CN115849303A - 利用甲烷和水蒸气反应制氢装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，包括气体分布器、加热器和流化床，所述气体分布器出气端与所述流化床进气端流体导通连接；所述加热器的制热端用于对在所述流化床上反应的物质进行加热；所述流化床上设有用于吸附二氧化碳的吸附剂和用于对甲烷和水蒸气反应进行催化的催化剂；所述气体分布器的分布板上设有锥形分布孔，所述锥形分布孔的孔径沿气体流动的方向逐渐增大。本发明利用具有锥形分布孔的分布板对甲烷和水蒸气组成的混合气体进行分布，可以提高甲烷和水蒸气组成的混合气体在流化床内的分散均匀度，从而进一步提高甲烷的转化率。
Description
技术领域
本发明涉及制氢技术领域。具体地说是一种利用甲烷和水蒸气反应制氢装置。
背景技术
现有的制氢技术中，常用技术是利用甲烷和水蒸气重整制氢，该技术已广泛用于工业生产，并已获得较为成熟的工艺流程和催化剂制备工艺。甲烷和水蒸气重整制氢反应中的甲烷转化率除了受反应压力、反应温度、水碳比以及空气流速影响之外，还受水蒸气与甲烷混合程度及在流化床内的分散均匀度影响，为此，人们使用气流分布器对水蒸气和甲烷的混合气体进行分散，但甲烷转化率提升有限。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，利用具有锥形分布孔的分布板对甲烷和水蒸气组成的混合气体进行分布，可以提高甲烷和水蒸气组成的混合气体在流化床内的分散均匀度，从而进一步提高甲烷的转化率。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，包括气体分布器、加热器和流化床，所述气体分布器出气端与所述流化床进气端流体导通连接；所述加热器的制热端用于对在所述流化床上反应的物质进行加热；所述流化床上设有用于吸附二氧化碳的吸附剂和用于对甲烷和水蒸气反应进行催化的催化剂；所述气体分布器的分布板上设有锥形分布孔，所述锥形分布孔的孔径沿气体流动的方向逐渐增大。
上述利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，所述加热器的制热端设置在所述流化床内，催化剂负载于所述加热器的制热端上，吸附剂在所述流化床床层的空隙中流动。
上述利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，所述流化床内设置有支撑杆，所述支撑杆上通过支撑柱设有双螺旋构件；所述加热器制热端设置在所述双螺旋构件上且催化剂负载在所述双螺旋构件上。
上述利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，所述双螺旋构件与所述支撑杆同轴装配。
上述利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，催化剂和吸附剂在所述流化床床层的空隙中流动。
上述利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，所述加热器的制热端设置在所述流化床床壁上，催化剂和吸附剂在所述流化床内流动。
上述利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，所述流化床床壁上设置有电磁感应器，将由催化剂、吸附剂和铁磁性材料制成的催化-吸附双功能材料置于所述流化床内并流动。
上述利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，所述加热器制热端设置在所述气体分布器内，将由催化剂、吸附剂和铁磁性材料制成的催化-吸附双功能材料置于所述流化床内并流动。
上述利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，所述气体分布器内设有气体分流构件，所述气体分流构件包括安装盘、分流板和环形板，所述分流板的一端与所述安装盘连接，所述分流板的另一端与所述环形板连接且所述环形板与所述安装盘同轴装配。
上述利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，所述分流板为长度方向上呈弧形且宽度方向上具有螺旋结构的弧形螺旋板。
上述利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，所述流化床出气端与旋风分离器进气端流体导通连接。
