CN114436210B - 一种高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统，包括：甲醇水溶液蒸发器、甲醇水蒸气重整器、氢气提纯器、第一分流装置和第二分流装置；所述第一分流装置用于将甲醇水蒸气分成至少两份并分别导入所述甲醇水蒸气重整器内；第二分流装置用于将所述至少一个甲醇水蒸气重整器生产的重整气汇合并输送至所述至少一个氢气提纯器内；所述氢气提纯器内配置有加热模块，所述甲醇水溶液蒸发器完全或不完全包覆住所述甲醇水蒸气重整器，所述甲醇水蒸气重整器完全或不完全包覆住所述氢气提纯器；该高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统解决小型分布式甲醇水重整制氢装置预热时间较长，启动较慢，系统结构不够紧凑且能量利用效率不高等问题。

Description

一种高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统
技术领域
本发明涉及甲醇水重整制氢设备技术领域，具体涉及一种高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统。
背景技术
甲醇水溶液蒸发器、重整器和提纯器是制氢系统中的关键部件。在常用的比例范围内，甲醇水溶液的蒸发所需温度一般在70-80℃，重整反应温度一般为200-300℃，提纯器工作温度一般为400℃，且三个单元均为吸热单元。为了实现外部供能的最小化，需要对三个单元进行合理的布局，另外为了实现氢气的现制现用装置体积不宜过大，紧凑的结构能使系统更易于操控，同时可以提高换热和反应效率，实现系统的快速热启停。因此，如何高效紧凑地设计蒸发-重整-提纯工艺单元是提高高纯产氢过程能效的关键问题之一。
发明内容
本发明为解决上述的技术问题而提供一种高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统，解决小型分布式甲醇水重整制氢装置预热时间较长，启动较慢，系统结构不够紧凑且能量利用效率不高等问题。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
一种高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统，包括：至少一个甲醇水溶液蒸发器、至少一个甲醇水蒸气重整器、至少一个氢气提纯器、至少一个第一分流装置和至少一个第二分流装置。所述至少一个甲醇水溶液蒸发器用于将甲醇水溶液蒸发转变为甲醇水蒸气；所述至少一个甲醇水蒸气重整器用于生成重整气；所述至少一个氢气提纯器用于将重整气提纯为高纯氢气；所述至少一个第一分流装置用于将甲醇水蒸气分成至少两份并分别导入所述至少一个甲醇水蒸气重整器内；所述至少一个第二分流装置用于将所述至少一个甲醇水蒸气重整器生成的重整气汇合并输送至所述至少一个氢气提纯器内；其中，所述至少一个氢气提纯器内配置有加热模块，所述至少一个甲醇水溶液蒸发器完全或不完全包覆住所述至少一个甲醇水蒸气重整器，所述至少一个甲醇水蒸气重整器完全或不完全包覆住所述至少一个氢气提纯器。
例如，本公开的至少一实施例提供的高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统中，所述甲醇水溶液蒸发器上配置有至少一个甲醇水溶液进水口和至少一个蒸发器出气口；所述第一分流装置上配置有至少一个甲醇水蒸气进气口和至少一个甲醇水蒸气出气口；所述甲醇水蒸气重整器上配置有至少一个重整器进气口与至少一个重整器出气口；所述第二分流装置上配置有至少一个重整气进气口与至少一个重整器出气口；所述氢气提纯器上配置有至少一个提纯器进气口与至少一个提纯器出气口；所述至少一个蒸发器出气口与所述至少一个甲醇水蒸气进气口相连，所述至少一个甲醇水蒸气出气口与所述至少一个重整器进气口相连，所述至少一个重整器出气口与所述至少一个提纯器进气口相连。
例如，本公开的至少一实施例提供的高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统中，所述氢气提纯器包含有：至少一个套管和至少一个钯膜结构体；所述至少一个钯膜结构体配置在所述至少一个套管内，用于提纯氢气；其中，所述至少一个加热模块位于所述至少一个套管内，所述至少一个钯膜结构体沿着所述至少一个加热模块轴向等间距分布。
例如，本公开的至少一实施例提供的高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统中，所述甲醇水溶液蒸发器呈螺旋状设置，并固定地缠绕在所述氢气提纯器的外周面。
例如，本公开的至少一实施例提供的高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统中，所述甲醇水蒸气重整器内具有至少一个换热翅片。
