is suitable for practical applicationKey words: methanol; reactor; catalytic cracking; electronic control甲醇是常用的化工原料,每年的產(chǎn)量很大。而筒中心為甲醇滴加管,8根電加熱管排成圓均勻地甲醇直接作為燃料并不理想,主要是由于其單位體分布在圓柱筒中,筒中填滿(mǎn)甲醇裂解催化劑。反應積的熱值低,氣化潛熱大,制動(dòng)效率較低,且甲醇與器主體結構剖面圖和截面圖如圖1所示。反應器主燃油混合易相分離。與氣體燃料相比,甲醇易于儲體分蒸發(fā)裂解區、裂解主反應區、緩沖區3個(gè)部分,備和運輸,具有較高的能量轉換效率,反應產(chǎn)物主要并根據各反應區不同的反應特性選擇不同的催化為水和少量二氧化碳,是綠色能源甲醇是未來(lái)最有劑。甲醇經(jīng)銅管通入甲醇反應器,在蒸發(fā)裂解區滴希望的高攜能燃料,是和CO良好的載體-3。人反應器。在蒸發(fā)裂解區甲醇吸收熱量迅速氣化甲醇裂解制備氫氣和一氧化碳是有效利用甲醇的一并在催化劑的作用下形成甲醇部分裂解氣。從蒸發(fā)個(gè)重要途徑。甲醇被視為一種方便、安全的貯氫材區上來(lái)的初步裂解氣在反應器的裂解主反應區催化料,可作為內燃機的代用燃料。同時(shí)其裂解氣可廣劑的作用下充分催化裂解,小部分未裂解的甲醇蒸泛應用于熱處理工業(yè)。另外,化工、制藥、材料加工汽在反應器的緩沖區進(jìn)行再次裂解。甲醇裂解氣從及冶金行業(yè)對氫氣及一氧化碳的需求在不斷增加,緩沖區的裂解氣出口流出反應器。這都要求有一個(gè)簡(jiǎn)便、經(jīng)濟的氫氣及一氧化碳的很好的來(lái)源。因此,設計出一套簡(jiǎn)單可行的甲醇低溫電加熱管裂解反應裝置具有重要的現實(shí)意義。筆者根據當前醇裂解氣氣隔膜的甲醇裂解技術(shù)發(fā)展現狀,設計了一套甲醇裂解率高、產(chǎn)氣量大、反應工藝簡(jiǎn)單、操作使用方便的甲醇醇滴加管甲醇滴加管低溫催化裂解裝置。催化劑填充區1反應器主體結構與反應原理源病面口區反模該裂解反應器主體部分設計為圓柱型筒結構,中國煤化工主體結構CNMHG收稿日期:2008-12-15基金項目:浙江省寧波市自然基金項目“甲醇余熱裂解制氫與霧化在大功率柴油機上的燃燒性能研究”(2008A610065)作者簡(jiǎn)介:楊成(1984-),男,碩土,主要研究方向為能源利用與環(huán)境保護,13819821486,0574-8760131l.b200027@yahoo.com.cm;鄭道昌(1958-),男碩士教授研究方向為能源利用與環(huán)境保護200年4月楊成等:一種甲醇低溫裂解反應器設計及反應特性研究732催化劑的選擇用電磁閥來(lái)控制甲醇滴加管與裂解氣傳輸管的通斷,用熱電偶來(lái)檢測反應器的溫度,用溫控儀來(lái)控制甲醇的裂解反應方程式為:反應器的溫度,用甲醇計量泵與甲醇流量計來(lái)精確CHOH(1)控制甲醇的通人量?？刂葡到yECU,以單片機為核同時(shí)反應體系中還可能存在下列一些副反應:心控制單元?？刂葡到y主要完成對電磁閥的開(kāi)閉控2CH2OH一CH2OCH3+H2O(2)制,甲醇與氣體流量信號的檢測與顯示,反應器溫度HOH+H2一·CH4+H2O信號的顯示與控制,甲醇滴加流量的控制。CHOH+H2O→32+CO2表1裂解反應器主體的主要結構參數Co+H2O→CO2+H2(5)裂解主蒸發(fā)裂裂解裂解氣CHOH→CH20+五緩沖區反應區解區出口出口甲醇管加出門(mén)反應器反應器長(cháng)度長(cháng)度高度直徑區度直徑高度2CHOH→ HCOOCH3+2H50580630130150700H3OH→c2HOH+H2要抑制這些副反應的發(fā)生,需要選擇適當的催”“##=化劑。它不僅要有高活性,還必須具有高選擇性,同時(shí)又要有良好的低溫活性。應用于甲醇裂解反應的催化劑有很多,包括貴金屬催化劑(如PP)和非貴金屬催化劑(如Cu、Cr、Ni、zn)等。Cu-Cr催化體系是高活性甲醇低溫分解催化劑,加人Mn、Mg、Ba、Si等助劑進(jìn)行改性后能進(jìn)一步提高Cu-Cr催化劑的活性穩定性及選擇性(4-”。