一种吸放热耦合的制氢反应器制造技术

本发明专利技术涉及一种吸放热耦合的制氢反应器。该反应器为同心圆式的多层圆筒结构，由外层到内层依次为低温反应原料腔，高温反应原料腔，制氢反应腔，燃烧反应腔，燃烧分布腔，燃烧混合腔及缓冲腔。本发明专利技术反应器充分利用了气流分布设计、不同反应的有效匹配，来保证反应器的高传热效率和反应温度的均匀分布，有效地实现了系统热量的合理分布及系统的稳定运行。通过原料的缓冲腔、分布腔、混合腔和分布腔的设计，解决了小型反应空间内的物料分布不均匀的问题。通过设计阀门组提高了制氢反应器的能量效率。综上，本发明专利技术的制氢反应器具有紧凑、小型的外型特点，具有高的燃烧效率和传热效率，减小吸热过程和放热过程的传热阻力，具有良好的应用前景。

A hydrogen absorption reactor with heat release coupling

The invention relates to a hydrogen production reactor with heat release and coupling. The reactor is a concentric circular multi-layer cylinder structure. From the outer layer to the inner layer, it is a low temperature reaction chamber, a high temperature reaction chamber, a hydrogen production reaction chamber, a combustion reaction chamber, a combustion distribution chamber, a combustion mixing chamber and a buffer chamber. The reactor fully utilizes the design of air distribution and the effective matching of different reactions to ensure the high heat transfer efficiency of the reactor and the uniform distribution of reaction temperature, and effectively realizes the reasonable distribution of heat of the system and the stable operation of the system. Through the design of buffer chamber, distribution chamber, mixing chamber and distribution chamber, the problem of uneven distribution of materials in small reaction space was solved. By designing the valve group, the energy efficiency of the hydrogen production reactor is improved. In summary, the hydrogen production reactor of the present invention has the characteristics of compact and small size, high combustion efficiency and heat transfer efficiency, and reduces the heat transfer resistance of the endothermic and exothermic processes, so it has a good application prospect.

