CN104118848A - 一种甲醇水蒸气重整制氢反应装置 - Google Patents

一种甲醇水蒸气重整制氢反应装置 Download PDF

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本发明公开了一种甲醇水蒸气重整制氢反应装置，包括一反应器本体，该反应器本体内设有一反应腔，所述反应腔的横截面为圆形，并从左到右分为一蒸发部和一重整部，所述蒸发部的左端设有甲醇水溶液进料口，该蒸发部内从左到右依次设有一第一蒸发板、一第二蒸发板和一第三蒸发板，且三个蒸发板之间通过环形垫圈相间隔，其中第一蒸发板上设有相互平行的条状通槽，第二蒸发板和第三蒸发板上均环形阵列分布有圆形通孔；所述重整部的右端设有氢气出料口，该重整部内从左到右依次设有至少二金属载体反应板，即金属载体反应板层叠放置。本发明的反应装置大大减小反应压降，使流体分布更加均匀。并可有效避免反应中冷点现象的存在，提高制氢效率和甲醇转化率。

Description

一种甲醇水蒸气重整制氢反应装置
技术领域
本发明具体涉及一种甲醇水蒸气重整制氢反应装置。 
背景技术
人类面临的能源危机、环境污染问题日益严重。氢能源因其燃烧热值高并且清洁环保等优点而受到人们广泛的关注。近年来以纯氢为燃料的质子交换膜燃料电池(PEMFC)技术已经基本成熟，但是目前纯燃料电池驱动的轿车只停留在样车阶段，主要原因是燃料电池车普遍采用纯氢为燃料，氢的获取与加氢站建设是目前燃料电池车的推广一大难题：氢沸点低、易燃易爆且不易压缩和液化，储存要占用大量的空间，运输和灌注十分困难和危险。 
目前，解决这些问题最有效的办法就是开发一种微型制氢反应系统，为燃料电池提供氢燃料。目前研究的比较多的是通过低碳醇(如甲醇或乙醇)重整反应而产生氢气，重整反应主要有三种方式，分别是水蒸气重整，部分氧化重整和自动热重整。同时利用微通道技术制备的紧凑式现场制氢燃料处理系统，以其紧凑、高效和低成本的特点，在瞬时将液体碳氢化合物燃料转化为氢能源中有着广阔的应用前景。微通道重整制氢系统则可以在不明显增加体积和重量的情况下，实现与燃料电池的一体化设计，这样，燃料电池就可以利用现有燃料系统制氢，实现氢气的连续便利供应，为燃料电池的推广打下了重要基础。 
虽然甲醇水蒸气重整制氢微反应器具有诸多优点，但它扔属于起步阶 段，各项技术还不太成熟，在目前所研制的甲醇水蒸气重整制氢微反应器中，甲醇转化率较低，氢气产量不高，流体分布不均匀，反应过程中具有冷点效应等问题依然阻碍着甲醇水蒸气重整制氢微反应器的进步和发展。 
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种甲醇水蒸气重整制氢反应装置。 
本发明的具体技术方案如下： 
一种甲醇水蒸气重整制氢反应装置，包括一反应器本体，该反应器本体内设有一反应腔，且该反应器本体上设有第一加热装置和第二加热装置，所述反应腔的横截面为圆形，并从左到右分为一蒸发部和一重整部，第一加热装置与蒸发部相连以为蒸发提供热能，第二加热装置与重整部相连以为重整反应提供热能； 
所述蒸发部的左端设有甲醇水溶液进料口，该蒸发部内从左到右依次设有一第一蒸发板、一第二蒸发板和一第三蒸发板，且相邻蒸发板之间通过环形垫圈相间隔，其中第一蒸发板上设有相互平行的条状通槽，第二蒸发板和第三蒸发板上均环形阵列分布有圆形通孔； 
所述重整部的右端设有氢气出料口，该重整部内从左到右依次设有至少二金属载体反应板，且相邻金属载体反应板之间通过内外半径差为0.5～1mm的环形垫圈相间隔。 
在本发明的一个优选实施方案中，所述第一蒸发板的条状通槽的宽度一致，条状通槽间的间隔的宽度与条状通槽的宽度相等。 
进一步优选的，所述条状通槽的宽度为0.3～1mm。 
在本发明的一个优选实施方案中，所述第二蒸发板上的圆形通孔的尺寸一致，所述第三蒸发板上的圆形通孔的尺寸一致，第二蒸发板的圆形通孔的直径大于第三蒸发板的圆形通孔的直径，且圆形通孔的直径为0.1～0.5mm。 
在本发明的一个优选实施方案中，所述第二蒸发板上的圆形通孔的尺寸不一，所述第三蒸发板上的圆形通孔的尺寸不一，第二蒸发板的圆形通孔的最小直径大于等于第三蒸发板的圆形通孔的最大直径，且圆形通孔的直径为0.1～0.5mm。 
在本发明的一个优选实施方案中，所述金属载体反应板的孔隙率为60～90％，且各不相同。 
进一步优选的，所述金属载体反应板为铜纤维烧结板、泡沫铜板或泡沫镍板。 
在本发明的一个优选实施方案中，所述环状垫圈的内外半径差为0.5～1mm。 
在本发明的一个优选实施方案中，所述蒸发部与重整部的内径一致。 
在本发明的一个优选实施方案中，所述反应器本体上还分别设有用于监控蒸发部温度的第一热电偶和用于监控重整部温度的第二热电偶。 
本发明的有益效果是： 
1、本发明的反应装置的反应器本体的反应腔的横截面为圆形，使得其中流体的整体流动方向为直线，大大减小反应压降； 
2、本发明的反应装置的蒸发部内从左到右依次设有一第一蒸发板、一第二蒸发板和一第三蒸发板，且三个蒸发板之间通过环形垫圈相间隔，其中第一蒸发板上设有相互平行的条状通槽，可以起到增加蒸发的作用，第二蒸发板和第三蒸发板上均环形阵列分布有圆形通孔，可使重整腔入口处流体和温 度分布更加均匀； 
