CN102910584A - 一种自热型层叠式微通道重整制氢反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自热型层叠式微通道重整制氢反应器，包括上盖板、吸热反应基板、放热反应基板和下盖板；上盖板开设有水蒸气重整反应物入口、水蒸气重整产物出口、部分氧化重整反应中碳氢化合物入口、部分氧化重整反应中氧气入口；吸热反应基板包括汽化腔、水蒸气重整反应腔、水蒸气导流通道和位于吸热反应基板两侧的热循环通道，放热反应基板包括催化燃烧反应腔、部分氧化重整反应腔；催化燃烧反应腔与部分氧化重整反应腔通过设在放热反应基板中部的流道相互连通；本反应器不仅可使整个微反应器能够自热启动与运作，无需外界提供热源，且可大大提高甲醇水蒸气重整制氢反应效率，该反应器还实现了对燃烧反应产物余热的回收，减少了热量的流失。
Description
技术领域
本发明涉及甲醇重整制氢反应器，特别涉及一种自热型层叠式微通道重整制氢反应器。
背景技术
能源危机和环境污染的日渐加剧迫使人们寻找新的环保能源，氢能源因其燃烧热值高并且清洁环保等优点而受到广泛关注。但是，直接供/储氢存在着存储能量密度低、危险性大、体积大且耗能、投资庞大等缺陷。因此，通过相关化学反应现场制得氢气是解决上述问题的发展方向。
碳氢燃料的重整制氢是目前国内外常用的氢气制取方法;特别是甲醇、乙醇等醇类物质可从可再生资源制得，把它们作为原料重整制氢，受到了人们更多地重视。蒸汽重整是目前使用最广泛的制氢方式，目前全世界一半以上的氢气是由蒸汽重整制得的;甲醇-水蒸汽重整(MSR)制氢因反应温度低、产物氢气含量高等优势成为解决质子交换膜燃料电池(PEMFC)氢源的有效途径。而目前蒸汽重整制氢反应器的结构形式呈现多元化的格局。与其他类型反应器相比，微反应器由于具有体积小，传热效率高、响应时间短、温度分布均匀等特点而充分显示广阔的应用前景。但是常用的微反应器多以泡沫金属多孔材料为反应载体，多孔材料虽然具有高渗透性、高比表面积以及高孔隙的特性，但是由于孔的分布方向为随机分布，难以实现反应物体的高效快速反应。另外由于甲醇水蒸汽重整反应需要加热才能启动，加热模块成为该反应器的重要组成部分。同时，由于反应产物中存在较多CO气体，直接排出反应器外，会对环境造成较大的污染。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种自热型层叠式微通道重整制氢反应器，本反应器把部分氧化重整制氢反应、水蒸气重整制氢反应与催化燃烧反应耦合起来，不仅可以使整个微反应器能够自热启动与运作，不需要外界提供热源，而且可以大大提高甲醇水蒸气重整制氢反应效率，同时显著减少了CO的排放，从而减轻了对环境的污染；同时，该反应器还实现了对燃烧反应产物余热的回收，减少了热量的流失。
本发明通过下述技术方案实现：
一种自热型层叠式微通道重整制氢反应器，包括自上而下依次层叠设置的上盖板、吸热反应基板、放热反应基板和下盖板；
所述上盖板开设有水蒸气重整反应物入口、水蒸气重整产物出口、部分氧化重整反应中碳氢化合物入口、部分氧化重整反应中氧气入口；
所述吸热反应基板包括汽化腔、水蒸气重整反应腔、水蒸气导流通道和位于吸热反应基板两侧的热循环通道，热循环通道的通道内开设有催化燃烧反应产物流道，热循环通道的一端设置有催化燃烧反应产物流道出口；其中汽化腔、水蒸气重整反应腔均为沉槽结构，并且在该沉槽结构的底部均匀分布有通道；所述汽化腔、水蒸气重整反应腔通过水蒸气导流通道相互连通；所述汽化腔的一侧开设有水蒸气重整反应物流道，所述水蒸气重整反应腔的一侧开设有水蒸气重整反应产物流道；在吸热反应基板的一侧开设有部分氧化重整反应中碳氢化合物流道和氧气喷射口；
