專利名稱：分形樹狀螺旋式甲醇水蒸汽重整制氫反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制氫的化學(xué)反應(yīng)裝置，具體涉及一種流道布置方式為分形樹狀螺旋結(jié)構(gòu)的甲醇水蒸汽重整制氫反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)場(chǎng)甲醇水蒸氣重整制氫是小型移動(dòng)電子裝置中質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC) 電源的一種理想氫源，開發(fā)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、高性能的甲醇水蒸氣重整反應(yīng)器已成為 PEMFC的需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。正如任何流動(dòng)輸運(yùn)設(shè)備一樣，反應(yīng)器的流道布置直接影響著反應(yīng)器的工作性能， 恰當(dāng)?shù)牧鞯啦贾每梢杂行Т龠M(jìn)反應(yīng)過程的傳熱傳質(zhì)，提高重整反應(yīng)效率。現(xiàn)有的甲醇水蒸氣重整制氫反應(yīng)器流道布置大多仍局限于單根直通道、蛇形通道或平行多通道等形式，這些流道布置存在傳熱傳質(zhì)效率差進(jìn)而導(dǎo)致制氫效率低下。因此，通過某種途徑對(duì)反應(yīng)流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以強(qiáng)化反應(yīng)器中的熱量傳遞、工質(zhì)輸運(yùn)和反應(yīng)過程，提高均溫水平，實(shí)現(xiàn)更高的化學(xué)反應(yīng)效率。分形樹狀螺旋結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通道總體呈樹狀分布并結(jié)合螺旋形式有效均衡了強(qiáng)弱“熱流”之間的配置，可使反應(yīng)器內(nèi)的溫度分布更加均衡，易于實(shí)現(xiàn)重整制氫反應(yīng)過程的等溫操控。這些因素均有利于強(qiáng)化甲醇水蒸汽重整制氫反應(yīng)過程，提高制氫效率。為此，本發(fā)明將甲醇水蒸氣重整制氫反應(yīng)器流道布置布置成構(gòu)形樹狀螺旋相結(jié)合的流動(dòng)通道網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)重整制氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)緊湊和更高的制氫效率。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題為解決常規(guī)固定床反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在的泵功消耗大、“冷點(diǎn)”、受熱不均勻、反應(yīng)不充分問題。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種具有分形樹狀螺旋特征流動(dòng)通道的反應(yīng)器，該設(shè)計(jì)大大提高了反應(yīng)器的熱有效性，且由于通道呈樹狀螺旋網(wǎng)絡(luò)分布，可使反應(yīng)表面的溫度分布更加均衡，并解決了“冷點(diǎn)”問題實(shí)現(xiàn)了均溫操作，提高了反應(yīng)效率，同時(shí)也大大的降低了泵功的消耗。