CN110721639B - 一种反应装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反应装置及其在有机储氢液体载体催化脱氢反应中的应用，反应装置包括：所述反应装置设置有集液区、分布板、单元反应区、催化剂固定板和集气区；所述反应装置的底部设置有进液口，顶部设置有出气口，所述反应液从进液口进入集液区，通过分布板均匀分配至单元反应区，进行反应后产生的反应物汇聚到集气区，通过出气口排出。本发明的反应装置通过设置反应单元，大大减少了液体的径向和轴向返混，提高了反应效率。集气区的设置，实现了气液在反应器中的初步分离，减轻后续气液分离的压力，另外集液槽覆盖整个反应区，相当于在反应区外面多设置了一层热液，提高了绝热效果。

Description

一种反应装置及其应用

技术领域

本发明属于化工设备领域，特别涉及一种反应装置及其在有机储氢液体载体催化脱氢反应中的应用。

背景技术

氢能利用技术，如氢燃料电池和氢内燃机，可以提供稳定、高效、无污染的动力，在电动汽车及移动装置等领域有着广泛的应用前景。近10年来，美国、欧洲、日本等发达国家以及我国政府部门和企业投入了巨额资金来发展“氢能经济”，在大规模化氢制备、氢燃料电池等领域都有所突破。2015年世界主要汽车厂商(包括上汽)将批量生产氢燃料电池车。据美国能源部和美国工程院的预测，氢燃料电池车将在15年至20年之内取代现有燃油车及混合动力车，在全球汽车市场居主导地位。此外，氢能技术还可用于备用电源、储能、削峰填谷式并网发电及分布式供能、助燃及环境保护等领域。可以预见，当氢能技术迅速完成市场化进程融入人们的生活后，国家的能源危机以及环境压力将得到极大缓解。

氢能技术包括氢的规模制备、储存和运输、高效率使用以及配套基础设施的建设等环节，其中储存和运输,是安全有效的利用氢能是最关键技术之一。目前，工业上主要采用在-253℃的液化氢或350～700个大气压下高压氢等储运技术，高压氢或液化氢技术及其应用所需能耗是制氢成本的20倍以上，且存在泄漏或储氢罐压力过高等安全隐患。如果能够将氢分子吸附在某种载体上，实现常温常压下的安全储存，待使用时，能将氢在温和条件下，可控的释放，则可有效地，安全使用氢能。因此，全球主要的工业国家都在研发基于常温常压的液态有机储氢技术。以德国为例，开发的液态有机储氢技术能够实现较温和条件下的吸/放氢循环，但释放的氢气时含有毒害燃料电池的副产物气体产生，同时容量低及使用不方便等重要缺陷；日本目前正在研发基于甲苯等传统有机材料的储氢技术，但脱氢温度过高(大于300℃)，且同样存在副产物毒化燃料电池的问题。因而这两种储氢技术规模化应用受到制约。

中国地质大学(武汉)可持续能源实验室研究团队，在中组部第二批“千人计划”程寒松教授的带领下，在原美国工作基础上，通过长期的探索和研究，发现了一类液态有机共轭分子储氢材料，此类材料具有熔点低(目前开发的技术已低至-20℃)、闪点高(150℃以上)、并在自制高效催化剂作用下，释放气体纯度高(99.99％)、脱氢温度低(约150℃)等特点，且循环寿命高(2000次以上)、可逆性强，并且不产生一氧化碳等毒害燃料电池的气体。作为氢的载体，这类材料在使用过程中始终以液态方式存在，可以像石油一样在常温常压下储存和运输，完全可利用现有汽油输送方式和加油站构架。氢并不是以分子的形式存在，而是通过催化加氢，共价结合到有机液体载体分子上。在使用端需要氢气的时候即可通过催化脱氢步骤获得氢气。原料是富氢油，产物是贫氢油和氢气，贫氢油通过催化加氢转变为富氢油。载体本身不被消耗，可重新加氢，反复循环使用。