3、本发明的反应装置的金属载体反应板层叠放置，孔隙率为60～90％，且各不相同，可有效避免反应中冷点现象的存在，提高制氢效率和甲醇转化率。 
4、本发明的反应装置的金属载体反应板为铜纤维烧结板、泡沫铜板或泡沫镍板，具有比表面积大、加工成本低、制氢效率高等优点。 
附图说明
图1为本发明的反应装置的的立体结构示意图； 
图2为本发明的反应装置的左视图； 
图3为图2沿A-A的剖视图； 
图4为本发明的反应装置的第一蒸发板的结构示意图； 
具体实施方式
以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。 
如图1至图3所示，一种甲醇水蒸气重整制氢反应装置，包括一反应器本体1，该反应器本体1内设有一反应腔10，且该反应器本体1上设有第一加热装置11、第二加热装置12、第一热电偶13和第二热电偶14，所述反应腔10的横截面为圆形，使得其中流体的整体流动方向为直线，能够大大减小反应压降，并从左到右分为内径一致的一蒸发部101和一重整部102，第一加热装置11与蒸发部101相连以为蒸发提供热能，第二加热装置12与重整部102相连以为重整反应提供热能，第一热电偶13用于监控蒸发部101的温 度，第二热电偶14用于监控重整部102的温度； 
所述蒸发部101的左端设有甲醇水溶液进料口1010，该蒸发部101内从左到右依次设有一第一蒸发板1011、一第二蒸发板1012和一第三蒸发板1013，且三个蒸发板之间通过内外半径差为0.5～1mm的环形垫圈15相间隔，其中第一蒸发板1011上设有相互平行的条状通槽1014，可以起到增加蒸发的作用，第二蒸发板1012和第三蒸发板1013上均环形阵列分布有圆形通孔，可使重整部102入口处流体和温度分布更加均匀。如图4所示，所述第一蒸发板1011的条状通槽1014的宽度一致，达到0.3～1mm，条状通槽1014间的间隔的宽度与条状通槽1014的宽度相等。所述第二蒸发板1012上的圆形通孔的尺寸一致，所述第三蒸发板1013上的圆形通孔的尺寸一致，第二蒸发板1012的圆形通孔的直径大于第三蒸发板1013的圆形通孔的直径，且圆形通孔的直径为0.1～0.5mm；或者所述第二蒸发板1012上的圆形通孔的尺寸不一，所述第三蒸发板1013上的圆形通孔的尺寸不一，第二蒸发板1012的圆形通孔的最小直径大于等于第三蒸发板1013的圆形通孔的最大直径，且圆形通孔的直径为0.1～0.5mm。 
所述重整部102的右端设有氢气出料口1020，该重整部102内从左到右依次设有至少二金属载体反应板1021(优选数目为三)，且相邻金属载体反应板1021之间通过内外半径差为0.5～1mm的环形垫圈15相间隔；该金属载体反应板1021的孔隙率为60～90％，且各不相同(优选的，该至少二金属载体反应板的孔隙率从左到右依次递增或依次递减)，可有效避免反应中冷点现象的存在，提高制氢效率和甲醇转化率；该金属载体反应板1021优选为铜纤维烧结板、泡沫铜板或泡沫镍板，具有比表面积大、加工成本低、制氢效率高等优点。 
举例来说： 
当进行梯度孔结构实验时，在重整部102内从左到右叠放置孔隙率为70％、80％、90％的金属载体反应板1021(具体为铜纤维烧结板)。第一加热装置11将蒸发部加热至150～200℃，第二加热装置12将重整部加热至300～400℃，甲醇水溶液通过甲醇水溶液进料口1010进入温度为150℃～200℃的蒸发部101，经过第一蒸发板1011汽化为气体；蒸发的水醇气体，经过第二蒸发板1012和第三蒸发板1013后，在重整部102入口处流体分布已均匀。之后水醇蒸气进入温度为300～400℃的重整部102，经过镀有催化剂的铜纤维烧结板时，甲醇与水发生重整反应，未反应的气体在后续的金属载体反应板1021上反应完全，同时，每一个金属载体反应板1021，都会使得流体和温度分布更加均匀，避免冷点现象的存在。之后反应产生的氢气由氢气出料口1020流出，完成整个甲醇水蒸气重整制氢反应。 
当进行非梯度孔结构实验时，在重整部102内从左到右层叠放置孔隙率为80％、80％、80％的金属载体反应板1021(具体为铜纤维烧结板)。第一加热装置11将蒸发部加热至150～200℃，第二加热装置12将重整部加热至300～400℃，甲醇水溶液通过甲醇水溶液进料口1010进入温度为150℃～200℃的蒸发部101，经过第一蒸发板1011，汽化为气体；蒸发的水醇气体，经过第二蒸发板1012和第三蒸发板1013后，在重整部102入口处流体已分布均匀。之后水醇蒸气进入温度为300～400℃的重整部102，经过镀有催化剂的金属载体反应板1021时甲醇与水发生重整反应，未反应的气体在后续的金属载体反应板1021上反应完全，同时，每一个金属载体反应板1021，都会使得流体和温度分布更加均匀，避免冷点现象的存在。之后反应产生的气体由氢气出料口1020流出，完成整个甲醇水蒸气重整制氢反应。 
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内 。

