CN106744684A - 一种基于离子膜反应器的甲烷重整转化分离装置 - Google Patents

一种基于离子膜反应器的甲烷重整转化分离装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于离子膜反应器的甲烷重整转化分离装置，包括：石英管反应器(1)、催化剂床层(2)、离子膜(3)、反应气入口(4)、气体产物出口(5)、气体分离产物出口(6)。本发明将催化重整反应器与离子交换膜技术有效结合，在甲烷二氧化碳重整反应进行的同时，通过给离子交换膜两侧加一个电压，驱动氢的质子和阳离子的定向迁移，分别流向离子膜两侧，实现反应产物的高效分离，并且及时促进了正向反应的进行，有效解决了现有的产物分离效率偏低、实验室对产物研究不全面及工业应用局限性问题，实现甲烷二氧化碳重整反应高效转化与产物高效分离，具有操作简单、分离效率高等特点，应用前景广阔。

Description

一种基于离子膜反应器的甲烷重整转化分离装置
技术领域
本发明属于催化反应技术领域，特别涉及一种基于离子膜反应器的甲烷重整转化分离装置。
背景技术
由于我国石油资源储量有限，甲烷的高效转化已经成为关系到国家能源战略的重要研究方向，而且如何减少二氧化碳的排放也一直是人们关注的热点问题。甲烷和二氧化碳重整制得的合成气用于制备各种不同的化工产品或液体燃料具有广阔的应用前景。研发出甲烷重整高效转化及分离装置，以实现工业化应用依旧是当前需要解决的关键技术问题。目前针对甲烷和二氧化碳重整制合成气的研究主要侧重于高效非贵金属催化剂的研发，但由于非贵金属催化剂积炭严重,易导致催化剂积炭失活，是导致甲烷和二氧化碳重整制合成气迄今尚未真正工业规模化应用的原因之一。同时，针对甲烷和二氧化碳重整制得的合成气进行有效分离利用的研究较少。为更好地研究甲烷和二氧化碳重整反应及产物的高效分离技术，有必要研究一种专用的甲烷重整离子膜反应器高效转化分离装置，以实现甲烷和二氧化碳重整反应的高效进行与产物的高效分离，有利于推动工业化的实际应用。CN200810034740.1公开了一种高温焦炉粗煤气制氢系统装置及工艺，系统装置包括高温焦炉粗煤气供送系统、氧源空气供送系统、高温水蒸气供送系统、干气化炉供氧系统、高温脱硫系统和煤气重整反应产物输出系统，能把焦化过程产生的大量高温焦炉粗煤气的高物理显热和高化学含能组分尽可能的全部转换为氢气，由于采用干气化、高温脱硫和混合导体透氧膜来供氧，使制氢效率更高，并使氢气量大幅度提高。CN201480065720.4公开了一种用于使用基于氧转运膜的重整系统来生产氢气的方法和系统，其在重整反应器内进行一段转化过程，并在反应性驱动的且含催化剂的氧转运膜反应器内进行二段转化过程，具有或不具有辅助热源来支持重整反应器内的一段转化过程以首先形成合成气产物，该专利侧重于甲烷水蒸气重整反应。而针对利用离子膜通过给定电压的方式进行甲烷二氧化碳重整产物的高效分离装置的研究较少。
发明内容
本发明的目的是：提供一种基于离子膜反应器的甲烷重整转化分离装置，解决现有的产物分离效率偏低、实验室对产物研究不全面及工业应用局限性问题，实现甲烷二氧化碳重整反应高效转化与产物高效分离。
本发明的技术方案是：一种基于离子膜反应器的甲烷重整转化分离装置，包括：石英管反应器、催化剂床层、离子膜、反应气入口、气体产物出口、气体分离产物出口；
所述石英管反应器用于承载所述催化剂床层和所述离子膜；
所述催化剂床层用于放置催化剂，反应气为CH4和CO2；
所述离子膜成倒U形，设置于所述石英管反应器内侧的中下部；所述离子膜由阳极、阴极和电解质组成，其中最外层为阳极，中间为电解质，最内层为阴极；当在所述离子膜两侧给定合适的电压时，使氢的质子和阳离子分别定向迁移至所述离子膜两侧，分别形成气体产物CO与H2；
所述反应气入口位于所述石英管反应器底部，反应气CH4和CO2从所述反应气入口混合均匀后进入，并到达所述催化剂床层，随温度升高，并在催化剂的作用下发生重整反应；
