一種集成式變換反應器的制造方法
【專利摘要】一種集成式變換反應器，集高溫變換反應器和低溫變換反應器于一體。反應器主體部分為套筒式結構，由多個不同反應腔體組合而成，包括高溫變換反應腔、換熱腔、低溫變換反應腔和隔熱腔，大大提高了反應器的緊湊度，降低了反應器的加工難度，并具有體積較小、集成度高、熱量利用合理、CO變換效果好等優(yōu)點。本發(fā)明的反應器可以廣泛用于含不同濃度CO的混合氣體進行CO變換反應，CO濃度范圍較寬，最高可達20%左右。特別適用于烴類化合物進行重整制氫反應后產(chǎn)生的重整尾氣，經(jīng)本發(fā)明的反應器變換反應后，產(chǎn)品氣中CO濃度可控制在0.8%以下。
【專利說明】一種集成式變換反應器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于能源【技術領域】，具體涉及一種集成式變換反應器。
【背景技術】
[0002]燃料電池具有能量轉化效率高以及零排放等優(yōu)點，作為固定式電源和移動式電源具有廣闊的應用前景，被認為是本世紀理想的發(fā)電形式之一。其中質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)最適宜作為移動電源和動力電源。PEMFC的工作原理是:氧氣和氫氣分別在電池的陰陽極發(fā)生電化學反應產(chǎn)生電能，其中氧氣可以用空氣代替，而氫氣則可以用純氫或者富氫的重整氣，主要有三個方面的來源:鋼瓶壓縮氫氣、金屬儲氫以及富氫燃料的現(xiàn)場制氫。以天然氣等烴類富氫燃料通過現(xiàn)場重整的方式為燃料電池提供氫源是近期乃至中期最現(xiàn)實的燃料電池氫源解決方案。
[0003]重整過程將烴類化合物轉化為富氫氣體，其中約含4~20%左右的CO，由于CO對PEMFC電極的Pt催化劑有毒化作用，要求氫源中只能允許ppm級的CO存在，為滿足低CO濃度的要求，一般在重整反應后必須經(jīng)過進一步處理，才能達到PEMFC所需氫源的要求。目前較為合理的工藝是用CO水氣變換反應，可以將4~20%左右的CO轉化到1%以下，同時產(chǎn)生出等體積的H2，既大大減輕了后續(xù)CO凈化工序的負擔，又增加了氣體中的氫含量，提高了整個制氫系統(tǒng)的效率。
[0004]CCHH2O — C02+H2---------------(Q-1)
[0005]Δ H298.15=-41.2kJ/mol
[0006]如Q-1所示，CO變換反應是微放熱反應，受熱力學控制，但當CO濃度較高時，放出的熱量仍然很大，容易在中、低溫變換催化劑床層上產(chǎn)生飛溫出現(xiàn)熱點，導致催化劑燒結失活。因此，針對CO含量較高的重整尾氣，通常采用高溫變換反應和低溫變換反應相結合的辦法，先通過高溫變換反應器將CO濃度降低至3%以下，之后通過低溫變換反應器將CO濃度降低至1%以下，這樣就可以避免低溫變換反應催化劑燒結失活的問題。
[0007]變換反應器是制氫系統(tǒng)中的關鍵組成部分。在實際應用過程中，高溫變換反應器和低溫變換反應器各自以獨立單元系統(tǒng)形式存在，高溫變換反應器內(nèi)裝填Fe基催化劑或Pt基催化劑，反應溫度在35(T500°C之間，而低溫變換反應器內(nèi)裝填Cu基催化劑或Pt基催化劑，反應溫度在18(T280°C之間，需要將高溫變換反應器出口尾氣溫度降低至18(T280°C之間，才適合進入低溫變換反應器內(nèi)進行反應。高溫變換反應器和低溫變換反應器之間不發(fā)生直接熱量交換，僅僅簡單的通過換熱器降低高溫變換反應器出口尾氣溫度，因此熱量回收利用效率較低。通常受高溫變換反應器和低溫變換反應器構型及相互之間接口技術的限制，反應器內(nèi)物料分布很難均勻，會產(chǎn)生較大的徑向溫度梯度和濃度梯度，導致反應不易控制，對反應產(chǎn)生一定的影響，降低催化劑的利用率。