Cu/Cr/Si/Mn多元催化劑通過(guò)其各種組分的協(xié)同作1,7一截止閥;2-甲醇計量泵;3一甲醇流量計;4一單向閥;用而具有最佳的性能,300℃時(shí)甲醇的轉化率及CO512電磁閥6一放氣閥;8—色譜分析儀;9冷卻臂;10壓力傳感器;l-緩沖箱:13氣體流量計;14-熱電偶的選擇性均可以達到80%以上。同時(shí)Cu-Cr催化5-反應器;16—甲醇箱;17一溫控儀劑具有一定的再生性,催化劑利用率較高。先用空圖2實(shí)驗裝置系統示意圖氣或氧氣在300~450℃下進(jìn)行氧化,隨后在200~300℃用H還原,能使Cu-Cr催化劑幾乎完全恢復裝置中反應溫度由熱電偶進(jìn)行檢測,由溫控儀活性。因此選用d=2.5mm的改性Cu-Cr-Mn進(jìn)行控制與顯示反應溫度,使反應溫度處于恒溫,反催化劑顆粒作為裂解主反應區的催化劑。選用d應溫度可以通過(guò)調節溫控儀上的參數進(jìn)行改變,可35m的SiO2顆類(lèi)與Cu-Cr催化劑顆粒作為蒸發(fā)由改變ECU的控制參數輸入值來(lái)調節溫控儀的參裂解區的催化劑,其中SO2顆粒數與Cu-C顆粒數數。裝置中甲醇流量由流量傳感器進(jìn)行檢測由相同。選用d=3.5mm的Cu-Cr催化劑顆粒作為ECU進(jìn)行顯示與控制,ECU通過(guò)調節甲醇計量泵的反應器緩沖區的催化劑。電壓輸入信號來(lái)調節計量泵的轉速,從而調節甲醇3實(shí)驗裝置系統設計與實(shí)驗方法通入流量,甲醇流量值由ECU的控制參數輸入值來(lái)進(jìn)行確定。實(shí)驗用反應器主體的主要結構參數見(jiàn)表1,電加熱管直徑為20mm,實(shí)驗裝置系統圖見(jiàn)圖2。實(shí)驗4實(shí)驗結果與分析中用CC-20004型色譜分析儀來(lái)檢測裂解氣中氣體41反應溫度的影響的組成,用氣體流量計來(lái)檢測裂解氣的體積流量。甲醇加料速度是甲醇通入反應器的流量與反應(上接第71頁(yè)中國煤化工 t[J]. Ind Eng hem Res,[4]周理,呂昌忠邊守軍,等非耦聯(lián)吸附塔新變壓吸附工藝的實(shí)驗H研究[.化工學(xué)報,2003,54(5):639-645CNMHGfor multicomponent adsorp-tionbesed separations: Application to pressure swing adsorption[J][5]王嘯馬正飛,周漢濤等兩床變壓吸附空分制氧過(guò)程的模擬[J.天然氣化工,2003,28(1):50[8] Chiang A S T, Chang Y D. Experimental study on a four-bed psa air sep-[6]Kenneth G, Teague J, Thomas E. predictive dynamic model of a smallaration proces[J]. AIChE Joumal, 1994, 12(40): 1996-1982.現代化工第29卷第4期器主反應區裂解催化劑體積的比值。在保持甲醇加表4各采樣點(diǎn)下裂解產(chǎn)物分布料速度為255h-1不變的條件下,改變反應器的反裂解氣產(chǎn)物分布/%應溫度,獲得不同反應溫度下裂解產(chǎn)物分布見(jiàn)表2。時(shí)間率表2不同溫度下裂解氣的產(chǎn)物分布hH CH, CoCO CHyOCH HO CHOH HCOCH裂解產(chǎn)物分布/%46060.38200.61120.137.500484.3溫度/H2 CH CO CO CH3OCH, HO CH,OH HCO, C860.510.422.10.61200.157.720.208.902051.570.3325.00.510.20.0621.90.3455.30120.7052.90.701,360.186.80.38502056.300.412.010.620.680.0913.540.5070.751699809260.81.080.308.00.2183.7831060.520.4029010.601.300.127.5004584.502060.30.7200.701.340.287.240.284.2034059800.882.850.702.320.055.750.2785.0309.671.6529.651.402.850.133.800.2689.04穩定,表明這種反應器結構設計與裂解催化劑的選從表2可得,隨著(zhù)反應溫度的升高,甲醇的裂解用較為合理催化劑的穩定性與低溫活性較高反應率升高,在反應溫度為310℃時(shí),甲醇的裂解率達到裝置產(chǎn)氣穩定連續工作可靠性高。