上述利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，所述流化床出料端与再生器进料端导通连接，所述再生器出料端与所述流化床进料端导通连接。
上述利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，在所述分布板上，位于同一个半径上的所述锥形分布孔的扩口端孔径沿自所述分布板中心至所述分布板边缘的方向逐渐增大。
本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
1、利用具有锥形分布孔的分布板对甲烷和水蒸气组成的混合气体进行分布，使进入流动床内的甲烷和水蒸气混合气体在横截面上流量更加均匀，进而可以提高甲烷和水蒸气组成的混合气体在流化床内的分散均匀度，使得在整个反应器内反应更加均匀，避免局部产生冷热点，从而进一步提高甲烷的转化率；
2、利用分流构件可以促进甲烷和水蒸气气体在气流分布器内混合的均匀度，进而促进甲烷和水蒸气气体在催化剂表面上可以进行充分的接触与反应。
3、长度方向上呈弧形且宽度方向上具有螺旋结构的弧形螺旋板可以使通入的甲烷和水蒸气气体混合更充分，流体流动更均匀，从而在床体内有更好的流动状态，减少堵塞与沟流现象的产生。
4、床体内的分布的加热内构件，可以使得在流动床内温度分布更均匀，使传热传质效果更好。
5、电磁感应加热在反应位点为反应提供热量，提高加热效率，使反应进一步向正向移动，从而实现甲烷的完全转化。同时，电磁感应加热比传统的燃烧加热更加环保，减少碳和氮氧化合物的排放。
附图说明
图1为本发明中利用甲烷和水蒸气反应制氢装置的工作原理图；
图2为本发明中气体分布器的分布板的结构示意图；
图3为图2中分布板的横截面的结构示意图；
图4为本发明中流化床的一种轴截面结构示意图；
图5为本发明中流化床的一种俯视结构示意图；
图6为本发明中流化床的一种俯视结构示意图；
图7为本发明中流化床的一种俯视结构示意图；
图8为本发明中流化床的一种轴截面结构示意图；
图9为本发明中气体分布器中气体分流构件的一种结构示意图；
图10为本发明中气体分布器中气体分流构件的另一种结构示意图。
图中附图标记表示为：1-气体分布器，1-1-分布板，1-2-锥形分布孔，1-3-安装盘，1-4-环形板，1-5-分流板；2-流化床；3-旋风分离器；4-再生器。
具体实施方式
实施例1
如图1～3所示，本发明利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，包括气体分布器1、加热器、流化床2、旋风分离器3和再生器4，所述气体分布器1出气端与所述流化床2进气端流体导通连接，所述流化床2出气端与所述旋风分离器3进气端流体导通连接；所述流化床2出料端与所述再生器4进料端导通连接，所述再生器4出料端与所述流化床2进料端导通连接；所述加热器的制热端用于对在所述流化床2上反应的物质进行加热；所述流化床2上设有用于吸附二氧化碳的吸附剂和用于对甲烷和水蒸气反应进行催化的催化剂；所述气体分布器1的分布板1-1上设有锥形分布孔1-2，所述锥形分布孔1-2的孔径沿气体流动的方向逐渐增大，气体流动方向如图3中箭头所示方向。
其中，所述加热器的制热端可以设置在所述流化床2内，如图1所示，将所述加热器的制热端设置在图1中黑色部分处。此时，可将催化剂负载于所述加热器的制热端上，并将吸附剂置于所述流化床2床层的空隙中，吸附剂在外力的驱动下发生流动；也可将催化剂和吸附剂混合加工成一种双功能材料并使之在所述流化床2床层的空隙中流动或者直接使催化剂和吸附剂混合物在所述流化床2床层的空隙中流动。
所述黑色部分可以根据实际需要进行设置，可以设置成由多个相互平行的板体构成，且相邻的两个板体之间间隙走向与气体流动方向一致，如图1所示；也可设置由多个相互平行的板体构成且相邻的两个板体相错设置，形成折线形通路，如图4所示。而板体的形状可以是平板，如图5所示，也可以是波纹板，如图6和图7所示，其中，图6中所示的结构为相邻的两个板体之间的间隙走向与气体流动总方向一致的结构，图7中所示的结构为相邻的两个板体之间的间隙走向与气头流动总方向相垂直。
