CN219860575U - 一种电气化甲烷重整膜分离制氢反应器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种电气化甲烷重整膜分离制氢反应器，由外向内包括金属外壳、绝热保温层和内腔；内腔下半部分有多层由极细的管状膜组成的氢气分离区，同时向外连接有氢气出口；氢气分离层的中间及上下均以盘踞的形式布置了电加热器,外部以三角形方式连接三相电，电加热器周围填充催化剂形成反应区；装置上下分别设有反应物出口与反应物入口；氢气出口外接负压风机。本实用新型引入耐高温氢分离膜来进行氢气分离，有助于氢气工业生产的能源节约和效率的提高。
Description
技术领域
本实用新型属于电气化天然气制氢技术领域，具体涉及一种电气化甲烷重整膜分离制氢反应器。
背景技术
随着环境问题逐渐受到重视，可再生能源迅速发展。但由于可再生能源存在波动性因素，有大量可再生能源不能被及时消纳。氢能由于其能量密度高，清洁等优势成为优秀的能量载体。因此通过制氢来消纳富裕可再生能源成为了解决这一问题的重要方式，氢气的纯化提取也是其中节能环保、提高效率的重要环节。
目前的主流氢气纯化或过滤方式是钯膜分离法，这种分离法有着过滤效率高、实际应用范围广等优点。普通钯膜的强度不足以在高温高压环境下持续工作较长时间。传统的用于甲烷重整所耦合的膜反应器，两者均采用高温烟气传热的方式来对氢分离膜进行预热，容易产生局部高温导致膜分离性能下降，氢气分离率降低导致产氢效率低下。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电气化甲烷重整膜分离制氢反应器，用于解决现有碳排放以及热损失高的技术问题。
本实用新型采用以下技术方案：
一种电气化甲烷重整膜分离制氢反应器，包括内腔，内腔内从上至下层叠交替布置氢气分离区和反应区，反应区内设置有电加热器，内腔的底部设置有旋流排气管，顶部设置有出口管。
具体的，氢气分离区通过管道连接氢气出口管。
进一步的，由多条极细管状的氢分离膜组成，氢分离膜以平行密布的形式设置。
进一步的，管道上设置有负压风机。
具体的，电加热器通过接线座以三角形方式连接三相电。
具体的，旋流排气管呈十字形设置在内腔的底部。
具体的，内腔的外侧设置有金属外壳。
进一步的，金属外壳的顶部设置有顶盖，出口管接在顶盖中心位置。
进一步的，金属外壳与内腔之间设置有绝热保温层。
具体的，反应区的面积由下到上依次增大。
与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：
1、反应器电气化：电能耦合膜反应器以及重整反应器，避免了燃料燃烧加热时产生的额外二氧化碳排放以及烟气能量损失。
2、重整反应器耦合膜反应器：甲烷重整反应器耦合膜反应器，可实现氢气在反应器中的原位分离，同时原位分离氢气有助于重整反应的正向进行，大大提升氢气产率。
3、反应器内复合膜受热均匀化：通过电加热器加热，实现膜表面温度的均匀分布，避免局部高温问题，提高了反应器寿命。
4、有效避免氢脆问题：相对于低温低压环境内工作的钯膜可以有更长的寿命，本反应器的工作温度在770℃左右且压强为1MPa，有效避免钯膜产生氢脆现象。
综上所述，本实用新型引入耐高温氢分离膜来进行氢气分离，有助于氢气工业生产的能源节约和效率的提高。
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图；
图2为本实用新型横截面A示意图。
其中：1.顶盖；2.金属外壳；3.绝热保温层；4.接电座；5.电加热器；6.内腔；7.出口管；8.氢气分离区；9.负压风机；10.氢气出口管；11.反应区；12.旋流排气管；13.入口管；14.氢分离膜。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本实用新型说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本实用新型。如在本实用新型说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本实用新型说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本实用新型公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本实用新型提供了一种电气化甲烷重整膜分离制氢反应器，由外向内包括金属外壳、绝热保温层和内腔；内腔下半部分有多层由极细的管状膜组成的氢气分离区，同时向外连接有氢气出口；氢气分离层的中间及上下均以盘踞的形式布置了电加热器,外部以三角形方式连接三相电，电加热器周围填充催化剂形成反应区；装置上下分别设有反应物出口与反应物入口；氢气出口外接负压风机。本实用新型一方面采用可再生电加热的方式提升反应器内温度场均匀性，避免了局部过热使膜以及催化剂失活，另一方面选用了一种耐高温氢分离膜以防止膜高温失效，此外氢气分离膜与可再生电能的引入还有助于简化工业生产氢气时的装置系统。