所述放热反应基板包括催化燃烧反应腔、部分氧化重整反应腔；催化燃烧反应腔与部分氧化重整反应腔通过设置在放热反应基板中部的流道相互连通；所述催化燃烧反应腔和部分氧化重整反应腔均为沉槽结构，并且在该沉槽结构的底部均匀分布有通道；在催化燃烧反应腔的两侧分别开设有催化燃烧反应产物流道，在催化燃烧反应腔的一端开设有催化燃烧反应物流道，该催化燃烧反应物流道贯穿放热反应基板；在部分氧化重整反应腔的一侧开设有部分氧化重整反应物流道，在部分氧化重整反应腔的另一侧开设有部分氧化重整反应产物流道，该部分氧化重整反应产物流道贯穿放热反应基板；
所述下盖板上开设有催化燃烧反应物入口、部分氧化重整反应产物出口；
所述催化燃烧反应物入口通过催化燃烧反应物流道与催化燃烧反应腔连通；所述部分氧化重整反应产物出口通过部分氧化重整反应产物流道与部分氧化重整反应腔连通；所述催化燃烧反应腔经过催化燃烧反应产物流道，再与催化燃烧反应产物流道与热循环通道连通，所述部分氧化重整反应腔通过部分氧化重整反应物流道与部分氧化重整反应中碳氢化合物流道及氧气喷射口连通；所述汽化腔通过水蒸气重整反应物流道与水蒸气重整反应物入口连通，所述水蒸气重整反应腔通过水蒸气重整反应产物流道与水蒸气重整产物出口连通，所述部分氧化重整反应中碳氢化合物流道和氧气喷射口分别与部分氧化重整反应中碳氢化合物入口及部分氧化重整反应中氧气入口连通。
所述氧气喷射口的内部包括氧气分布腔和氧气喷孔，氧气喷孔由多条阵列分布的通道构成。
所述水蒸气导流通道内由多条相互间隔、倾斜的沟槽构成，该沟槽位于汽化腔的这一端低于水蒸气重整反应腔的那一端。
所述部分氧化重整反应物流道的底面为倾斜面。
在汽化腔、水蒸气重整反应腔、催化燃烧反应腔和部分氧化重整反应腔的腔体内放置有载体板。该载体板有利于催化剂的附载，同时具有比表面积大，传热效率高等特点。
本发明与现有的技术相比具有以下优点：
（1）本发明吸热反应基板、放热反应基板，通过把催化燃烧反应、部分氧化重整反应与水蒸气重整反应耦合起来，能实现整个反应器的自热启动与运行，不需要外界提供热量，同时能有效减少反应产物中CO气体的排放。
（2）在汽化腔、水蒸气重整反应腔、催化燃烧反应腔、部分氧化重整反应腔的底部均匀分布有通道，由于通道结构具有比表面积大，传热效率高等特点，使得整个反应器启动速度快，热量分布均匀，且传热效率高。
（3）采用本发明所述吸热反应基板、放热反应基板的结构，不仅能使反应进行地更加充分，同时也有利于反应器的集成与放大，使反应器能够更加灵活地适应不同的应用场合。
（4）本发明具有氧气喷射口，使氧气与燃料充分混合的同时在催化剂作用下进行反应，有效的降低了直接混合存在爆炸的风险。
（5）本发明热循环通道，利用燃烧产物中的热量进一步对汽化反应以及水蒸气重整反应进行供热，从而实现对燃烧反应产物的余热的回收，减少了热量的流失。
（6）载体板有利于催化剂的附载，同时具有比表面积大，传热效率高等特点。
（7）本反应器能够实现自热启动与运行，不需要外部提供热源，同时能够显著地提高制氢的效率，并且有效减少CO气体的排放。
附图说明
图1是本发明装配结构示意图；
图2是本发明吸热反应基板B结构示意图；
图3是本发明放热反应基板Ｃ结构示意图；
