專利名稱：一種環(huán)型放射狀排列的流化床膜反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流化床膜反應(yīng)器，具體涉及一種環(huán)型放射狀排列的流化床膜
反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
氫能，作為一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的能源，被視為本世紀最具發(fā) 展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，也被視為解決溫室效應(yīng)問題，提高能量利用率的有效替代
能源。天然氣水蒸氣重整(SMR)技術(shù)是工業(yè)上普遍應(yīng)用的用于生產(chǎn)氫氣及合成氣 的技術(shù)。該反應(yīng)是一個強吸熱反應(yīng)，并且?guī)缀跄苓_到平衡狀態(tài)。常用的催化劑 為鎳基催化劑，典型的反應(yīng)溫度為800-90(TC，壓力2.5-3.5MPa。
工業(yè)上最常用的反應(yīng)器是固定床列管式反應(yīng)器，通過外部加熱或部分氧化 來提供反應(yīng)所需的熱量。變壓吸附是最常用的氫氣純化技術(shù)。SMR制取氫氣在 小型化分布式制氫中還有很多技術(shù)問題需要解決。水蒸汽重整是一個強吸熱反 應(yīng)，傳熱是制約該反應(yīng)的一個瓶頸問題。傳統(tǒng)的反應(yīng)器采用固定床列管式反應(yīng) 器，反應(yīng)器體積龐大，且傳熱效果比較差，不適合小規(guī)模分布式氫氣生產(chǎn)的要 求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種單位體積的反應(yīng)器容積內(nèi) 有足夠的膜表面積，易于安裝，可用于天然氣或其它碳氫化合物與水蒸汽重整制 取高純度氫氣的反應(yīng)裝置。
本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)
一種環(huán)型放射狀排列的流化床膜反應(yīng)器，其特征在于，包括外管、內(nèi)管、鈀 膜組件、尾氣過濾器、進料布風(fēng)板、支撐板和風(fēng)箱；所述內(nèi)管位于外管中心，內(nèi)
外管之間形成環(huán)形空間，多個鈀膜組件位于內(nèi)管和外管之間的環(huán)型空間，呈放射
狀排列，每個膜組件的兩面都覆蓋有鈀(或其合金)膜，所有的鈀膜組件的純氫氣 側(cè)與一匯流管相連，該匯流管穿過反應(yīng)器頂部引出反應(yīng)器；進料布風(fēng)板為多孔板， 設(shè)置于反應(yīng)器底部，位于內(nèi)管和外管之間；支撐板位于進料布風(fēng)板下端，風(fēng)箱設(shè) 置支撐板下方；催化劑裝填在內(nèi)管和外管之間的環(huán)型空間環(huán)型區(qū)域，高度至少覆 蓋鈀膜組件；尾氣過濾器設(shè)置在反應(yīng)器頂部，其出口管穿過反應(yīng)器頂部。
為進一步實現(xiàn)本發(fā)明目的，所述的鈀膜組件在環(huán)型反應(yīng)器空間內(nèi)呈放射狀均 勻排列。膜組件為由不銹鋼支撐框架(內(nèi)含氣體流通通道)、多孔燒結(jié)金屬支撐 體及鈀或其合金膜組成的平板型結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體在450-600°C的溫度下可以使 結(jié)構(gòu)體外的含有氫氣的合成氣中的氫氣組分穿過鈀合金膜和多孔燒結(jié)金屬進入 不銹鋼支撐框架中的氣體流通通道。
所述的環(huán)型反應(yīng)空間底部的布風(fēng)板采用燒結(jié)金屬不銹鋼。
所述的尾氣過濾器采用燒結(jié)金屬不銹鋼過濾器。
所述的進料布風(fēng)板5為多孔不銹鋼板。