由于脱氢过程为强吸热过程，且放出大量氢气。对于一般的列管式反应器，反应管是均匀布置的，这样会导致反应器中间反应热量供应不上，四周热量又十分富裕。对于一般的固定床反应器，液体分布无论是径向还是轴向会存在返混以及不均；且反应中后期，产生的大量氢气会夹带未反应完全的富氢油，直接排出反应器。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种反应装置及其在有机储氢液体载体催化脱氢反应中的应用。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种反应装置，包括：所述反应装置设置有集液区、分布板、单元反应区、催化剂固定板和集气区；所述反应装置的底部设置有进液口，顶部设置有出气口，所述反应液从进液口进入集液区，通过分布板均匀分配至单元反应区进行反应，产生的反应物汇聚到集气区，通过出气口排出。

进一步的，集液区、分布板、单元反应区、催化剂固定板和集气区由下至上设置在反应装置内。

进一步的，单元反应区内设置有垂直于分布板的反应单元，所述反应单元的数量为1个以上；所述各反应单元的宽度相同或不相同，宽度不小于1cm，高度不小于10cm。

进一步的，单元反应区设置有换热管或加热管，用于为反应加热，换热管外填充有催化剂。

进一步的，单元反应区的左右两侧分别设置有第一汇聚区和第二汇聚区，一根以上的换热管横贯单元反应区连通第一汇聚区和第二汇聚区，第一汇聚区设置有热源进口，第二汇聚区设置有热源出口，导热介质从热源进口进入第一汇聚区，经换热管为反应加热后汇集到第二汇聚区后从热源出口流出。

进一步的，换热管或加热管在单元反应区垂直截面上呈四方布置、三角布置、倒三角布置或导四方布置。优选四方布置。

进一步的，分布板上均匀设置有连通集液区和单元反应区的通孔。

进一步的，集气区设置有气液分离装置和集液槽，所述集液槽形状呈U形，包围在单元反应区外部和集液区下部，集液槽设置有排液口，反应产物中的液体汇聚到集液槽，从排液口排出。

进一步的，集气区内设置有气液分离装置。

进一步的，反应装置呈长方体形。

一种反应装置在有机储氢液体载体催化脱氢反应中的应用。

本申请的反应装置通过设置反应单元，大大减少了液体的径向和轴向返混，提高了反应效率。集气区的设置，实现了气液在反应器中的初步分离，减轻后续气液分离的压力，另外集液槽覆盖整个反应区，相当于在反应区外面多设置了一层热液，提高了绝热效果，可提高反应效率。

附图说明

图1是实施例1反应装置的结构示意图。

图2是实施例2第一汇聚区和第二汇聚区的结构示意图1。

图3是实施例2第一汇聚区和第二汇聚区的结构示意图2。

图4是实施例2换热管的布置方式示意图。

图5是实施例3反应装置的结构示意图。

图6是实施例4集液槽的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

液态储氢载体是一种可在常温常压下呈现液态的储氢体系，包括至少两种不同的储氢组分，储氢组分为不饱和芳香烃或杂环不饱和化合物，且至少一种储氢组分为低熔点化合物，低熔点化合物的熔点低于80℃。

进一步地，储氢组分选自杂环不饱和化合物，杂环不饱和化合物中的杂原子为N、S、O及P中的一种或多种。

进一步地，杂环不饱和化合物中杂环和芳环的总数为1～20，杂原子的总数为1～20。

进一步地，相对于液态储氢体系的总质量而言，低熔点化合物的质量分数为5～95％。

进一步地，液态储氢体系还包括加氢添加剂，加氢添加剂为极性溶剂和/或非极性溶剂。

进一步地，相对于每克储氢组分而言，加氢添加剂的加入量为0.1～10mL。

进一步地，不同的储氢组分分别选自苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯、对二甲苯、苯乙烯、苯乙炔、蒽、萘、芴、苯胺、咔唑、N-甲基咔唑、N-乙基咔唑、N-正丙基咔唑、N-异丙基咔唑、N-正丁基咔唑、吲哚、N-甲基吲哚、N-乙基吲哚、N-丙基吲哚、喹啉、异喹啉、吡啶、吡咯、呋喃、苯并呋喃、噻吩、嘧啶及咪唑所组成的组及其衍生物。

