CN103569966B - 带环形阵列的微凸台结构的重整制氢反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带环形阵列的微凸台结构的重整制氢反应器。从上至下依次由进口盖板、蒸发单元、反应载体单元、加热单元和出口盖板叠加而成。反应流体通过圆周排列的多个进口流入环形阵列的微凸台结构，从圆心流出，提高了反应流体在反应载体中的分布均匀性，有利于提高反应器的反应效率；该重整制氢反应器采用环形阵列的微凸台结构作为反应载体，增大了反应器的比表面积，同时提高了反应的传热传质性能；本发明结构紧凑、安装方便、成本较低，可广泛用于烃类以及甲醇、酒精等各种醇类重整制氢领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种重整制氢反应器，尤其是涉及一种带环形阵列的微凸台结构的重整制氢反应器。
技术背景
在工业经济高速发展的今天，能源紧缺和环境污染已成为人类面临的重大挑战。一方面，石油、煤炭资源日益枯竭，人类未来的生存和发展亟需高效可靠的能源；另一方面，由于石油、煤炭等传统资源的使用导致的环境污染也亟需改善。因此，开发清洁、高效的能源日益受到世界各国的关注。氢能由于其燃烧热值高，没有污染产物，来源广泛等优点，成为新能源的焦点，大力发展氢能源将有益于减缓能源短缺和环境污染的问题。
氢气的储存和运输问题一直限制着氢能的推广应用，为实现氢能利用的商业化推广，采用碳氢原料进行现场重整制氢是解决上述问题的有效方法。至今国内外许多研究机构都进行了重整制氢的研究，并制造出了各种重整制氢的反应器。当前用于重整制氢的反应器普遍是微通道式的反应器，这种反应器以平行阵列的微通道为反应载体，气体从一个流体进口流入各微通道，在微通道内进行重整反应，产物从另一侧的流体出口流出。这种反应器制作简单，有较高的比表面积，反应安全，但反应流体在各微通道的分布不均匀，导致其反应效率不高，降低了反应物的转化率、氢气的选择性。
中国发明专利(申请号 200910100100.0)介绍了一种微凸台阵列结构的自热型醇类重整制氢微通道反应器，这种反应器把平行阵列的微通道进一步优化为平行阵列的微凸台，提高了载体的比表面积，有利于提高反应的效率。但是这种反应器反应流体从一个进口流入，从另一侧的一个出口流出，反应流体在反应载体的分布仍然会有较高的不均匀性。
综上，现有的重整制氢反应器普遍存在流速分布均匀度不高的缺点。因此，有必要设计一种具有较高流速分布均匀度，较高传质传热效率的重整制氢反应器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带环形阵列的微凸台结构的重整制氢反应器，采用环形阵列的微凸台结构作为反应载体，反应流体通过圆周排列的多个进口流入环形阵列的微凸台结构，从圆心流出，提高了反应流体在反应载体中的分布均匀性，从而能有效提高反应器的反应效率。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括从上至下依次由进口盖板、蒸发单元、反应载体单元、加热单元和出口盖板同轴叠加而成；其中：
1)进口盖板为圆形板，进口盖板同一圆周上等距分布有贯穿的螺栓定位孔，进口盖板中心有贯穿的流体进口孔；
2)出口盖板为圆形板，出口盖板同一圆周上等距分布有贯穿的螺栓定位孔，出口盖板中心有贯穿的流体出口孔，进口盖板和出口盖板的所有螺栓定位孔位置相对应；
3)蒸发单元为圆形板，蒸发单元的一面开有圆形凹槽，另一面为平面，圆形凹槽和进口盖板下表面构成了蒸发单元的蒸发腔，圆形凹槽的同一圆周上等距分布有贯穿的流体流通的流道孔；
