CN115465837A - 一种用于碳氢化合物水蒸气重整反应的列管式反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于碳氢化合物水蒸气重整反应的列管式反应器，包括进料气化混合系统、两预热系统及反应系统；所述进料气化混合系统包括：原料气化混合腔；在原料气化混合腔上设有反应原料入口，在原料气化混合腔的左右两侧设有物料流通孔；两所述预热系统分别位于原料气化混合腔的左右两侧；所述反应系统包括：催化剂填料盖板、催化剂填料下支撑板、反应混合气分配器、反应管、重整合成气收集腔及合成气压力平衡腔。其具有列管式反应器整体结构布局合理，结构紧凑，体积小，换热效率高，制氢效率高等优点。

Description

一种用于碳氢化合物水蒸气重整反应的列管式反应器

技术领域

本发明涉及一种用于碳氢化合物水蒸气重整反应的列管式反应器。

背景技术

目前，SOFC 不仅能以氢气作燃料气，而且还适用于石油液化气、天然气及煤气等多种气体（目前已知的页岩气储量中国居世界第一），甚至一些液态烃类（甲烷、丙烷等）也可以作为燃料。在矿物资源日趋贫乏和保护生态环境日益受到重视的今天，SOFC已备受关注并成为国内外竞相研究开发的热门技术。

根据燃料电池应用要求 (如能量密度、安全等 )的不同，燃料电池系统可以选择包括氢气在内的各种燃料（如甲醇等）。虽然甲醇燃料电池也在研究之列 , 但将一次燃料经燃料重整转换为氢气供燃料电池所用仍为人们研究的重点。最初只是在低功率（如小于100 w）的燃料电池上采用微尺度重整器制氢，在大功率燃料电池的应用方面，借鉴工业填料床反应器模型，研究实验室规模下燃料重整制氢反应器。但发现重整过程受“冷点”或“热点”的影响，且对启停和变工况响应较慢，满足不了燃料电池系统所要求的运行条件，原因是反应器填料床中传热传质速率受到限制，不能及时平衡反应所需热量和组分，反应在低于其本征动力学速率下进行。

如以甲烷水蒸气重整为例，甲烷蒸汽重整(SteamＲeforming of Methane) 是目前技术较为成熟、工业应用最多的方法，其化学反应式为：

CH₄ + H₂O →CO + 3H₂，ΔH = + 206 kJ /mol

ΔH 为化学反应焓变，“+”为吸热反应，“-”为放热反应。这个反应为强吸热反应，要求提供额外的热源，通常在高温 800 ℃以上进行，反应压力为 1.5～3.1MPa。反应除了生成 H₂之外，还有CO，H₂和CO的物质的量之比为3。

蒸汽重整是从碳氢燃料中得到氢气最常用的方法，重整合成气产物氢气含量高，是固体氧化物燃料电池一种比较理想的燃料供应方式，但其缺点就是反应过程是一个具有强吸热的反应。吸热的蒸汽重整过程通常受到从边界到催化剂热量传输速率的限制，导致反应器的体积很大。如果传热问题能解决, 蒸汽重整将是更具优势的制氢方式。采用碳氢类燃料，实现燃料电池系统的在线重整制氢工艺，可以大大提高固体氧化物燃料电池电源的能量密度，能量密度的提高对移动燃料电池电源非常关键，此时液体碳氢燃料重整制氢明显比其储氢方式更有优势。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足而提供一种用于碳氢化合物水蒸气重整反应的列管式反应器，列管式反应器整体结构布局合理，结构紧凑，体积小，换热效率高，可利用固体氧化物燃料电池高温尾气余热辅助加热，维持反应器系统反应温度，改善了因碳氢化合物水蒸气重整制制氢工艺的强吸热反应而导致的催化剂床层温场不均等问题，制氢效率高。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的，其是一种用于碳氢化合物水蒸气重整反应的列管式反应器，其特征在于包括进料气化混合系统、两预热系统及反应系统；

所述进料气化混合系统包括：原料气化混合腔；在所述原料气化混合腔上设有反应原料入口，在原料气化混合腔的左右两侧设有物料流通孔；

两所述预热系统分别位于原料气化混合腔的左右两侧，两预热系统均包括：预热管组、预热气体分配室及预热混合气体收集室；所述预热管组的两端口分别与预热气体分配室及预热混合气体收集室连通，所述物料流通孔与预热气体分配室连通；