另外將分形樹狀結(jié)構(gòu)流動(dòng)通道和螺旋結(jié)構(gòu)流動(dòng)通道相互結(jié)合，充分的利用了分形樹狀結(jié)構(gòu)流動(dòng)通道溫度分布均勻及螺旋結(jié)構(gòu)流動(dòng)通道結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。技術(shù)方案為解決甲醇制氫反應(yīng)器設(shè)計(jì)上存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種分形樹狀螺旋式甲醇水蒸汽重整制氫反應(yīng)器，包括一反應(yīng)基板，在反應(yīng)基板的上端為上蓋板，在反應(yīng)基板的下端為下蓋板，其特征在于在所述的反應(yīng)基板的上表面加工有上層分形樹狀螺旋通道，在反應(yīng)基板的下表面加工分形樹狀螺旋通道，在所述的上層分形樹狀螺旋通道內(nèi)設(shè)置有催化劑，在上層分形樹狀螺旋通道和下層分形樹狀螺旋通道之間還設(shè)置有管束流道層及加熱通道，在所述的管束流道層內(nèi)設(shè)置有連通上層分形樹狀螺旋通道和下層分形樹狀螺旋通道的呈陣列布置的連通通道，所述的加熱通道布置在連通通道之間。
所述上層分形樹狀螺旋通道和下層分形樹狀螺旋通道均由分形樹狀通道和螺旋通道組合而成，所述分形樹狀通道至少含有兩級(jí)，每級(jí)樹狀通道連接著兩個(gè)下一級(jí)樹狀通道，上下級(jí)樹狀通道之間的交叉角α為180度。構(gòu)形樹狀結(jié)構(gòu)流道網(wǎng)絡(luò)的上下級(jí)樹狀通道的直徑之比為…，其中直徑維數(shù)Δ 取大于7/3且小于等于3的實(shí)數(shù)，上下級(jí)分支流道的長(zhǎng)度之比為N"Vd，其中長(zhǎng)度維數(shù)d取大于1且小于等于2的實(shí)數(shù)。所述加熱通道為平行管束或蛇形通道。在所述的加熱通道內(nèi)設(shè)置有加熱元件。在所述的加熱通道中通入高溫流體對(duì)反應(yīng)器加熱。本發(fā)明反應(yīng)器由導(dǎo)熱基板，上、下蓋板及催化劑構(gòu)成，在導(dǎo)熱基板上設(shè)有上、下層分形樹狀螺旋通道，并在上、下層分形樹狀螺旋通道之間留有平行通道用于放置加熱器即加熱通道。為了使甲醇水蒸氣流體能自由循環(huán)且受熱均勻，利用高精度機(jī)械加工工藝在中間基板的上、下表面加工分形樹狀螺旋通道，下層通道除了出口與上層通道的進(jìn)口方向相反外，其它都相同，上下層網(wǎng)絡(luò)通道通過陣列布置的連通通道貫通。在所述的上層分形樹狀螺旋通道內(nèi)表面噴涂CB-7型催化劑作為反應(yīng)階段，下層通道作為反應(yīng)物預(yù)熱、汽化、過熱階段。所述甲醇水蒸汽重整制氫反應(yīng)是甲醇水蒸氣按一定的摩爾比例混合進(jìn)入反應(yīng)器， 在一定的溫度和催化劑Cu0/ai0/Al203表面可發(fā)生如下反應(yīng)[8]CH3OH + H20^^C02+3H2.(重整反應(yīng))(P1)有少量甲醇直接分解CH30H_^C0 + 2H2 .(分解反應(yīng))α-2)另外在一定的條件下，反應(yīng)器中水蒸氣和生成的一氧化碳發(fā)生下列的變換反應(yīng)C0 + H20^^C02+H2.(變換反應(yīng))(1_3)
ks所述的分形樹狀螺旋通道，通道網(wǎng)絡(luò)以平面方式鋪展開來。所述分形樹狀螺旋結(jié)構(gòu)的流動(dòng)通道網(wǎng)絡(luò)至少含有2級(jí)，每級(jí)通道連接著分叉數(shù)N = 2的下一級(jí)通道，上、下級(jí)流道之間的交叉角α為180度，最高級(jí)通道以螺旋形式結(jié)束。所述的分形樹狀螺旋結(jié)構(gòu)的流動(dòng)通道網(wǎng)絡(luò)的第0級(jí)流道為反應(yīng)出/入口，所述的流動(dòng)通道網(wǎng)絡(luò)的末級(jí)螺旋流道末端由所述的呈陣列布置的連通通道貫通。