进一步地，极性溶剂选自乙醇、甲醇、乙醚、甲醚、乙腈、乙酸乙酯、甲酰胺、异丙醇、正丁醇、二氧六环、正丁醚、异丙醚、二氯甲烷、氯仿及二氯乙烷中的一种或多种。

进一步地，非极性溶剂选自正己烷、正戊烷、环己烷、均三甲苯、二硫化碳、石油醚及四氯化碳中的一种或多种。

进一步地，储氢体系还包括脱氢添加剂，脱氢添加剂选自十氢化萘、均三甲苯、石油醚及苯醚中的一种或多种。

进一步地，相对于每克储氢组分而言，脱氢添加剂的加入量为0.1～10mL。

液态储氢载体在加氢催化剂的作用下进行加氢化学反应生成液态氢源材料，液态氢源材料在脱氢催化剂的作用下进行脱氢化学反应还原为液态储氢载体。

实施例1

图1是反应装置的结构示意图，从图1可以看出，反应装置由下至上设置有集液区1、分布板2、单元反应区、催化剂固定板3和集气区4。

单元反应区内设置有垂直于分布板的反应单元5，反应单元的数量可以根据需要进行设置。各反应单元的宽度相同或不相同。

反应装置的底部设置有进液口6，顶部设置有出气口7。富氢油从进液口进入反应装置，在充满集液区后，分布板上均匀设置有连通集液区和单元反应区的通孔，通孔直径和间距按照进液量决定，通过分布板将富氢油均匀分配至每一个反应单元，在反应单元内进行脱氢反应，反应后产生的反应物汇聚到集气区，通过出气口排出。

单元反应区设置有加热管，用于为反应加热，加热管外填充有催化剂。加热管可一根布置，可多跟一起折弯制成。催化剂填于加热管外，富氢油从下往上通过催化剂。

一般地，单元反应区宽度不小于10mm，保证富氢油能整个截面均匀分布；

一般的，单元反应区高度不小于100mm，保证脱氢反应不至于反应中产生的过量氢气，夹带未反应完全的富氢油，直接排出脱氢装置，降低反应效率。

一般的，单元反应区可标准化，按照用户的要求，只需叠加单元。

实施例2

反应装置由下至上设置有集液区、分布板、单元反应区、催化剂固定板和集气区。

单元反应区内设置有垂直于分布板的反应单元，反应单元的数量可以根据需要进行设置。各反应单元的宽度相同或不相同。

反应装置的底部设置有进液口，顶部设置有出气口。富氢油从进液口进入反应装置，在充满集液区后，分布板上均匀设置有连通集液区和单元反应区的通孔，通过分布板将富氢油均匀分配至每一个反应单元，在反应单元内进行脱氢反应，反应后产生的反应物汇聚到集气区，通过出气口排出。

单元反应区设置有换热管，用于为反应加热，换热管外填充有催化剂。

单元反应区如图2和3所示，单元反应区的左右两侧分别设置有第一汇聚区8和第二汇聚区9，一根以上的换热管10横贯单元反应区连通第一汇聚区和第二汇聚区，第一汇聚区设置有热源进口11，第二汇聚区设置有热源出口12，导热介质从热源进口进入第一汇聚区，经换热管为脱氢反应加热后汇集到第二汇聚区后从热源出口流出。

第一汇聚区和第二汇聚区形状没有限制，可以是方形也可以是圆弧形，。

换热管如图4所示，在单元反应区垂直截面上呈四方布置、三角布置、倒三角布置或导四方布置。

一般地，单元反应区宽度不小于10mm，保证富氢油能整个截面均匀分布；

一般的，单元反应区高度不小于100mm，保证脱氢反应不至于反应中产生的过量氢气，夹带未反应完全的富氢油，直接排出脱氢装置，降低反应效率。

一般的，单元反应区可标准化，按照用户的要求，只需叠加单元。

实施例3

图5是反应装置的结构示意图，从图5可以看出，反应装置由下至上设置有集液区、分布板、单元反应区、催化剂固定板和集气区。

单元反应区内均匀设置有垂直于分布板的反应单元，反应单元的数量可以根据需要进行设置。

反应装置的底部设置有进液口，顶部设置有出气口。富氢油从进液口进入反应装置，在充满集液区后，分布板上均匀设置有连通集液区和单元反应区的通孔，通过分布板将富氢油均匀分配至每一个反应单元，在反应单元内进行脱氢反应，反应后产生的反应物汇聚到集气区，反应气体通过出气口排出。

