CN116425113A - 一种电加热式氨制氢反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于反应器设计领域，具体涉及一种电加热式氨制氢反应器。本发明通过在反应器内安装电热管为氨制氢反应提供充足的热量供给，通过合理地设置电热管的排列方式，促使电加热式氨制氢反应器的筒体内部的温度分布均匀，有效提高热量利用率和传热效率，进一步提高整个电加热式氨制氢反应器内部的氨气催化裂解成氢气和氮气的效率。通过在筒体以及上封头之间设置圆形的安装板，并将电热管固定在安装板上的限位孔内，使得后续维修、更换电热管时只需要将安装板从筒体和上封头之间拆下并取出电热管即可。有助于实现电热管的快速维修，更换方便，耗时短。该电加热式氨制氢反应器操作方便，成本较低，有利于在生产实践中推广应用。
Description
技术领域
本发明属于反应器设计领域，具体涉及一种电加热式氨制氢反应器。
背景技术
氨制氢是以氨气为原料，在催化剂及吸热的情况下催化裂解为氢气和氮气。传统的电加热形式为在反应器外包裹电加热套以对整个反应器进行加热，产生的热量通过反应器壁面以辐射和对流的方式传递给催化剂和反应气，热能利用效率相对较低。而氨裂解反应是一个吸热反应，对温度极其敏感，必须使氨气和催化剂持续处于合适的温度区间内，才能使氨气催化裂解持续高效的进行。
对于目前的电加热式反应器，大多数反应器内部的温度分布不均匀，即电加热式反应器内部的部分区域会出现很高的温度或者很低的温度。从而导致电加热式反应器内部的热量难以得到充分利用、传热效率低，进一步致使整个电加热式反应器内部的氨气裂解的效率较低。因此，保持反应器内部温度分布均匀、稳定，防止反应器内部局部区域出现高温情况致使催化剂失活，逐渐成为氨制氢技术研究的一大热点。此外，现有的电加热式反应器中的电热管使用频繁后容易老化、损坏，后续维修时通常需要拆除整个电加热式反应器进行更换电热管，从而耗费大量的时间和人力，致使成本增加。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中的电加热式反应器存在内部温度分布不均匀、传热效率低、热量利用率低、维修困难、更换不方便的缺陷，提供了一种电加热式氨制氢反应器以克服上述缺陷。
为实现上述发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种电加热式氨制氢反应器，包括：
筒体，其内设置有用于持续发热的电热管；
下封头，其与筒体的一端相连接，其上设置有用于气体流入的进气口；
上封头，其与筒体的另一端相连接，其上设置有用于气体流出的出气口；
安装板，其位于筒体以及上封头之间，其上设置有用于气体流通的通气孔以及若干用于固定电热管且呈规则排列的限位孔。
本发明的电加热式氨制氢反应器包括一个筒体。筒体内设置有用于持续发热的电热管。还包括与筒体的一端相连接的下封头，下封头上设置有用于气体流入的进气口。还包括与筒体的另一端相连接的上封头，上封头上设置有用于气体流出的出气口。还包括一块圆形的安装板，安装板位于筒体以及上封头之间。安装板上设置有用于气体流通的通气孔以及若干用于固定电热管且呈规则排列的限位孔。通过在安装板上合理布置限位孔并安装电热管，使得限位孔呈规则排列，从而进一步控制电热管在安装板上呈规则分布。促使电加热式氨制氢反应器的筒体内部的温度分布均匀，有效提高热量利用率和传热效率，进一步提高整个电加热式氨制氢反应器内部的氨气催化裂解成氢气和氮气的效率。此外，通过在筒体以及上封头之间设置圆形的安装板，并将电热管固定在安装板上的限位孔内，使得后续维修、更换电热管时只需要将安装板从筒体和上封头之间拆下并取出电热管即可。有助于实现电热管的快速维修，更换方便，耗时短。除此之外，本发明中的电加热式氨制氢反应器结构简单，操作方便，成本较低，有利于在生产实践中推广应用。
作为优选，所述限位孔的排列形状呈圆环形或等边三角形。
在电热管和安装板相同的情况下，通过公式计算总的电热管截面积和安装板截面积的比值（N），总的电热管截面积和安装板截面积的比值（N）越大，说明在安装板表面的开孔率越高。即在安装板上可安装的电热管的数量也就越多，进而有效提高电加热式氨制氢反应器内部的传热效率。计算公式如下：
其中：
N：表示总的电热管截面积和安装板截面积的比值，（%）；
S总的电热管截面积：表示总的电热管截面积，（mm2）；
