CN110902652A - 一种可强化反应效率的在线分离重整制氢气方法及实现该方法的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可强化反应效率的在线分离重整制氢气方法及实现该方法的装置。该方法的反应器由三种不同材料制造的内、中、外同心圆管以及上下端盖组成，三个同心圆管构成构成三个腔道，分别是内腔、中腔、外腔三个腔体，腔道上下安装有上、下端盖。下端盖将中、外腔体的下端密封，上端盖有多个孔，给内腔提供高温流体入口以及给中腔提供进气入口。内管流入高温流体，为反应提供能量。内管外壁面涂覆催化剂。中腔道通入反应物气体；反应物气体和催化剂发生催化反应。中管采用不同种分离膜制备，将气体生成物分离到外腔。外腔道被对应隔离成不同气体生成物区域。采用本发明方法可显著提高反应物的转化率，缩小了整个重整反应系统的体积和重量。

Description

一种可强化反应效率的在线分离重整制氢气方法及实现该方 法的装置
技术领域
本发明属于合成气体技术领域，具体涉及一种可强化反应效率的在线分离重整制氢气方法及实现该方法的装置。
背景技术
氢能是未来分布式能源中的重要一员，加氢站和家庭用氢是未来分布式能源网络的重要组成部分。目前大规模制氢方法绝大部分是采用天然气制氢。但是加氢站以及家庭应用由于空间和用量限制，并不适合采用大规模制氢装置。未来随着城市天然气管路布置更加完善，考虑到原料的输运成本以及便捷性，加氢站和家庭中使用天然气制氢的方案具备明显竞争力。
但是另一方面，在加氢站和家庭使用的天然气制氢装置如何小型化是需要解决的问题。目前国内的小型制氢装备主要是采用甲醇制氢或电解水制氢的方法，但是甲醇制氢原料输运不方便，而且这两种方法制氢成本相对较高。对于天然气重整制氢，目前有采用微反应器来缩小重整反应系统的体积和重量。但是，微反应器所制备的气体，最终还是需要经过气体分离设备进行分离。常用的变压吸附分离装备和变温分离装备，其体积都较为庞大，不适用于小型重整反应系统。采用边反应边分离的在线分离手段，有利于可逆反应向着正向移动，有利于转化率的提高，同时也可以降低反应温度，降低整个系统危险性。
综上所述，随着天然气管路的完善，天然气制氢具备明显的竞争力。但是传统的天然气重整制氢装备体积较大，不适合小型化制氢装备的利用。因此，本发明设计一种可强化反应效率的在线分离重整制氢气方法，将反应和分离工艺集成，缩小整个系统的体积。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种可强化反应效率的在线分离重整制氢气方法及实现该方法的装置。本发明的在线分离重整制氢气方法能够将反应和分离工艺集成，大幅度缩小系统的体积和重量，为装备小型化提供设计方法。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种可强化反应效率的在线分离重整制氢气装置，是由三种不同材料制造的三个内、中、外同心圆管以及上下端盖组成，三个同心圆管构成三个腔道，分别是内腔(3)、中腔(2)、外腔(1)三个腔体；腔道的上下面安装有上、下端盖，下端盖将中、外腔体的下端密封，上端盖有多个孔，给内腔提供高温流体入口以及给中腔提供进气入口；内管的外壁面涂覆反应催化剂；中管采用不同的选择性分离膜制备，将中腔中的气体生成物分离到外腔；外腔被对应隔离成不同气体生成物区域，包括氢气区域(4)和碳氧化物区域(5)。
作为优选的，装置的中腔下端是密封的，气体生成物通过中管的选择性分离膜流向外腔不同隔离区；根据隔离区气体流量变化，在上端盖进气孔处，通过阀门控制注入反应物气体的流量。
作为优选的，装置上端盖的进气孔连接进气系统；上端盖中腔的孔数量，根据反应物气体的种类进行设计。
作为优选的，所述的反应物气体包括甲烷和水蒸气。中腔的反应物气体和催化剂发生表面催化反应。
作为优选的，装置内管采用高导热以及防腐蚀材料制造，外管采用保温材料制造。优选，内管采用耐高温合金材料。