本实施例中，将所述分布板1-1上的分布孔设置成锥形分布孔1-2，且所述锥形分布孔1-2的孔径沿气体流动的方向逐渐增大，这种结构有利于气体从所述气体分布器1内流入到所述流化床2内，同时可以使分布孔对气流的束缚逐渐变小，从而使气体呈散射状从分布孔内流出，进而使气体流入所述流化床2内时分布更均匀。且在所述分布板1-1上，位于同一个半径上的所述锥形分布孔1-2的扩口端孔径沿自所述分布板1-1中心至所述分布板1-1边缘的方向逐渐增大。当流体在管道内流动，管内中心的流体流速高，管边缘处流体的流速低，使得在中心处的流体通过流量更多，而通过位于同一个半径上的所述锥形分布孔1-2的扩口端孔径沿自所述分布板1-1中心至所述分布板1-1边缘的方向逐渐增大，可以使在流体内外流速相差不大时通过位于靠近所述分布板1-1边缘的所述锥形分布孔1-2进入所述流化床2内的流体量与通过位于靠近所述分布板1-1中心的所述锥形分布孔1-2进入所述流化床2内的流体量相当，从而可以使流体进入所述流化床2内时分布更加均匀，即使得在一定时间内横截面上所通过的甲烷和水蒸气的混合气体的流量趋于均匀。
实施例2
本实施例中利用甲烷和水蒸气反应制氢装置与实施例1中的利用甲烷和水蒸气反应制氢装置的区别在于：所述流化床2内设置有支撑杆5，所述支撑杆5上通过支撑柱6设有双螺旋构件7，如图8所示；所述加热器制热端设置在所述双螺旋构件7上且催化剂负载在所述双螺旋构件7上。其中，所述双螺旋构件7与所述支撑杆5同轴装配。
将所述加热器制热端设置在所述双螺旋构件7上，同时将催化剂负载在所述双螺旋构件7上，可以使气体更容易在催化剂表面发生反应，降低将整个所述流化床2内所有气体加热至可在催化剂表面进行反应的能耗。
实施例3
本实施例中利用甲烷和水蒸气反应制氢装置与实施例1中的利用甲烷和水蒸气反应制氢装置的区别在于：所述加热器的制热端设置在所述流化床2床壁上，催化剂和吸附剂在所述流化床2内流动。
实施例4
本实施例中利用甲烷和水蒸气反应制氢装置与实施例1中的利用甲烷和水蒸气反应制氢装置的区别在于：所述流化床2床壁上设置有电磁感应器，将由催化剂、吸附剂和铁磁性材料制成的催化-吸附双功能材料置于所述流化床2内并流动。
通过所述电磁感应器对所述催化-吸附双功能材料的控制，在可以控制所述催化-吸附双功能材料在所述流化床2内流动的前提下，可以实现将所述催化-吸附双功能材料进行定位设置的目的，从而可以使滞留区的气体发生反应，进而提高甲烷的转化率，即可以通过电磁作用将所述催化-吸附双功能材料定位至反应点位上。同时，电磁感应加热比传统的燃烧加热更加环保，减少碳和氮氧化合物的排放。
实施例5
本实施例中利用甲烷和水蒸气反应制氢装置与实施例1中的利用甲烷和水蒸气反应制氢装置的区别在于：所述气体分布器1内设有气体分流构件，所述气体分流构件包括安装盘1-3、分流板1-5和环形板1-4，所述分流板1-5的一端与所述安装盘1-3连接，所述分流板1-5的另一端与所述环形板1-4连接且所述环形板1-4与所述安装盘1-3同轴装配，如图9所示。其中，所述分流板1-5为长度方向上呈弧形且宽度方向上具有螺旋结构的弧形螺旋板，如图10所示。
所述分流构件可以使通入所述气体分布器1内的甲烷和水蒸气气体混合更充分，尤其是图10中所示的所述分流板1-5，长度方向上呈弧形且宽度方向上具有螺旋结构的弧形螺旋板可以对流体产生更大的扰动，促进所述气体分布器1内的甲烷和水蒸气气体更充分的混合，从而使流体流动更均匀，进而在所述流化床2床体内有更好的流化状态，减少堵塞与沟流现象的产生。
实施例6
本实施例中利用甲烷和水蒸气反应制氢装置与实施例1中的利用甲烷和水蒸气反应制氢装置的区别在于：所述加热器的制热端设置在所述气体分布器1的气体分流构件上。
将所述加热器的制热端设置在所述气体分布器1的气体分流构件上，可以在气体进入所述流化床2之前对气体进行加热，被加热后的气体进入所述流化床2内之后直接与催化剂接触进行反应。这样的设置可以使进入所述流化床2内的气体温度较为均匀，进而可以使进入所述流化床2内的甲烷和水蒸气气体进行较为充分的反应。而仅在所述流化床2内设置所述加热器的制热端，甲烷和水蒸气气体构成的混合气体在所述流化床2内被加热时存在部分混合气体不能直接加热升温，这就导致部分混合气体达不到反应温度，进而可能会导致甲烷转化率不高。
所述气体分布器1使通入的甲烷和水蒸气气体混合更充分，流体流动更均匀，从而在床体内有更好的流化状态，减少堵塞与沟流现象的产生。加热使通入的气体在进入床层前进行加热，在床体内可不设置加热装置，直接与催化剂接触进行反应(或作为预加热，床体内的加热装置可以消耗更少的能量)
工作原理：甲烷和水蒸气气体从所述气体分布器1进入所述流化床2，与所述流化床2床层内部的催化剂接触，在一定的温度下发生化学反应，生成二氧化碳与产品气体氢气。其中，二氧化碳被所述流化床2床层内的吸附剂吸附，氢气从所述流化床2顶部出口排出，并经过所述旋风分离器3进一步提纯流出，得到高纯度氢气；吸附剂进入所述再生器4中再生，最终回到所述流化床2。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。