[0008] 目前存在的主要問題有三點:(1)高溫、低溫變換反應器的總體體積較大，集成度較差，不利于整個制氫系統(tǒng)的體積比功率的提升；(2)高溫、低溫變換反應器之間的熱量回收利用效率較差，不利于整個系統(tǒng)能量效率的提升；(3)變換反應器有限空間內(nèi)的物料分布需加強。因此，如何提高高溫變換、低溫變換反應器之間的熱量利用效率就是一個核心問題，如何設計在有限空間內(nèi)即能保障物料分布均勻、變換反應順利進行又易于加工的變換反應器，是研究集成式變換反應器的另一個核心問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是提供一種集成式變換反應器，該變換反應器可以:(1)改進傳統(tǒng)高溫變換反應器和低溫變換反應器作為兩個獨立單元直接串聯(lián)引起的體積較大、集成度較差等問題；(2)提高高溫變換反應器放出的熱量的回收利用效率；(3)改進集成反應器中有限空間內(nèi)的物料分布不均勻的問題。
[0010]本發(fā)明提供了一種集成式變換反應器，該反應器的主體部分為套筒式結構，集高溫變換反應器和低溫變換反應器于一體，包括高溫變換反應腔(A)、換熱腔(B)、低溫變換反應腔(C)、隔熱腔(D)、換熱器(E)、物料分布器(S-1)和(S-2)。其中，高溫變換反應腔(A)位于反應器內(nèi)腔；低溫變換反應腔(C)處于反應器外腔；換熱腔(B)位于反應器頂部，連通
A、C兩腔出腔內(nèi)安裝換熱器(E);隔熱腔(D)位于A、C兩腔之間，并與A、B、C三腔均不連通；物料分布器(S-1)安裝在高溫變換反應腔(A)進口處；物料分布器(S-2)安裝在低溫變換反應腔(C)進口處。原料氣經(jīng)過物料分布器(S-1)均勻進入高溫變換反應腔(A)，發(fā)生高溫變換反應，反應尾氣進入B腔進行換熱降溫，之后經(jīng)過物料分布器(S-2)進入C腔，發(fā)生低溫變換反應，最終得到合格的變換反應產(chǎn)品氣。
[0011]本發(fā)明提供的集成式變換反應器，所述高溫變換反應腔(A)和低溫變換反應腔(C)均采用圓形套筒。高溫變換反應腔(A)和低溫變換反應腔(C)也可根據(jù)實際實驗需求改為方形套筒或其它形狀套筒。
[0012]本發(fā)明提供的集成式變換反應器，所述物料分布器(S-1)安裝在高溫變換反應腔(A)進口處，物料分布器(S-1)為篩板型，根據(jù)實際情況設置一層或者多層篩板，以保證原料氣均勻進入高溫變換反應腔(A)進行反應，提高高溫變換反應腔(A)高溫變換催化劑的利用效率；篩板形式采用圓孔型或柵格型。
[0013]本發(fā)明提供的集成式變換反應器，所述物料分布器(S-2)安裝在低溫變換反應腔(C)進口(F-3)處，物料分布器(S-2)為篩板型，篩板上的孔洞開孔尺寸由內(nèi)向外逐漸縮小，開孔尺寸和開孔層數(shù)可根據(jù)實際情況而定，以保證高溫變換反應尾氣均勻進入低溫變換反應腔(C)進行反應，提高低溫變換催化劑的利用效率。
[0014]本發(fā)明提供的集成式變換反應器，所述換熱器(E)為列管換熱器、盤管換熱器或板翅式換熱器；通過換熱器(E)可降低并控制高溫變換反應尾氣的溫度，使其達到低溫變換反應要求的溫度范圍。以外引冷水為換熱冷流介質(zhì)，可以回收一定的熱量，進而提高反應器的能量效率。
[0015]本發(fā)明提供的 集成式變換反應器，所述隔熱腔(D)用于控制高溫變換反應腔(A)向低溫變換反應腔(C)的傳熱量，并對C腔有強制保溫作用。D腔內(nèi)可以采用中空形式，并與外界保持連通，也可以填充隔熱介質(zhì)，同樣需要與外界保持連通。
[0016]本發(fā)明提供的集成式變換反應器，所述高溫變換反應腔(A)、換熱腔(B)、低溫變換反應腔(C)和隔熱腔(D)內(nèi)均安裝熱電偶，以監(jiān)測反應器各腔室的溫度變化，為實驗操作提供信息反饋。[0017]本發(fā)明提供的集成式變換反應器，所述A腔內(nèi)發(fā)生高溫變換反應，放出大量的熱，通過隔熱腔(D)以熱傳導形式向低溫變換反應腔(C)傳熱，同時起到供熱和保溫的作用，可大大提高熱量利用率。
[0018]本發(fā)明提供的集成式變換反應器，所述反應器進口原料氣中CO濃度范圍較寬，最高可達20%。反應器出口產(chǎn)品氣中CO濃度可控制在0.8%以下。
[0019]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是:(I)將高溫變換反應器、換熱器和低溫變換反應器集成于一體，使得反應器結構緊湊，體積較小，易于加工，反應易于操作；
