專利名稱：可拆卸的板式重整制氫反應器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種板式重整制氫反應器，尤其涉及分散式重整制氫的氫源裝置和車載制氫為燃料電池提供氫源的板式反應器。
背景技術：
當前重整制氫的固定床反應器普遍采用的是圓筒式，這種反應器雖然制作簡單，但是這種反應器在提高反應能力方面有一定的困難。要提高反應能力就要考慮如何提高換熱面積和催化劑的裝填量，對于這種圓筒式固定床反應器，提高反應能力的一般方法就是加大圓筒的直徑來提高反應器的換熱面積和催化劑的裝填量，但這樣會產(chǎn)生徑向溫度分布的不均勻，導致反應不易控制，而且能增加副反應的發(fā)生；如果改為單純增加固定床反應器的高度，這樣又會出現(xiàn)溫度分布軸向溫度分布的不均勻，從而導致反應的轉化率降低、選擇性降低和產(chǎn)氫能量效率的降低。另外，當功率要求高到一定程度時，這種圓筒式反應器由于體積較大，不適合可移動的分散制氫和車載制氫。
在眾多的重整制氫反應器中，板式重整制氫反應器由于其體積較小、效率較高，而且可以通過多個單元組合擴大規(guī)模，特別適合移動氫源制氫的需要。
在重整腔中，根據(jù)不同的制氫方式(水蒸汽重整、部分氧化重整和完全自熱重整)發(fā)生的反應也各不相同。
在化工生產(chǎn)過程中，通常采用水蒸汽重整制氫的方法ΔH＞0在這個反應過程中，加入重整腔的原料可以是天然氣、甲醇等醇類以及汽油等烴類物質(zhì)，它們在重整催化劑的作用下轉化為氫氣混合氣(包括氫氣、一氧化碳、二氧化碳等)。水蒸汽重整制氫十分適合長時間的穩(wěn)定操作，而且重整氣中氫氣的濃度較高(能達到70％以上)。完全水蒸汽重整是一個強吸熱反應，傳熱的好壞直接影響著反應的快慢、轉化率和選擇性。
部分氧化重整制氫就是在原料氣體系中加入一定量的氧氣(或空氣)，使得部分甲醇(天然氣、其它醇類以及汽油等烴類物質(zhì))和氧發(fā)生燃燒反應，放出的大量熱量用來提供甲醇分解。其反應方程如下ΔHr＜0部分氧化重整制氫是一個放熱的過程，能夠自發(fā)進行。
完全自熱重整制氫是水蒸汽重整和部分氧化重整兩者的有機結合，其反應方程如下ΔHr≤0反應過程中，部分氧化重整產(chǎn)生的熱量被水蒸汽重整所利用，從而使得整個反應體系的溫度(500℃左右)相對部分氧化要低。當然為了使重整的效果更好，一種性能優(yōu)良的催化劑是必需的。
美國專利US 5,670,269也曾介紹了一種形式的板式反應器，但它由于沒有考慮液體進料的情況，在結構方面沒有考慮氣化腔、換熱腔，其反應器對氣體進料可能效果要好，但對液體進料將效果不明顯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種可拆卸的板式重整制氫反應器，該反應器可以解決一、改進傳統(tǒng)圓筒式固定床反應器溫度分布不均勻的問題；二、減小反應體系的體積，使其能夠滿足移動氫源的需要；三、減小重整吸熱和燃燒放熱之間的傳熱阻力，提高傳熱效率，提高反應效率和提高反應選擇性。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是一、利用氣體分布器使得在反應腔內(nèi)物料分布比較均一，而且采用板式結構，使得反應器結構緊湊，體積較小，避免了由于徑向較長而帶來的溫度分布不均；二、采用板式的結構，集氣化、預熱、氧化重整、催化燃燒于一體，大大減小了反應器的體積；三、利用重整腔和燃燒腔位置的相互安排，合理利用反應器內(nèi)部熱量，放熱反應與吸熱反應、氣化與冷卻之間實現(xiàn)了較好的熱量耦合，從而達到增加傳熱效果，提高轉化率和選擇性的目的。
