本發(fā)明涉及一種醇類制氫微反應器，尤其是涉及一種帶等孔徑孔隙率漸變催化劑載體的制氫微反應器。

背景技術：

當今世界，人類所處生活環(huán)境的變化越來越引起人們的關注。大量化石能源的燃燒帶來的污染問題使得人類的生活環(huán)境逐步惡化，與此同時，化石能源的逐漸枯竭，迫使人類不得不尋找一種高效、清潔的可再生資源。氫能作為一種理想的清潔可再生資源，被廣泛的應用于各種場合。在眾多制氫方法中，通過微反應器，利用醇類重整現(xiàn)場制氫，受到眾多研究者的廣泛關注。

中國發(fā)明專利（申請?zhí)?01210448874.4）公開了一種層疊式微凸臺陣列型重整制氫微反應器，可用于中、小流量的醇類重整制氫場合。但其反應載體板上分布的微凸臺結構，表面較為光滑，不利于催化劑附著，且比表面積較小。此外，其蒸發(fā)腔和重整腔的引流腔均為三角形結構，使得重整制氫單元入口氣體的流量脈動較大，不利于反應腔內流速分布均勻。

中國發(fā)明專利（申請?zhí)?01410821472.3）公開了一種反應載體表面多孔化的自熱型醇類制氫微反應器。其反應載體板上分布有均勻的微孔結構，具有較大的比表面積，但均勻分布的微孔結構使得反應器的流動和傳熱特性較差。此外，該發(fā)明的蒸發(fā)腔和重整腔的引流腔均為三角形結構，不利于反應腔內流速分布均勻。

雖然各國研究者對微反應器的研究已經(jīng)取得不小的進展，但目前的微反應器在催化劑載體比表面積、反應器壓降、流動和傳熱特性等方面還有待提高，有必要設計一種具備流動和傳熱效率更高、比表面積更大、壓降更低等優(yōu)勢的制氫微反應器。

技術實現(xiàn)要素：

為了進一步提高反應器的流動和傳熱效率，提高催化劑載體比表面積，降低反應壓降，本發(fā)明的目的在于提供一種帶等孔徑孔隙率漸變催化劑載體的制氫微反應器，具備傳熱傳質效率更高、比表面積更大、壓降更低的優(yōu)勢。

本發(fā)明采用的技術方案是：

本發(fā)明包括頂面設有進口管的上蓋板、底面設有出口管的下蓋板，以及密封安裝在上蓋板與下蓋板之間自上而下依次安裝的蒸發(fā)板、多塊上重整板和下重整板；在多塊上重整板和下重整板中部的重整反應腔內均安裝有矩形的反應載體板，反應載體板上表面為等孔徑孔隙率分段漸變的多孔化的微通道，微通道截面為梯形，底面和側面分布有微孔，所有微孔直徑相同，沿氣流流動方向孔隙率分段逐漸變??；上蓋板、蒸發(fā)板、多塊上重整板、下重整板和下蓋板相鄰兩塊板間的安裝面上均安裝有柔性石墨墊。

所述蒸發(fā)板上表面中部開有蒸發(fā)腔，蒸發(fā)腔通過蒸發(fā)入口引流腔與進口管相通，蒸發(fā)腔沿長度方向兩側對稱分布有樹枝狀的蒸發(fā)入口引流腔和樹枝狀的蒸發(fā)出口引流腔，蒸發(fā)出口引流腔處設有蒸發(fā)出口通孔，蒸發(fā)板側面開有用于插裝加熱棒的兩個加熱棒孔。

所述上重整板和下重整板上表面中部均開有重整反應腔，重整反應腔沿長度方向兩側對稱分布有樹枝狀的重整入口引流腔和樹枝狀的重整出口引流腔；上重整板樹枝狀的重整出口引流腔處設有重整出口通孔，上重整板樹枝狀的重整入口引流腔處設有重整入口通孔；下重整板樹枝狀的重整出口引流腔處設有重整出口通孔；上重整板和下重整板側面均開有用于插裝加熱棒的兩個加熱棒孔。

所述上重整板樹枝狀的重整入口引流腔處設有重整入口通孔，上重整板的重整入口通孔和蒸發(fā)板的蒸發(fā)出口通孔上下對應相通，上重整板和下重整板的重整出口通孔和出口管上下對應相通。

所述重整反應腔沿長度方向兩側對稱分布有重整入口引流臺階和重整出口引流臺階；所述重整入口引流臺階和重整出口引流臺階高度與反應載體板3截面梯形短邊距離底面的厚度相同。