Claims (13)
1.利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，其特征在于，包括气体分布器(1)、加热器和流化床(2)，所述气体分布器(1)出气端与所述流化床(2)进气端流体导通连接；所述加热器的制热端用于对在所述流化床(2)上反应的物质进行加热；所述流化床(2)上设有用于吸附二氧化碳的吸附剂和用于对甲烷和水蒸气反应进行催化的催化剂；所述气体分布器(1)的分布板(1-1)上设有锥形分布孔(1-2)，所述锥形分布孔(1-2)的孔径沿气体流动的方向逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，其特征在于，所述加热器的制热端设置在所述流化床(2)内，催化剂负载于所述加热器的制热端上，吸附剂在所述流化床(2)床层的空隙中流动。
3.根据权利要求2所述的利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，其特征在于，所述流化床(2)内设置有支撑杆(5)，所述支撑杆(5)上通过支撑柱(6)设有双螺旋构件(7)；所述加热器制热端设置在所述双螺旋构件(7)上且催化剂负载在所述双螺旋构件(7)上。
4.根据权利要求3所述的利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，其特征在于，所述双螺旋构件(7)与所述支撑杆(5)同轴装配。
5.根据权利要求1所述的利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，其特征在于，催化剂和吸附剂在所述流化床(2)床层的空隙中流动。
6.根据权利要求1所述的利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，其特征在于，所述加热器的制热端设置在所述流化床(2)床壁上，催化剂和吸附剂在所述流化床(2)内流动。
7.根据权利要求1所述的利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，其特征在于，所述流化床(2)床壁上设置有电磁感应器，将由催化剂、吸附剂和铁磁性材料制成的催化-吸附双功能材料置于所述流化床(2)内并流动。
8.根据权利要求1所述的利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，其特征在于，所述加热器制热端设置在所述气体分布器(1)内，将由催化剂、吸附剂和铁磁性材料制成的催化-吸附双功能材料置于所述流化床(2)内并流动。
9.根据权利要求1～8任一所述的利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，其特征在于，所述气体分布器(1)内设有气体分流构件，所述气体分流构件包括安装盘(1-3)、分流板(1-5)和环形板(1-4)，所述分流板(1-5)的一端与所述安装盘(1-3)连接，所述分流板(1-5)的另一端与所述环形板(1-4)连接且所述环形板(1-4)与所述安装盘(1-3)同轴装配。
10.根据权利要求9所述的利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，其特征在于，所述分流板(1-5)为长度方向上呈弧形且宽度方向上具有螺旋结构的弧形螺旋板。
11.根据权利要求1～8任一所述的利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，其特征在于，所述流化床(2)出气端与旋风分离器(3)进气端流体导通连接。
12.根据权利要求1～8任一所述的利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，其特征在于，所述流化床(2)出料端与再生器(4)进料端导通连接，所述再生器(4)出料端与所述流化床(2)进料端导通连接。
13.根据权利要求1～8任一所述的利用甲烷和水蒸气反应制氢装置，其特征在于，在所述分布板(1-1)上，位于同一个半径上的所述锥形分布孔(1-2)的扩口端孔径沿自所述分布板(1-1)中心至所述分布板(1-1)边缘的方向逐渐增大。
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