作为优选的，装置内管的外壁面涂覆的反应催化剂为贵金属、镍基或铜基。
作为优选的，装置的中管采用金属骨架外铺设不同选择性分离膜的方法实现，而且选择性分离膜间隔地排列，将中腔中的气体生成物分离到外腔对应的不同隔离区域。中腔需要保持一定的反应压力。
作为优选的，装置外腔隔离区压力比中腔压力低；外管的最外围，对应的每个隔离区域，布置氢气导流管(6)和碳氧化物导流管(7)，将分离的气体导出。
作为优选的，将中腔中的气体生成物氢气分离到外腔采用钯膜。
本发明还提供一种可强化反应效率的在线分离重整制氢气方法，该方法以上述的在线分离重整制氢装置作为反应器，在制氢反应的过程中，通过反应器分离或者吸收生成物中的二氧化碳以及氢气，从而使得反应平衡向着生成氢气的方向移动，强化反应物的转化效率；往反应器的内腔道通入高温流体，为反应提供热量，高温流体与外部形成闭式循环；中腔道通入反应物气体，反应物气体与内管外壁面的催化剂发生表面催化反应，产生气体生成物；生成的气体生成物通过中管的选择性分离膜分离到外腔不同的气体生成物隔离区域，最后经隔离区域的导流管将分离的气体导出。
优选，所述的高温流体采用多种方式进行加热；高温流体的驱动采用密度差补偿流或外加高温泵驱动；所述的反应物气体包括甲烷和水蒸气。
优选，所述的高温流体的加热方式包括燃烧加热、太阳能加热或核能加热。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
(1)将反应工艺以及分离工艺集成，缩小了整个重整反应系统的体积和重量。
(2)采用在线分离的工艺，降低反应温度，提升了整个系统的安全性。
(3)采用闭式循环的供热系统，可以采用多种供热方式，方便新能源供热跟重整制氢系统的结合。
(4)采用在线分离工艺，使得可逆反应有利于正向反应，提高反应物的转化率。
附图说明
图1为本实施案例提供的可强化反应效率的在线分离重整制氢气反应器的主视图。4氢气区域，5碳氧化物区域，6氢气导流管，7碳氧化物导流管。
图2为本实施案例提供的可强化反应效率的在线分离重整制氢气反应器的原理示意图。
图3为本实施案例提供的可强化反应效率的在线分离重整制氢气反应器的截面图。1、外腔，2中腔，3内腔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例
参阅图1和3所示，本发明提供的一种可强化反应效率的在线分离重整制氢气装置(反应器)，是由三种不同材料制造的三个内、中、外同心圆管以及上下端盖组成，三个同心圆管构成三个腔道，分别是内腔(3)、中腔(2)、外腔(1)三个腔体；腔道的上下面安装有上、下端盖，下端盖将中、外腔体的下端密封，上端盖有多个孔，给内腔提供高温流体入口以及给中腔提供进气入口；内管的外壁面涂覆反应催化剂；中管采用不同的选择性分离膜制备，将中腔中的气体生成物分离到外腔；外腔被对应隔离成不同气体生成物区域，包括氢气区域(4)和碳氧化物区域(5)。
另外，也可以采用四块并行板构成三个腔道，分别替代上述方案中的三个腔道。形成板式的反应器。
反应器的中腔下端是密封的，气体生成物通过中管的选择性分离膜流向外腔不同隔离区；根据隔离区气体流量变化，在上端盖进气孔处，通过阀门控制注入反应物气体的流量。
反应器上端盖的进气孔连接进气系统；上端盖中腔的孔数量，根据反应物气体的种类进行设计。
反应器内管采用高导热以及防腐蚀材料制造，如耐高温合金，外管采用保温材料制造，如，耐高温的陶瓷材料。
反应器内管的外壁面涂覆的反应催化剂为贵金属、镍基或铜基。
反应器的中管采用金属骨架外铺设不同选择性分离膜的方法实现，而且选择性分离膜间隔地排列，将中腔中的气体生成物分离到外腔对应的不同隔离区域。中腔需要保持一定的反应压力，约1.5MPa。
反应器外腔隔离区压力比中腔压力低；外管的最外围，对应的每个隔离区域，布置氢气导流管(6)和碳氧化物导流管(7)，将分离的气体导出。