S安装板截面积：表示安装板截面积，（mm2）；
n：表示电热管的数量；
r：表示电热管的半径，（mm）；
R：表示安装板的半径，（mm）。
本发明人通过上述公式计算得出：在使用同一种电热管的情况下，限位孔采用圆环形或等边三角形的形状排列分布在圆形的安装板上，会使安装板表面的开孔率更高。即限位孔的排列形状呈圆环形或等边三角形时，能在截面积有限的圆形的安装板上尽可能多的布置安装电热管，从而获得更好的传热效果。此外，圆形的安装板上的限位孔采用圆环形的排列分布方式可以进一步促使电加热式氨制氢反应器内部的热量分布更均匀，从而确保电加热式氨制氢反应器内部的温度维持在一定的温度范围内，温度更稳定。与之相比，限位孔的排列形状呈矩形等其他形状时，在相同截面积的圆形的安装板上的开孔率较低。
作为优选，所述筒体包括与上封头相连接的筒体第一端以及与下封头相连接的筒体第二端，所述筒体上还设置有分别与筒体第一端以及筒体第二端相连接的筒体法兰。
作为进一步优选，所述上封头以及下封头以可拆卸方式分别与筒体第一端以及筒体第二端相连接。
作为进一步优选，所述上封头以及下封头以法兰连接的方式分别与筒体第一端以及筒体第二端相连接。
通过上述设置，有助于将上封头和/或下封头从筒体上自由拆卸取下，便于安装、更换电热管以及向电加热式氨制氢反应器内加入催化剂。
作为进一步优选，所述筒体法兰以焊接方式固定在筒体第一端和/或筒体第二端。
作为进一步优选，所述筒体还包括用于容纳电热管的空腔，所述空腔与上封头以及下封头均相连通。
通过上述设置，筒体内的空腔形成气体流通的通道，空腔内的多个电热管在工作时实现持续发热，确保空腔内的温度维持在一定的温度范围内，促使电加热式氨制氢反应器内部的热量分布更均匀。进而确保氨气从下封头上设置的进气口进入空腔，并在持续吸热的条件下与催化剂（事先填充在空腔内）在空腔内催化裂解为氢气和氮气，提高反应效率。反应生成的氢气和氮气通过安装板上的通气孔流入上封头，最终从上封头上设置的出气口排出并被收集。
作为优选，所述下封头上设置有气体进口接管，所述气体进口接管的另一端固定连接有气体进口接管法兰。
作为进一步优选，所述下封头上的进气口处设置有气体进口接管。
通过上述设置，有助于防止电加热式氨制氢反应器内部的气体泄漏，确保电加热式氨制氢反应器的气密性良好。
作为优选，所述下封头靠近筒体第二端的一侧以及上封头靠近筒体第一端的一侧分别固定连接有与筒体法兰相适配的封头法兰。
作为进一步优选，所述筒体法兰与封头法兰通过螺栓固定连接。
通过上述设置，方便拆卸筒体法兰以及封头法兰，同时，有效保障电加热式氨制氢反应器的气密性良好。
作为优选，靠近下封头一侧的筒体法兰与封头法兰之间还设置有垫圈。
通过上述设置，有利于提高下封头与筒体之间的气密性。
作为优选，靠近上封头一侧的筒体法兰上还设置有凸台，所述凸台与筒体第一端形成用于固定安装板的定位槽。
通过上述设置，将安装板嵌入定位槽，有助于安装板在筒体以及上封头之间固定牢固，同时，限制安装板的位置，有效避免安装板滑动。
作为优选，所述上封头上还设置有气体出口接管，所述气体出口接管的另一端固定连接有气体出口接管法兰。
作为进一步优选，所述上封头上的出气口处设置有气体出口接管。
通过上述设置，有助于防止电加热式氨制氢反应器内部的气体泄漏，确保电加热式氨制氢反应器的气密性良好。
作为优选，所述气体出口接管的两侧对称设置有导线接管，所述导线接管与筒体相连通，所述导线接管的另一端固定连接有导线接管法兰。
作为优选，所述导线接管包括导线接管口，与外接电源相连接的导线沿导线接管口插入导线接管并与电热管相连接。
作为进一步优选，所述电热管为U形或螺旋形结构。
通过上述设置，电热管为U形或螺旋形结构时，热效率高且发热均匀、机械强度好，占用空间小。同时，便于电热管通过导线与外接电源相连接，确保通电良好。
因此，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明通过在圆形的安装板上合理布置限位孔并安装电热管，使得限位孔呈圆环形或等边三角形排列，从而进一步控制电热管在圆形的安装板上呈圆环形或等边三角形分布。促使电加热式氨制氢反应器的筒体内部的温度分布均匀，有效提高热量利用率和传热效率，进一步提高整个电加热式氨制氢反应器内部的氨气催化裂解成氢气和氮气的效率；
（2）本发明通过在筒体以及上封头之间设置圆形的安装板，并将电热管固定在安装板上的限位孔内，使得后续维修、更换电热管时只需要将安装板从筒体和上封头之间拆下并取出电热管即可。有助于实现电热管的快速维修，更换方便，耗时短；
