阅读说明：本技术 一种自供热型甲醇重整制氢设备 (Self-heating methanol reforming hydrogen production equipment ) 是由 周伟 郑天清 曾鹏辉 褚旭阳 耿达 杨一凡 袁丁 于 2019-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种自供热型甲醇重整制氢设备,包括原料供给模块、催化剂激活模块、反应器模块和氢气纯化模块；所述反应器模块包括自供热反应腔、重整反应腔和电热板；所述原料供给模块包括空气供给组件、甲醇供给组件和混合液供给组件；所述催化剂激活模块与重整反应腔连接；所述氢气纯化模块与重整反应腔连接,用于收集和纯化产物氢气。本发明通过甲醇催化燃烧的方式给甲醇重整制氢过程供热,以交替层叠的方式将甲醇催化与重整反应耦合在一起,并通过钯膜进行氢气的高效纯化,可实现甲醇重整制氢过程的均匀自供热,反应过程压降小,反应性能良好,结构紧凑,方便扩展,装拆方便,具有很好的实用性。(The invention discloses self-heating methanol reforming hydrogen production equipment which comprises a raw material supply module, a catalyst activation module, a reactor module and a hydrogen purification module, wherein the raw material supply module is used for supplying a catalyst to a reactor; the reactor module comprises a self-heating reaction cavity, a reforming reaction cavity and an electric heating plate; the raw material supply module comprises an air supply assembly, a methanol supply assembly and a mixed liquid supply assembly; the catalyst activation module is connected with the reforming reaction cavity; the hydrogen purification module is connected with the reforming reaction cavity and is used for collecting and purifying the product hydrogen. The invention supplies heat to the methanol reforming hydrogen production process in a methanol catalytic combustion mode, couples methanol catalysis and reforming reaction together in an alternate stacking mode, and efficiently purifies hydrogen through the palladium membrane, thereby realizing uniform self-heat supply in the methanol reforming hydrogen production process, and having the advantages of small pressure drop in the reaction process, good reaction performance, compact structure, convenient expansion, convenient assembly and disassembly and good practicability.)

一种自供热型甲醇重整制氢设备

技术领域

本发明属于纯氢制备领域，具体涉及一种自供热型甲醇重整制氢设备。

背景技术

氢能因其能量利用率高、环保而被视为代替传统能源的未来理想能源。而以甲醇为原料重整制氢具有反应温度低、能耗小、储存和运输容易、加料方便、安全等优点,具有广泛的应用前景。目前甲醇重整制氢设备多采用填充催化剂剂颗粒的列管式反应器制氢，并采用电加热等方式给列管式反应器供热，体积大且重，而列管式反应器是甲醇重整制氢设备体积大且重的主要原因，列管式反应器同时还存在无法根据不同的制氢需求进行装置的改变的问题。甲醇重整制氢设备还存在用颗粒状的催化剂作为催化剂载体，造成甲醇重整制氢过程的气体流动压阻大，且颗粒状催化剂不好填装；仅利用电加热等方式给列管式反应器供热，难以保证对反应器内反应气体的均匀供热。

由此，迫切需要设计一种新的甲醇重整制氢设备以克服现有甲醇重整制氢设备存在的上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种自供热型甲醇重整制氢设备，解决了上述背景技术中的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种自供热型甲醇重整制氢设备，包括原料供给模块、催化剂激活模块、反应器模块和氢气纯化模块，所述原料供给模块、催化剂激活模块与反应器模块连接，所述反应器模块与氢气纯化模块连接；

所述反应器模块包括自供热反应腔、重整反应腔和电热板，所述自供热反应腔与重整反应腔依次连接设置，所述自供热反应腔通过甲醇燃烧向重整反应腔供热，所述电热板包裹于自供热反应腔与重整反应腔外周；

所述原料供给模块包括空气供给组件、甲醇供给组件和混合液供给组件；所述空气供给组件和甲醇供给组件与自供热反应腔连接，用于向自供热反应腔内供给空气和甲醇供燃烧产热；所述混合液供给组件与重整反应腔连接，用于向重整反应腔内供给甲醇与水的混合液用于重整制氢反应；