图4是本发明水蒸气导流通道4B结构示意图；
图5是本发明氧气喷射口7B内部结构示意图，其中氧气分布腔11B、氧气喷孔12B；
图6是图5氧气喷孔12B的俯视结构示意图；
图7是本发明部分氧化重整反应物流道4C的局部结构示意图；
图8是本发明反应流路流程示意图；
图9是用于反应物的载体板SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1~7所示，本发明自热型层叠式微通道重整制氢反应器，包括自上而下依次层叠设置的上盖板A、吸热反应基板B、放热反应基板C和下盖板D；
上盖板A、吸热反应基板B、放热反应基板C和下盖板D之间的边缘通过密封片（图中未标出）及螺栓（图中未标出）密封固定。
所述上盖板A开设有水蒸气重整反应物入口1A、水蒸气重整产物出口2A、部分氧化重整反应中碳氢化合物入口3A、部分氧化重整反应中氧气入口4A；
如图2所示。所述吸热反应基板B包括汽化腔1B、水蒸气重整反应腔2B、水蒸气导流通道4B和位于吸热反应基板B两侧的热循环通道8B，热循环通道8B的通道内开设有催化燃烧反应产物流道9B，热循环通道8B的一端设置有催化燃烧反应产物流道出口10B；可在汽化腔1B、水蒸气重整反应腔2B内放置载体板（如图9）；其中汽化腔1B、水蒸气重整反应腔2B均为沉槽结构，并且在该沉槽结构的底部均匀分布有通道，该沉槽结构在汽化腔1B内的作用主要是有利于热量的传递，能够大大地提高传热效率；在水蒸气重整反应腔2B内除了有上述作用外，另一方面也有利于反应腔内载体板底部反应物与催化剂的接触，从而促进反应更加充分地进行；所述汽化腔1B、水蒸气重整反应腔2B通过水蒸气导流通道4B相互连通；所述汽化腔1B的一侧开设有水蒸气重整反应物流道3B，所述水蒸气重整反应腔2B的一侧开设有水蒸气重整反应产物流道5B；在吸热反应基板B的一侧开设有部分氧化重整反应中碳氢化合物流道6B和氧气喷射口7B；
如图3所示。所述放热反应基板Ｃ包括催化燃烧反应腔1C、部分氧化重整反应腔2C；催化燃烧反应腔1C与部分氧化重整反应腔2C通过设置在放热反应基板Ｃ中部的流道7C相互连通；可在催化燃烧反应腔1C、部分氧化重整反应腔2C内放置载体板（如图9）；所述催化燃烧反应腔1C和部分氧化重整反应腔2Ｃ均为沉槽结构，并且在该沉槽结构的底部均匀分布有通道，该沉槽结构一方面主要是有利于热量的传递，能够大大地提高传热效率；另一方面也有利于载体板底部反应物与催化剂的接触，从而促进反应更加充分地进行；在催化燃烧反应腔1C的两侧分别开设有催化燃烧反应产物流道5Ｃ，在催化燃烧反应腔1C的一端开设有催化燃烧反应物流道3C，该催化燃烧反应物流道3C贯穿放热反应基板Ｃ；在部分氧化重整反应腔2C的一侧开设有部分氧化重整反应物流道4C，在部分氧化重整反应腔2C的另一侧开设有部分氧化重整反应产物流道6C，该部分氧化重整反应产物流道6C贯穿放热反应基板Ｃ；
如图1所示。所述下盖板D上开设有催化燃烧反应物入口1D、部分氧化重整反应产物出口2D；
如图1、图2、图3所示。所述催化燃烧反应物入口1D通过催化燃烧反应物流道3C与催化燃烧反应腔1C连通；所述部分氧化重整反应产物出口2D通过部分氧化重整反应产物流道6C与部分氧化重整反应腔2C连通；所述催化燃烧反应腔1C经过催化燃烧反应产物流道5Ｃ，再与催化燃烧反应产物流道9B与热循环通道8B连通，所述部分氧化重整反应腔2C通过部分氧化重整反应物流道4C与部分氧化重整反应中碳氢化合物流道6B及氧气喷射口7B连通；所述汽化腔1B通过水蒸气重整反应物流道3B与水蒸气重整反应物入口1A连通，所述水蒸气重整反应腔2B通过水蒸气重整反应产物流道5B与水蒸气重整产物出口2A连通，所述部分氧化重整反应中碳氢化合物流道6B和氧气喷射口7B分别与部分氧化重整反应中碳氢化合物入口3A及部分氧化重整反应中氧气入口4A连通。
