本發(fā)明屬于反應(yīng)器設(shè)計(jì)，具體地說，是關(guān)于一種基于導(dǎo)電加熱整體式蜂窩結(jié)構(gòu)的電驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、甲烷重整技術(shù)是一種重要的工業(yè)化學(xué)過程，用于生產(chǎn)氫氣和一氧化碳。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于石油化工、氨合成、燃料電池等領(lǐng)域。甲烷重整的基本過程是將甲烷與水蒸氣、二氧化碳、氧氣的一種或多種在高溫下通過催化劑轉(zhuǎn)化為氫氣和一氧化碳。常見的甲烷重整工藝包括蒸汽重整、二氧化碳重整、聯(lián)合重整及三重整。甲烷重整過程是高度吸熱的，因此必須向反應(yīng)器內(nèi)供應(yīng)足量的熱量以滿足反應(yīng)所需。而甲烷重整通常需要在高溫條件下進(jìn)行，反應(yīng)器內(nèi)溫度分布不合理特別容易積碳，易造成催化劑燒結(jié)失活，影響裝置的長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

2、對(duì)于目前傳統(tǒng)的重整反應(yīng)常用的列管式反應(yīng)器而言，熱量通過反應(yīng)器壁面以輻射和對(duì)流的方式傳遞給催化劑和反應(yīng)氣，熱能利用效率相對(duì)較低。由于其吸熱反應(yīng)特性，反應(yīng)管內(nèi)部溫度分布不均勻，即靠近壁面處的床層溫度遠(yuǎn)高于中心溫度，從而導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)部熱量傳遞效率低，能量利用性差。為提高反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，則需提高反應(yīng)管外壁溫度以使得床層中心滿足反應(yīng)溫度，但貼近反應(yīng)管外壁面的床層易產(chǎn)生局部高溫，導(dǎo)致催化劑上產(chǎn)生積碳且燒結(jié)失活。因此，保持反應(yīng)器內(nèi)部溫度分布均勻、防止反應(yīng)器內(nèi)部局部區(qū)域出現(xiàn)高溫區(qū)域，逐漸成為甲烷重整等吸熱反應(yīng)技術(shù)的一大熱點(diǎn)。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，需要開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊，熱量分布均勻，能量利用率高和操作簡便的反應(yīng)器。

3、cn113301981a公開了一種導(dǎo)電蜂窩體，包括被布置用于提供孔道基質(zhì)的多個(gè)相交的多孔壁。該發(fā)明應(yīng)用于催化反應(yīng)系統(tǒng)須將壁表面涂覆催化劑，工藝復(fù)雜且使用過程中易脫落，后期維護(hù)成本高。

4、cn103204464a公開了一種進(jìn)行甲烷的化學(xué)鏈重整的蜂窩狀氧載體反應(yīng)器，包括反應(yīng)器主體，所述反應(yīng)器主體包括外壁及外加熱筒體，外壁及外加熱筒體內(nèi)形成有蜂窩狀氧載體。該發(fā)明主要目的是采用蜂窩狀氧載體反應(yīng)器進(jìn)行甲烷化學(xué)鏈重整制取合成氣，通過氧載體向甲烷進(jìn)行晶格氧和熱量的傳遞，無需純氧制備，不需要驅(qū)動(dòng)固體顆粒的快速循環(huán)，實(shí)現(xiàn)溫和的操作條件和等溫的操作。但該發(fā)明的反應(yīng)器仍需要外壁加熱，反應(yīng)器內(nèi)部熱量傳遞尺度大；反應(yīng)過程無需催化劑，蜂窩狀氧載體經(jīng)高溫壓制燒結(jié)后整體成型，相較于直接填充催化劑顆粒工藝復(fù)雜；且運(yùn)行過程中需要進(jìn)行燃料重整、氣體吹掃、空氣再生步驟，操作復(fù)雜，效率較低，實(shí)際工業(yè)應(yīng)用仍存在較大困難。