所述气体产物出口位于所述石英管反应器上部，在所述催化剂床层上侧将分离的气体产物CO从所述气体产物出口排出；
所述气体分离产物出口位于倒U形所述离子膜的下侧口部，用于排出重整反应后分离出的气体产物H2。
更进一步地，所述离子膜的阳极为Cu，阴极为Ni基复合氧化物，电解质为Ba基氧化物。
本发明将催化重整反应器与离子交换膜技术有效结合，在甲烷二氧化碳重整反应进行的同时，通过给离子交换膜两侧加一个电压，驱动氢的质子和阳离子的定向迁移，分别流向离子膜两侧，实现反应产物的高效分离，并且及时促进了正向反应的进行，有效解决了现有的产物分离效率偏低、实验室对产物研究不全面及工业应用局限性问题，实现甲烷二氧化碳重整反应高效转化与产物高效分离，具有操作简单、分离效率高等特点，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明组成结构示意图。
1--石英管反应器，2--催化剂床层，3--离子膜，4--反应气，5--气体产物，6--气体分离产物
具体实施方式
实施例1：参见图1，一种基于离子膜反应器的甲烷重整转化分离装置，包括：石英管反应器1、催化剂床层2、离子膜3、反应气入口4、气体产物出口5、气体分离产物出口6；
所述石英管反应器1用于承载所述催化剂床层2和所述离子膜3；
所述催化剂床层2用于放置催化剂，反应气为CH4和CO2；
所述离子膜3成倒U形，设置于所述石英管反应器1内侧的中下部；所述离子膜3由阳极、阴极和电解质组成，其中最外层为阳极，中间为电解质，最内层为阴极；当在所述离子膜3两侧给定合适的电压时，使氢的质子和阳离子分别定向迁移至所述离子膜3两侧，分别形成气体产物CO与H2；所述离子膜3的阳极为Cu，阴极为Ni基复合氧化物，电解质为Ba基氧化物。
所述反应气入口4位于所述石英管反应器1底部，反应气CH4和CO2从所述反应气入口4混合均匀后进入，并到达所述催化剂床层2，随温度升高，并在催化剂的作用下发生重整反应；
所述气体产物出口5位于所述石英管反应器1上部，在所述催化剂床层2上侧将分离的气体产物CO从所述气体产物出口5排出；
所述气体分离产物出口6位于倒U形所述离子膜3的下侧口部，用于排出重整反应后分离出的气体产物H2。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，仍在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种基于离子膜反应器的甲烷重整转化分离装置，其特征在于，包括：石英管反应器(1)、催化剂床层(2)、离子膜(3)、反应气入口(4)、气体产物出口(5)、气体分离产物出口(6)；
所述石英管反应器(1)用于承载所述催化剂床层(2)和所述离子膜(3)；
所述催化剂床层(2)用于放置催化剂，反应气为CH4和CO2；
所述离子膜(3)成倒U形，设置于所述石英管反应器(1)内侧的中下部；所述离子膜(3)由阳极、阴极和电解质组成，其中最外层为阳极，中间为电解质，最内层为阴极；当在所述离子膜(3)两侧给定合适的电压时，使氢的质子和阳离子分别定向迁移至所述离子膜(3)两侧，分别形成气体产物CO与H2；
所述反应气入口(4)位于所述石英管反应器(1)底部，反应气CH4和CO2从所述反应气入口(4)混合均匀后进入，并到达所述催化剂床层(2)，随温度升高，并在催化剂的作用下发生重整反应；
所述气体产物出口(5)位于所述石英管反应器(1)上部，在所述催化剂床层(2)上侧将分离的气体产物CO从所述气体产物出口(5)排出；
所述气体分离产物出口(6)位于倒U形所述离子膜(3)的下侧口部，用于排出重整反应后分离出的气体产物H2。
2.如权利要求1所述的一种基于离子膜反应器的甲烷重整转化分离装置，其特征在于：所述离子膜(3)的阳极为Cu，阴极为Ni基复合氧化物，电解质为Ba基氧化物。
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