一种用于水煤气变换反应的反应器及应用

本发明涉及一种用于水煤气变换反应的反应器及应用，属于一氧化碳转化及制氢。

背景技术：

1、水煤气变换(water-gas shift)是指一氧化碳与水蒸气在催化剂作用下转化为氢和二氧化碳的反应，其反应式为：co+h2o→h2+co2。该反应在工业生产中用于制氢及调整合成气中氢与一氧化碳的比例。现有工业装置均采用绝热反应器，在200-500℃下进行气-固两相反应。其中，气相为含有一氧化碳、水蒸气的反应物，固相为催化剂。气-固两相水煤气变换是一个强放热反应，其反应热约为40kj/mol。反应热在绝热反应器内累积，会使温度大幅提高。温度过高不利于装置操控，并会导致催化剂失活。因此，工业生产中通常采用分级多段变换工艺；在进行下一级变换反应前，预先通过换热降低反应物温度。专利文献cn1280180c、cn102001623b、cn102971252b、cn103508416b、cn102992264b、cn103449365b、cn104340958b、cn104098069b、cn105084313b等提供了上述过程的具体实例。

2、相较于绝热水煤气变换反应工艺，使用等温反应器进行水煤气变换可使反应流程简化。专利文献cn1204038c公开了一种一氧化碳等温耐硫变换工艺。该工艺使用列管式或内置换热盘管的塔釜式反应器，通过传热介质将反应热移出催化剂床层，从而保证床层温度接近等温。专利文献cn104085855b公开了一种干气脱毒器外逆向增湿等温一氧化碳变换工艺。该工艺在反应器内设置了换热弯曲管。专利文献cn110550602a公开了一种用于羰基合成的高浓度一氧化碳可控半等温变换工艺。该工艺使用的反应器分为等温反应区和绝热反应区；在等温反应区设有自下而上连通的换热列管。

3、若能在水煤气变换反应的同时将氢通过膜分离装置移除，则不单可以提高一氧化碳转化率，还能同时直接获得高纯氢。专利文献cn102482079b公开了一种制备稀释氢气体混合物的方法。该方法使用膜反应器进行水煤气变换反应；所用膜为相对于二氧化碳的氢渗透选择性为至少30的透氢膜。专利文献cn103359688b公开了一种利用兰炭焦炉煤气制取不同纯度等级氢的方法。该方法使用膜反应器，一边进行水煤气变换反应，一边分离得到含氢产品。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种克服现有技术缺陷，高效、可控地进行水煤气变换的反应器。为实现这一目的，本发明采用以下技术方案：

2、在由反应器壁(1)构成的中空密闭筒体内部设置反应腔室(2)，反应腔室(2)是由多孔材料作为壁面围绕成的中空密闭腔室。气相反应原料输入管(3)贯穿反应器壁(1)并伸入反应腔室(2)的上部，液相反应原料输入管(4)贯穿反应器壁(1)并伸入筒体内，反应产物输出管(5)贯穿反应器壁(1)并伸入反应腔室(2)的下部。用于水煤气变换反应的催化剂(6)装填在反应腔室(2)中。此种反应器适用于包含气相和液相反应原料的水煤气变换反应过程。

3、本发明所述反应器中，筒体内设置的反应腔室的数量为1-100个。

4、本发明所述反应器中，构成反应腔室壁面的多孔材料为多孔烧结金属、多孔陶瓷、金属网中的至少一种，或由其中二种以上复合材料制成。

5、本发明所述反应器中，液相反应原料输入管的数量为1-10路。

6、本发明所述反应器中，气相反应原料含有一氧化碳，液相反应原料含有水。

7、根据需要，可将本发明所提供的技术方案进一步优化，具体而言，可于本发明所述反应器壁的内壁面和反应腔室的外壁面间留有空隙。

8、根据需要，可将本发明所提供的技术方案进一步优化，具体而言，可选取粒径尺寸为1-200mm的催化剂装填在本发明所述反应腔室中进行水煤气变换反应。

9、根据需要，可将本发明所提供的技术方案进一步优化，具体而言，可于本发明所述反应器壁的外壁面上设置隔热层。

10、水煤气变换反应须在一定温度、压力条件下进行。本发明所述反应器的机械设计必须满足这些条件。关于反应器温度、压力设计的要求及方法对本领域技术人员而言是人所共知的。