所述催化剂激活模块与重整反应腔连接；

所述氢气纯化模块与重整反应腔连接，用于收集和纯化产物氢气。

在本发明一较佳实施例中，所述自供热反应腔和重整反应腔由腔板层叠设置组成，所述腔板包括边框和腔室，所述边框设有流道孔，所述腔室设置贯通内外的内腔孔。

在本发明一较佳实施例中，所述腔室内嵌有催化剂载体板，所述催化剂载体板上设置负载催化剂的孔洞。

在本发明一较佳实施例中，所述腔室在内腔孔所在位置的边缘设有斜壁。

在本发明一较佳实施例中，所述腔板间设有密封片，所述密封片开设有与流道孔和内腔孔位置相适配的贯穿孔。

在本发明一较佳实施例中，所述自供热反应腔和重整反应腔前置有自热蒸发腔板、重整蒸发腔板，用于蒸发液体原料。

在本发明一较佳实施例中，所述自供热反应腔包括混合自供热腔板以及自供热腔板，所述原料供给模块供给的空气和甲醇，分别穿过自热蒸发腔板，并在混合自供热腔板的腔室内混合反应，所述自供热腔板的腔室内填充有混合自供热腔板反应后的气体。

在本发明一较佳实施例中，所述重整反应腔包括重整腔板，所述原料供给模块供给甲醇与水的混合液穿过重整蒸发腔板，在重整反应腔板内发生甲醇重整制氢反应，重整腔板与自供热腔板交替层叠设置。

在本发明一较佳实施例中，所述自供热反应腔的入口端、重整反应腔的出口端设有端部腔板，所述端部腔板通过气管和卡套与原料供给模块或氢气纯化模块连接。

在本发明一较佳实施例中，所述甲醇供给组件和混合液供给组件包括储液容器和供给管路，所述储液容器的出口设置单向阀，所述供给管路上设有齿轮泵、压力表、流量计和/或针型阀。

在本发明一较佳实施例中，所述氢气纯化模块包括钯管纯化器和加热炉，所述钯管纯化器设有纯氢出口和尾气出口，所述纯氢出口和尾气出口外连接有散热板、针型阀和单向阀，所述纯氢出口还连接有气相色谱仪。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

1、本发明的反应器模块以交替层叠的形式进行自供热腔与重整腔装配，可实现对甲醇重整制氢过程的均匀加热，并可根据制氢需求，进行腔板的数量增减和自供热型甲醇重整制氢微反应器的结构改变；

2、本发明的钯锌催化剂与铂催化剂分别负载在具有高比表面积的泡沫铜上，负载在催化剂的泡沫铜再安装在重整腔板与自供热腔板内，可实现良好的催化反应性能、低的反应过程压降，以及便利的催化剂装填过程；

3、本发明液体的原料供给组件上设置单向阀，可实现溶液抽取，以及防止溶液的挥发；同时反应器模块设置电热板，可实现反应运行前的预热与反应运行后的保温；

4、本发明氢气纯化模块中的纯氢出口与尾气出口分别设置单向阀，可防止空气的返流，可保证钯管的性能；且模块中的纯氢出口连接针型阀后，再与气相色谱仪连接，可实现对氢气纯度的监测；

5、本发明可实现甲醇重整制氢过程的均匀自供热，反应过程压降小，反应性能良好，结构紧凑，方便扩展，装拆方便。本发明所述的一种自供热型甲醇重整高效制氢设备具有良好的使用性能。

附图说明

图1为本发明流程示意图；

图2为本发明结构示意图；

图3为反应器模块***图；

图4为腔板的排布示意图；

图5为入口自热蒸发腔板的等轴测视图；

图6为自热蒸发腔板的等轴测视图；

图7为混合自供热腔板的等轴测视图；

图8为重整蒸发腔板的等轴测视图；

图9为自供热腔板的等轴测视图；

图10为重整腔板的等轴测视图；

图11为出口腔板的主视图；

图12为石墨密封片的主视图；

图13为催化剂载体的等轴测视图。

其中，1.型材；2.反应器模块；2-1.气管；2-2.卡套；2-3.入口自热蒸发腔板；2-4.自热蒸发腔板；2-5.混合自供热腔板；2-6.重整蒸发腔板；2-7.自供热腔板；2-8.重整腔板；2-9.出口腔板；2-10.电热板；2-11.密封片；2-12.催化剂载体；3.催化剂激活模块；6-1.流量计；6-2.压力表；6-3.齿轮泵A；6-4.齿轮泵B；6-5.空压机；6-6.甲醇储液容器；6-7.甲醇和水混合液储液容器；7-3.加热炉。