【技术实现步骤摘要】
一种吸放热耦合的制氢反应器
本专利技术属于氢能源的
，具体涉及一种吸放热耦合的制氢反应器，通过强放热和强吸热的匹配，将含氢原料(醇、烷烃等)转化为富氢气体。
技术介绍
随着社会的发展，能源短缺、环境污染和温室效应等诸多问题已成为世界各国政府关注的焦点。为了保护人类赖以生存的环境并使经济持续发展，开发洁净的新能源和可再生能源正在成为世界各国经济发展的共同选择。氢能作为一种零碳或低碳能源，既可以存储又可以方便输运，以它为核心的“氢经济”可能带来能源结构的重大改变，从而减少或消除以争夺石油为目的的政治、军事冲突，有利于世界和平。作为洁净高效的“氢经济”利用新技术，氢能源的制备和燃料电池的应用已成为此领域的两个重要核心问题。随着氢能与燃料电池技术研发的深入，小型分布式和便携式燃料电池电源系统逐步成为新的产业增长点，将进一步拓展氢能及燃料电池技术应用的领域。然而，氢能制备的环节严重制约了目前氢能技术的进一步发展。尽管工业规模制氢技术的应用比较成熟，但将其简单缩小却远远不能满足燃料电池技术商品化对燃料氢的成本和接口相应技术的要求。因此，诸多研究人员对小型制氢反应器进行了研究：为了减小反应器体积，将传热、传质、不同反应过程综合进行的多功能反应器是研究的热点之一。在所有关于小型化烃类、醇类重整制氢反应器的研究中，最核心的关键问题就是提高放热源和吸热源之间的传热效率。一般采用错位间接耦合方式，即催化燃烧或者其它放热反应作为热源，利用热交换的方式为制氢吸热反应供热，可以最大程度提高产品气中氢气浓度。由于此类吸放热耦合的制氢反应器中涉及强放热反应和强吸热反应以及强放热反应和蒸发的耦合，其中热量的系统安排将直接影响到反应的性能。一旦热量在整个反应体系中的分布不合理，将导致多种负面影响，如反应转化率低、催化剂失活以及反应副产物多等，更为严重的是这种情况可能损坏反应器及其与反应器相连的管线。热量分布不合理的负面影响中最典型的就是反应器温度不好控制，使得催化剂的选择性和产率均较低。另外，对于将含氢原料(醇、烷烃等)转化为富氢气体的制氢过程，是通过给整个制氢反应过程输入足够的能量，让含氢原料中的碳氢键和碳碳键等断裂，形成氢、一氧化碳、二氧化碳等小分子物质。其中，最常见的输入能量的方式就是采用燃烧部分将含氢原料，通过其燃烧反应为制氢过程提供能量。对于这类吸热反应和放热反应同时进行的反应器，当吸热和放热的数量及速度不一致时，就会直接通过反应温度的变化而表现出来，放热速率过快，则会在吸热反应的区域表现为反应温度过高，更有可能出现局部过热严重，从而导致催化剂提前失活、副反应增多、产品气不合格等后果；而放热速率过慢，则会导致吸热反应的反应温度过低，直接导致反应转化率下降，甚至无法正常进行。由于未来对小型分布式和便携式燃料电池电源系统的市场需求和技术要求，一般此类制氢反应器内部空间相对较小，如何保证物料在较小空间内的混合与分布也是此类小型制氢反应器的核心问题之一。
技术实现思路
为弥补现有技术的不足，本专利技术要解决的技术问题之一是如何提高燃烧效率和传热效率，减小吸热过程和放热过程的传热阻力；本专利技术要解决的另一个技术问题就是如何提高整个制氢反应器的集成度，实现反应器的小型化。基于此本专利技术提供一种吸放热耦合的制氢反应器，通过强放热和强吸热的匹配，将含氢原料(醇、烷烃等)转化为富氢气体。通过采用多级混合、多段折流等方式，以保证反应物流的均匀分布及不同物流之间的充分混合。本专利技术的专利技术构思是这样的：首先，将提供反应热量的燃烧反应和提供富氢产品气的制氢反应集中于同一反应器内，达到易于强化传热的目的；还将原料的分布、混合、预热、气化等过程集中在同一反应器的不同部位，使得反应器满足体积紧凑，小型化的需求。为了实现上述的目的，本专利技术采用的技术方案是：一种吸放热耦合的制氢反应器，为同心圆式的多层圆筒结构，由外层到内层依次为低温反应原料腔，高温反应原料腔，制氢反应腔，燃烧反应腔，燃烧分布腔，燃烧混合腔及位于燃烧混合腔上方的缓冲腔，组成缓冲腔的空气缓冲腔和原料缓冲腔相连并连通，在空气缓冲腔上方设有空气入口，在原料缓冲腔上方设有燃烧原料入口，在制氢反应腔上方设有产品气出口，在燃烧分布腔上方设有燃烧尾气出口，燃烧原料入口与产品气出口之间设有阀门组，在反应器底部设有制氢原料入口和水入口。其中，低温反应原料腔，高温反应原料腔和制氢反应腔依次连通，燃烧反应腔与和制氢反应腔之间设有隔板将两腔完全隔断，使两腔独立密闭不存在两腔之间物流的相互交换和流动。两腔腔体内分别装有不同的催化剂。所述的空气缓冲腔、原料缓冲腔、燃烧混合腔两两连通，燃烧混合腔、燃烧分布腔和燃烧反应腔依次连通。在缓冲腔、原料缓冲腔、燃烧分布腔和燃烧混合腔内部均装有陶瓷类多孔蓄热填料，但具体的孔隙率和内部孔道规格不同；空气缓冲腔和原料缓冲腔内部多孔材料的孔隙率70-90％，内部孔道的当量直径为2-6毫米；燃烧分布腔和燃烧混合腔)内部多孔材料的孔隙率50-70％，内部孔道的当量直径为0.5-1毫米。燃烧分布腔和燃烧反应腔相邻并连通，燃烧分布腔和燃烧反应腔之间有一隔板，隔板上半部分使两腔完全隔离，隔板下半部分通过分布孔使两腔相连通。优选的，所述低温反应原料腔、高温反应原料腔的内部设计有多孔金属波纹曲面，曲面厚度0.2mm-1mm，曲面上有冲孔，其当量直径0.3mm-2mm；材质可采用不锈钢、铝或铜。制氢反应器内主要发生两类化学反应，制氢反应腔内发生吸热的化学反应，主要为含氢原料(醇、烷烃等)转化为富氢气体的化学反应；而燃烧反应腔内主要发生放热的化学反应，为整个反应器的稳定运行提供所有需要的热量。燃烧反应腔内参与反应的物质是：在制氢反应器启动时，采用由燃烧原料入口进入的反应原料和空气入口进入的空气在燃烧反应腔中的催化燃烧反应提供整个反应器的运行能量。当制氢反应器稳定运行后，通过阀门组实现流程切换，由燃烧原料入口进入的反应原料按相应的切换流程切换为制氢反应腔的部分产品气。采用来自制氢反应腔的部分产品气和空气入口进入的空气在燃烧反应腔中的催化燃烧反应提供整个反应器的运行能量。优选的，所述阀门组包括设在燃烧原料入口上方阀V1，产品气出口上方阀V2和燃烧原料入口、产品气出口之间阀V3，在制氢反应器运行初期，阀V1、和阀V2为全开状态，阀V3为全闭状态。由燃烧原料入口向反应器通入反应原料，由空气入口向反应器通入空气，原料和空气最终接触并进行燃烧反应；反应器的产品气由产品气出口流出本专利技术的反应器。当系统稳定运行后，反应物流控制阀门组开始启动调节，首先缓慢关小阀V1直至其完全关闭，在关小阀V1的同时必须缓慢打开阀V3；在阀V1完全关闭后，根据监测的温度信号T，反馈调节阀V2、阀V3，通过控制监测的压力信号P，来分配出口流入的物流；当监测的温度信号T达到指定要求并稳定不变后，反应器即完成一次完整切换。切换完成后，阀V2通过温度信号、压力信号关联，不断自动微调阀V2开启度，保证合适数量的部分产品气不经过产品气出口，而是经由阀V3再次进入反应器。上述耦合制氢反应器中，反应原料可来源于甲醇或乙醇等醇类，或甲烷、天然气和液化气等烃类。反应原料和水分别由制氢原料入口和水入口进入，在反应器的底部进行混合后就依次流经反应原料腔、高温反应原料腔和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种吸放热耦合的制氢反应器，其特征在于，为同心圆式的多层圆筒结构，由外层到内层依次为低温反应原料腔(18)，高温反应原料腔(17)，制氢反应腔(16)，燃烧反应腔(15)，燃烧分布腔(13)，燃烧混合腔(14)及位于燃烧混合腔(14)上方的缓冲腔，组成缓冲腔的空气缓冲腔(11)和原料缓冲腔(12)相连并连通，在空气缓冲腔(11)上方设有空气入口(2)，在原料缓冲腔(12)上方设有燃烧原料入口(1)，在制氢反应腔(16)上方设有产品气出口(5)，在燃烧分布腔(13)上方设有燃烧尾气出口(6)，燃烧原料入口(1)与产品气出口(5)之间设有阀门组，在反应器底部设有制氢原料入口(3)和水入口(4)。

