CN201127890Y - 钯膜组件呈环型放射状排列的流化床膜反应器 - Google Patents

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CN201127890Y CNU200720060236XU CN200720060236U CN201127890Y CN 201127890 Y CN201127890 Y CN 201127890Y CN U200720060236X U CNU200720060236X U CN U200720060236XU CN 200720060236 U CN200720060236 U CN 200720060236U CN 201127890 Y CN201127890 Y CN 201127890Y
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解东来
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Abstract

本实用新型公开了一种钯膜组件呈环型放射状排列的流化床膜反应器，包括外管、内管、钯膜组件、尾气过滤器、进料布风板、支撑板和风箱；内管位于外管中心，内外管之间形成环形空间，多个钯膜组件介于内管和外管之间的环型空间，呈放射状排列，每个膜组件的两面都覆盖有钯银合金膜，支撑板位于进料布风板下端，风箱设置于支撑板下方；催化剂装填在内管和外管之间的环型空间环型区域。该流化床膜反应器使单位体积的反应器容积内有足够的膜表面积，钯膜组件易于安装排列，并可破坏制氢反应的平衡转化率，使可逆的制氢反应的化学反应平衡向生产氢气的方向移动，在一个反应器内就能生产出高纯度的氢气。

Description

钯膜组件呈环型放射状排列的流化床膜反应器
技术领域
本实用新型涉及一种流化床膜反应器，具体涉及一种钯膜组件呈环型放射状排列的流化床膜反应器。
背景技术
氢能，作为一种清洁、高效、安全、可持续的能源，被视为本世纪最具发展潜力的清洁能源，也被视为解决温室效应问题，提高能量利用率的有效替代能源。天然气水蒸气重整(SMR)技术是工业上普遍应用的用于生产氢气及合成气的技术。该反应是一个强吸热反应，并且几乎能达到平衡状态。常用的催化剂为镍基催化剂，典型的反应温度为800-900℃，压力2.5-3.5MPa。
工业上最常用的反应器是固定床列管式反应器，通过外部加热或部分氧化来提供反应所需的热量。变压吸附是最常用的氢气纯化技术。SMR制取氢气在小型化分布式制氢中还有很多技术问题需要解决。水蒸汽重整是一个强吸热反应，传热是制约该反应的一个瓶颈问题。传统的反应器采用固定床列管式反应器，反应器体积庞大，且传热效果比较差，不适合小规模分布式氢气生产的要求。
                        实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种单位体积的反应器容积内有足够的膜表面积，易于安装，可用于天然气或其它碳氢化合物与水蒸汽重整制取高纯度氢气的反应装置。
本实用新型的目的通过如下技术方案实现：
一种钯膜组件呈环型放射状排列的流化床膜反应器，其特征在于，包括外管、内管、钯膜组件、尾气过滤器、进料布风板、支撑板和风箱；所述内管位于外管中心，内外管之间形成环形空间，多个钯膜组件位于内管和外管之间的环型空间，呈放射状排列，每个膜组件的两面都覆盖有钯(或其合金)膜，所有的钯膜组件的纯氢气侧与一汇流管相连，该汇流管穿过反应器顶部引出反应器；进料布风板为多孔板，设置于反应器底部，位于内管和外管之间；支撑板位于进料布风板下端，风箱设置支撑板下方；催化剂装填在内管和外管之间的环型空间环型区域，高度至少覆盖钯膜组件；尾气过滤器设置在反应器顶部，其出口管穿过反应器顶部。
为进一步实现本实用新型目的，所述的钯膜组件在环型反应器空间内呈放射状均匀排列。膜组件为由不锈钢支撑框架(内含气体流通通道)、多孔烧结金属支撑体及钯或其合金膜组成的平板型结构体，该结构体在450-600℃的温度下可以使结构体外的含有氢气的合成气中的氢气组分穿过钯合金膜和多孔烧结金属进入不锈钢支撑框架中的气体流通通道。
所述的环型反应空间底部的布风板采用烧结金属不锈钢。
所述的尾气过滤器采用烧结金属不锈钢过滤器。
所述的进料布风板5为多孔不锈钢板。
本实用新型反应所需的热量可由反应器的内壁及外壁传热提供，也可向反应区内引入空气进行自热反应提供。
本实用新型与现有技术相比有如下优点：
(1)通过环型的反应器的结构设计，控制反应器的高度/截面积比，进而使单位体积的反应器容积内有足够的膜表面积；
(2)反应器单位体积内有较小的横截面积，从而控制反应气体在反应器内的空速超过催化剂颗粒的最小流化速度，且有一定的富余量；
(3)环状结构使得膜组件易于安装排列；
(4)环型放射状排列的钯膜组件不影响流化床的流态化效果；
(5)环型放射状排列的钯膜组件不影响流化床与壁的传热效果；