(2)對兩個變換反應腔之間能量的補給和交換進行合理控制和管理，極大提高了全系統(tǒng)的能量回收效率；(3)通過合理設置物料分布器改進集成變換反應器有限空間內(nèi)的物料分布不均勻的問題，有利于提高變換催化劑的利用效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明集成式變換反應器示意圖；
[0021]圖2是高溫變換反應腔入口物料分布器示意圖；
[0022]圖3是低溫變換反應腔入口物料分布器示意圖；
[0023]圖4是反應器內(nèi)各腔熱電偶布控示意圖；
[0024]圖5是反應器 內(nèi)反應物流走向示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面的實施例將對本發(fā)明予以進一步的說明，但并不因此而限制本發(fā)明。
[0026]本發(fā)明的集成式變換反應器，主體部分為套筒式結構，集高溫變換反應器和低溫變換反應器于一體，主要由四部分組成，包括高溫變換反應腔(A)、換熱腔(B)、低溫變換反應腔(C)及隔熱腔(D)，如圖1所示，其中，高溫變換反應腔(A)位于反應器最中心的部位；低溫變換反應腔(C)處于反應器最外側；A、C兩腔內(nèi)物料以逆流形式存在；換熱腔(B)位于反應器頂部，連通A、C兩腔，B腔內(nèi)安裝換熱器(E);隔熱腔(D)位于A、C兩腔之間，并與A、
B、C三腔均不連通。本集成變換反應器具有結構緊湊、體積較小、熱量利用合理、物料分布均勻等優(yōu)點，適用于CO濃度最高可達20%的含CO混合氣體進行變換反應。
[0027]如圖5所示，本設計方案采用了如下描述的流程:
[0028]原料氣經(jīng)由集成變換反應器入口(F-1)經(jīng)過物料分布器(S-1)均勻進入A腔，反應器入口的形狀和接口尺寸，主要取決于上游反應器的形狀及具體實驗情況。物料分布器(S-ι)采用篩板形式，如圖2所示，圓孔型或柵格型均可。在實際應用過程中，首先采用CFD軟件(例如Fluent等)模擬計算并預測反應物料流場分布情況,初步確定篩板的形式和層數(shù)，然后在單元部件上進行實驗測試，最終結合模擬計算和實驗測試結果，確定S-1部件的類型、層數(shù)及開孔尺寸，以保證原料氣均勻進入A腔進行反應，提高A腔高溫變換催化劑的利用效率。
[0029]原料氣經(jīng)S-1部件后均勻進入A腔內(nèi)并發(fā)生高溫變換反應，A腔內(nèi)設置熱電偶監(jiān)測催化劑床層的溫度分布(如圖4所示)。高溫變換反應放出大量的熱，其中一部分熱量以熱傳導的形式傳遞到C腔，同時起到為C腔供熱和強制保溫的作用，以維持C腔內(nèi)發(fā)生低溫變換反應所需要的溫度窗口，此部分熱量的利用有助于集成反應器能量效率的提升。剩余的熱量隨高溫變換反應尾氣進入換熱腔(B)內(nèi)。
[0030]高溫變換反應尾氣通過A腔出口(F-2)進入B腔，與換熱器(E)進行換熱降溫，通過E部件可降低并控制高溫變換反應尾氣的溫度，使其達到低溫變換反應要求的溫度范圍，通過B腔內(nèi)設置的熱電偶監(jiān)測換熱效果(圖4)。E部件的類型不限，如列管換熱器、盤管換熱器、板翅式換熱器等。在實際應用過程中，首先根據(jù)A腔出口反應尾氣的溫度和流量，通過能量衡算核定A、B、C三腔單元部件的能量輸入輸出量，確定各個單元過程間的換熱量及需回收的熱量，計算所需換熱面積，最終設計合理的換熱器。
[0031 ] E部件冷流介質(zhì)為外引冷水，通過入D(H-1)進入E部件中，與高溫變換反應后的高溫尾氣進行換熱，之后由出口(H-2)流出。通過調(diào)節(jié)冷水的流量控制入口 F-3處高溫變換反應尾氣的溫度，用熱電偶進行監(jiān)測(圖4)，并通過溫度信息反饋來調(diào)整換熱冷水流量。同時以回收熱水的形式回收系統(tǒng)的一部分熱量，進而提高系統(tǒng)的能量利用率。
[0032]在入口 F-3處設置物料分布器(S-2)，采用環(huán)狀圓孔篩板形式，如圖3所示。在實際應用過程中，為預測和確定反應物料的流場分布情況，同樣采用CFD模擬計算和實驗測試相結合的方式，進而確定篩板上的孔洞開孔數(shù)量和尺寸，以及篩板的使用層數(shù)，以保證經(jīng)換熱后的高溫變換反應尾氣均勻進入C腔進行反應，提高低溫變換催化劑的利用效率。在本發(fā)明中的S-2部件上，開孔尺寸由內(nèi)向外逐漸縮小。
