CN216303269U - 新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置 - Google Patents

Abstract

新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置，包括保护管、石英管、扩散器、环形支撑板、电加热器、保温层、连接座A、连接座B、密封圈、连接板、压力探测设备；石英管安装在保护管内，电加热器安装在保护管的外侧端；保温层安装在保护管及电机热器的外侧端；两套密封圈安装在两套连接座的内圈内，两套连接座分别安装在石英管上端及外下端；两套连接座A分别和两套连接座B安装在一起,两套连接座A有气管；支撑板安装在石英管内下，扩散器、连接板安装在支撑板上,扩散器安装在连接板的中间；压力探测设备装在下部连接座A侧。本新型甲烷裂解效率有显著提高，提高了工作效率节省了能源。工作人员可在压力大时减少进气压力，保证了设备稳定工作。

Description

新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置

技术领域

本实用新型涉及氢气制备辅助设备技术领域，特别是一种新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置。

背景技术

由于全球能源需求急剧增加，化石燃料等不可再生能源面临枯竭的危险，化石燃料对环境的影响也不容忽视，所以，开发和利用新能源成为越来越迫切的要求。在众多新能源燃料中，氢气作为能源燃料，它被认为是理想的清洁、高能燃料，越来越受到人们的关注。但由于氢气的制取成本高，在生活和生产中大量使用氢能源还存在一定困难。因此研究和开发更为先进的制氢新工艺技术是解决廉价氢源的重要保证，新工艺技术应在降低生产装置投资和减少生产成本方面应有明显的突破。

利用甲烷制氢，具有成本低，规模效应显著等优点，且生产纯度高，生产效率高。但现有技术中，还无一种可有效利用甲烷制备氢气的装置，其应用还仅限于实验室，因此，研究和开发更为先进的甲烷制氢新工艺技术及设备是解决廉价氢源的重要保证。本申请人为了克服上述问题，提交了专利号“202110543757.5”、专利名称“一种液态金属高温裂解甲烷制氢反应器”的专利申请，如图1所示，其制备氢气中，反应气体甲烷通过进气管21进入石英管底部缓冲区5，并经支撑板4气孔41（开孔）进入扩散器3下，再由扩散器3若干微孔31导入反应区13，在反应区13（石英管2内部）中与高温液态锡14充分接触，并裂解成氢气和碳黑，（甲烷高温裂解制氢是个强吸热反应，甲烷分子获得能量后，使得甲烷分子C-H键断裂，进而转化为氢气分子和固体碳）。氢气通过排气管91进入后端氢气罐，经氢气罐相关处理系统分离后，可获得高纯度氢气；反应区裂解的碳黑漂浮于液态金属14表面，经一定时间后可打开上连接座9对其进行收集；该实用新型利用液态金属（锡或锡化合物）高温裂解甲烷制氢，纯度高、裂解率高，可制备高纯氢气，同时其副产物碳黑具有纯度高、良好的热导性等优异特点，具有较广泛的用途。通过上述，该实用新型能有效制备出氢气，为甲烷制氢提供了有利技术支撑。

虽然一种液态金属高温裂解甲烷制氢反应器实现了有效利用甲烷制备氢气，为甲烷制氢提供了有利技术支撑。但是应用中由于进气管21与石英管2连接位置在加工时容易存在裂缝，且进气管21极易碰碎（实际应用中由于进气管21为细长管， 其上端面与石英管2底部端面连接时，为细直管与大平面连接，存在一定焊接难度，焊接时因受热不均，在接缝处容易出现未完全融合的情况，后期使用过程中该位置会因热应力形成裂缝，造成气体泄漏，存在安全隐患；同时因进气管21为细长管，在运输、安装过程中都极易碰碎，增加了使用成本。）；扩散器3边缘与石英管2内壁直接接触，气体主要沿石英管2管壁上升，未充分与高温液态锡14接触（扩散器3边缘与石英管2内壁直接接触，实验时发现气体从扩散器3出来后，会受到液态金属的阻力，气体在液态金属与石英管2内壁接触处所受阻力小于石英管2轴心阻力，因扩散器3边缘与石英管2内壁连接处有大量微孔孔隙，气体主要沿压力小的位置石英管2管壁上升，石英管2轴心处气体相对较少，反应气体未能充分与高温液态锡14接触），造成甲烷裂解效率会降低。另外，微孔31分布面积较大，为维持石英管2底部缓冲区5稳定的进气压力，需提高进气流量，在石英管2内高温液态锡14高度不变的情况下，甲烷裂解效率会降低（保证缓冲区5的压力大于高温液态锡14在扩散器3上表面的压力，才能保证高温液态锡14不会渗入到缓冲区5内，因此需提高进气流量，造成单位时间内的甲烷裂解效率降低）。

综上，现有的一种液态金属高温裂解甲烷制氢反应器还存在改进的余地。提供一种能进一步提高氢气制备效率的液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置显得尤为必要。