本發(fā)明反應(yīng)所需的熱量可由反應(yīng)器的內(nèi)壁及外壁傳熱提供，也可向反應(yīng)區(qū)內(nèi) 引入空氣進行自熱反應(yīng)提供。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點
(1) 通過環(huán)型的反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，控制反應(yīng)器的高度/截面積比，進而使單 位體積的反應(yīng)器容積內(nèi)有足夠的膜表面積；
(2) 反應(yīng)器單位體積內(nèi)有較小的橫截面積，從而控制反應(yīng)氣體在反應(yīng)器內(nèi)的 空速超過催化劑顆粒的最小流化速度，且有一定的富余量；
(3) 環(huán)狀結(jié)構(gòu)使得膜組件易于安裝排列；
(4) 環(huán)型放射狀排列的鈀膜組件不影響流化床的流態(tài)化效果；
(5) 環(huán)型放射狀排列的鈀膜組件不影響流化床與壁的傳熱效果；
(6) 將鈀膜組件安裝在反應(yīng)器內(nèi)，可將碳氫化合物制氫過程與氫氣分離過程 耦合起來，破壞制氫反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率，使可逆的制氫反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)平衡向生 產(chǎn)氫氣的方向移動，且在一個反應(yīng)器內(nèi)就能生產(chǎn)出高純度的氫氣。


圖1為反應(yīng)器的縱向結(jié)構(gòu)示意圖2為反應(yīng)器的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實例和附圖對本發(fā)明作進一步的說明，但本發(fā)明的實施方式不限 于此。
如圖l、 2所示， 一種環(huán)型放射狀排列的流化床膜反應(yīng)器，包括環(huán)型包括外 管l、內(nèi)管2、鈀膜組件3、尾氣過濾器4、進料布風(fēng)板5、支撐板6和風(fēng)箱7;所 述內(nèi)管2位于外管1中心，外管1形成反應(yīng)器的外壁，內(nèi)管2形成反應(yīng)器內(nèi)壁， 內(nèi)外管之間形成環(huán)形空間，多個鈀膜組件3介于內(nèi)管和外管之間的環(huán)型空間，呈 放射狀排列，每個膜組件的兩面都覆蓋有鈀銀合金膜，所有的鈀膜組件的純氫氣 側(cè)與一匯流管相連，該匯流管穿過反應(yīng)器頂部法蘭引出反應(yīng)器；進料布風(fēng)板5 為多孔不銹鋼板，設(shè)置于反應(yīng)器底部，位于內(nèi)管和外管之間；支撐板6位于進料 布風(fēng)板5下端，風(fēng)箱7設(shè)置于支撐板6下方；催化劑裝填在內(nèi)管和外管之間的環(huán) 型空間環(huán)型區(qū)域，高度至少覆蓋鈀膜組件3;尾氣過濾器4設(shè)置在反應(yīng)器頂部，其 出口管穿過反應(yīng)器頂部法蘭，出口管兼起固定尾氣過濾器的作用。催化劑采用以 金屬鎳為活性成分，以a-Al203為載體的顆粒狀催化劑，催化劑的顆粒直徑在40 微米-300微米之間呈正態(tài)分布，平均粒徑100微米左右。鈀膜組件3埋設(shè)在催 化劑中，膜組件3由不銹鋼支撐框架、多孔燒結(jié)金屬支撐體及鈀或其合金膜組成 的平板型結(jié)構(gòu)體，多孔金屬支撐體及鈀合金膜分別依次位于含膜支撐框架的兩 側(cè)，膜支撐框架內(nèi)含被凈化氫氣氣流通道和小尺度通道，小尺度通道為穿行于 膜支撐框架內(nèi)部的一個加熱用的氣體的流通通道，其截面為矩形，截面尺寸0.2 毫米X 0.2毫米，連接小尺度通道的通道入口和出口設(shè)在含膜支撐框架上；支 撐體上氫氣氣流通道為矩形齒狀，氫氣導(dǎo)出口設(shè)置在支撐框架上端，與氣流通 道連通。加熱氣體入口，出口和氫氣出口通過壓力容器的法蘭引出后匯集再引 出流化床膜反應(yīng)器。該結(jié)構(gòu)體在450-600°C的溫度下可以使結(jié)構(gòu)體外的含有氫氣 的合成氣中的氫氣組分穿過鈀合金膜和多孔燒結(jié)金屬進入不銹鋼支撐框架中的 氣體流通通道。