如图5、6所示。所述氧气喷射口7B的内部包括氧气分布腔11B和氧气喷孔12B，氧气喷孔12B由多条阵列分布的通道构成。
如图4所示。所述水蒸气导流通道4B内由多条相互间隔、倾斜的沟槽构成，该沟槽位于汽化腔1B的这一端低于水蒸气重整反应腔2B的那一端。
如图7所示。所述部分氧化重整反应物流道4C的底面为倾斜面。
如图9所示。载体板用激光在紫铜板上加工出微通道孔槽结构，再用化学刻蚀的方法在其表面加工出随机粗糙结构，该载体板有利于催化剂的附载，同时具有比表面积大，传热效率高等特点。该反应器能够实现自热启动与运行，不需要外部提供热源，同时能够显著地提高制氢的效率，并且有效减少CO气体的排放。
结合图1~图3和图8，说明本发明工作过程如下：
工作时，碳氢化合物先通过上盖板A上的部分氧化重整反应中碳氢化合物入口3A，再通过吸热反应基板B上的部分氧化重整反应中碳氢化合物流道6B，流入到放热反应基板C上的部分氧化重整反应产物流道6C中。与此同时，氧气也依次通过上盖板A上的部分氧化重整反应中氧气入口4A、氧气分布腔11B和氧气喷孔12B喷射入放热反应基板C上的部分氧化重整反应物流道4C中，随后氧气与碳氢化合物在部分氧化重整反应物流道4C中充分混合的同时，喷射入部分氧化重整反应腔2C中，与催化剂接触并发生部分氧化重整反应，放出大量的热量来给反应器供热。反应制得的重整气一部分通过放热反应基板C中部的流道7C流入到催化燃烧反应腔1C内进行催化燃烧反应，另一部分依次通过放热反应基板Ｃ上的部分氧化重整反应产物流道6C、下盖板Ｄ上的部分氧化重整反应产物出口2D排出反应器。
催化燃烧反应物有两个来源：在反应开始阶段，主要来自外部提供碳氢化合物；系统反应稳定后，主要来自部分氧化重整反应所产生的重整气。外部提供的碳氢化合物先通过下盖板D上的催化燃烧反应物入口1D，再通过放热反应基板C上的催化燃烧反应物流道3C流入到催化燃烧反应腔1C中，（可在催化燃烧反应腔1C内放置载体板，载体板如图9所示）与该载体板接触，并且在该载体板上的催化剂的作用下发生催化燃烧反应，放出热量来给反应器供热，以促进其它反应的发生。反应完成后，反应产物依次通过放热反应基板C上的催化燃烧反应产物流道5Ｃ和吸热反应基板B上的催化燃烧反应产物流道9B，流入到吸热反应基板B上的热循环通道8B中进行热量交换，该过程利用反应产物中的热量进一步对汽化反应以及水蒸气重整反应进行供热，从而实现对燃烧反应产物的余热的回收，最后通过催化燃烧反应产物流道出口10B排出。当反应器稳定后，下盖板D上的催化燃烧反应物入口1D关闭，停止由外部提供碳氢化合物，而此时燃烧反应物主要来自于部分氧化重整反应腔2C所制得的重整气，且该部分重整气通过流道7C流入催化燃烧反应腔1C后，整个反应、物质及能量流动与上述碳氢化合物的情况完全一样。
与此同时，水蒸汽重整反应物依次通过上盖板Ａ上的水蒸气重整反应物入口1A、吸热反应基板B上的水蒸气重整反应物流道3B流入到汽化腔1B中，在放热反应基板C上的催化燃烧反应以及部分氧化重整反应所产生的热量的作用下进行汽化反应，汽化后的反应物通过吸热反应基板B中部的水蒸气导流通道4B流入到水蒸气重整反应腔2B中，与其内载体板（如图9）接触，并且在载体板上的催化剂的作用下发生水蒸汽重整反应，制得符合要求的重整气。反应完成后，反应产物再通过吸热反应基板B上的水蒸气重整反应产物流道5B、上盖板A上的水蒸气重整产物出口2A排出反应器。