【技术特征摘要】
1.一种吸放热耦合的制氢反应器，其特征在于，为同心圆式的多层圆筒结构，由外层到内层依次为低温反应原料腔(18)，高温反应原料腔(17)，制氢反应腔(16)，燃烧反应腔(15)，燃烧分布腔(13)，燃烧混合腔(14)及位于燃烧混合腔(14)上方的缓冲腔，组成缓冲腔的空气缓冲腔(11)和原料缓冲腔(12)相连并连通，在空气缓冲腔(11)上方设有空气入口(2)，在原料缓冲腔(12)上方设有燃烧原料入口(1)，在制氢反应腔(16)上方设有产品气出口(5)，在燃烧分布腔(13)上方设有燃烧尾气出口(6)，燃烧原料入口(1)与产品气出口(5)之间设有阀门组，在反应器底部设有制氢原料入口(3)和水入口(4)。2.根据权利要求1所述的制氢反应器，其特征在于，低温反应原料腔(18)，高温反应原料腔(17)和制氢反应腔(16)依次连通，燃烧反应腔(15)与和制氢反应腔(16)之间设有隔板将两腔完全隔断且两腔腔体内装有催化剂。3.根据权利要求1所述的制氢反应器，其特征在于，所述的空气缓冲腔(11)、原料缓冲腔(12)、燃烧混合腔(14)两两连通；燃烧混合腔(14)、燃烧分布腔(13)和燃烧反应腔(15)依次连通。4.根据权利要求1所述的制氢反应器，其特征在于，燃烧分布腔(13)和燃烧...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘立卫，张晶，钟和香，周毅，
申请(专利权)人：大连大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21