11、本发明所提供的用于水煤气变换反应的反应器与现有水煤气变换反应器设计方案完全不同。本发明具有以下有益效果：

12、首先，使用本发明所述反应器，可以实现包含气相和液相反应原料的水煤气变换反应过程。在此过程中，作为反应原料的液态水吸收水煤气变换反应放出的热量后气化，从而使反应温度保持稳定。这克服了采用绝热反应器进行气-固两相水煤气变换反应剧烈温升的问题。液态水穿过由多孔材料制成的反应腔室侧壁进入反应腔室，进而与催化剂接触。这样的接触方式在保证高传热效率的同时，避免了因急冷导致催化剂床层温度大幅波动。在液态水输入量适宜的条件下，水煤气变换反应可在接近等温状态下进行。

13、其次，液相反应原料中的水无需预先气化，直接以液态送入反应器，因此省去输送相应量水蒸气所需能耗。同时，可以保证反应器内水与一氧化碳的摩尔比保持较高水平，从而在不增加能耗的条件下，简单地通过提高水量来推动反应进行，促使一氧化碳充分转化。与使用膜反应器提高一氧化碳转化率的方法相比，本发明所提供的方法无需配置额外的膜组件，不会对反应装置的制造、操作、维护带来困难。

技术特征：

1.一种用于水煤气变换反应的反应器，其特征在于，由反应器壁(1)构成的中空密闭筒体内部设置有反应腔室(2)，反应腔室(2)是由多孔材料作为壁面围绕成的中空密闭腔室，气相反应原料输入管(3)贯穿反应器壁(1)并伸入反应腔室(2)的上部，液相反应原料输入管(4)贯穿反应器壁(1)并伸入筒体内，反应产物输出管(5)贯穿反应器壁(1)并伸入反应腔室(2)的下部，用于水煤气变换反应的催化剂(6)装填在反应腔室(2)中。

2.根据权利要求1所述用于水煤气变换反应的反应器，其特征在于，筒体内设置的反应腔室(2)的数量为1-100个。

3.根据权利要求1所述用于水煤气变换反应的反应器，其特征在于，构成反应腔室(2)壁面的多孔材料为多孔烧结金属、多孔陶瓷、金属网中的至少一种，或由其中二种以上复合材料制成。

4.根据权利要求1所述用于水煤气变换反应的反应器，其特征在于，液相反应原料输入管(4)的数量为1-10路。

5.根据权利要求1所述用于水煤气变换反应的反应器，其特征在于，气相反应原料含有一氧化碳；液相反应原料含有水。

6.根据权利要求1-7所述用于水煤气变换反应的反应器，其特征在于，于反应器壁(1)的内壁面和反应腔室(2)的外壁面间留有空隙。

7.根据权利要求1所述用于水煤气变换反应的反应器，其特征在于，反应腔室(2)中装填的用于水煤气变换反应的催化剂(6)粒径尺寸为1-200mm。

8.根据权利要求1-7任一所述用于水煤气变换反应的反应器，其特征在于，于反应器壁(1)外壁面上侧设置隔热层。

9.一种权利要求1-8任一所述用于水煤气变换反应的反应器的应用，其特征在于，反应器用于包含气相和液相反应原料的水煤气变换反应过程。

技术总结
本发明公开了一种用于水煤气变换反应的反应器及应用。该反应器适用于包含气相和液相反应原料的水煤气变换反应过程，在由反应器壁构成的中空密闭筒体内部设置反应腔室，反应腔室是由多孔材料作为壁面围绕成的中空密闭腔室。气相反应原料输入管贯穿反应器壁并伸入反应腔室的上部，液相反应原料输入管贯穿反应器壁并伸入筒体内，反应产物输出管贯穿反应器壁并伸入反应腔室的下部，用于水煤气变换反应的催化剂装填在反应腔室中。水煤气变换反应可在接近等温状态下进行。液相反应原料中的水无需预先气化，直接以液态送入反应器，省去输送相应量水蒸气所需能耗。同时，保证反应器内水与一氧化碳的摩尔比保持较高水平，促使一氧化碳充分转化。

技术研发人员：刘浩,田志坚,曲炜,马怀军,李鹏,韩健强
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13