集气区底部设置有集液槽13，利于液体的收集，并在集液槽设置有排液口14，反应后产生的液体汇聚到集液槽，并从排液口排出。在反应装置中实现气液的初步分离，减轻后续气液分离的压力。

集气区内还设置有气液分离装置15。

单元反应区设置有换热管或加热管，用于为反应加热，换热管外填充有催化剂。

一般地，单元反应区宽度不小于10mm，保证富氢油能整个截面均匀分布；

一般的，单元反应区高度不小于100mm，保证脱氢反应不至于反应中产生的过量氢气，夹带未反应完全的富氢油，直接排出脱氢装置，降低反应效率。

一般的，单元反应区可标准化，按照用户的要求，只需叠加单元。

实施例4

反应装置由下至上设置有集液区、分布板、单元反应区、催化剂固定板和集气区。

单元反应区内均匀设置有垂直于分布板的反应单元，反应单元的数量可以根据需要进行设置。

反应装置的底部设置有进液口，顶部设置有出气口。富氢油从进液口进入反应装置，在充满集液区后，分布板上均匀设置有连通集液区和单元反应区的通孔，通过分布板将富氢油均匀分配至每一个反应单元，在反应单元内进行脱氢反应，反应后产生的反应物汇聚到集气区，反应气体通过出气口排出。

如图6所示，图6中左边为反应装置的剖视图，右边为右视图。集气区底部设置有集液槽，利于液体的收集，集液槽13形状呈U形，包围在单元反应区外部和集液区下部。进液口穿过集液槽或者进液口设置在侧部，如图中6a。集液槽设置有排液口16，反应后产生的液体汇聚到集液槽，并从排液口排出。在反应装置中实现气液的初步分离，减轻后续气液分离的压力。

集气区内还设置有气液分离装置。

单元反应区设置有换热管或加热管，用于为反应加热，换热管外填充有催化剂。

一般地，单元反应区宽度不小于10mm，保证富氢油能整个截面均匀分布；

一般的，单元反应区高度不小于100mm，保证脱氢反应不至于反应中产生的过量氢气，夹带未反应完全的富氢油，直接排出脱氢装置，降低反应效率。

一般的，单元反应区可标准化，按照用户的要求，只需叠加单元。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种反应装置，其特征在于包括：所述反应装置设置有集液区、分布板、单元反应区、催化剂固定板和集气区；所述反应装置的底部设置有进液口，顶部设置有出气口，反应液从进液口进入集液区，通过分布板均匀分配至单元反应区进行反应，产生的反应物汇聚到集气区，通过出气口排出；

所述集液区、分布板、单元反应区、催化剂固定板和集气区由下至上设置在反应装置内；

所述集气区设置有气液分离装置和集液槽，所述集液槽形状呈U形，包围在单元反应区外部和集液区下部，集液槽设置有排液口，反应产物中的液体汇聚到集液槽，从排液口排出。

2.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于：所述单元反应区内设置有垂直于分布板的反应单元，所述反应单元的数量为1个以上；所述各反应单元的宽度相同或不相同，宽度不小于1cm，高度不小于10cm。

3.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于：所述单元反应区设置有换热管或加热管，用于为反应加热，换热管外填充有催化剂。

4.根据权利要求3所述的反应装置，其特征在于：所述单元反应区的左右两侧分别设置有第一汇聚区和第二汇聚区，一根以上的换热管横贯单元反应区连通第一汇聚区和第二汇聚区，第一汇聚区设置有热源进口，第二汇聚区设置有热源出口，导热介质从热源进口进入第一汇聚区，经换热管为反应加热后汇集到第二汇聚区后从热源出口流出。

5.根据权利要求3所述的反应装置，其特征在于：所述换热管或加热管在单元反应区垂直截面上呈四方布置、三角布置、倒三角布置或倒四方布置。

6.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于：所述分布板上均匀设置有连通集液区和单元反应区的通孔。

7.根据权利要求1所述的反应装置，其特征在于：所述反应装置呈长方体形。

8.一种根据权利要求1至7任一所述反应装置在有机储氢液体载体催化脱氢反应中的应用。

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