如上所述，便可较好地实现本发明。
Claims (5)
1.一种自热型层叠式微通道重整制氢反应器，其特征在于，包括自上而下依次层叠设置的上盖板、吸热反应基板、放热反应基板和下盖板；
所述上盖板开设有水蒸气重整反应物入口、水蒸气重整产物出口、部分氧化重整反应中碳氢化合物入口、部分氧化重整反应中氧气入口；
所述吸热反应基板包括汽化腔、水蒸气重整反应腔、水蒸气导流通道和位于吸热反应基板两侧的热循环通道，热循环通道的通道内开设有催化燃烧反应产物流道，热循环通道的一端设置有催化燃烧反应产物流道出口；其中汽化腔、水蒸气重整反应腔均为沉槽结构，并且在该沉槽结构的底部均匀分布有通道；所述汽化腔、水蒸气重整反应腔通过水蒸气导流通道相互连通；所述汽化腔的一侧开设有水蒸气重整反应物流道，所述水蒸气重整反应腔的一侧开设有水蒸气重整反应产物流道；在吸热反应基板的一侧开设有部分氧化重整反应中碳氢化合物流道和氧气喷射口；
所述放热反应基板包括催化燃烧反应腔、部分氧化重整反应腔；催化燃烧反应腔与部分氧化重整反应腔通过设置在放热反应基板中部的流道相互连通；所述催化燃烧反应腔和部分氧化重整反应腔均为沉槽结构，并且在该沉槽结构的底部均匀分布有通道；在催化燃烧反应腔的两侧分别开设有催化燃烧反应产物流道，在催化燃烧反应腔的一端开设有催化燃烧反应物流道，该催化燃烧反应物流道贯穿放热反应基板；在部分氧化重整反应腔的一侧开设有部分氧化重整反应物流道，在部分氧化重整反应腔的另一侧开设有部分氧化重整反应产物流道，该部分氧化重整反应产物流道贯穿放热反应基板；
所述下盖板上开设有催化燃烧反应物入口、部分氧化重整反应产物出口；
所述催化燃烧反应物入口通过催化燃烧反应物流道与催化燃烧反应腔连通；所述部分氧化重整反应产物出口通过部分氧化重整反应产物流道与部分氧化重整反应腔连通；所述催化燃烧反应腔经过催化燃烧反应产物流道，再与催化燃烧反应产物流道与热循环通道连通，所述部分氧化重整反应腔通过部分氧化重整反应物流道与部分氧化重整反应中碳氢化合物流道及氧气喷射口连通；所述汽化腔通过水蒸气重整反应物流道与水蒸气重整反应物入口连通，所述水蒸气重整反应腔通过水蒸气重整反应产物流道与水蒸气重整产物出口连通，所述部分氧化重整反应中碳氢化合物流道和氧气喷射口分别与部分氧化重整反应中碳氢化合物入口及部分氧化重整反应中氧气入口连通。
2.根据权利要求1所述的自热型层叠式微通道重整制氢反应器，其特征在于：所述氧气喷射口的内部包括氧气分布腔和氧气喷孔，氧气喷孔由多条阵列分布的通道构成。
3.根据权利要求1所述的自热型层叠式微通道重整制氢反应器，其特征在于：所述水蒸气导流通道内由多条相互间隔、倾斜的沟槽构成，该沟槽位于汽化腔的这一端低于水蒸气重整反应腔的那一端。
4.根据权利要求1所述的自热型层叠式微通道重整制氢反应器，其特征在于：所述部分氧化重整反应物流道的底面为倾斜面。
5.根据权利要求1所述的自热型层叠式微通道重整制氢反应器，其特征在于：在汽化腔、水蒸气重整反应腔、催化燃烧反应腔和部分氧化重整反应腔的腔体内放置有载体板。
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