所述微通道底面和側面的微孔為半球形，每個微孔直徑大小相同，直徑為75-200μm。

所述反應載體板由半固態(tài)燒結溶解法制成。

本發(fā)明具有的有益效果是：

1)本發(fā)明的等孔徑孔隙率漸變催化劑載體板，沿流動方向孔隙率逐漸降低，即微孔的分布逐漸變的稀疏，可以有效改善反應過程中氣體體積增大而導致氣阻增加的問題，因而可以顯著降低反應的壓降，從而降低泵入反應物所需的能量；

2)本發(fā)明的等孔徑孔隙率漸變催化劑載體板，與多孔材料反應載體板相比，反應載體的溫度分布更加均勻，且具有更小壓降的優(yōu)勢；

3)本發(fā)明的等孔徑孔隙率漸變催化劑載體板，與傳統(tǒng)的微通道和微凸臺反應載體板相比，具有更大的比表面積，可有效改善催化劑附著，并且增加了反映氣體的停留時間，從而有利于提高醇類重整制氫的反應速率和醇類的轉化率；

4)本發(fā)明的樹枝狀引流腔，可有效減小重整制氫單元入口氣體的流量脈動，提高反應腔內流速分布均勻度，降低反應壓降，提高反應效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體三維爆炸示意圖。

圖2是本發(fā)明反應載體板的三維結構示意圖。

圖3是本發(fā)明反應載體板的俯視圖。

圖4是本發(fā)明上蓋板的三維結構示意圖。

圖5是本發(fā)明蒸發(fā)板的三維結構示意圖。

圖6是本發(fā)明上重整板的三維結構示意圖。

圖7是本發(fā)明下重整板的三維結構示意圖。

圖8是本發(fā)明反應載體板上的氣體流動簡圖。

圖9是本發(fā)明的整體氣體流動路徑示意圖。

圖中：1、上蓋板，2、蒸發(fā)板，3、反應載體板，4、上重整板，5、下重整板，6、出口管，7、下蓋板，8、柔性石墨墊，9、入口管，10、微通道，11、微孔，12、蒸發(fā)入口引流腔，13、蒸發(fā)腔，14、蒸發(fā)出口通孔，15、蒸發(fā)出口引流腔，16、加熱通孔，17、重整出口通孔，18、重整出口引流腔，19、重整出口引流臺階，20、重整反應腔，21、重整入口通孔，22、重整入口引流腔，23、重整入口引流臺階。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步的說明。

如圖1、圖2、圖3、圖4所示，本發(fā)明包括頂面設有進口管9的上蓋板1、底面設有出口管6的下蓋板7，以及密封安裝在上蓋板1與下蓋板7之間自上而下依次安裝的蒸發(fā)板2、多塊上重整板4和下重整板5；在多塊上重整板4和下重整板5中部的重整反應腔20內均安裝有矩形的反應載體板3，反應載體板3上表面為等孔徑孔隙率分段(圖2中為3段)漸變的多孔化的微通道10，微通道10截面為梯形，底面和側面分布有微孔11，所有微孔11直徑相同，沿氣流流動方向孔隙率分段逐漸變??；上蓋板1、蒸發(fā)板2、多塊上重整板4、下重整板5和下蓋板7相鄰兩塊板間的安裝面上均安裝有柔性石墨墊8。

如圖1、圖5所示，所述蒸發(fā)板2上表面中部開有蒸發(fā)腔13，蒸發(fā)腔13通過蒸發(fā)入口引流腔12與進口管9相通，蒸發(fā)腔13沿長度方向兩側對稱分布有樹枝狀的蒸發(fā)入口引流腔12和樹枝狀的蒸發(fā)出口引流腔15，蒸發(fā)出口引流腔15處設有蒸發(fā)出口通孔14，蒸發(fā)板2側面開有用于插裝加熱棒的兩個加熱棒孔16。

如圖6、圖7所示，所述上重整板4和下重整板5上表面中部均開有重整反應腔20，重整反應腔20沿長度方向兩側對稱分布有樹枝狀的重整入口引流腔22和樹枝狀的重整出口引流腔18；上重整板4樹枝狀的重整出口引流腔18處設有重整出口通孔17，上重整板4樹枝狀的重整入口引流腔22處設有重整入口通孔21；下重整板5樹枝狀的重整出口引流腔18處設有重整出口通孔17；上重整板4和下重整板5側面均開有用于插裝加熱棒的兩個加熱棒孔16。

如圖6、圖7所示，所述上重整板4樹枝狀的重整入口引流腔22處設有重整入口通孔21，上重整板4的重整入口通孔21和蒸發(fā)板2的蒸發(fā)出口通孔14上下對應相通，上重整板4和下重整板5的重整出口通孔17和出口管6上下對應相通。