84.50%,此反應溫度時(shí)裂解氣中氫氣的含量最高。5結論當反應溫度繼續升高到340~370℃時(shí),甲醇的裂解率繼續升高,在反應溫度為370℃時(shí)甲醇裂解率為(1)筆者研究設計的甲醇催化裂解反應器集蒸8904%,但裂解率隨溫度升高而增加的幅度已經(jīng)下發(fā)、裂解、緩沖于一體,并針對各反應區的反應特性,降反應中副反應增多直接裂解為H和CO的甲醇選擇不同特性的催化劑。此設計使各層催化劑的催比例降低。同時(shí)考慮降低能耗等因素將該反應裝化作用都得到了較好的發(fā)揮裝置結構緊湊,反應工置的反應溫度選為310℃較適宜。藝簡(jiǎn)單。4.2甲醇加料速度的影響2)針對該反應器開(kāi)發(fā)了簡(jiǎn)單的電控實(shí)驗裝置在保持反應溫度為310℃的條件下,通過(guò)改變并對該裝置系統進(jìn)行了實(shí)驗研究實(shí)驗結果表明該輸入ECU的甲醇流量控制參數來(lái)改變甲醇的通入裝置產(chǎn)氣穩定,在反應溫度為310℃與甲醇加料速流量,獲得各甲醇加料速度(加入的液體甲醇流量與度為255h1的反應條件下,甲醇裂解率達845%,主反應區裂解催化劑體積的比值)對應的甲醇裂解裂解氣中H2和CO含量高,裝置長(cháng)期運行穩定性及率見(jiàn)表3?？煽啃院?適合于現場(chǎng)制取甲醇裂解氣燃料或作為表3不同甲醇加料速度下甲醇的裂解率H2和CO0的來(lái)源來(lái)使用。加料速度/h138.2530.5525.5022.3217813.40甲醇裂解率/%45.3568.6084.55849086.6584.30參考文獻[1] National Research Council of the United States. Catalysis Looks to Future由表3可知,隨著(zhù)甲醇加料速度的減少,甲醇的[M]. Washington DC: The National Academy Press,1992裂解率呈上升趨勢。當甲醇加料速度降為[2] Wu H sun Cheng. Development of methanol decomposition catalysts for2550h-1時(shí),甲醇裂解率為84.55%,甲醇加料速度oduction of Hh, and Co[J]. Ace Chem Res, 1999,32: 685-691再往下降時(shí),甲醇裂解率基本趨于穩定。因此,在反[3]趙雷洪鄭小明甲醇在氧化物催化劑上分解反應的研究[]]化學(xué)研究與應用,1998,10(5):539-542.應溫度為310℃下,該反應裝置的加料速度選[4]彭必先,甘昌勝,閏天堂陽(yáng)催化劑在甲醇裂解中的應用研究進(jìn)25.50h-l較為適宜。展[J化學(xué)通報,200(11):735-7424.3反應裝置的可靠性分析[5]劉興泉,楊迎春,樊玉塘低溫合成甲醇及甲酸甲酯Cu-Cr-Mn在甲醇加料速度為25.50h-1,反應溫度為0催化劑的制備與表征[J]催化學(xué)報,200,21(1):43-46310℃的反應條件下,將反應器持續運行20h,反應山川出“系研究進(jìn)展[門(mén)].天然氣中國煤化工器運行過(guò)程中每間隔4h對裂解氣進(jìn)行1次采樣,所得采樣分析后數據見(jiàn)表4CNMHO解研究進(jìn)展[]合成化學(xué),2001,94):315-319由表4可知在反應持續運行的20h內,甲醇81寧文生,朱海新,胡在珠超細態(tài)C0-o-4催化劑的裂解率較穩定,甲醇裂解氣中各組分也基本保持O2+H反應性能[門(mén).工業(yè)催化,20,8(2):18-2.■