具体实施方式

如图1，本实施例的一种自供热型甲醇重整制氢设备，设置于矩形框架型材1内，包括原料供给模块、催化剂激活模块3、反应器模块2和氢气纯化模块，所述原料供给模块、催化剂激活模块3与反应器模块2连接，所述反应器模块2与氢气纯化模块连接；

所述反应器模块2包括自供热反应腔、重整反应腔和电热板2-10，所述自供热反应腔与重整反应腔依次连接设置，所述自供热反应腔通过甲醇燃烧向重整反应腔供热，所述电热板2-10包裹于自供热反应腔与重整反应腔外周；

所述自供热反应腔和重整反应腔由腔板层叠设置组成，所述腔板包括边框和腔室，所述边框设有流道孔，所述腔室设置贯通内外的内腔孔。如图4～10，本实施例中的腔板为矩形，腔室为不规则半开放凹槽，腔室的内壁由直线和斜壁组成，所述直线对称分布形成用于嵌入催化剂载体2-12板的矩形，所述内腔孔设置于相邻斜壁形成的顶角上，斜壁起到导流的作用。

所述腔室内嵌有催化剂载体2-12板，所述催化剂载体2-12板上设置负载催化剂的孔洞。如图13，本实施例采用具有高比表面积泡沫铜的金属骨架作为钯锌催化剂与铂催化剂的载体，该载体为矩形，上面阵列分布若干孔洞。设置于混合自供热腔板2-5上的泡沫铜通过浸渍法负载上铂催化剂，设置于重整腔板2-8上的泡沫铜通过浸渍法负载上钯锌催化剂，实现对催化反应催化剂的快速填装，并减小了反应过程中反应气体的压阻，以及提升了催化反应的性能。

如图12，所述腔板间设有密封片2-11，所述密封片2-11开设有与流道孔和内腔孔位置相适配的贯穿孔。本实施例采用石墨密封片2-11，其形状与腔板相适配，腔板层叠设置时夹设密封片2-11，腔室在开放的一侧被石墨密封片2-11压紧，形成包围空间，通过内腔孔和贯穿孔进行腔室内外部气体或液体交换，无需进入腔室的流体，通过流道孔和贯穿孔直接到达下一处。

所述自供热反应腔的入口端、重整反应腔的出口端设有端部腔板，本实施例的端部腔板为入口自热蒸发腔板2-3和出口腔板2-9，，所述入口自热蒸发腔板2-3通过气管2-1和卡套2-2与原料供给模块连接，所述出口腔板2-9与氢气纯化模块连接。

在本实施例中，所述自供热反应腔包括混合自供热腔板2-5以及与重整腔板2-8交替层叠设置的自供热腔板2-7，所述原料供给模块供给的空气和甲醇，分别穿过入口自热蒸发腔板2-3、自热蒸发腔板2-4并在混合自供热腔板2-5的腔室内混合反应，所述自供热腔板2-7的腔室内填充有混合自供热腔板2-5反应后的气体。所述重整反应腔包括重整腔板2-8，所述重整腔板2-8与自供热腔板2-7交替层叠设置，所述重整腔板2-8用于甲醇重整制氢反应。

如图3，本实施例的各腔板、催化剂载体2-12和密封片2-11紧密层叠设置后，电热板2-10包裹于其外周，在反应运行前，对液态甲醇和混合液原料进行预热，使其在入口自热蒸发腔板2-3、自热蒸发腔板2-4或重整蒸发腔板2-6内汽化，引发后续的自供热或重整反应；同时，电热板2-10内有保温棉，实现反应运行后的保温。

所述原料供给模块包括空气供给组件、甲醇供给组件和混合液供给组件；所述空气供给组件和甲醇供给组件与自供热反应腔连接，用于向自供热反应腔内供给空气和甲醇供燃烧产热；所述混合液供给组件与重整反应腔连接，用于向重整反应腔内供给甲醇与水的混合液用于重整制氢反应；