所述反应系统包括：催化剂填料盖板、催化剂填料下支撑板、反应混合气分配器、反应管、重整合成气收集腔及合成气压力平衡腔；两所述预热混合气体收集室位于反应混合气分配器的左右两侧，在反应混合气分配器的左右两侧设有与预热混合气体收集室连通的反应混合气进料孔，所述反应管的两端口分别位于反应混合气分配器及重整合成气收集腔并连通，两所述预热气体分配室分别位于重整合成气收集腔的左右两侧，所述原料气化混合腔位于重整合成气收集腔的前侧，所述合成气压力平衡腔位于重整合成气收集腔的后侧，在所述重整合成气收集腔上设有与合成气压力平衡腔连通的合成气体进料口，在所述合成气压力平衡腔上设有与外界连通的合成气体出口,所述催化剂填料盖板位于重整合成气收集腔的内壁上并位于反应管的一端口一侧，所述催化剂填料下支撑板位于反应混合气分配器的内壁上并位于反应管的另一端口一侧。

在本技术方案中，所述反应管外径为15-25mm，管壁厚为1-2.5mm。

在本技术方案中，所述重整合成气收集腔前后左右四个侧面通过金属板分别与原料气化混合腔、合成气压力平衡腔及两预热气体分配室相隔。

本发明与现有技术相比的优点为：列管式反应器整体结构布局合理，结构紧凑，体积小，换热效率高，可利用固体氧化物燃料电池高温尾气余热辅助加热，维持反应器系统反应温度，改善了因碳氢化合物水蒸气重整制制氢工艺的强吸热反应而导致的催化剂床层温场不均等问题，制氢效率高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的主视图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是图2的B-B剖视图；

图5是图2的C-C剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以互相结合。

在本发明描述中,术语“上”及“下”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，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须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。

如图1至图5所示，一种用于碳氢化合物水蒸气重整反应的列管式反应器，包括：进料气化混合系统、两预热系统及反应系统；

所述进料气化混合系统包括：原料气化混合腔1；在所述原料气化混合腔1上设有反应原料入口11，在原料气化混合腔1的左右两侧设有物料流通孔12；

两所述预热系统分别位于原料气化混合腔1的左右两侧，两预热系统均包括：预热管组2、预热气体分配室4及预热混合气体收集室8；所述预热管组2的两端口分别与预热气体分配室4及预热混合气体收集室8连通，所述物料流通孔12与预热气体分配室4连通；

所述反应系统包括：催化剂填料盖板7、催化剂填料下支撑板10、反应混合气分配器9、反应管3、重整合成气收集腔5及合成气压力平衡腔6；两所述预热混合气体收集室8位于反应混合气分配器9的左右两侧，在反应混合气分配器9的左右两侧设有与预热混合气体收集室8连通的反应混合气进料孔91，所述反应管3的两端口分别位于反应混合气分配器9及重整合成气收集腔5并连通，两所述预热气体分配室4分别位于重整合成气收集腔5的左右两侧，所述原料气化混合腔1位于重整合成气收集腔5的前侧，所述合成气压力平衡腔6位于重整合成气收集腔5的后侧，在所述重整合成气收集腔5上设有与合成气压力平衡腔6连通的合成气体进料口51，在所述合成气压力平衡腔6上设有与外界连通的合成气体出口61,所述催化剂填料盖板7位于重整合成气收集腔5的内壁上并位于反应管3的一端口一侧，所述催化剂填料下支撑板10位于反应混合气分配器9的内壁上并位于反应管3的另一端口一侧。

在实现碳氢化合物水蒸气重整操作时，其整体工艺如下：反应原料由反应原料入口11进入原料气化混合腔1，与重整合成气收集腔5内的气体进行气热交换，反应原料中的水气化成水蒸气后与碳氢化合物混合成气态反应原料，气态反应原料由原料气化混合腔1两端的物料流通孔11进入预热气体分配室4，在预热气体分配室4继续与重整合成气收集腔5内的气体进行气热交换，预热气体分配室4中的气态反应原料被分配进入到预热管2中，在预热管2中气态反应原料与管外高温尾气进行热交换预热，使反应原料达到反应所需要的温度,反应原料通过预热管2之后进入预热混合气体收集腔8，预热混合气体收集腔8通过反应混合气进料孔91进入气体分配腔9,在气体分配腔9反应原料被均匀分配到反应管3中，在催化剂填料下支撑板10及催化剂填料盖板7的催化剂作用下，进行水蒸气重整反应生成合成气，生成的合成气产物进入重整合成气收集腔5，进行一定热交换后，通过合成气体进料口51进入合成气压力平衡腔6，最后通过合成气体出口61出反应器。

