Apr.2009現(xiàn)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(寧波大學海運學院,浙江寧波315211)摘要:設計了一套集成式甲醇低溫裂解反應器,開發(fā)了電控反應裝置系統(tǒng),并進行了反應特性實驗。實驗結果表明,該反應裝置系統(tǒng)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含量高反應裝置簡單,長期運行穩(wěn)定性好,透合實際應用關鍵詞:甲醉;反應器;催化裂解;電控中圖分類號: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,筒中填滿甲醇裂解催化劑。反應積的熱值低,氣化潛熱大,制動效率較低,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(qū)、裂解主反應區(qū)、緩沖區(qū)3個部分,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(jù)各反應區(qū)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最有劑。甲醇經(jīng)銅管通入甲醇反應器,在蒸發(fā)裂解區(qū)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(qū)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)個重要途徑。甲醇被視為一種方便、安全的貯氫材區(qū)上來的初步裂解氣在反應器的裂解主反應區(qū)催化料,可作為內(nèi)燃機的代用燃料。同時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(qū)進行再次裂解。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(qū)的裂解氣出口流出反應器。這都要求有一個簡便、經(jīng)濟的氫氣及一氧化碳的很好的來源。因此,設計出一套簡單可行的甲醇低溫電加熱管裂解反應裝置具有重要的現(xiàn)實意義。筆者根據(jù)當前醇裂解氣氣隔膜的甲醇裂解技術發(fā)展現(xiàn)狀,設計了一套甲醇裂解率高、產(chǎn)氣量大、反應工藝簡單、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(qū)1反應器主體結構與反應原理源病面口區(qū)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控制甲醇滴加管與裂解氣傳輸管的通斷,用熱電偶來檢測反應器的溫度,用溫控儀來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精確CHOH(1)控制甲醇的通人量。控制系統(tǒng)ECU,以單片機為核同時反應體系中還可能存在下列一些副反應:心控制單元。控制系統(tǒng)主要完成對電磁閥的開閉控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(shù)Co+H2O→CO2+H2(5)裂解主蒸發(fā)裂裂解裂解氣CHOH→CH20+五緩沖區(qū)反應區(qū)解區(qū)出口出口甲醇管加出門反應器反應器長度長度高度直徑區(qū)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?shù)拇摺薄?#=化劑。它不僅要有高活性,還必須具有高選擇性,同時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等助劑進行改性后能進一步提高Cu-Cr催化劑的活性穩(wěn)定性及選擇性(4-”。Cu/Cr/Si/Mn多元催化劑通過其各種組分的協(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實驗裝置系統(tǒng)示意圖氣或氧氣在300~450℃下進行氧化,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行檢測,由溫控儀活性。因此選用d=2.5mm的改性Cu-Cr-Mn進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(qū)的催化劑。選用d應溫度可以通過調(diào)節(jié)溫控儀上的參數(shù)進行改變,可35m的SiO2顆類與Cu-Cr催化劑顆粒作為蒸發(fā)由改變ECU的控制參數(shù)輸入值來調(diào)節(jié)溫控儀的參裂解區(qū)的催化劑,其中SO2顆粒數(shù)與Cu-C顆粒數(shù)數(shù)。裝置中甲醇流量由流量傳感器進行檢測由相同。選用d=3.5mm的Cu-Cr催化劑顆粒作為ECU進行顯示與控制,ECU通過調(diào)節(jié)甲醇計量泵的反應器緩沖區(qū)的催化劑。電壓輸入信號來調(diào)節(jié)計量泵的轉速,從而調(diào)節(jié)甲醇3實驗裝置系統(tǒng)設計與實驗方法通入流量,甲醇流量值由ECU的控制參數(shù)輸入值來進行確定。實驗用反應器主體的主要結構參數(shù)見表1,電加熱管直徑為20mm,實驗裝置系統(tǒng)圖見圖2。實驗4實驗結果與分析中用CC-20004型色譜分析儀來檢測裂解氣中氣體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驗H研究[.化工學報,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(xiàn)代化工第29卷第4期器主反應區(qū)裂解催化劑體積的比值。在保持甲醇加表4各采樣點下裂解產(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)物分布見表2。時間率表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(wěn)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,隨著反應溫度的升高,甲醇的裂解用較為合理催化劑的穩(wěn)定性與低溫活性較高反應率升高,在反應溫度為310℃時,甲醇的裂解率達到裝置產(chǎn)氣穩(wěn)定連續(xù)工作可靠性高。84.50%,此反應溫度時裂解氣中氫氣的含量最高。5結論當反應溫度繼續(xù)升高到340~370℃時,甲醇的裂解率繼續(xù)升高,在反應溫度為370℃時甲醇裂解率為(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(qū)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。藝簡單。4.2甲醇加料速度的影響2)針對該反應器開發(fā)了簡單的電控實驗裝置在保持反應溫度為310℃的條件下,通過改變并對該裝置系統(tǒng)進行了實驗研究實驗結果表明該輸入ECU的甲醇流量控制參數(shù)來改變甲醇的通入裝置產(chǎn)氣穩(wěn)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(qū)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,裝置長期運行穩(wěn)定性及率見表3?？煽啃院?適合于現(xiàn)場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的來源來使用。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. 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