具體來說，本發(fā)明提供的可拆卸的板式重整制氫反應器，由多個不同腔組合而成，具有板式的兩個燃燒腔、一個板式的重整腔、兩個熱交換腔和兩個氣化腔，腔與腔之間均有傳熱板相隔；
重整腔于整個反應器中間，其兩側分別為一個板式的燃燒腔；燃燒腔和重整腔的側面分別開有裝填催化劑的小孔，燃燒腔的另一側面還有用于使氫氣分布均勻的氣體分布器；燃燒腔的各另一側分別為一個熱交換腔；熱交換腔的各另一側分別為一個氣化腔；氣化腔的各另一側為反應器蓋板；兩個蓋板上設有反應物入口、反應產(chǎn)物出口和燃燒產(chǎn)物出口；燃燒腔和重整腔的出口高溫氣體分別進入兩個熱交換腔，在腔內(nèi)通過傳熱板把熱量傳遞給兩個氣化腔，從而降低了自身的溫度，同時又氣化了要進入重整腔的液體原料。
所述的板式重整制氫反應器，重整腔與兩個燃燒腔之間通過傳熱板導熱。
所述的板式重整制氫反應器，原料氣先通過氣化腔后進入重整腔。
所述的板式重整制氫反應器，板式反應器的燃燒腔和重整腔之間、熱交換腔和氣化腔之間，物流的流動為逆流。
所述的板式重整制氫反應器，燃燒氣在系統(tǒng)穩(wěn)定后，來自于重整腔自身所產(chǎn)生的重整氣。
所述的板式重整制氫反應器，燃燒氣通過氣體分布器進入燃燒腔。
所述的板式重整制氫反應器，氣體分布器在燃燒腔中，按流體的流動方向，處于流動上游的腔內(nèi)，分布器的出氣口均勻分布，而對于處于流動下游的腔內(nèi)，分布器的出氣口則為非均勻分布。
所述的板式重整制氫反應器，燃燒腔和重整腔各有不同的進出口。
所述的板式重整制氫反應器，燃燒腔和重整腔分別裝有不同的催化劑。
所述的板式重整制氫反應器，燃燒腔和重整腔中有多個流道。
所述的板式重整制氫反應器，每個流道是通過若干數(shù)量的導流分隔板分隔而成。
本發(fā)明具有的優(yōu)點一、采用氣化腔、換熱腔、燃燒腔和重整腔多個腔疊加的方法，使得氣化、預熱、催化燃燒、氧化重整有機地結合在同一個板式反應器中，從而使得反應器的體積遠小于相同功率的圓筒式固定床反應器；二、在把重整腔夾在兩個燃燒腔中間，它們之間通過傳熱板導熱；重整氣和燃燒氣在流動方向上保持逆流，兩個燃燒腔的外側為溫度相對較高的重整氣和燃燒氣，強迫燃燒腔的熱量大多向重整腔傳遞，使得傳熱效果增加，而且原料氣是先通過氣化腔后進入重整腔，這樣使得反應迅速，啟動時間較短。
本發(fā)明專門設置了氣化腔、換熱腔，使得本發(fā)明對液體、氣體原料效果都非常好。另外，為了更好地解決好部分氧化放熱和水蒸汽重整吸熱之間的熱量耦合問題，本發(fā)明設計的板式重整制氫反應器，其體積相對較?。豢梢造`活組裝、拆卸，便于擴大規(guī)模；技術集成、設備集成，可以集預熱氣化、氧化重整、催化燃燒于一體；板式反應器內(nèi)部熱量利用合理，放熱反應與吸熱反應、氣化與冷卻之間實現(xiàn)了較好的熱量耦合。


圖1是板式重整制氫反應器外形的一側視圖。