例如，本公开的至少一实施例提供的高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统中，所述第一分流装置具有至少一个第一控制阀，用于控制甲醇水蒸气的流量。
例如，本公开的至少一实施例提供的高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统中，所述第二分流装置具有至少一个第二控制阀，用于控制重整气的流量。
例如，本公开的至少一实施例提供的高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统中，所述钯膜结构体一端与所述套管的内管壁连接，所述钯膜结构体的另一端与所述加热模块连接。
例如，本公开的至少一实施例提供的高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统中，所述甲醇水蒸气重整器的中轴线和氢气提纯器的中轴线位于同一直线上。
例如，本公开的至少一实施例提供的高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统中，所述第一分流装置和第二分流装置分别位于氢气提纯器的两侧。
本发明的有益效果为：由内到外依次布置氢气提纯器、甲醇水蒸气重整器和甲醇水溶液蒸发器，可以满足各自不同的温度需求，实现能量的最大利用，并且这种高效的换热结构耦合可以提高系统整体能效。同时整个结构紧凑，体积较小，整体结构轻便化，使得系统便于操控，可以实现快速启停，增大了适用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统剖面图。
图2为本发明一种高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统的局部剖面图。
图3为本发明一种高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统的局部剖面图。
图中：
1、甲醇水溶液蒸发器；11、甲醇水溶液进水口；12、蒸发器出气口；
2、甲醇水蒸气重整器；21、重整器进气口；22、重整器出气口；23、换热翅片；
3、氢气提纯器；31、提纯器进气口；32、提纯器出气口；33、套管；34、钯膜结构体；
4、第一分流装置；41、甲醇水蒸气进气口；42、甲醇水蒸气出气口；43、第一流量控制阀；
5、第二分流装置；51、重整气进气口；52、重整器出气口；53、第二流量控制阀；
6、加热模块。
具体实施方式
下面将结合实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。
在实施例中，需要理解的是，术语“中间”、“上”、“下”、“顶部”、“右侧”、“左端”、“上方”、“背面”、“中部”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
另外，在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，安装、连接和相连等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本公开的至少一实施例提供的一种高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统，包括：至少一个甲醇水溶液蒸发器、至少一个甲醇水蒸气重整器、至少一个氢气提纯器、至少一个第一分流装置和至少一个第二分流装置。所述至少一个甲醇水溶液蒸发器用于将甲醇水溶液蒸发转变为甲醇水蒸气；所述至少一个甲醇水蒸气重整器用于生成重整气；所述至少一个氢气提纯器用于将重整气提纯为高纯氢气；所述至少一个第一分流装置用于将甲醇水蒸气分成至少两份并分别导入所述至少一个甲醇水蒸气重整器内；所述至少一个第二分流装置用于将所述至少一个甲醇水蒸气重整器生成的重整气汇合并输送至所述至少一个氢气提纯器内；其中，所述至少一个氢气提纯器内配置有加热模块，所述至少一个甲醇水溶液蒸发器完全或不完全包覆住所述至少一个甲醇水蒸气重整器，所述至少一个甲醇水蒸气重整器完全或不完全包覆住所述至少一个氢气提纯器。由内到外依次布置氢气提纯器、甲醇水蒸气重整器和甲醇水溶液蒸发器，可以满足各自不同的温度需求，实现能量的最大利用，并且这种高效的换热结构耦合可以提高系统整体能效。同时整个结构紧凑，体积较小，整体结构轻便化，使得系统便于操控，可以实现快速启停，增大了适用范围。