所述的上下級(jí)分支流道的直徑比為化…，其中Δ為直徑維數(shù)。已有研究表明，對(duì)于管道內(nèi)為層流流動(dòng)，Δ =3時(shí)流動(dòng)阻力最小，而對(duì)于湍流流動(dòng)Δ =7/3時(shí)流動(dòng)阻力最小，除最高級(jí)螺旋流道，所述的上下級(jí)分支流道的長(zhǎng)度之比為N_lAl(d長(zhǎng)度維數(shù)取大于1且小于2的實(shí)數(shù))。所述的分形樹狀螺旋通道的最高級(jí)螺旋流動(dòng)通道以最大利用所留空間為目的，設(shè)計(jì)螺旋通道的大小及位置，所述的螺旋流道末端與將螺旋通道作為分形樹狀通道的最高級(jí)時(shí)流道末端所在的位置相同。所述的分形樹狀螺旋通道內(nèi)部噴涂的CB-7型催化劑，該催化劑與通道中的流體甲醇水蒸氣混合物充分接觸，在一定的溫度下反應(yīng)生成氫氣及二氧化碳、一氧化碳等，該反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，所需熱量來自于反應(yīng)器中間加熱通道，熱量經(jīng)過反應(yīng)器壁面?zhèn)鬟f給甲醇水蒸氣。
所述加熱通道是在上、下層樹狀螺旋通道之間并避開上、下樹狀螺旋網(wǎng)絡(luò)通道的陣列連接通道所布置的平行通道，用于放置加熱元件。所述的分形樹狀螺旋結(jié)構(gòu)的流動(dòng)通道網(wǎng)絡(luò)，通過分叉產(chǎn)生越來越多的分支，隨著級(jí)數(shù)的增加，管徑越來越小，流道尺度的縮小可以大大的提高傳熱系數(shù)，從而使得高級(jí)數(shù)通道的溫度略高于低級(jí)數(shù)通道的溫度，而在反應(yīng)入口階段反應(yīng)物量多、濃度高，單位面積反應(yīng)速率較快，因?yàn)榉磻?yīng)都是吸熱反應(yīng)，使得入口階段的溫度下降較大，但由于入口階段處于高級(jí)數(shù)通道，其溫度略高于低級(jí)數(shù)通道，從而部分的抵消了入口處反應(yīng)所產(chǎn)生的溫度降，平衡了反應(yīng)溫度，即解決了 “冷點(diǎn)”問題。所述“冷點(diǎn)”即入口處由于反應(yīng)物濃度高反應(yīng)劇烈且反應(yīng)為吸熱反應(yīng)使得入口處的溫度低于后部反應(yīng)溫度。有益效果由于反應(yīng)段入口分布在樹狀螺旋網(wǎng)絡(luò)通道的螺旋通道末端，從而使入口處反應(yīng)比較均勻，且反應(yīng)段入口處的反應(yīng)器壁面溫度略大于反應(yīng)段出口處的反應(yīng)器壁面溫度，從而降低了“冷點(diǎn)”問題。反應(yīng)器整體受熱均勻使得反應(yīng)的各階段都有均一的反應(yīng)溫度，有利于反應(yīng)向產(chǎn)生高純度氫氣方向進(jìn)行。由已有的研究可知在相同的入口截面積下樹狀型反應(yīng)器所需的泵功遠(yuǎn)小于一般反應(yīng)器所需泵功，從而大大的提高了制氫效率。


圖1是分形樹狀反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是中間通道基板上表面示意圖。圖3是中間通道基板下表面示意圖。圖4是分形樹狀螺旋通道示意圖。圖5分形樹狀螺旋網(wǎng)絡(luò)局部圖。圖6加熱通道布局圖。