发明内容

为了克服现有液态金属高温裂解甲烷制氢反应器因结构所限，存在的如背景所述弊端，本实用新型提供了在相关机构共同作用下，解决了进气管与石英管连接位置在加工时容易存在裂缝，进气管极易碰碎的问题，以及因为扩散器边缘与石英管内壁直接接触，气体主要沿石英管管壁上升，未充分与高温液态锡接触，甲烷裂解效率低的问题，由此实现了甲烷裂解效率有显著提高的新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置，包括保护管、石英管、扩散器、环形支撑板、电加热器、保温层、连接座A、连接座B、密封圈、连接板、压力探测设备；其特征在于所述石英管安装在保护管内；所述电加热器有多只，多只电加热器对称分布安装在保护管的外侧端；所述保温层安装在保护管及电加热器的外侧端；所述连接座A、连接座B、密封圈各有相同的两套，两套密封圈安装在两套连接座B的内圈内，两套连接座B分别安装在石英管上端及外下端；所述两套连接座A分别和两套连接座B安装在一起,两套连接座A的中部安装有气管；所述两套连接座A及连接座B分别具有进水管、出水管；所述支撑板安装在石英管内下部，扩散器、连接板安装在支撑板上端；所述扩散器安装在连接板的中间；所述保护管下端外侧安装在机架上；所述压力探测设备装在下部连接座A侧端。

进一步地，所述石英管的上端高度高于保护管及保温层的高度；支撑板的表面分布有若干开孔，扩散器的表面具有若干微孔。

进一步地，所述多只电加热器的内侧端紧贴保护管的外侧端。

进一步地，所述扩散器的孔隙为150-300目，优选为200目。

进一步地，所述两套连接座A的气管分别和石英管上端及下端内互通。

进一步地，所述压力探测设备为压力传感器。

本实用新型有益效果是：本实用新型在相关机构共同作用下，解决了原有一种液态金属高温裂解甲烷制氢反应器因结构所限，在加工时容易存在裂缝，且极易碰碎的问题；扩散器镶嵌在连接板中心，且扩散器与连接板上下接缝处均焊接在一起，解决了原有扩散器边缘与石英管内壁直接接触，气体主要沿石英管管壁上升，未充分与高温液态锡接触，甲烷裂解效率低的问题。另外，本新型减小扩散板微孔分布面积，气体主要沿中心区域上升，并向边缘扩散，与高温液态锡充分接触，甲烷裂解效率有显著提高，提高了工作效率并节省了能源。本新型压力传感器能监测石英管底部缓冲区的进气压力，这样工作人员可在压力大时减少进气压力，保证了设备稳定工作。基于上述，本新型具有好的应用前景。

附图说明

图1是现有一种液态金属高温裂解甲烷制氢反应器的整体结构示意图。

图2是本实用新型结构示意图。

具体实施方式

图1、2所示，新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置，包括保护管1(保护石英管)、石英管2（作为反应区）、扩散器19、环形支撑板20、电加热器6（加热固态锡）、保温层7（保温作用）、连接座A9、连接座B8、密封圈10、连接板15、压力探测设备16；保护管1、石英管2是柱形中空结构且上端均为开放式结构；所述石英管2外侧安装在保护管1内（有一定间隙）；所述电加热器6有六只，六只电加热器6对称分布间隔一定距离垂直安装在保护管1的外侧端；所述保温层7安装在保护管1及电加热器6的外侧端；所述连接座A9、连接座B8、密封圈10各有相同的两套，两套连接座A9及连接座B8均为环形中空内外两层结构，两套密封圈10外侧紧套在两套连接座B8的内圈内，两套连接座B8分别经两套密封圈10内侧紧套密封安装在石英管2外上端及外下端；所述连接座A9和连接座B8外侧端均具有多个固定孔，两套连接座A9分别和石英管上下端的连接座B8由上至下安装在一起并经多只螺杆螺母固定在一起,两套连接座A9的中部分别垂直焊接有一只气管70（气管70外侧和连接座A9内环内侧之间密封），石英管2上端的连接座A9的气管垂直位于上端一套连接座B8的上端，石英管2下端的连接座A9的气管70垂直位于下端一套连接座B8的下端；所述石英管下端的气管70和甲烷气罐的排气管经管道连接，石英管上端的气管70和生产区域的氢气罐进氢气管经管道连接；所述两套连接座A9及连接座B8的左侧端分别焊接有一根和连接座A9、连接B8内外两层互通的进水管11，进水管11和生产区域的冷水管经管道连接，连接座A9及连接座B8的右侧端分别焊接有一根和连接座A9、连接座B8内外两层互通的出水管12，出水管12和生产区域的废水管经管道连接（废水管排出的水进入废水池或冷却后再使用）；所述支撑板20安装在石英管2内靠近底部的一端，支撑板20外圆柱面与石英管2内焊接在一起，支撑板20上端安装扩散器19和连接板15（焊接），支撑板20对扩散器19起到支撑作用，保证其有足够强度承受液态金属的重量；所述扩散器19镶嵌在环形连接板15的中心，扩散器19与连接板15上下外圆接缝处均焊接在一起，保证接缝处无泄漏，连接板15表面边缘与石英管2内壁焊接在一起，保证接缝处无泄漏；所述保护管1下端外侧安装在机架上；所述下端的连接座A9右下侧端具有一个内螺纹开孔，压力探测设备16的进气管通过外螺纹旋入内螺纹内进而横向安装在连接座A9右下侧端，能实时监测石英管2底部缓冲区5稳定的进气压力。