一种可强化反应效率的在线分离重整制氢气方法，是以上述的在线分离重整制氢气装置作为反应器，在制氢反应的过程中，通过反应器分离或者吸收生成物中的二氧化碳以及氢气，从而使得反应平衡向着生成氢气的方向移动，强化反应物的转化效率；往反应器的内腔道通入高温流体(高温熔融盐)，为反应提供热量，所述的高温流体采用多种方式进行加热，包括燃烧加热、太阳能加热或核能加热等方式，高温流体的驱动采用密度差补偿流或外加高温泵驱动，高温流体与外部形成闭式循环；中腔道通入反应物气体(甲烷和水蒸气)，反应物气体与内管外壁面的催化剂(贵金属、镍基或铜基)发生表面催化反应，产生气体生成物(二氧化碳和氢气)；生成的气体生成物通过中管的选择性分离膜分离到外腔不同的气体生成物隔离区域，其中，分离氢气使用钯膜，分离二氧化碳则使用二氧化碳分离膜，最后氢气经隔离区域的氢气导流管导出，二氧化碳经隔离区域的碳氧化物导流管导出。反应器的原理示意图如图2所示。重整制氢气过程包括以下几个反应：
Figure BDA0002281372270000061
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可强化反应效率的在线分离重整制氢气装置，其特征在于，所述的在线分离重整制氢气装置由三种不同材料制造的三个内、中、外同心圆管以及上下端盖组成，三个同心圆管构成三个腔道，分别是内腔(3)、中腔(2)、外腔(1)三个腔体；腔道的上下面安装有上、下端盖，下端盖将中、外腔体的下端密封，上端盖有多个孔，给内腔提供高温流体入口以及给中腔提供进气入口；内管的外壁面涂覆反应催化剂；中管采用不同的选择性分离膜制备，将中腔中的气体生成物分离到外腔；外腔被对应隔离成不同气体生成物区域，包括氢气区域(4)和碳氧化物区域(5)。
2.根据权利要求1所述的在线分离重整制氢气装置，其特征在于，装置的中腔下端是密封的，气体生成物通过中管的选择性分离膜流向外腔不同隔离区；根据隔离区气体流量变化，在上端盖进气孔处，通过阀门控制注入反应物气体的流量。
3.根据权利要求1所述的在线分离重整制氢气装置，其特征在于，装置上端盖的进气孔连接进气系统；上端盖中腔的孔数量，根据反应物气体的种类进行设计。
4.根据权利要求1所述的在线分离重整制氢气装置，其特征在于，装置内管采用高导热以及防腐蚀材料制造，外管采用保温材料制造。
5.根据权利要求1所述的在线分离重整制氢气装置，其特征在于，装置内管的外壁面涂覆的反应催化剂为贵金属、镍基或铜基。
6.根据权利要求1所述的在线分离重整制氢气装置，其特征在于，装置的中管采用金属骨架外铺设不同选择性分离膜的方法实现，而且选择性分离膜间隔地排列，将中腔中的气体生成物分离到外腔对应的不同隔离区域。
7.根据权利要求1所述的在线分离重整制氢气装置，其特征在于，装置外腔隔离区压力比中腔压力低；外管的最外围，对应的每个隔离区域，布置氢气导流管(6)和碳氧化物导流管(7)，将分离的气体导出。
8.一种可强化反应效率的在线分离重整制氢气方法，其特征在于，以权利要求1所述的在线分离重整制氢装置作为反应器，在制氢反应的过程中，通过反应器分离或者吸收生成物中的二氧化碳以及氢气，从而使得反应平衡向着生成氢气的方向移动，强化反应物的转化效率；往反应器的内腔道通入高温流体，为反应提供热量，高温流体与外部形成闭式循环；中腔道通入反应物气体，反应物气体与内管外壁面的催化剂发生表面催化反应，产生气体生成物；生成的气体生成物通过中管的选择性分离膜分离到外腔不同的气体生成物隔离区域，最后经隔离区域的导流管将分离的气体导出。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的高温流体采用多种方式进行加热；高温流体的驱动采用密度差补偿流或外加高温泵驱动；所述的反应物气体包括甲烷和水蒸气。
10.权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的高温流体的加热方式包括燃烧加热、太阳能加热或核能加热。
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