（3）本发明中的电加热式氨制氢反应器结构简单，操作方便，成本较低，有利于在生产实践中推广应用。
附图说明
图1为电加热式氨制氢反应器的装配体图。
图2为电加热式氨制氢反应器的立体结构示意图。
图3为电热管与安装板的组装结构示意图。
图4为安装板与筒体、封头法兰的组装结构示意图。
图5为图4中的A处局部放大结构示意图。
图6为一种实施方式中的限位孔在安装板上的排列分布示意图。
图7为另一种实施方式中的限位孔在安装板上的排列分布示意图。
图8为一种实施方式中的电热管结构示意图。
图9为另一种实施方式中的电热管结构示意图。
图中：气体进口接管法兰1；气体进口接管2；下封头3；封头法兰4；垫圈5；筒体法兰6；筒体7；安装板8；上封头9；导线接管10；导线接管法兰11；气体出口接管12；气体出口接管法兰13；电热管14；螺母15；通气孔16；限位孔17；进气口18；出气口19；筒体第一端20；筒体第二端21；导线接管口22；凸台23；定位槽24；空腔25。
具体实施方式
下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明做进一步描述。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例
本实施例中提供一种电加热式氨制氢反应器。如图1-9所示，本发明的电加热式氨制氢反应器包括一个筒体7。筒体7内设置有用于持续发热的电热管14。还包括与筒体7的一端相连接的下封头3，下封头3上设置有用于气体流入的进气口18。还包括与筒体7的另一端相连接的上封头9，上封头9上设置有用于气体流出的出气口19。进气口18以及出气口19分别设置在下封头3以及上封头9的顶部。上封头9以及下封头3均呈半椭圆形或半球形。还包括一块圆形的安装板8，安装板8位于筒体7以及上封头9之间。安装板8上设置有用于气体流通的通气孔16以及若干用于固定电热管14且呈规则排列的限位孔17。电热管14的顶部穿过限位孔17并通过螺母15固定在安装板8的表面。
限位孔17的排列形状呈圆环形。
作为另一种实施方式，限位孔17的排列形状呈等边三角形。
在使用同一种电热管14的情况下，限位孔17采用圆环形或等边三角形的形状排列分布在圆形的安装板8上，会使安装板8表面的开孔率更高。即限位孔17的排列形状呈圆环形或等边三角形时，能在截面积有限的圆形的安装板8上尽可能多的布置安装电热管14，从而获得更好的传热效果。此外，圆形的安装板8上的限位孔17采用圆环形的排列分布方式可以进一步促使电加热式氨制氢反应器内部的热量分布更均匀，从而确保电加热式氨制氢反应器内部的温度维持在一定的温度范围内，温度更稳定。与之相比，限位孔17的排列形状呈矩形等其他形状时，在相同截面积的安装板8上的开孔率较低。
筒体7包括与上封头9固定连接的筒体第一端20以及与下封头3固定连接的筒体第二端21。筒体7上还设置有分别与筒体第一端20以及筒体第二端21固定连接的筒体法兰6。
作为另一种实施方式，上封头9以及下封头3以可拆卸方式分别与筒体第一端20以及筒体第二端21相连接。
作为另一种实施方式，上封头9以及下封头3以法兰连接的方式分别与筒体第一端20以及筒体第二端21相连接。
通过上述设置，有助于将上封头9和/或下封头3从筒体7上自由拆卸取下，便于安装、更换电热管14以及向电加热式氨制氢反应器内加入催化剂。
作为另一种实施方式，筒体法兰6以焊接方式固定在筒体第一端20和/或筒体第二端21。
作为另一种实施方式，筒体7还包括用于容纳电热管14的空腔25，空腔25与上封头9以及下封头3均相连通。
通过上述设置，筒体7内的空腔25形成气体流通的通道，空腔25内的多个电热管14在工作时实现持续发热，确保空腔25内的温度维持在一定的温度范围内，促使电加热式氨制氢反应器内部的热量分布更均匀。进而确保氨气从下封头3上设置的进气口18进入空腔25，并在持续吸热的条件下与催化剂（事先填充在空腔25内）在空腔25内催化裂解为氢气和氮气，提高反应效率。反应生成的氢气和氮气通过安装板8上的通气孔16流入上封头9，最终从上封头9上设置的出气口19排出并被收集。
下封头3上设置有气体进口接管2，气体进口接管2的另一端固定连接有气体进口接管法兰1。
作为另一种实施方式，下封头3上的进气口18处设置有气体进口接管2。