本發(fā)明中內(nèi)管的安裝使得它與外管同一中心線，形成反應(yīng)器內(nèi)壁。反應(yīng)空間 由內(nèi)外兩個管形成的環(huán)型區(qū)域組成，環(huán)型區(qū)域內(nèi)安裝膜組件，有利于減少反應(yīng)器
有效橫截面積，可控制反應(yīng)器的高度/截面積比，進而使單位體積的反應(yīng)器容積內(nèi) 有足夠的膜表面積；反應(yīng)器單位體積內(nèi)有較小的橫截面積，從而控制反應(yīng)氣體在 反應(yīng)器內(nèi)的流速超過催化劑顆粒的最小流化速度，且有一定的富余量；環(huán)狀結(jié)構(gòu) 使得膜組件易于安裝排列；環(huán)型放射狀排列的鈀膜組件也不會影響流化床的流態(tài) 化效果以及流化床與壁的傳熱效果；將鈀膜組件安裝在反應(yīng)器內(nèi)，可將碳氫化合 物制氫過程與氫氣分離過程耦合起來，破壞制氫反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率，使可逆的制 氫反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)平衡向生產(chǎn)氫氣的方向移動，且在一個反應(yīng)器內(nèi)就能生產(chǎn)出高 純度的氫氣。
內(nèi)管和外管的材質(zhì)根據(jù)實際的反應(yīng)溫度、壓力確定。所述的環(huán)型反應(yīng)空間底 部的布風(fēng)板采用燒結(jié)金屬不銹鋼。所述的環(huán)型反應(yīng)空間上部的尾氣過濾器采用 燒結(jié)金屬不銹鋼過濾器。
工作時，經(jīng)過預(yù)熱的碳氫化合物和水蒸汽通過風(fēng)箱，穿過布風(fēng)板進入反應(yīng)器 的內(nèi)管和外管之間的環(huán)型空間，在鎳基催化劑的作用下進行重整反應(yīng)，該反應(yīng)產(chǎn) 生的合成氣(H2， CO， C02， CH4， H20等)中的大部分H2通過鈀(合金) 膜組件滲透到鈀膜組件內(nèi)部的純氫氣通道，各鈀膜組件產(chǎn)生的高純度氫氣通過匯 流管匯成一路純氫氣管路，穿過反應(yīng)器頂部的法蘭排出反應(yīng)器，經(jīng)過下游冷卻后 成為高純度產(chǎn)品氫氣。合成氣中的其余氣體穿過尾氣過濾器后，被引出反應(yīng)器進 入下游換熱、燃燒等單元操作，其夾帶的催化劑顆粒被尾氣過濾器阻擋在反應(yīng)器 內(nèi)部。反應(yīng)所需的熱量可由反應(yīng)器的內(nèi)壁及外壁傳熱提供，也可向反應(yīng)區(qū)內(nèi)引入 空氣進行自熱反應(yīng)提供。
采用此反應(yīng)器，以天然氣和水蒸汽為原料制取高純度氫氣。反應(yīng)器外管1 采用①300X 15 HP-40NB不銹鋼，內(nèi)管2采用0>65 X 10 HP-40NB不銹鋼，安裝 兩組共32個膜組件3，鈀膜組件3為由不銹鋼支撐框架(內(nèi)含氣體流通通道)、 多孔燒結(jié)金屬支撐體及鈀或其合金膜組成的平板型結(jié)構(gòu)體，每個膜組件的兩面 都覆蓋有鈀銀合金膜，每面的有效膜面積為63.5 mmX 127 mm，膜厚度25微米， 每個膜組件的尺寸為73 mmX 140 mmX6 mm。進料布風(fēng)板5采用燒結(jié)多孔金 屬，材質(zhì)為HastelloyX,厚度1.2mm,為使其能承受上部的催化劑的重量，在布 風(fēng)板5與風(fēng)箱7之間安裝有一個鉆孔的316不銹鋼支撐板6，孔的面積為板面積
的50%。尾氣過濾器采用燒結(jié)金屬過濾器。催化劑采用以金屬鎳為活性成分，