4)反应载体单元为圆形板，反应载体单元的一面为平面，反应载体单元的另一面开有圆形凹槽，反应载体单元的圆形凹槽的直径和蒸发单元的圆形凹槽一致，反应载体单元的圆形凹槽上有环形阵列的微凸台结构，在凹槽中心开有贯穿的流体流通的流道孔，反应载体单元的圆形凹槽、环形阵列的微凸台结构和蒸发单元的平面构成反应通道；
5) 加热单元为圆形板，加热单元中心开有贯穿的流体流通的流道孔，在加热单元(4)的圆周面朝圆心方向等距开有四个加热棒孔和一个热电偶孔；
6)进口盖板、反应载体单元、加热单元和出口盖板中心孔直径均相同，进口盖板、蒸发单元、反应载体单元、加热单元和出口盖板每层之间加有密封垫片，通过在进口盖板和出口盖板用螺栓加压紧固进行密封。
所述环形阵列的微凸台结构为由内而外环形排列的微凸台组成，每一圆环上微凸台等距布置，每一外环的微凸台数目为其相邻的内环的微凸台数目的1～1.5倍，微凸台的高度低于反应载体单元的圆形凹槽的深度。
本发明具有的有益效果是：
(1)反应流体通过圆周排列的多个进口流入环形阵列的微凸台结构，从圆心流出，提高了反应流体在反应载体中的分布均匀性，有利于提高反应器的反应效率。
(2)该重整制氢反应器采用环形阵列的微凸台结构作为反应载体，增大了反应器的比表面积，同时提高了反应的传热传质性能。
(3)该重整制氢反应器结构紧凑、安装方便、成本较低，可广泛用于烃类以及甲醇、酒精等各种醇类重整制氢领域。
附图说明
图1是本发明整体结构的剖面图。
图2是本发明进口盖板结构示意图。
图3是本发明蒸发单元结构示意图。
图4是本发明反应载体单元结构示意图。
图5是本发明加热单元结构示意图。
图6是本发明出口盖板结构示意图。
图7是本发明的流体流动路径示意图。
图中：1、进口盖板，2、蒸发单元，3、反应载体单元，4、加热单元，5、出口盖板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明从上至下依次由进口盖板1、蒸发单元2、反应载体单元3、加热单元4和出口盖板5同轴叠加而成。
如图2所示，进口盖板1为圆形板，进口盖板1同一圆周上等距分布有贯穿的螺栓定位孔，进口盖板1中心有贯穿的流体进口孔。
如图6所示，出口盖板5为圆形板，出口盖板5同一圆周上等距分布有贯穿的螺栓定位孔，出口盖板5中心有贯穿的流体出口孔，进口盖板1和出口盖板(5)的所有螺栓定位孔位置相对应。
如图3所示，蒸发单元2为圆形板，蒸发单元2的一面开有圆形凹槽，另一面为平面，圆形凹槽和进口盖板1下表面构成了蒸发单元2的蒸发腔，圆形凹槽的同一圆周上等距分布有贯穿的流体流通的流道孔，流体从圆心流入四周流出，实现流体的加热与蒸发。
如图4所示，反应载体单元3为圆形板，反应载体单元3的一面为平面结构，反应载体单元3的另一面开有圆形凹槽，反应载体单元3的圆形凹槽的直径和蒸发单元2的圆形凹槽一致，反应载体单元3的圆形凹槽上有环形阵列的微凸台，在凹槽中心开有贯穿的流体流通的流道孔，反应载体单元3的圆形凹槽、环形阵列的微凸台结构和蒸发单元2的平面构成反应通道，流体从四周流进环形阵列的微凸台结构，进行重整制氢反应，产物从圆心流出。
如图5所示，加热单元4为圆形板，加热单元4中心开有贯穿的流体流通的流道孔，在加热单元4的圆周面朝圆心方向等距开有四个加热棒孔和一个热电偶孔；，四个加热棒均为单头电加热管或者模具加热棒，热电偶为K型热电偶。