Claims (10)

1.一种甲醇水蒸气重整制氢反应装置，包括一反应器本体，该反应器本体内设有一反应腔，且该反应器本体上设有第一加热装置和第二加热装置，其特征在于：所述反应腔的横截面为圆形，并从左到右分为一蒸发部和一重整部，第一加热装置与蒸发部相连以为蒸发提供热能，第二加热装置与重整部相连以为重整反应提供热能；
所述蒸发部的左端设有甲醇水溶液进料口，该蒸发部内从左到右依次设有一第一蒸发板、一第二蒸发板和一第三蒸发板，且相邻蒸发板之间通过环形垫圈相间隔，其中第一蒸发板上设有相互平行的条状通槽，第二蒸发板和第三蒸发板上均环形阵列分布有圆形通孔；
所述重整部的右端设有氢气出料口，该重整部内从左到右依次设有至少二金属载体反应板，且相邻金属载体反应板之间通过内外半径差为0.5～1mm的环形垫圈相间隔。
2.如权利要求1所述的一种甲醇水蒸气重整制氢反应装置，其特征在于：所述第一蒸发板的条状通槽的宽度一致，条状通槽间的间隔的宽度与条状通槽的宽度相等。
3.如权利要求2所述的一种甲醇水蒸气重整制氢反应装置，其特征在于：所述条状通槽的宽度为0.3～1mm。
4.如权利要求1所述的一种甲醇水蒸气重整制氢反应装置，其特征在于：所述第二蒸发板上的圆形通孔的尺寸一致，所述第三蒸发板上的圆形通孔的尺寸一致，第二蒸发板的圆形通孔的直径大于第三蒸发板的圆形通孔的直径，且圆形通孔的直径为0.1～0.5mm。
5.如权利要求1所述的一种甲醇水蒸气重整制氢反应装置，其特征在于：所述第二蒸发板上的圆形通孔的尺寸不一，所述第三蒸发板上的圆形通孔的尺寸不一，第二蒸发板的圆形通孔的最小直径大于等于第三蒸发板的圆形通孔的最大直径，且圆形通孔的直径为0.1～0.5mm。
6.如权利要求1所述的一种甲醇水蒸气重整制氢反应装置，其特征在于：所述金属载体反应板的孔隙率为60～90％，且各不相同。
7.如权利要求6所述的一种甲醇水蒸气重整制氢反应装置，其特征在于：所述金属载体反应板为铜纤维烧结板、泡沫铜板或泡沫镍板。
8.如权利要求1所述的一种甲醇水蒸气重整制氢反应装置，其特征在于：所述环状垫圈的内外半径差为0.5～1mm。
9.如权利要求1所述的一种甲醇水蒸气重整制氢反应装置，其特征在于：所述蒸发部与重整部的内径一致。
10.如权利要求1所述的一种甲醇水蒸气重整制氢反应装置，其特征在于：所述反应器本体上还分别设有用于监控蒸发部温度的第一热电偶和用于监控重整部温度的第二热电偶。
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