圖2是板式重整制氫反應器外形的一側視圖。
圖3是板式重整制氫反應器外形的一側視4是板式重整制氫反應器中腔內(nèi)的圓形氣體分布器。
圖5是板式重整制氫反應器中腔內(nèi)的方形氣體分布器。
圖6是板式重整制氫反應器具體實施方式
中的一流程圖。
圖7是板式重整制氫反應器的一剖面圖。
圖8是板式反應器中熱偶的位置分布圖。
圖9是板式反應器中重整腔的溫度分布圖。
圖10是板式反應器中燃燒腔的溫度分布圖。
具體實施例方式
如圖1、圖2和圖3所示的板式重整制氫反應器，本實施例以功率3KW為例。
板式重整制氫反應器(圖1)，由多個板和多個腔組合而成，其中有兩個燃燒腔(4、6)，一個重整腔(5)，兩個熱交換腔(3、7)和兩個氣化腔(2、8)，腔與腔之間均有傳熱板(15)相隔。兩個板式的燃燒腔(4、6)中間是一個板式的重整腔(5)。燃燒腔(4、6)和重整腔(5)中有多個流道，每個流道是通過一定數(shù)量的導流分隔板(C)(如圖8所示)分隔而成。燃燒腔(4、6)和重整腔(5)分別裝有不同的催化劑，燃燒腔(4、6)和重整腔(5)各有不同的進出口，它們分別是燃燒腔進口(12、13)和重整腔進口(14)，以及燃燒腔出口(10)和重整腔出口(11)。兩個燃燒腔(4、6)的另一側為兩個熱交換腔(3、7)，燃燒腔(4、6)的出口高溫氣體通過內(nèi)部設計的通道(A)進入熱交換腔(3)，重整腔(5)的出口高溫氣體通過內(nèi)部設計的通道(B)進入熱交換腔(7)，在腔內(nèi)通過傳熱板(15)把熱量傳遞給兩個氣化腔(2、8)，從而降低了自身的溫度，同時又氣化了要進入重整腔(5)的液體原料。氣化腔(2、8)的位置在兩個蓋板(1、9)的內(nèi)部，這樣的設計不但可以節(jié)省很大的空間，而且又能減少板式反應器的重量，同時減少了需要密封的面積，兩個蓋板上還設有反應物入口(12、13、14)、反應產(chǎn)物出口(10)和燃燒產(chǎn)物出口(11)，另外，在燃燒腔(4、6)和重整腔(5)的側面分別開有裝填催化劑的小孔(16)，見圖3。在燃燒腔(4、6)的另一側面還有用于使氫氣分布均勻的氣體分布器(17)，見圖2。燃燒氣通過氣體分布器(17)進入燃燒腔(4、6)。氣體分布器(17)在燃燒腔(4、6)中，按流體的流動方向，處于流動上游的腔內(nèi)，分布器(17)的出氣口均勻分布，而對于處于流動下游的腔內(nèi)，分布器(17)的出氣口則為非均勻分布。
板式反應器中內(nèi)部熱量利用合理，放熱反應與吸熱反應、氣化與冷卻之間實現(xiàn)了較好的熱量耦合，在燃燒腔(4、6)和重整腔(5)之間、熱交換腔(3、7)和氣化腔(2、8)之間，物流的流動為逆流。燃燒氣在系統(tǒng)穩(wěn)定后，來自于重整腔(5)自身所產(chǎn)生的重整氣。
本板式反應器可以靈活組裝、拆卸；通過幾個相同的此類反應器組合即可獲得更大規(guī)模的反應裝置，這就克服了同心圓式反應器擴大規(guī)模的局限性。為了克服傳統(tǒng)的圓筒式固定床反應器溫度分布的不均勻的情況，板式反應器中利用了氣體分布器(圖4、圖5)，使得在反應腔內(nèi)每個部位的原料氣分布比較均勻，從而溫度分布也比較均一。