如圖8所示，所述重整反應腔20沿長度方向兩側對稱分布有重整入口引流臺階23和重整出口引流臺階19；

所述重整入口引流臺階23和重整出口引流臺階19高度與反應載體板3截面梯形短邊距離底面的厚度相同。

所述微通道10底面和側面的微孔11為半球形，每個微孔11直徑大小相同，直徑為75-200μm。

所述反應載體板3由半固態(tài)燒結溶解法制成。

本發(fā)明的實施例及其具體工作過程如下：

如圖1所示，具體實施中，包含兩個上重整板4和下重整板5，總共三個反應載體板3，如圖2所示，反應載體板3上有18個平行排布的微通道10；微通道10上分布有微孔11，位于引流入口一側的微孔分布較為致密，位于引流出口一側的微孔分布較為稀疏，微孔11的孔隙率從65%漸變?yōu)?0%。

如圖9所示，是本發(fā)明的整體氣體流動路徑示意圖和反應載體板3上的氣體流動簡圖。醇類、水的混合液，經(jīng)過上蓋板1上的入口管9進入微反應器，并從蒸發(fā)板2上的樹枝狀的蒸發(fā)入口引流腔12進入蒸發(fā)腔13，在高溫下變?yōu)闅怏w反應物；隨后，混合氣體從蒸發(fā)板2上的樹枝狀的蒸發(fā)出口引流腔15流出到蒸發(fā)出口通孔14，隨后同時進入兩個上重整板4和下重整板5；進入兩個上重整板4和下重整板5的混合氣體經(jīng)樹枝狀的重整入口引流腔22，隨后流經(jīng)反應載體板3，在催化劑的作用下，發(fā)生重整制氫反應，重整氣體產物隨后經(jīng)過兩個上重整板4和下重整板5上的樹枝狀的重整出口引流腔18和重整出口通孔17，最后到達下蓋板7上的出口管6被收集利用。

本發(fā)明可采用的醇類為甲醇或者乙醇等低碳醇，本發(fā)明用甲醇作為原料詳細闡述本發(fā)明的工作原理：

反應載體板3的的微孔結構表面上負載有銅基催化劑cu/zno/al2o3，用于甲醇水汽重整，該過程包括三個反應，如下所示：

甲醇重整（sr）

ch3oh+h2o→3h2+co2，

水汽逆變換（rwgs）

co2+h2→co+h2o，

甲醇分解（de）

ch3oh→2h2+co。

催化劑的負載方法如下：

反應載體板3的預處理：在經(jīng)過機械加工后，表面會留有污垢。為了去除表面的雜質，利用超聲波清洗機將反應載體板3放在乙醇中清洗15min，隨后干燥；

催化劑的制備：將催化劑粉末進行球磨以得到粒度大小為1-30μm的粉末；將所需的催化劑粉末與pva按照1:1比例混合，在磁力攪拌器中攪拌10h，制備出均勻的催化劑懸濁液；

催化劑的負載：將多孔化的反應載體板放在催化劑懸濁液中進行充分的浸漬，再在鼓風干燥箱里面烘干，如此反復進行浸漬-烘干過程直到催化劑負載完畢；

催化劑的燒結：將上述得到的反應載體板3放入馬弗爐中，以15℃/min中的速度升溫至300℃，焙燒2.5h后打開馬弗爐，自然冷卻。

制氫反應開始前，向微反應器中通入保護氣氮氣，以清除反應系統(tǒng)內的雜質氣體。隨后，使用加熱棒對微反應器進行加熱，并保持在280℃；將含h2體積分數(shù)5%的n2/h2混合氣體通入微反應器中，對反應載體板3上的銅基催化劑進行還原2.5h；隨后，將甲醇和水的混合液體泵入微反應器，進行醇類水汽重整的反應，產生氫氣，在重整器出口處進行氫氣的提純和收集。

由此，本發(fā)明的制氫微反應器，通過等孔徑孔隙率漸變催化劑載體薄板的設計，可以有效提高反應載體板的比表面積，提高催化劑的附著力，并且可以提高反應器的流動和傳熱特性，降低反應壓降，使反應載體板的溫度更加均勻，更加高效地實現(xiàn)醇類重整制氫。且本發(fā)明的樹枝狀引流腔，可有效減小重整制氫單元入口氣體的流量脈動，提高反應腔內流速分布均勻度，降低反應壓降，提高反應效率。此外，反應載體板的層疊裝配可實現(xiàn)反應器的功率擴大，并應用在軍用裝備等大功率的場合。