本公开的至少一实施例提供的高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统中，所述甲醇水溶液蒸发器上配置有至少一个甲醇水溶液进水口和至少一个蒸发器出气口；所述第一分流装置上配置有至少一个甲醇水蒸气进气口和至少一个甲醇水蒸气出气口；所述甲醇水蒸气重整器上配置有至少一个重整器进气口与至少一个重整器出气口；所述第二分流装置上配置有至少一个重整气进气口与至少一个重整器出气口；所述氢气提纯器上配置有至少一个提纯器进气口与至少一个提纯器出气口；所述至少一个蒸发器出气口与所述至少一个甲醇水蒸气进气口相连，所述至少一个甲醇水蒸气出气口与所述至少一个重整器进气口相连，所述至少一个重整器出气口与所述至少一个提纯器进气口相连。
本公开的至少一实施例提供的高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统中，所述氢气提纯器包含有：至少一个套管和至少一个钯膜结构体；所述至少一个钯膜结构体配置在所述至少一个套管内，用于提纯氢气；其中，所述至少一个加热模块位于所述至少一个套管内，所述至少一个钯膜结构体沿着所述至少一个加热模块轴向等间距分布。氢气提纯器为套管状，套在加热模块外，受热均匀，换热高效。
本公开的至少一实施例提供的高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统中，所述甲醇水溶液蒸发器呈螺旋状设置，并固定地缠绕在所述氢气提纯器的外周面。采用螺旋管状的甲醇水溶液蒸发器，管内流体流过的路程较长，相同流速/出口流量下，比传统的平行直管式结构增加了蒸发管内流体与蒸发管管壁的换热面积与换热时间，并且螺旋流动使流体形成环流，增大了管内流体的湍流度，使流体单元与管壁的碰撞更加频繁，使总的传热系数增加，进而增大传热效率，换热更加高效，蒸发管可以实现甲醇水溶液的快速大量蒸发，缩短了预热时间。
本公开的至少一实施例提供的高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统中，所述甲醇水蒸气重整器的中轴线和氢气提纯器的中轴线位于同一直线上。
本公开的至少一实施例提供的高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统中，所述甲醇水蒸气重整器内配置有至少一个换热翅片。甲醇水蒸气重整器为列管式的结构环绕在氢气提纯器外，温度稳定，管内流动阻力较小，有利于重整反应稳定的进行，实现高效的产氢。重整反应管上有螺纹状的翅片结构，增大了换热面积，有效提高了重整反应管的表面传热换热系数。
本公开的至少一实施例提供的高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统中，所述第一分流装置配置有至少一个第一控制阀，用于控制甲醇水蒸气的流量。
本公开的至少一实施例提供的高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统中，所述第二分流装置配置有至少一个第二控制阀，用于控制重整气的流量。
本公开的至少一实施例提供的高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统中，所述钯膜结构体一端与所述套管的内管壁连接，所述钯膜结构体的另一端与所述加热模块连接。
本公开的至少一实施例提供的高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统中，所述甲醇水溶液蒸发器不完全包覆住甲醇水蒸气重整器的外周面，所述甲醇水蒸气重整器完全包覆住氢气提纯器的外周面，第一分流装置和第二分流装置分别位于氢气提纯器的两侧。
下面将结合附图对本公开实施例的检测芯片进行总体介绍。
如图1至3所示，一种高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统，包括甲醇水溶液蒸发器1、甲醇水蒸气重整器2、氢气提纯器3、第一分流装置4、第二分流装置5和加热模块6；甲醇水溶液蒸发器1上配置有甲醇水溶液进水口11和蒸发器出气口12；第一分流装置4上配置有甲醇水蒸气进气口41和甲醇水蒸气出气口42；甲醇水蒸气重整器2上配置有重整器进气口21与重整器出气口22；第二分流装置5上配置有重整气进气口51与重整器出气口52；氢气提纯器3上配置有提纯器进气口31与提纯器出气口32；蒸发器出气口12与甲醇水蒸气进气口41相连，甲醇水蒸气出气口42与重整器进气口21相连，重整器出气口22通过第二分流装置与提纯器进气口31相连；甲醇水溶液在甲醇水溶液蒸发器1内蒸发变为甲醇水蒸气，甲醇水蒸气经由蒸发器出气口12输送至第一分流装置4，第一分流装置4将甲醇水蒸气分流后经由甲醇水蒸气出气口42输送至甲醇水蒸气重整器2；甲醇水蒸气重整器2内置有重整催化剂，甲醇水蒸气在甲醇水蒸气重整器2内发生重整反应生成重整气，并从重整器出气口52输出至第二分流装置5，第二分流装置5将重整气输送至氢气提纯器3，重整气经氢气提纯器3提纯为高纯氢气，高纯氢气从提纯器出气口32输出。
