[发明专利]一种高CO高变换率等温变换反应器

说明书

技术领域

本发明涉及合成氨、甲醇合成、制乙二醇、煤制油、煤制天然气、制氢及工业炉废气利用领域，尤其涉及一种高CO高变换率反应器及工艺流程，涉及工业炉尾气、工业煤气中CO（最高85%以上）与水蒸汽反应变成氢，实现高变换率（最高至98.5%以上）的变换反应器和工艺。 

背景技术

煤气、天然气转化气、焦炉气转化气、电石炉尾气、高炉煤气等，这些气体均含有大量的CO，例如电石尾气含有CO为80 %，煤气中CO含量为30%～68%（随煤气化方法不同而有异），CO可变换为很有用的H₂，其变换的反应式为： 

CO+H₂O（汽）＝CO₂+H₂+Q

变换反应为放热可逆反应，必须有催化剂和过量的H₂O（水蒸气）按反应式过量，才能使反应向生成H₂方向进行。

催化剂为钴、钼变换催化剂，其活性成分为MoS。变换催化剂的使用温度范围为230℃～470℃。 

MoS₂+2H₂O＝MoO₂+2H₂S 

由反应式可知，CO变换是放热反应，放出的热量会使反应气体升温，催化剂同步在该温度下反应。每反应1%CO（湿基），温升9℃～10℃（干基升高5℃～6℃）；煤气中CO含量越高，而反应后变换气CO含量越低，即变换CO越多，温升越高。

例如：煤气中CO 65%（干基），水气比R=1.15，变换后CO8.6%（干基），按： 

       CO + H₂O  =  CO₂ + H₂ + Q

65  115     4.3   23.7

计算反应掉一氧化碳△CO； (65-△CO)/(100+△CO)=0.086

△CO=52

反应后反应热：9590cal/mol，

放出热：52×9590=498680Kcal/h，

Cp：    9.01kcal/kmol℃，

反应后物料： 215kmol/h，

498680-=215×9.01×△t，

△t=257.43

若反应前温度245℃，则反应后温度为：257.43+245=502.43℃；

此温度高于催化剂使用最高温度，会严重影响催化剂的活性。当未反应气CO很高，如45%至80%，一进入反应器，大量CO立即反应，温度猛升，特别是未反应气自身带有大量水蒸汽时，更促进了反应，发生所谓飞温现象。如何控制反应过程的温度，使之不超过催化剂允许的最高使用温度，是一打难题；CO变换的另一个难题是高变换率，变换接近终点，即越接近平衡，推动力越小，变换难度越大。如CO变换率已达90%，（变换气CO降至1.5%）如再多变换1%（变换气CO降至0.5%），需要增加一终端变换炉，其催化量为总量40%。有些未反应气自身不带水蒸汽，如工业炉气、半水煤气等，最终变换率越高，加入过量蒸汽越多，汽耗越大。

目前解决上述问题的原则办法是：采多炉多段绝热反应。如如图1所示，煤气预热到催化剂起始反应温度，补加一定量蒸汽，达到一定气汽比，进行第一次变换反应，CO变换一部分，气体中CO降低到一定程度，温度升高（不超过催化剂允许最高温度），将反应气冷却，温度降低（比催化剂允许最低温度稍高，保证蒸汽不冷凝，催化剂活性较高）；进行第二次反应，CO又降低，温度又升高（同前，不超过催化剂允许最高温度），再冷却（冷却温度如前原则）；再进行第三次变换反应，达到最终需要的CO含量。 

如煤气含CO68.65%，水气比1.45、温度211℃，经水汽分离器E-1分离出水分，经气气换热器E-2加热至296℃，并联进入脱毒槽E-3、预变炉E-4和脱毒槽E-5、预变炉E-6，CO降至35%，温度升至380℃，经热交换器E-2、中压蒸发冷凝器E-7降温，进入第三个变换炉E-8反应，CO降至6.7%，温度上升至434℃经喷水净化器E-9、中压蒸发冷凝器降温E-10，经冷凝水加热器E-11，进入第四个变换炉E-12反应，CO降至1%，温升到260℃，经低压蒸发冷凝器E-13，降温至185℃再进入第五个变换炉E-14反应，CO降至0.4%，温度上升至204℃，再经锅炉给水加热器E-15， 低压蒸发冷凝器E-16汽水分离器E- 17离开界区。 

上述现有技术存在如下几个问题：