具體實(shí)施例方式反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，反應(yīng)器的整體結(jié)構(gòu)由上、中、下三塊不銹鋼板制成。上層不銹鋼板為上蓋板2，下層不銹鋼板為下蓋板3。為了使反應(yīng)流體能自由循環(huán)且散熱效果均勻，利用高精度機(jī)械加工工藝在中間不銹鋼板1的上、下表面各加工一層分形樹狀螺旋通道，在中間不銹鋼板中間布置平行通道作為加熱通道4。如圖2、圖3所示，中間通道基板的上部布置上層分形樹狀螺旋通道5。中間層通道基板的下部布置下層分形樹狀螺旋通道6。下層分形樹狀螺旋通道6除了出口與上層分形樹狀螺旋通道5的進(jìn)口方向相反外，其它都相同，樹狀網(wǎng)絡(luò)最高級(jí)以螺旋形式7結(jié)束，在上層分形樹狀螺旋通道5中的最高級(jí)末端即螺旋末端皆有通孔8與下層分形樹狀螺旋通道6的螺旋末端相連通，如圖4所示。分形樹狀螺旋通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參照人體呼吸系統(tǒng)的分形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通道反應(yīng)器，分形分叉網(wǎng)絡(luò)由下述方法生成1.如圖5所示，每一段通道在下一層次都有兩個(gè)分支，即分支數(shù)目N = 2。末端以螺旋形式結(jié)束。此設(shè)計(jì)為矩形的分形樹狀螺旋通道反應(yīng)器，因此取分叉角度Φ = η。
2. k+1層次段的長(zhǎng)度與k層次段的比值為γ= ^ = N^d⑴
Lk式中，γ為通道長(zhǎng)度遞縮系數(shù)，由式⑴可得Lk = L0 γk = L0N"k/D(2)式中，Ltl是初始通道長(zhǎng)度。3.樹形分支在分叉前和分叉后的水力直徑分別由dk和dk+1表示，dk+1與dk的比值 β為β 與=iV"1/A(3)
dk由遞推關(guān)系，dk可表示為dk = d。N-k" = d。i3k (4)式中，dQ是初始通道水力直徑。4.各級(jí)樹狀通道及螺旋的截面均設(shè)計(jì)為矩形，樹形通道的寬度由Wk表示，為加工方便，令通道高度Iitl hk保持不變，均為Iv根據(jù)水力直徑的定義，第k級(jí)水力直徑為(螺旋通道水力直徑按作為樹狀通道最高級(jí)分叉時(shí)的水力直徑設(shè)計(jì))
?！?A4wkh0(^)dk = —-—W則第k級(jí)通道寬度Wk為〒’、(6) 2/ -dk在生成分叉網(wǎng)絡(luò)時(shí)，決定各級(jí)通道尺寸的幾何參數(shù)為長(zhǎng)度分形維數(shù)D，水力直徑分形維數(shù)△，分叉數(shù)N，分叉角度Φ，初始通道的長(zhǎng)度Ltl，初始通道的水力直徑Cltl，初始通道的高度&，級(jí)數(shù)m。上文已經(jīng)給出適用于矩形電子芯片散熱的分形樹狀通道換熱器的N = 2，Φ = π ；研究表明，當(dāng)D = 2熱有效性最高，故取2作為長(zhǎng)度分形維數(shù)；哺乳動(dòng)物肺部支氣管分叉樹結(jié)構(gòu)的指數(shù)Δ = 3，鑒于肺中的空氣流動(dòng)和傳熱過程相當(dāng)有效，故選擇Δ = 3 作為水力直徑分形維數(shù)；本發(fā)明中設(shè)計(jì)的分形樹狀螺旋通道網(wǎng)絡(luò)取級(jí)數(shù)m = 6 ；并通過選取合理的Ltl和Cltl，使D = 2時(shí)，不致發(fā)生通道交疊現(xiàn)象。在樹狀網(wǎng)絡(luò)通道末端以螺旋形式結(jié)束，以充分利用樹狀網(wǎng)絡(luò)剩余空間。工作原理分形樹狀螺旋通道反應(yīng)器的中間加熱通道中填充加熱元件，加熱元件通過熱傳導(dǎo)將熱量傳遞給反應(yīng)器，甲醇水蒸氣流經(jīng)反應(yīng)器的下部時(shí)吸收熱量達(dá)到過熱狀態(tài)，流經(jīng)反應(yīng)器上部時(shí)與催化劑接觸反應(yīng)生成氫氣。由于反應(yīng)器中通道的樹狀網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)甲醇水蒸汽重整制氫反應(yīng)溫度的均勻性，提高了反應(yīng)的制氫效率。且由于加熱元件處于反應(yīng)器中間能更好的利用加熱元件所產(chǎn)生的熱。