(6)将钯膜组件安装在反应器内，可将碳氢化合物制氢过程与氢气分离过程耦合起来，破坏制氢反应的平衡转化率，使可逆的制氢反应的化学反应平衡向生产氢气的方向移动，且在一个反应器内就能生产出高纯度的氢气。
附图说明
图1为反应器的纵向结构示意图；
图2为反应器的截面结构示意图。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本实用新型作进一步的说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
如图1、2所示，一种钯膜组件呈环型放射状排列的流化床膜反应器，包括环型包括外管1、内管2、钯膜组件3、尾气过滤器4、进料布风板5、支撑板6和风箱7；所述内管2位于外管1中心，外管1形成反应器的外壁，内管2形成反应器内壁，内外管之间形成环形空间，多个钯膜组件3介于内管和外管之间的环型空间，呈放射状排列，每个膜组件的两面都覆盖有钯银合金膜，所有的钯膜组件的纯氢气侧与一汇流管相连，该汇流管穿过反应器顶部法兰引出反应器；进料布风板5为多孔不锈钢板，设置于反应器底部，位于内管和外管之间；支撑板6位于进料布风板5下端，风箱7设置于支撑板6下方；催化剂装填在内管和外管之间的环型空间环型区域，高度至少覆盖钯膜组件3；尾气过滤器4设置在反应器顶部，其出口管穿过反应器顶部法兰，出口管兼起固定尾气过滤器的作用。催化剂采用以金属镍为活性成分，以α-Al2O3为载体的颗粒状催化剂，催化剂的颗粒直径在40微米-300微米之间呈正态分布，平均粒径100微米左右。钯膜组件3埋设在催化剂中，膜组件3由不锈钢支撑框架、多孔烧结金属支撑体及钯或其合金膜组成的平板型结构体，多孔金属支撑体及钯合金膜分别依次位于含膜支撑框架的两侧，膜支撑框架内含被净化氢气气流通道和小尺度通道，小尺度通道为穿行于膜支撑框架内部的一个加热用的气体的流通通道，其截面为矩形，截面尺寸0.2毫米×0.2毫米，连接小尺度通道的通道入口和出口设在含膜支撑框架上；支撑体上氢气气流通道为矩形齿状，氢气导出口设置在支撑框架上端，与气流通道连通。加热气体入口，出口和氢气出口通过压力容器的法兰引出后汇集再引出流化床膜反应器。该结构体在450-600℃的温度下可以使结构体外的含有氢气的合成气中的氢气组分穿过钯合金膜和多孔烧结金属进入不锈钢支撑框架中的气体流通通道。
本实用新型中内管的安装使得它与外管同一中心线，形成反应器内壁。反应空间由内外两个管形成的环型区域组成，环型区域内安装膜组件，有利于减少反应器有效横截面积，可控制反应器的高度/截面积比，进而使单位体积的反应器容积内有足够的膜表面积；反应器单位体积内有较小的横截面积，从而控制反应气体在反应器内的流速超过催化剂颗粒的最小流化速度，且有一定的富余量；环状结构使得膜组件易于安装排列；环型放射状排列的钯膜组件也不会影响流化床的流态化效果以及流化床与壁的传热效果；将钯膜组件安装在反应器内，可将碳氢化合物制氢过程与氢气分离过程耦合起来，破坏制氢反应的平衡转化率，使可逆的制氢反应的化学反应平衡向生产氢气的方向移动，且在一个反应器内就能生产出高纯度的氢气。
内管和外管的材质根据实际的反应温度、压力确定。所述的环型反应空间底部的布风板采用烧结金属不锈钢。所述的环型反应空间上部的尾气过滤器采用烧结金属不锈钢过滤器。
工作时，经过预热的碳氢化合物和水蒸汽通过风箱，穿过布风板进入反应器的内管和外管之间的环型空间，在镍基催化剂的作用下进行重整反应，该反应产生的合成气(H2，CO，CO2，CH4，H2O等)中的大部分H2通过钯(合金)膜组件渗透到钯膜组件内部的纯氢气通道，各钯膜组件产生的高纯度氢气通过汇流管汇成一路纯氢气管路，穿过反应器顶部的法兰排出反应器，经过下游冷却后成为高纯度产品氢气。合成气中的其余气体穿过尾气过滤器后，被引出反应器进入下游换热、燃烧等单元操作，其夹带的催化剂颗粒被尾气过滤器阻挡在反应器内部。反应所需的热量可由反应器的内壁及外壁传热提供，也可向反应区内引入空气进行自热反应提供。
采用此反应器，以天然气和水蒸汽为原料制取高纯度氢气。反应器外管1采用Φ300×15HP-40NB不锈钢，内管2采用Φ65×10HP-40NB不锈钢，安装两组共32个膜组件3，钯膜组件3为由不锈钢支撑框架(内含气体流通通道)、多孔烧结金属支撑体及钯或其合金膜组成的平板型结构体，每个膜组件的两面都覆盖有钯银合金膜，每面的有效膜面积为63.5mm×127mm，膜厚度25微米，每个膜组件的尺寸为73mm×140mm×6mm。进料布风板5采用烧结多孔金属，材质为Hastelloy X，厚度1.2mm，为使其能承受上部的催化剂的重量，在布风板5与风箱7之间安装有一个钻孔的316不锈钢支撑板6，孔的面积为板面积的50％。尾气过滤器采用烧结金属过滤器。催化剂采用以金属镍为活性成分，以α-Al2O3为载体的颗粒状催化剂，催化剂的颗粒直径在40微米-300微米之间呈正态分布，平均粒径100微米左右。天然气流量12Nm3/H，水碳摩尔比控制在3.0，反应温度约600℃，压力1.5MPa，反应所需的热量由的反应器尾气燃烧产生的1000℃左右高温烟气在外管外流动传热提供，在此反应条件下，氢气的产率约为20Nm3/H，纯度大于99.999％。