图1、2所示，石英管2的上端高度高于保护管1及保温层7的高度；支撑板20的表面分布有若干开孔201，扩散器19的表面具有若干微孔191。多只电加热器6的内侧端紧贴保护管1的外侧端。扩散器的微孔191孔隙为150-300目，优选为200目。压力探测设备16为压力传感器，量程-100kPa至100kPa，用于监测石英管2底部缓冲区5的进气压力。两套连接座A的气管70分别和石英管2上端及下端内互通。石英管2底部和支撑板20下端之间作为缓冲区。

图1、2所示，本新型制备氢气中（本实用新型使用前打开上端连接座A9，然后在石英管2内加入五分之三量的金属锡14，然后安装好上端连接座A，就可进入制备氢气工作）。本实用新型采用液态金属高温裂解甲烷制氢方法，利用液态金属高导热性和流动性等特性，在温度1200℃时裂解甲烷，制备出高纯氢气。反应气体甲烷通过下端气管70进入石英管底部缓冲区5，并经支撑板20中部气孔201（开孔）进入扩散器19下，再由扩散器19若干微孔191导入反应区13，在反应区13（石英管2内部）中与高温液态锡14（被电加热器加热呈液态）充分接触，并裂解成氢气和碳黑，（甲烷高温裂解制氢是个强吸热反应，甲烷分子获得能量后，使得甲烷分子C-H键断裂，进而转化为氢气分子和固体碳）。氢气通过上端气管70进入后端氢气罐，经氢气罐相关处理系统分离后，可获得高纯度氢气；反应区裂解的碳黑漂浮于液态金属14表面，经一定时间后可打开上部连接座A9对其进行收集。应用中，冷水从两套连接座A、连接座B进水管11流入、出水管12流出，对两套连接座A、连接座B进行冷却，进而对密封圈10进行冷却，保证了密封圈10和石英管2之间的密封效果。

图1、2所示，本新型中，本新型不采用气管70和石英管2之间焊接，气管70经连接座A9实现和石英管2内互通（且经连接座A、连接座B连接拆装都更为方便），这样，解决了现有技术进气管与石英管连接位置在加工时容易存在裂缝，进气管极易碰碎的问题。本新型相较于现有技术增加了连接板15，且扩散器19镶嵌在连接板15中心，这样会减少气体进入石英管上端内，由于扩散板的微孔191分布面积较少，可提高进气压力，在单位时间内反应区13内进气量相同，进气压力增大后，保证了缓冲区5的压力1.5倍于高温液态锡14在扩散器3上表面的压力，气体主要沿石英管2轴心上升，并向四周扩散，与液态金属能充分接触，裂解效率进一步提高，提高了工作效率并节省了能源。本新型压力传感器能监测石英管2底部缓冲区的进气压力，这样工作人员可在压力大四减少进气压力，保证了设备稳定工作。本新型应用中，除了采用金属锡14外，还可采用铟、铋及铋合金、锡、镓、铅、银、17%铜-锡、17%铂-锡、17%铂-铋、62%铂-铋、17%镍-铟、17%镍-锡、17%镍-锡、73%镍-铟、17%镍-镓、17%镍-铅、17%镍-铋、27%镍-金、27%镍-铋、材料的一种或多种，优选铋合金材料。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征及本实用新型的优点，对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置，包括保护管、石英管、扩散器、环形支撑板、电加热器、保温层、连接座A、连接座B、密封圈、连接板、压力探测设备；其特征在于所述石英管安装在保护管内；所述电加热器有多只，多只电加热器两侧对称分布安装在保护管的外侧端；所述保温层安装在保护管及电加热器的外侧端；所述连接座A、连接座B、密封圈各有相同的两套，两套密封圈安装在两套连接座B的内圈内，两套连接座B分别安装在石英管上端及外下端；所述两套连接座A分别和两套连接座B安装在一起,两套连接座A的中部安装有气管；所述两套连接座A及连接座B分别具有进水管、出水管；所述支撑板安装在石英管内下部，扩散器、连接板安装在支撑板上端；所述扩散器安装在连接板的中间；所述保护管下端外侧安装在机架上；所述压力探测设备装在下部连接座A侧端。

2.根据权利要求1所述的新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置，其特征在于，石英管的上端高度高于保护管及保温层的高度；支撑板的表面分布有若干开孔，扩散器的表面具有若干微孔。

3.根据权利要求1所述的新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置，其特征在于，多只电加热器的内侧端紧贴保护管的外侧端。

4.根据权利要求1所述的新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置，其特征在于，扩散器的孔隙为150-300目。

5.根据权利要求1所述的新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置，其特征在于，两套连接座A的气管分别和石英管上端及下端内互通。

6.根据权利要求1所述的新型液态金属高温裂解甲烷制氢反应器装置，其特征在于，压力探测设备为压力传感器。

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