在本实施例中，所述空气供给组件包括空压机6-5，所述空压机6-5连接至自供热反应腔；所述甲醇供给组件包括甲醇储液容器6-6和第一供给管路，所述供给管路上设有齿轮泵A6-3，所述第一供给管路连接至自供热反应腔；所述混合液供给组件包括所述甲醇与水混合液储液容器6-7和第二供给管路，所述第二供给管路上设有齿轮泵B 6-4、压力表6-2、流量计6-1和针型阀A。液体的储液溶液上设置单向阀，一方面用于液体原料的抽取，另一方面防止溶液的挥发。

所述催化剂激活模块3与重整反应腔连接，催化剂激活模块3用于通入氢气、氮气等用于激活钯锌催化剂，其连接管路上设有针型阀B；

所述氢气纯化模块与重整反应腔连接，用于收集和纯化产物氢气。本实施例的氢气纯化模块包括钯管纯化器和加热炉7-3，所述钯管纯化器设有纯氢出口和尾气出口。如图1，所述纯氢出口连接至散热板、针型阀，最后通过单向阀至纯氢收集装置；所述尾气出口外连接有散热板、针型阀和单向阀排出；针型阀用于调节流速与钯管的工作压力，单向阀用于以防止空气返流到钯管，影响钯管的使用性能。同时，两个出口的气体在散热后通过单向阀控制进入气相色谱仪进行检测，实现对氢气纯度的监测。

如图3～10，本实施例腔板上设置于边框不流经腔室的流道孔为：入口自热蒸发腔板2-3的A、C孔；自热蒸发腔板2-4的A、C孔；混合自供热腔板2-5的A孔；重整蒸发腔板2-6的B、C孔；自供热腔板2-7的A、C孔；以及重整腔板2-8的B、C孔；而，内腔孔为入口自热蒸发腔板2-3的B孔；自热蒸发腔板2-4的B孔；混合自供热腔板2-5的B、C孔；重整蒸发腔板2-6的A孔；自供热腔板2-7的B孔；以及重整腔板2-8的A、D孔；

反应过程中的流体流向如下：

1、自供热反应：甲醇由入口自热蒸发腔板2-3的B孔流入，利用加热板在入口自热蒸发腔板2-3的腔室内扩散蒸发，经自热蒸发腔板2-4的B孔，在自热蒸发腔板2-4的腔室内再次扩散蒸发，经混合自供热腔板2-5的B孔，进入混合自供热腔板2-5的腔室；催化燃烧用的空气经入口自热蒸发腔板2-3的C孔，再经过自热蒸发腔板2-4的C孔，由混合自供热腔板2-5的C孔进入混合自供热腔板2-5的腔室，在泡沫铜上铂催化剂的催化作用下，与催化燃烧用的甲醇发生反应；燃烧后的甲醇与空气混合气经重整蒸发腔板2-6的B孔，进入自供热腔板2-7的B孔，在自供热腔板2-7的腔室内扩散，经重整腔板2-8的C孔，进入自供热腔板2-7的B孔，经自供热腔板2-7的腔室内扩散，经之后的重整腔板2-8的B孔，进入另一个自供热腔板2-7的B孔，经自供热腔板2-7的腔室内扩散，由出口腔板2-9的A孔流出；

2、重整反应：先通入催化剂激活气体按如下路径流通，随后甲醇由入口自热蒸发腔板2-3的A孔流入，经自热蒸发腔板2-4的A孔，再经混合自供热腔板2-5的A孔，进入重整蒸发腔板2-6的A孔，在重整蒸发腔板2-6的腔室内扩散，经自供热腔板2-7的C孔，进入重整腔板2-8的D孔；进入重整腔板2-8的甲醇与水混合气一方面在重整腔板2-8内扩散，在泡沫铜上钯锌催化剂的催化作用下发生甲醇重整反应，一方面经之后的自供热腔板2-7的C孔，进入之后的重整腔板2-8的D孔；进入重整腔板2-8的甲醇与水混合气一方面在重整腔板2-8内扩散，在泡沫铜上钯锌催化剂的催化作用下发生甲醇重整反应，一方面经另外一个自供热腔板2-7的C孔，由出口腔板2-9的B孔流出。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。