根据重整工艺的规模可增加反应管3数量，增大反应管3的热交换面积和热交换效率，保持反应管高效率的热交换，防止反应管催化剂床层温场梯度过大。

焊接好列管式催化重整反应器后，具体操作方法如下：将甲烷催化剂装填到列管式催化反应器反应管3中，盖好其上下两端的封盖，用螺栓紧固，检查其气密性。如无泄露，则将其装入测试炉膛中，接好管路，氮气吹扫2-3min，升温至750℃，通入甲烷烷和去离子水，水碳比为3，空速为12000h-1，反应测得丙烷转化率为99.6%，氢气含量为71.5%；或将丙烷催化剂装填到列管式催化反应器反应管3中，盖好其上下两端的封盖，用螺栓紧固，检查其气密性。如无泄露，则将其装入测试炉膛中，接好管路，氮气吹扫2-3min，升温至750℃，通入丙烷和去离子水，水碳比为3，空速为12000h-1，反应测得丙烷转化率为99.8%，氢气含量为70.5%。

反应时，催化剂填料盖板7及催化剂填料下支撑板10上有一张细网，会把催化剂压住，在反应过程中会有大气流把催化剂吹起来，有催化剂填料盖板7及催化剂填料下支撑板10的话会把催化剂固定在里面，不让催化剂悬浮起来。

所述原料气化混合腔1、预热气体分配室4热主要来源于与重整合成气收集腔5中反应合成气产物的热交换。

在本实施例中，所述反应管3外径为15-25mm，管壁厚为1-2.5mm。

在本实施例中，所述重整合成气收集腔5前后左右四个侧面通过金属板分别与原料气化混合腔1、合成气压力平衡腔6及两预热气体分配室4相隔。

以上结合附图对本发明的实施方式作出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、替换及变形仍落入在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种用于碳氢化合物水蒸气重整反应的列管式反应器，其特征在于包括进料气化混合系统、两预热系统及反应系统；

所述进料气化混合系统包括：原料气化混合腔（1）；在所述原料气化混合腔（1）上设有反应原料入口（11），在原料气化混合腔（1）的左右两侧设有物料流通孔（12）；

两所述预热系统分别位于原料气化混合腔（1）的左右两侧，两预热系统均包括：预热管组（2）、预热气体分配室（4）及预热混合气体收集室（8）；所述预热管组（2）的两端口分别与预热气体分配室（4）及预热混合气体收集室（8）连通，所述物料流通孔（12）与预热气体分配室（4）连通；

所述反应系统包括：催化剂填料盖板（7）、催化剂填料下支撑板（10）、反应混合气分配器（9）、反应管（3）、重整合成气收集腔（5）及合成气压力平衡腔（6）；两所述预热混合气体收集室（8）位于反应混合气分配器（9）的左右两侧，在反应混合气分配器（9）的左右两侧设有与预热混合气体收集室（8）连通的反应混合气进料孔（91），所述反应管（3）的两端口分别位于反应混合气分配器（9）及重整合成气收集腔（5）并连通，两所述预热气体分配室（4）分别位于重整合成气收集腔（5）的左右两侧，所述原料气化混合腔（1）位于重整合成气收集腔（5）的前侧，所述合成气压力平衡腔（6）位于重整合成气收集腔（5）的后侧，在所述重整合成气收集腔（5）上设有与合成气压力平衡腔（6）连通的合成气体进料口（51），在所述合成气压力平衡腔（6）上设有与外界连通的合成气体出口（61）,所述催化剂填料盖板（7）位于重整合成气收集腔（5）的内壁上并位于反应管（3）的一端口一侧，所述催化剂填料下支撑板（10）位于反应混合气分配器（9）的内壁上并位于反应管（3）的另一端口一侧。

2.根据权利要求1所述的用于碳氢化合物水蒸气重整反应的列管式反应器，其特征在于所述反应管（3）外径为15-25mm，管壁厚为1-2.5mm。

3.根据权利要求1所述的用于碳氢化合物水蒸气重整反应的列管式反应器，其特征在于所述重整合成气收集腔（5）前后左右四个侧面通过金属板分别与原料气化混合腔（1）、合成气压力平衡腔（6）及两预热气体分配室（4）相隔。

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