通过上述设置，有助于防止电加热式氨制氢反应器内部的气体泄漏，确保电加热式氨制氢反应器的气密性良好。
下封头3靠近筒体第二端21的一侧以及上封头9靠近筒体第一端20的一侧分别固定连接有与筒体法兰6相适配的封头法兰4。
作为另一种实施方式，筒体法兰6与封头法兰4通过螺栓固定连接。
通过上述设置，方便拆卸筒体法兰6以及封头法兰4，同时，有效保障电加热式氨制氢反应器的气密性良好。
靠近下封头3一侧的筒体法兰6与封头法兰4之间还设置有垫圈5。有利于提高下封头3与筒体7之间的气密性。
靠近上封头9一侧的筒体法兰6上还设置有凸台23。凸台23与筒体第一端20形成用于固定安装板8的定位槽24。
通过上述设置，将安装板8嵌入定位槽24，有助于安装板8在筒体7以及上封头9之间固定牢固，同时，限制安装板8的位置，有效避免安装板8滑动。
上封头9上还设置有气体出口接管12。气体出口接管12的另一端固定连接有气体出口接管法兰13。
作为另一种实施方式，上封头9上的出气口19处设置有气体出口接管12。
通过上述设置，有助于防止电加热式氨制氢反应器内部的气体泄漏，确保电加热式氨制氢反应器的气密性良好。
气体出口接管12的两侧对称设置有导线接管10。导线接管10与上封头9相连通，导线接管10的另一端固定连接有导线接管法兰11。
导线接管10包括导线接管口22，与外接电源相连接的导线沿导线接管口22插入导线接管10并与电热管14相连接。
作为另一种实施方式，电热管14为U形或螺旋形结构。
通过上述设置，电热管14为U形或螺旋形结构时，热效率高且发热均匀、机械强度好，占用空间小。同时，便于电热管14通过导线与外接电源相连接，确保通电良好。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种电加热式氨制氢反应器，其特征在于，包括：
筒体（7），其内设置有用于持续发热的电热管（14）；
下封头（3），其与筒体（7）的一端相连接，其上设置有用于气体流入的进气口（18）；
上封头（9），其与筒体（7）的另一端相连接，其上设置有用于气体流出的出气口（19）；
安装板（8），其位于筒体（7）以及上封头（9）之间，其上设置有用于气体流通的通气孔（16）以及若干用于固定电热管（14）且呈规则排列的限位孔（17）。
2.根据权利要求1所述的一种电加热式氨制氢反应器，其特征在于，所述限位孔（17）的排列形状呈圆环形或等边三角形。
3.根据权利要求1所述的一种电加热式氨制氢反应器，其特征在于，所述筒体（7）包括与上封头（9）相连接的筒体第一端（20）以及与下封头（3）相连接的筒体第二端（21），所述筒体（7）上还设置有分别与筒体第一端（20）以及筒体第二端（21）固定连接的筒体法兰（6）。
4.根据权利要求1或3所述的一种电加热式氨制氢反应器，其特征在于，所述下封头（3）上设置有气体进口接管（2），所述气体进口接管（2）的另一端固定连接有气体进口接管法兰（1）。
5.根据权利要求3所述的一种电加热式氨制氢反应器，其特征在于，所述下封头（3）靠近筒体第二端（21）的一侧以及上封头（9）靠近筒体第一端（20）的一侧分别固定连接有与筒体法兰（6）相适配的封头法兰（4）。
6.根据权利要求5所述的一种电加热式氨制氢反应器，其特征在于，靠近下封头（3）一侧的筒体法兰（6）与封头法兰（4）之间还设置有垫圈（5）。
7.根据权利要求3或5所述的一种电加热式氨制氢反应器，其特征在于，靠近上封头（9）一侧的筒体法兰（6）上还设置有凸台（23），所述凸台（23）与筒体第一端（20）形成用于固定安装板（8）的定位槽（24）。
8.根据权利要求7所述的一种电加热式氨制氢反应器，其特征在于，所述上封头（9）上还设置有气体出口接管（12），所述气体出口接管（12）的另一端固定连接有气体出口接管法兰（13）。
9.根据权利要求8所述的一种电加热式氨制氢反应器，其特征在于，所述气体出口接管（12）的两侧对称设置有导线接管（10），所述导线接管（10）与上封头（9）相连通，所述导线接管（10）的另一端固定连接有导线接管法兰（11）。
10.根据权利要求1所述的一种电加热式氨制氢反应器，其特征在于，所述导线接管（10）包括导线接管口（22），与外接电源相连接的导线沿导线接管口（22）插入导线接管（10）并与电热管（14）相连接。
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