如图1所示，进口盖板1、反应载体单元3、加热单元4和出口盖板5中心孔直径均相同，进口盖板1、蒸发单元2、反应载体单元3、加热单元4和出口盖板5每层之间加有密封垫片，通过在进口盖板1和出口盖板5用螺栓加压紧固进行密封。
如图4所示，所述环形阵列的微凸台结构为由内而外环形排列的微凸台组成，每一圆环上微凸台等距布置，每一外环的微凸台数目为其相邻的内环的微凸台数目的1～1.5倍，微凸台的高度低于反应载体单元3的圆形凹槽的深度。
进口盖板1、蒸发单元2、加热单元4和出口盖板5是一圆形的不锈钢板；反应载体单元3是圆形的铸铝合金板。
微凸台结构由半固态微触变成形技术加工而成，通过制造微凸台结构的模具进行半固态压制成形，微凸台上负载有铜基催化剂Cu/ZnO/Al2O3。
本发明的重整反应器制氢原理如下：
如图7所示，是本发明的流体流动路径示意图，向进口盖板1的圆心进口通入甲醇和水混合液体，液体进入蒸发单元2的蒸发腔进行加热与蒸发，再进一步从四周的通道口进入反应载体单元3的环形微凸台阵列进行重整制氢反应，反应产物从圆心出口流出，并经出口盖板5最终流出。反应所需的热量由加热单元4提供，并由置于其中的热电偶测量反应的温度。
重整制氢时，通过加热单元4将该反应器预热到250℃，先将氮气通入该反应器，以去除该反应器的空气，再将N2/H2混合气体通入反应器，对反应载体单元的微凸台上负载的铜基催化剂进行2小时还原，然后把甲醇和水混合液体按1:1.2的比例通入反应器进行重整反应，生成氢气从出口盖板5流出，实现重整制氢。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种带环形阵列的微凸台结构的重整制氢反应器，其特征在于：从上至下依次由进口盖板(1)、蒸发单元(2)、反应载体单元(3)、加热单元(4)和出口盖板(5)同轴叠加而成；其中：
1)进口盖板(1)为圆形板，进口盖板(1)同一圆周上等距分布有贯穿的螺栓定位孔，进口盖板(1)中心有贯穿的流体进口孔；
2)出口盖板(5)为圆形板，出口盖板(5)同一圆周上等距分布有贯穿的螺栓定位孔，出口盖板(5)中心有贯穿的流体出口孔，进口盖板(1)和出口盖板(5)的所有螺栓定位孔位置相对应；
3)蒸发单元(2)为圆形板，蒸发单元(2)的一面开有圆形凹槽，另一面为平面，圆形凹槽和进口盖板(1)下表面构成了蒸发单元(2)的蒸发腔，圆形凹槽的同一圆周上等距分布有贯穿的流体流通的流道孔；
4)反应载体单元(3)为圆形板，反应载体单元(3)的一面为平面，反应载体单元(3)的另一面开有圆形凹槽，反应载体单元(3)的圆形凹槽的直径和蒸发单元(2)的圆形凹槽一致，反应载体单元(3)的圆形凹槽上有环形阵列的微凸台结构，在凹槽中心开有贯穿的流体流通的流道孔，反应载体单元(3)的圆形凹槽、环形阵列的微凸台结构和蒸发单元(2)的平面构成反应通道；
5) 加热单元(4)为圆形板，加热单元(4)中心开有贯穿的流体流通的流道孔，在加热单元(4)的圆周面朝圆心方向等距开有四个加热棒孔和一个热电偶孔；
6)进口盖板(1)、反应载体单元(3)、加热单元(4)和出口盖板(5)中心孔直径均相同，进口盖板(1)、蒸发单元(2)、反应载体单元(3)、加热单元(4)和出口盖板(5)每层之间加有密封垫片，通过在进口盖板(1)和出口盖板(5)用螺栓加压紧固进行密封；
所述环形阵列的微凸台结构为由内而外环形排列的微凸台组成，每一圆环上微凸台等距布置，每一外环的微凸台数目为其相邻的内环的微凸台数目的1～1.5倍，微凸台的高度低于反应载体单元(3)的圆形凹槽的深度。
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