请参阅图1和图2，本实用新型一种电气化甲烷重整膜分离制氢反应器，包括金属外壳2、绝热保温层3和内腔6；金属外壳2设置在内腔6的外侧，绝热保温层3设置在金属外壳2与内腔6中间，内腔6内水平间隔设置有三层氢气分离区8，三层氢气分离区8将内腔6分为上，中和下三个反应区11，反应区11内布置有重整反应催化剂，每个反应区11内分别以盘踞形式设置有多层的电加热器5。
三个反应区11的面积按由下到上依次增大。
电加热器5通过金属外壳2处的接线座4以三角形方式连接三相电。
氢气分离区8由多条极细管状的氢分离膜14组成，同时向外连接氢气出口管10，并在氢气出口管10处设置负压风机9，能够对复合膜内侧提供负压。
氢分离膜14分离膜采用两相式Pd/陶瓷/Pd复合膜，氢分离膜14以平行密布的形式构成氢气分离区8。
金属外壳2的下方连接有入口管13，入口管13与内腔6底部设置的流排气管12连接，旋流排气管12分四个管口呈十字形设置在内腔6底部，金属外壳2的上方连接有出口管7，金属外壳2与出口管7之间设置有顶盖1，出口管7接在顶盖1中心位置；混合气由入口管13进入后从旋流排气管12排出，在内腔6下方形成旋流。
卸下出口管7后打开顶盖1对内部进行清理或更换。
内腔6仅单独连接入口管13与出口管7，氢分离膜14仅连接氢气出口管10。
重整反应催化剂采用Ni-CaO/y-Al2O3，其最佳工作温度750℃与两相式Pd/陶瓷/Pd复合膜最佳工作温度为770℃相近，并且可以通过改变电流大小来控制生产效率。
本实用新型电气化甲烷重整膜分离制氢反应器的工作过程如下：
运行时，接电座4接入三相电，启动电加热器5进行预热至氢气分离膜所需工作温度该设备所用氢分离膜工作温度为770℃时停止加热，从反应物入口13通入高温混合气由甲烷、水蒸气、一氧化碳构成，混合气经过反应区时发生甲烷重整反应生成氢气和二氧化碳，这些气体再一起进入氢气分离区8，此时通过氢分离膜14过滤掉其中的氢气并由氢气出口管10排出；
重复通过三次后，剩余混合气由二氧化碳以及少量甲烷、一氧化碳以及微量氢气构成从反应物出口管7排出并再进行后续的二氧化碳分离等工序。
综上所述，本实用新型一种电气化甲烷重整膜分离制氢反应器，引入电能来对氢分离膜进行预热，无需通入烟气进行预加热，缓解反应器内温度分布不均的问题与排烟热损失问题；反应器耦合电能后可以更方便控制反应器内温度的同时反应器可以更快响应并进入工作状态，适用于波动可再生电能的消纳。
以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电气化甲烷重整膜分离制氢反应器，其特征在于，包括内腔(6)，内腔(6)内从上至下层叠交替布置氢气分离区(8)和反应区(11)，反应区(11)内设置有电加热器(5)，内腔(6)的底部设置有旋流排气管(12)，顶部设置有出口管(7)。
2.根据权利要求1所述的电气化甲烷重整膜分离制氢反应器，其特征在于，氢气分离区(8)通过管道连接氢气出口管(10)。
3.根据权利要求2所述的电气化甲烷重整膜分离制氢反应器，其特征在于，由多条极细管状的氢分离膜(14)组成，氢分离膜(14)以平行密布的形式设置。
4.根据权利要求2所述的电气化甲烷重整膜分离制氢反应器，其特征在于，管道上设置有负压风机(9)。
5.根据权利要求1所述的电气化甲烷重整膜分离制氢反应器，其特征在于，电加热器(5)通过接线座(4)以三角形方式连接三相电。
6.根据权利要求1所述的电气化甲烷重整膜分离制氢反应器，其特征在于，旋流排气管(12)呈十字形设置在内腔(6)的底部。
7.根据权利要求1所述的电气化甲烷重整膜分离制氢反应器，其特征在于，内腔(6)的外侧设置有金属外壳(2)。
8.根据权利要求7所述的电气化甲烷重整膜分离制氢反应器，其特征在于，金属外壳(2)的顶部设置有顶盖(1)，出口管(7)接在顶盖(1)中心位置。
9.根据权利要求7所述的电气化甲烷重整膜分离制氢反应器，其特征在于，金属外壳(2)与内腔(6)之间设置有绝热保温层(3)。
10.根据权利要求1所述的电气化甲烷重整膜分离制氢反应器，其特征在于，反应区(11)的面积由下到上依次增大。
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