5、因此，針對(duì)實(shí)際工業(yè)應(yīng)用，仍需解決操作簡單，壽命長和維護(hù)成本低等需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的外壁加熱反應(yīng)器存在內(nèi)部溫度分布不均勻、傳熱效率低、熱量利用率低和操作不方便的缺陷，從而提供一種基于導(dǎo)電加熱整體式蜂窩結(jié)構(gòu)的電驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的第一個(gè)方面，提供了一種基于導(dǎo)電加熱整體式蜂窩結(jié)構(gòu)的電驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器，包括一個(gè)筒體，該筒體的內(nèi)部設(shè)置有在通電條件下產(chǎn)生焦耳熱的整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器，該整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器為柱形，其內(nèi)部形成有規(guī)則排布的若干縱向流體通道，該流體通道內(nèi)填充有催化劑顆粒；所述整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器的外壁與筒體的內(nèi)壁之間填充有保溫材料；所述筒體的上端和下端分別設(shè)有上封頭和下封頭，且上封頭上設(shè)有氣體進(jìn)口，下封頭上設(shè)有氣體出口；所述上封頭與筒體之間設(shè)有氣體分布器，所述下封頭與筒體之間則設(shè)有催化劑支撐板；所述整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器的外壁上設(shè)有帶狀引流導(dǎo)體，且筒體上對(duì)應(yīng)所述帶狀引流導(dǎo)體的位置設(shè)有相應(yīng)的導(dǎo)線接口，所述帶狀引流導(dǎo)體通過導(dǎo)線經(jīng)所述導(dǎo)線接口引出反應(yīng)器與外部電源相接。

3、根據(jù)本發(fā)明，所述流體通道的截面為正三角形或正四邊形或正六邊形，且所有流體通道均具有相同的壁厚。

4、根據(jù)本發(fā)明，所述流體通道內(nèi)填充的催化劑顆粒的外形選自球形、圓柱形、拉西環(huán)、四孔柱、和七孔柱中的一種或多種的組合。

5、優(yōu)選的，所述催化劑顆粒自每一流體通道的底部隨機(jī)堆積至流體通道的頂部。

6、根據(jù)本發(fā)明，所述整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器的材質(zhì)選自fe、cr、ni、cu、al、co、si或其合金；所述帶狀引流導(dǎo)體的材質(zhì)選自fe、cr、ni、cu、al、co、si或其合金，且電阻率低于整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器的材質(zhì)。

7、根據(jù)本發(fā)明，所述保溫材料的上端高出所述整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器的上表面，從而在蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器與氣體分布器之間形成一個(gè)反應(yīng)器空腔；所述保溫材料的下端與筒體的下端以及整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器的下端平齊。

8、根據(jù)本發(fā)明，所述氣體分布器為與筒體的內(nèi)壁相匹配的圓盤形，其下表面的外緣與所述保溫層的上表面相抵，中部對(duì)應(yīng)所述反應(yīng)器空腔的區(qū)域設(shè)置有允許氣體通過的呈規(guī)則排列的氣孔；優(yōu)選的，所述氣孔為圓形通道，且氣孔的排列形狀呈圓形。

9、根據(jù)本發(fā)明，所述催化劑支撐板與所述整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器和保溫材料的底端相抵，且催化劑支撐板與整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器底端的接觸區(qū)域設(shè)置有致密氣孔。

10、根據(jù)本發(fā)明，所述保溫材料的材質(zhì)選自玻璃棉、巖棉、硅酸鋁、和復(fù)合硅酸鹽中的一種或多種的組合。

11、本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供了上述的基于導(dǎo)電加熱整體式蜂窩結(jié)構(gòu)的電驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器的應(yīng)用，用于甲烷蒸汽/干氣重整或甲烷聯(lián)合/三重整的吸熱反應(yīng)體系的反應(yīng)器。

12、本發(fā)明具有以下有益效果：

13、1、本發(fā)明的電驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器使用電加熱替代傳統(tǒng)的燃料油加熱，減少了二氧化碳排放和裝置占地面積；通過在筒體內(nèi)設(shè)置整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器，在通電時(shí)能夠快速響應(yīng)，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到反應(yīng)溫度，節(jié)省了開車時(shí)間。

14、2、通過在整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器的細(xì)長流體通道中填充催化劑顆粒，有效縮短了熱量傳遞路徑，流體通道外壁持續(xù)發(fā)熱和均勻的熱量供給可減少局部過熱現(xiàn)象，進(jìn)一步提升了熱量傳遞效率和能量利用率，使得反應(yīng)更加充分，避免了因溫度不均勻?qū)е碌姆磻?yīng)效率降低。

15、3、本發(fā)明的基于導(dǎo)電加熱整體式蜂窩結(jié)構(gòu)的電驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡單，操作方便且節(jié)能環(huán)保，有利于在生產(chǎn)實(shí)踐中推廣應(yīng)用。