同時，為了減小重整吸熱和燃燒放熱之間的傳熱阻力，提高傳熱效率，提高反應效率和提高反應選擇性，板式反應器中相鄰各腔的流體流動方向均為逆流流動(圖7)，原料氣從(a1)進入裝有重整催化劑(74)的重整腔，由(a2)流出，和流經(jīng)裝有燃燒催化劑(73)的燃燒腔的氣流(b1流入，b2流出)為逆流流動，同樣反應產(chǎn)生的高溫氣體從(c1)流入，在填有良好導熱性能的導熱介質(zhì)(72)的換熱腔中換熱后由(c2)流出；原料液由(d1)進入，經(jīng)填有良好導熱性能的導熱介質(zhì)(71)的氣化腔氣化后由(d2)流出；使得相鄰的兩個腔的流體流動方向均為逆流流動，對減小傳熱阻力，提高反應的轉化效率十分有利。
采用的原料可以選擇天然氣、甲醇等醇類以及汽油等烴類物質(zhì)。為了簡要地說明一下實際實施過程中的一些情況，現(xiàn)選擇甲醇和水為原料來舉例說明，化學反應主要在燃燒腔和重整腔中進行，其中兩個燃燒區(qū)主要進行燃燒反應兩個區(qū)主要是為了模擬充分利用燃料電池的廢氣，其主要作用有兩個一、為物料的氣化提供熱量；二、為重整腔的重整反應補充一定的能量。重整腔主要進行自熱重整反應ΔH＝49.57kj/molΔH＝90.73kj/molΔH＝-675.91kj/mol板式反應器在具體實施時的實驗流程見圖6。實驗中，圖中左側虛線表示的管路用質(zhì)量流量計(61)控制，按一定比例向板式反應器(69)中的燃燒腔進空氣和氫氣，當達到一定的溫度時，開始用平流泵(62)先經(jīng)外置換熱器(63)向板式反應器(69)中的重整腔進甲醇、水，另外，用質(zhì)量流量計(61)控制進入板式反應器(69)中的重整腔的空氣，產(chǎn)生的重整氣通過外置冷卻器(64)、氣液分離器(65)、干燥器(66)后由色譜采樣分析。當重整反應穩(wěn)定時，就可把左側管路的氫氣截止，而改用從重整腔產(chǎn)生的部分氫氣混合氣，達到完全自熱重整。實驗中的溫度、色譜的取樣均由工作站(67)控制。，當重整反應器和燃料電池系統(tǒng)集成后，返回燃燒腔的氣體主要來自燃料電池沒有完全利用的氫氣混合氣。另外，從流程圖中的壓力表(68)可以知道整個反應器的壓降在正常情況下都很小，可忽略。
按上述設計方案設計制造的一3KW功率的板式反應器，其體積為165×101×85mm3。實驗中甲醇的氣體空速可達4000h-1左右，產(chǎn)生的氫混合氣規(guī)模約為4.6m3/h，重整氣(未經(jīng)水氣變換反應)中氫氣濃度大于44％，重整氣中CO濃度10.0％～12.0％，產(chǎn)氫率為1.5m3H2/Kg CH3OH左右，系統(tǒng)壓力為常壓。具體實驗數(shù)據(jù)見表1。為了更好地掌握板式反應器的特性，實驗中詳細測量了板式反應器中重整腔和燃燒腔的溫度分布，板式反應器中熱偶的具體位置如圖8所示，溫度分布的具體數(shù)據(jù)見圖9、10。此板式反應器能達到3KW的設計要求。
整個反應器由多個不同腔組合而成，結構緊湊，體積較小，可以靈活組裝、拆卸，便于放置，適用于車載；便于擴大規(guī)模。
技術集成、設備集成，可以集預熱氣化、氧化重整、催化燃燒于一體；結構設計優(yōu)化，能量效率高，重整腔熱損失少；板式反應器本身可實現(xiàn)自供熱。
本發(fā)明特別適用于移動式氫源的制氫反應。
表13KW運行的實驗結果。