Claims (5)

1、一种钯膜组件呈环型放射状排列的流化床膜反应器，其特征在于，包括外管、内管、钯膜组件、尾气过滤器、进料布风板、支撑板和风箱；所述内管位于外管中心，内外管之间形成环形空间，多个钯膜组件介于内管和外管之间的环型空间，呈放射状排列，每个膜组件的两面都覆盖有钯银合金膜，所有的钯膜组件的纯氢气侧与一汇流管相连，该汇流管穿过反应器顶部引出反应器；进料布风板为多孔板，设置于反应器底部，位于内管和外管之间；支撑板位于进料布风板下端，风箱设置于支撑板下方；催化剂装填在内管和外管之间的环型空间环型区域，高度至少覆盖钯膜组件；尾气过滤器设置在反应器顶部，其出口管穿过反应器顶部。
2、根据权利要求1所述的一种钯膜组件呈环型放射状排列的流化床膜反应器，其特征在于所述的钯膜组件在环型反应器空间内呈放射状均匀排列。
3、根据权利要求1所述的一种钯膜组件呈环型放射状排列的流化床膜反应器，其特征在于所述的环型反应空间底部的布风板采用烧结金属不锈钢。
4、根据权利要求1所述的一种钯膜组件呈环型放射状排列的流化床膜反应器，其特征在于所述的尾气过滤器采用烧结金属不锈钢过滤器。
5、根据权利要求1所述的一种钯膜组件呈环型放射状排列的流化床膜反应器，其特征在于所述的进料布风板为多孔不锈钢板。
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