[0033]A、C腔之間的隔熱腔(D)內(nèi)可以是中空的，也可以填充隔熱介質(zhì)，具體視A、C腔之間的導熱效果而定，以確保C腔溫度窗口適合、反應順利進行為原則。D腔必須與外界空氣保持連通，以防止因集成變換反應器溫度升高造成D腔內(nèi)部壓力升高而導致反應器損壞。
[0034] 經(jīng)換熱后達到一定溫度的混合氣體，由入口 F-3處的S-2部件均勻進入C腔，發(fā)生低溫變換反應，用熱電偶監(jiān)測溫度分布(圖4)。維持C腔內(nèi)的熱量供給主要有三部分:入口氣體帶來的熱量、反應放出的熱量及A腔通過D腔傳導過來的熱量。入口 F-3處原料氣經(jīng)充分反應后最終得到變換反應產(chǎn)品氣，CO濃度控制在0.8%以下，并從集成反應器總出口(F-4)流出進入下一單元。
【權利要求】
1.一種集成式變換反應器，其特征在于:該反應器的主體部分為套筒式結構，集高溫變換反應器和低溫變換反應器于一體，包括高溫變換反應腔(A)、換熱腔(B)、低溫變換反應腔(C)、隔熱腔(D)、換熱器(E)、物料分布器(S-1)和(S-2); 其中，高溫變換反應腔(A)位于反應器內(nèi)腔；低溫變換反應腔(C)處于反應器外腔；換熱腔(B)位于反應器頂部，連通A、C兩腔；B腔內(nèi)安裝換熱器(E);隔熱腔(D)位于A、C兩腔之間，并與A、B、C三腔均不連通；物料分布器(S-1)安裝在高溫變換反應腔(A)進口處；物料分布器(S-2)安裝在低溫變換反應腔(C)進口處； 原料氣經(jīng)過物料分布器(S-1)均勻進入高溫變換反應腔(A)，發(fā)生高溫變換反應，反應尾氣進入換熱腔(B)進行換熱降溫，之后經(jīng)過物料分布器(S-2)進入低溫變換反應腔(C)，發(fā)生低溫變換反應，最終得到合格的變換反應產(chǎn)品氣。
2.按照權利要求1所述集成式變換反應器，其特征在于:所述高溫變換反應腔(A)和低溫變換反應腔(C)根據(jù)實際實驗需求采用方形套筒、圓形套筒或其它形狀套筒。
3.按照權利要求1所述集成式變換反應器，其特征在于:所述物料分布器(S-1)安裝在高溫變換反應腔(A)進口處，物料分布器(S-1)為篩板型，根據(jù)實際情況設置一層或者多層篩板，篩板形式采用圓孔型或柵格型。
4.按照權利要求1所述集成式變換反應器，其特征在于:所述物料分布器(S-2)安裝在低溫變換反應腔(C)進口(F-3)處，物料分布器(S-2)為篩板型，篩板上的孔洞開孔尺寸由內(nèi)向外逐漸縮小，開孔尺寸和開孔層數(shù)可根據(jù)實際情況而定。
5.按照權利要求1所述集成式變換反應器，其特征在于:所述換熱器(E)為列管換熱器、盤管換熱器或板翅式換熱器。
6.按照權利要求1所述集成式變換反應器，其特征在于:所述隔熱腔(D)采用中空形式，并與外界保持連通；或者填充隔熱介質(zhì)，同樣需要與外界保持連通。
7.按照權利要求1所述集成式變換反應器，其特征在于:所述高溫變換反應腔(A)、換熱腔(B)、低溫變換反應腔(C)和隔熱腔(D)內(nèi)均安裝熱電偶，以監(jiān)測反應器各腔室的溫度變化，為實驗操作提供信息反饋。
8.按照權利要求1所述集成式變換反應器，其特征在于:所述高溫變換反應腔(A)內(nèi)發(fā)生高溫變換反應，放出大量的熱，通過隔熱腔(D)以熱傳導形式向低溫變換反應腔(C)傳熱，同時起到供熱和保溫的作用，可大大提高熱量利用率。
9.按照權利要求1所述集成式變換反應器，其特征在于:所述原料氣中CO濃度范圍較寬，最高可達20%。
10.按照權利要求1所述集成式變換反應器，其特征在于:所述最終得到的產(chǎn)品氣中CO濃度可控制在0.8%以下。
【文檔編號】C01B3/48GK103964379SQ201310043809
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2013年2月4日 優(yōu)先權日:2013年2月4日
【發(fā)明者】潘立衛(wèi), 王樹東, 倪長軍, 袁中山, 張騁 申請人:中國科學院大連化學物理研究所