技術(shù)特征：

1.一種基于導(dǎo)電加熱整體式蜂窩結(jié)構(gòu)的電驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器，其特征在于，所述電驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器包括一個(gè)筒體(4)，該筒體(4)的內(nèi)部設(shè)置有在通電條件下產(chǎn)生焦耳熱的整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器(9)，該整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器(9)為柱形，其內(nèi)部形成有規(guī)則排布的若干縱向流體通道(12)，該流體通道(12)內(nèi)填充有催化劑顆粒(10)；所述整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器(9)的外壁與筒體(4)的內(nèi)壁之間填充有保溫材料(13)；所述筒體(4)的上端和下端分別設(shè)有上封頭(2)和下封頭(5)，且上封頭(2)上設(shè)有氣體進(jìn)口(1)，下封頭(5)上設(shè)有氣體出口(6)；所述上封頭(2)與筒體(4)之間設(shè)有氣體分布器(3)，所述下封頭(5)與筒體(4)之間則設(shè)有催化劑支撐板(8)；所述整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器(9)的外壁上設(shè)有帶狀引流導(dǎo)體(11)，且筒體(4)上對(duì)應(yīng)所述帶狀引流導(dǎo)體(11)的位置設(shè)有相應(yīng)的導(dǎo)線接口(7)，所述帶狀引流導(dǎo)體(11)通過導(dǎo)線經(jīng)所述導(dǎo)線接口(7)引出反應(yīng)器與外部電源相接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器，其特征在于，所述流體通道(12)的截面為正三角形、正四邊形或正六邊形，且所有流體通道(12)均具有相同的壁厚。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器，其特征在于，所述流體通道(12)內(nèi)填充的催化劑顆粒(10)的外形選自球形、圓柱形、拉西環(huán)、四孔柱、和七孔柱中的一種或多種的組合。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器，其特征在于，所述催化劑顆粒(10)自每一流體通道(12)的底部隨機(jī)堆積至流體通道(12)的頂部。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器，其特征在于，所述整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器(9)的材質(zhì)選自fe、cr、ni、cu、al、co、si或其合金，所述帶狀引流導(dǎo)體(11)的材質(zhì)選自fe、cr、ni、cu、al、co、si或其合金，且電阻率低于整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器(9)的材質(zhì)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器，其特征在于，所述保溫材料(13)的上端高出所述整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器(9)的上表面，從而在蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器(9)與氣體分布器(3)之間形成一個(gè)反應(yīng)器空腔(14)；所述保溫材料(13)的下端與筒體(4)的下端以及整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器(9)的下端平齊。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器，其特征在于，所述氣體分布器(3)為與筒體(4)的內(nèi)壁相匹配的圓盤形，其下表面的外緣與所述保溫層(13)的上表面相抵，中部對(duì)應(yīng)所述反應(yīng)器空腔(14)的區(qū)域設(shè)置有允許氣體通過的呈規(guī)則排列的氣孔(15)；優(yōu)選的，所述氣孔(15)為圓形通道，且氣孔(15)的排列形狀呈圓形。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器，其特征在于，所述催化劑支撐板(8)與所述整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器(9)和保溫材料(13)的底端相抵，且催化劑支撐板(8)與整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器(9)底端的接觸區(qū)域設(shè)置有致密氣孔。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器，其特征在于，所述保溫材料(13)的材質(zhì)選自玻璃棉、巖棉、硅酸鋁、和復(fù)合硅酸鹽中的一種或多種的組合。

10.權(quán)利要求1～9中任一項(xiàng)所述的基于導(dǎo)電加熱整體式蜂窩結(jié)構(gòu)的電驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器的應(yīng)用，其特征在于，用于甲烷蒸汽/干氣重整或甲烷聯(lián)合/三重整的吸熱反應(yīng)體系的反應(yīng)器。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于導(dǎo)電加熱整體式蜂窩結(jié)構(gòu)的電驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器，包括一個(gè)筒體，內(nèi)部設(shè)置有在通電條件下產(chǎn)生焦耳熱的整體式蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器，該蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器為柱形，其內(nèi)部形成有規(guī)則排布的縱向流體通道，通道內(nèi)填充催化劑顆粒；所述蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器的外壁與筒體內(nèi)壁之間填充有保溫材料；所述筒體的上端和下端分別設(shè)有上封頭和下封頭；所述上封頭與筒體之間設(shè)有氣體分布器，所述下封頭與筒體之間則設(shè)有催化劑支撐板；所述蜂窩結(jié)構(gòu)加熱器的外壁上設(shè)有帶狀引流導(dǎo)體，通過導(dǎo)線接口引出反應(yīng)器與外部電源相接。本發(fā)明還公開了所述電驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器的應(yīng)用。本發(fā)明的電驅(qū)動(dòng)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡單，操作方便且節(jié)能環(huán)保，有利于在生產(chǎn)實(shí)踐中推廣應(yīng)用。

技術(shù)研發(fā)人員：段學(xué)志,施堯,隋亞男,曹約強(qiáng),周興貴
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華東理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19