以oc-Al203為載體的顆粒狀催化劑，催化劑的顆粒直徑在40微米-300微米之間 呈正態(tài)分布，平均粒徑100微米左右。天然氣流量12Nm3/H，水碳摩爾比控制 在3.0，反應(yīng)溫度約600。C，壓力1.5MPa，反應(yīng)所需的熱量由的反應(yīng)器尾氣燃燒 產(chǎn)生的1000T左右高溫?zé)煔庠谕夤芡饬鲃觽鳠崽峁?，在此反?yīng)條件下，氫氣的 產(chǎn)率約為20 NmVH，純度大于99.999%。
權(quán)利要求
1、一種環(huán)型放射狀排列的流化床膜反應(yīng)器，其特征在于，包括外管、內(nèi)管、鈀膜組件、尾氣過濾器、進料布風(fēng)板、支撐板和風(fēng)箱；所述內(nèi)管位于外管中心，內(nèi)外管之間形成環(huán)形空間，多個鈀膜組件介于內(nèi)管和外管之間的環(huán)型空間，呈放射狀排列，每個膜組件的兩面都覆蓋有鈀銀合金膜，所有的鈀膜組件的純氫氣側(cè)與一匯流管相連，該匯流管穿過反應(yīng)器頂部引出反應(yīng)器；進料布風(fēng)板為多孔板，設(shè)置于反應(yīng)器底部，位于內(nèi)管和外管之間；支撐板位于進料布風(fēng)板下端，風(fēng)箱設(shè)置于支撐板下方；催化劑裝填在內(nèi)管和外管之間的環(huán)型空間環(huán)型區(qū)域，高度至少覆蓋鈀膜組件；尾氣過濾器設(shè)置在反應(yīng)器頂部，其出口管穿過反應(yīng)器頂部。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種環(huán)型放射狀排列的流化床膜反應(yīng)器，其特征 在于所述的鈀膜組件在環(huán)型反應(yīng)器空間內(nèi)呈放射狀均勻排列。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種環(huán)型放射狀排列的流化床膜反應(yīng)器，其特征 在于所述的環(huán)型反應(yīng)空間底部的布風(fēng)板采用燒結(jié)金屬不銹鋼。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種環(huán)型放射狀排列的流化床膜反應(yīng)器，其特征 在于所述的尾氣過濾器采用燒結(jié)金屬不銹鋼過濾器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種環(huán)型放射狀排列的流化床膜反應(yīng)器，其特征 在于所述的進料布風(fēng)板為多孔不銹鋼板。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種環(huán)型放射狀排列的流化床膜反應(yīng)器，包括外管、內(nèi)管、鈀膜組件、尾氣過濾器、進料布風(fēng)板、支撐板和風(fēng)箱；內(nèi)管位于外管中心，內(nèi)外管之間形成環(huán)形空間，多個鈀膜組件介于內(nèi)管和外管之間的環(huán)型空間，呈放射狀排列，每個膜組件的兩面都覆蓋有鈀銀合金膜，支撐板位于進料布風(fēng)板下端，風(fēng)箱設(shè)置于支撐板下方；催化劑裝填在內(nèi)管和外管之間的環(huán)型空間環(huán)型區(qū)域；尾氣過濾器設(shè)置在反應(yīng)器頂部，其出口管穿過反應(yīng)器頂部。該流化床膜反應(yīng)器使單位體積的反應(yīng)器容積內(nèi)有足夠的膜表面積，鈀膜組件易于安裝排列，并可破壞制氫反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率，使可逆的制氫反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)平衡向生產(chǎn)氫氣的方向移動，在一個反應(yīng)器內(nèi)就能生產(chǎn)出高純度的氫氣。
文檔編號C01B3/00GK101181974SQ20071003174
公開日2008年5月21日 申請日期2007年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月28日
發(fā)明者解東來 申請人:華南理工大學(xué)