在本实施例中，甲醇水蒸气重整器包含有八个空心钢管，空心钢管环绕在氢气提纯器3外，空心钢管内置有用于重整反应的催化剂(未图示)，空心钢管内设置有换热翅片23。同样地，甲醇水蒸气出气口42和重整气进气口51同样设置有八个，与八个空心钢管一一对应。
在本实施例中，加热模块6位于氢气提纯器3中心，氢气提纯器3包含有套管33和钯膜结构体34，钯膜结构体34沿加热模块6轴向等间距分布，钯膜结构体34一端与套管33的内管壁固定连接，钯膜结构体34的另一端与加热模块6固定连接。
在本实施例中，第一分流装置4上配置有第一流量控制阀43；第二分流装置5上配置有第二流量控制阀53，第一分流装置4将甲醇水蒸气分成八份，分别送入八个空心钢管内；而第二分流装置5则将八个空心钢管内的重整气汇聚并导入套管33内。
在本实施例中，甲醇水蒸气重整器2的中轴线和氢气提纯器3的中轴线位于同一直线上。
在本实施例中，甲醇水溶液蒸发器1不完全包覆住甲醇水蒸气重整器2的外周面，所述甲醇水蒸气重整器2完全包覆住氢气提纯器3的外周面，第一分流装置4和第二分流装置5分别位于氢气提纯器的两侧。
在一些实施例中，甲醇水溶液蒸发器1、甲醇水蒸气重整器2和氢气提纯器3均采用第一法兰(未图示)与第一分流装置4可拆卸连接。
在一些实施例中，甲醇水溶液蒸发器1、甲醇水蒸气重整器2和氢气提纯器3均采用第二法兰(未图示)与第二分流装置5可拆卸连接。
在一些实施例中，第一分流装置4为多通管，具体为一分八管件；第二分流装置5同样为多通管，具体为八合一管件。
在一些实施例中，钯膜结构体呈圆环状设置，有利于提升钯膜结构体与重整气的接触面积，有利于提升提纯速度。
在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一些实施例”、“其他实施例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内；除非明确说明，否则本文中使用的任何元件、动作或指令都不应解释为关键或必要的。

Claims (6)

1.一种高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统，其特征在于，包括：
至少一个甲醇水溶液蒸发器，用于将甲醇水溶液蒸发转变为甲醇水蒸气；
至少一个甲醇水蒸气重整器，用于生成重整气；
至少一个氢气提纯器，用于将重整气提纯为高纯氢气；
至少一个第一分流装置，用于将甲醇水蒸气分成至少两份并分别导入所述至少一个甲醇水蒸气重整器内；以及
至少一个第二分流装置；用于将所述至少一个甲醇水蒸气重整器生成的重整气汇合并输送至所述至少一个氢气提纯器内；
其中，所述至少一个氢气提纯器内配置有加热模块，所述至少一个甲醇水溶液蒸发器完全或不完全包覆住所述至少一个甲醇水蒸气重整器，所述至少一个甲醇水蒸气重整器完全或不完全包覆住所述至少一个氢气提纯器；
所述氢气提纯器包含有：
至少一个套管；以及
至少一个钯膜结构体，配置在所述至少一个套管内，所述至少一个钯膜结构体用于提纯氢气；
其中，所述至少一个加热模块位于所述至少一个套管内，所述至少一个钯膜结构体沿着所述至少一个加热模块轴向等间距分布；
其中，所述钯膜结构体一端与所述套管的内管壁连接，所述钯膜结构体的另一端与所述加热模块连接；
其中，所述甲醇水蒸气重整器为列管式的结构环绕在所述氢气提纯器外；
其中，所述甲醇水蒸气重整器的中轴线和氢气提纯器的中轴线位于同一直线上。
2.根据权利要求1所述的一种高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统，其特征在于，所述甲醇水溶液蒸发器呈螺旋状设置，并且所述甲醇水溶液蒸发器固定地缠绕在所述氢气提纯器的外周面。
3.根据权利要求1所述的一种高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统，其特征在于，所述甲醇水蒸气重整器内具有至少一个换热翅片。
4.根据权利要求1所述的一种高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统，其特征在于，所述第一分流装置具有至少一个第一控制阀，用于控制甲醇水蒸气的流量。
5.根据权利要求1所述的一种高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统，其特征在于，所述第二分流装置具有至少一个第二控制阀，用于控制重整气的流量。
6.根据权利要求1所述的一种高效集成的分布式甲醇重整制氢提纯系统，其特征在于，所述第一分流装置和第二分流装置分别位于氢气提纯器的两侧。
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