專利名稱：鈀膜組件呈環(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：
本實(shí)用新型涉及一種流化床膜反應(yīng)器，具體涉及一種鈀膜組件呈環(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(jì)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(gè)強(qiáng)吸熱反應(yīng)，并且?guī)缀跄苓_(dá)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-卯(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(gè)強(qiáng)吸熱 反應(yīng)，傳熱是制約該反應(yīng)的一個(gè)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。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，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?xì)浠衔锱c水蒸 汽重整制取高純度氫氣的反應(yīng)裝置。
本實(shí)用新型的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)
一種鈀膜組件呈環(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(jìn)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(gè)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(gè)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(jìn)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(jìn)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(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的，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(jìn)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(jìn)料布風(fēng)板5為多孔不銹鋼板。
本實(shí)用新型反應(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(jìn)行自熱反應(yīng)提供。
本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)
(1) 通過環(huán)型的反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，控制反應(yīng)器的高度/截面積比，進(jìn)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?xì)浠衔镏茪溥^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(dòng)，且在一個(gè)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(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)例和附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明，但本實(shí)用新型的實(shí)施 方式不限于此。
如圖l、 2所示， 一種鈀膜組件呈環(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(jìn)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l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(gè)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(gè)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(jìn)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(jìn)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0t-Al2O3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(gè)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(jìn)入不銹鋼支撐框架中的氣體流通通道。
本實(shí)用新型中內(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(gè)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(jìn)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(huì)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?xì)浠衔镏茪溥^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(dòng)，且在一個(gè)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(shí)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(shí)，經(jīng)過預(yù)熱的碳?xì)浠衔锖退羝ㄟ^風(fēng)箱，穿過布風(fēng)板進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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①300X15HP-40NB不銹鋼，內(nèi)管2采用①65X 10 HP-40NB不銹鋼，安裝 兩組共32個(gè)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(gè)膜組件的兩面 都覆蓋有鈀銀合金膜，每面的有效膜面積為63.5mmX127mm,膜厚度25微 米，每個(gè)膜組件的尺寸為73 mmX 140 mmX6 mm。 進(jìn)料布風(fēng)板5采用燒結(jié) 多孔金屬，材質(zhì)為HastelloyX,厚度1.2 mm，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(gè)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。天然氣流量12Nm3/H， 水碳摩爾比控制在3.0，反應(yīng)溫度約600CC，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1000。C左右高溫?zé)煔庠谕夤芡饬鲃?dòng)傳熱提供，在此 反應(yīng)條件下，氫氣的產(chǎn)率約為20NmVH，純度大于99.999%。
權(quán)利要求1、一種鈀膜組件呈環(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(jìn)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(gè)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(gè)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(jìn)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(jìn)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所述的一種鈀膜組件呈環(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所述的一種鈀膜組件呈環(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所述的一種鈀膜組件呈環(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所述的一種鈀膜組件呈環(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(jìn)料布風(fēng)板為多孔不銹鋼板。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種鈀膜組件呈環(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(jìn)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(gè)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(gè)膜組件的兩面都覆蓋有鈀銀合金膜，支撐板位于進(jìn)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。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(dòng)，在一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)就能生產(chǎn)出高純度的氫氣。
文檔編號(hào)C01B3/00GK201127890SQ20072006023
公開日2008年10月8日 申請(qǐng)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(qǐng)人:華南理工大學(xué)