★每次采樣間隔為30分鐘*其間向液罐加醇水溶液，采樣間隔為27分鐘
權利要求
1.一種可拆卸的板式重整制氫反應器，由多個不同腔組合而成，具有板式的兩個燃燒腔、一個板式的重整腔、兩個熱交換腔和兩個氣化腔，腔與腔之間均有傳熱板相隔；重整腔于整個反應器中間，其兩側分別為一個板式的燃燒腔；燃燒腔和重整腔的側面分別開有裝填催化劑的小孔，燃燒腔的另一側面還有用于使氫氣分布均勻的氣體分布器；燃燒腔的各另一側分別為一個熱交換腔；熱交換腔的各另一側分別為一個氣化腔；氣化腔的各另一側為反應器蓋板；兩個蓋板上設有反應物入口、反應產(chǎn)物出口和燃燒產(chǎn)物出口；燃燒腔和重整腔的出口高溫氣體分別進入兩個熱交換腔，在腔內(nèi)通過傳熱板把熱量傳遞給兩個氣化腔，從而降低了自身的溫度，同時又氣化了要進入重整腔的液體原料。
2.根據(jù)權利要求1所述的板式重整制氫反應器，其特征在于，重整腔與兩個燃燒腔之間通過傳熱板導熱。
3.根據(jù)權利要求1所述的板式重整制氫反應器，其特征在于，原料氣先通過氣化腔后進入重整腔。
4.根據(jù)權利要求1所述的板式重整制氫反應器，其特征在于，板式反應器的燃燒腔和重整腔之間、熱交換腔和氣化腔之間，物流的流動為逆流。
5.根據(jù)權利要求1所述的板式重整制氫反應器，其特征在于，燃燒氣在系統(tǒng)穩(wěn)定后，來自于重整腔自身所產(chǎn)生的重整氣。
6.根據(jù)權利要求1所述的板式重整制氫反應器，其特征在于，燃燒氣通過氣體分布器進入燃燒腔。
7.根據(jù)權利要求6所述的板式重整制氫反應器，其特征在于氣體分布器在燃燒腔中，按流體的流動方向，處于流動上游的腔內(nèi)，分布器的出氣口均勻分布，而對于處于流動下游的腔內(nèi)，分布器的出氣口則為非均勻分布。
8.根據(jù)權利要求1所述的板式重整制氫反應器，其特征在于燃燒腔和重整腔各有不同的進出口。
9.根據(jù)權利要求1所述的板式重整制氫反應器，其特征在于燃燒腔和重整腔分別裝有不同的催化劑。
10.根據(jù)權利要求1所述的板式重整制氫反應器，其特征在于燃燒腔和重整腔中有多個流道。
11.根據(jù)權利要求10所述的板式重整制氫反應器，其特征在于每個流道是通過若干數(shù)量的導流分隔板分隔而成。
全文摘要
一種可拆卸的板式重整制氫反應器，由多個不同腔組合而成，其中重整腔于整個反應器中間，其兩側分別為一個板式的燃燒腔；燃燒腔和重整腔的側面分別開有裝填催化劑的小孔，燃燒腔的另一側面還有用于使氫氣分布均勻的氣體分布器；燃燒腔的各另一側分別為一個熱交換腔；熱交換腔的各另一側分別為一個氣化腔；氣化腔的各另一側為反應器蓋板；兩個蓋板上設有反應物入口、反應產(chǎn)物出口和燃燒產(chǎn)物出口；燃燒腔和重整腔的出口高溫氣體分別進入兩個熱交換腔，在腔內(nèi)通過傳熱板把熱量傳遞給兩個氣化腔，從而降低了自身的溫度，同時又氣化了要進入重整腔的液體原料。本發(fā)明結構緊湊，體積較小，可以靈活組裝、拆卸，便于放置，適用于車載。
文檔編號C01B3/00GK1616343SQ20031011434
公開日2005年5月18日 申請日期2003年11月12日 優(yōu)先權日2003年11月12日
發(fā)明者王樹東, 潘立衛(wèi), 吳迪鏞, 李世英 申請人:中國科學院大連化學物理研究所