權(quán)利要求
1.一種分形樹狀螺旋式甲醇水蒸汽重整制氫反應(yīng)器，包括一反應(yīng)基板，在反應(yīng)基板的上端為上蓋板，在反應(yīng)基板的下端為下蓋板，其特征在于在所述的反應(yīng)基板的上表面加工有上層分形樹狀螺旋通道，在反應(yīng)基板的下表面加工分形樹狀螺旋通道，在所述的上層分形樹狀螺旋通道內(nèi)設(shè)置有催化劑，在上層分形樹狀螺旋通道和下層分形樹狀螺旋通道之間還設(shè)置有管束流道層及加熱通道，在所述的管束流道層內(nèi)設(shè)置有連通上層分形樹狀螺旋通道和下層分形樹狀螺旋通道的呈陣列布置的連通通道，所述的加熱通道布置在連通通道之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分形樹狀螺旋式甲醇水蒸汽重整制氫反應(yīng)器，其特征在于 所述上層分形樹狀螺旋通道和下層分形樹狀螺旋通道均由分形樹狀通道和螺旋通道組合而成，所述分形樹狀通道至少含有兩級(jí)，每級(jí)樹狀通道連接著兩個(gè)下一級(jí)樹狀通道，上下級(jí)樹狀通道之間的交叉角力180度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分形樹狀螺旋式甲醇水蒸汽重整制氫反應(yīng)器，其特征在于構(gòu)形樹狀結(jié)構(gòu)流道網(wǎng)絡(luò)的上下級(jí)樹狀通道的直徑之比為tP.+么，其中直徑維數(shù)Δ取大于7/3且小于等于3的實(shí)數(shù)，上下級(jí)分支流道的長(zhǎng)度之比為Ν_ιΑ1，其中長(zhǎng)度維數(shù)d取大于1且小于等于2的實(shí)數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分形樹狀螺旋式甲醇水蒸汽重整制氫反應(yīng)器，其特征在于 所述加熱通道為平行管束或蛇形通道。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分形樹狀螺旋式甲醇水蒸汽重整制氫反應(yīng)器，其特征在于 在所述的加熱通道內(nèi)設(shè)置有加熱元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分形樹狀螺旋式甲醇水蒸汽重整制氫反應(yīng)器，其特征在于 在所述的加熱通道中通入高溫流體對(duì)反應(yīng)器加熱。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分形樹狀螺旋式甲醇水蒸汽重整制氫反應(yīng)器，包括一反應(yīng)基板，在反應(yīng)基板的上端為上蓋板，在反應(yīng)基板的下端為下蓋板，其特征在于在所述的反應(yīng)基板的上表面加工有上層分形樹狀螺旋通道，在反應(yīng)基板的下表面加工分形樹狀螺旋通道，在所述的上層分形樹狀螺旋通道內(nèi)設(shè)置有催化劑，在上層分形樹狀螺旋通道和下層分形樹狀螺旋通道之間還設(shè)置有管束流道層及加熱通道，在所述的管束流道層內(nèi)設(shè)置有連通上層分形樹狀螺旋通道和下層分形樹狀螺旋通道的呈陣列布置的連通通道，所述的加熱通道布置在連通通道之間。本發(fā)明反應(yīng)器在相同的入口截面積下樹狀型反應(yīng)器所需的泵功遠(yuǎn)小于一般反應(yīng)器所需泵功，從而大大的提高了制氫效率。
文檔編號(hào)C01B3/32GK102515097SQ20111043774
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者張程賓, 施明恒, 許飛, 陳永平 申請(qǐng)人:東南大學(xué)