一种氢碘酸分解制氢用反应器制造技术

一种氢碘酸分解制氢用反应器，属于化工设备和制氢技术领域。本实用新型专利技术提供的反应器为U型管式换热反应器，由管箱、管板、筒体及U形反应管等部件组成。与氢碘酸接触的部件如管箱、管板、筒体及U形反应管选用耐腐蚀的碳化硅或镍基合金，不与氢碘酸接触的部件如筒体可选用马氏体钢、奥氏体钢或镍基合金。本实用新型专利技术不仅具有结构简单、密封面少、传热性能较好、承压能力强、运行可靠等优势，且管束的U形端不加固定，可自由伸缩；因只有一块管板，单位传热面积的金属消耗量少，造价较低，非常适用于以核能或太阳能加热的高温氦气或熔盐对氢碘酸分解提供换热。

A reactor for hydrogen production by decomposition of hydroiodate

【技术实现步骤摘要】
一种氢碘酸分解制氢用反应器
本技术涉及一种氢碘酸分解制氢用的反应设备，尤其涉及一种氢碘酸分解用U型管换热式反应器，属于化工设备和制氢

技术介绍
氢作为一种重要的化工原料，已经被广泛应用于石油化工、化学工业、金属冶炼等众多领域。近年来，氢作为极具潜力的清洁能源而受到人们广泛关注。然而目前超过90％的氢都来自化石燃料转化，制氢过程不环保、制氢效率低等问题使得现有的制氢设备难以满足未来氢能经济对氢气的大规模需要。研究开发清洁、高效、可持续的大规模制氢设备成为氢能战略中的重要方向之一。以核能或太阳能为热源，经热化学循环可以实现较低温度下的水分解制氢，且过程无有毒有害物质排放。目前研究人员已经提出了百余种热化学循环制氢过程。碘硫(IS)热化学循环制氢被认为是最具应用前景的循环之一，引起世界上很多国家和机构的高度重视和广泛研究。IS循环由美国通用原子能(GA)公司于上世纪70年代提出，该循环过程由以下三个反应组成：(1)Bunsen反应：SO2+I2+2H2O→2HI+H2SO4(120℃)；(2)硫酸分解反应：H2SO4→H2O+SO2+1/2O2(800-900℃)；(3)氢碘酸分解反应:2HI→H2+I2(300-500℃)。上述三个反应耦合在一起的净反应为水分解：：H2O→H2+1/2O2。碘硫循环将原本在2500℃以上高温进行的水分解反应在800～900℃实现。该循环具有无温室气体排放、预期制氢效率高、与高温堆热匹配性好(高温堆提供的工艺热可以高达950℃，能很好的满足碘硫循环的热需求)等优势。因而，美国、日本、法国、韩国等国都将IS循环作为未来核能制氢的首选流程进行研究。遗憾的是，虽然碘硫循环自提出至今已被研究几十年，但是要使碘硫循环真正实现规模化长时间稳定闭合循环运行，仍有许多科学、技术及工程方面问题需要解决。其中基于工程材料的氢碘酸分解反应器的研发就是各国学者需要解决的尤为突出的问题之一。目前公开报道的氢碘酸分解反应器有四种：电加热的石英材质管式固定床反应器(文献1：SKubo,SKasahara,HOkuda,etal.Apilottestplanofthethermochemicalwater-splittingiodine-sulfurprocess.NuclearEngineeringandDesign,2004,233(1-3):355-362；文献2：LaijunWang,DaocaiLi,PingZhang,etal.TheHIcatalyticdecompositionforthelab-scaleH2producingapparatusoftheiodine-sulfurthermochemicalcycle.IntJHydrogenEnergy,2012,37:6415-6421)、电加热的HastelloyC-276材质的管式固定床反应器(文献3：KSKang,CHKim,JWKim,etal.HydrogenproductionbySIprocess,withelectrodialysisstackembeddedinHIdecompositionsection,IntJHydrogenEnergy,2016,41:4560-4569)、电加热的HastelloyC-276材质的径向流固定床反应器(aradialflowtypefixedbedreactor.文献4：SKasahara,JIwatsuki,HTakegami,etal.CurrentR&Dstatusofthermochemicalwatersplittingiodine-sulfurprocessinJapanAtomicEnergyAgency.IntJHydrogenEnergy,2017,42:13477-13485)、氦气加热的HastelloyC-276材质的列管式反应器(文献5：YShin,JLim,TLee,etal.DesignsandCFDanalysesofH2SO4andHIthermaldecomposersforasemi-pilotscaleSIhydrogenproductiontestfacility.AppliedEnergy,2017,204:390-402)。显然单管式的固定床反应器由于效率和经济性问题无法直接用于将来的碘硫热化学核能制氢。日本JAEA提出的径向流反应器虽然具有阻力小、空速大、反应气体分布均匀等优点。然而众所周知，径向流反应器最基本的结构是由两个多孔的同轴套筒组成,两套筒之间填充催化剂颗粒，反应气体穿过催化剂层径向流动。氢碘酸分解气氛为高温强酸强腐蚀气氛，多孔反应器的设计势必使反应器的强度及寿命大打折扣，且这种电加热的反应器无法直接用于高温气体换热促使氢碘酸分解。韩国KIER提出的管壳式换热反应器属于固定管板式换热器，在操作状态下由于管子与壳体的壁温不同，二者的热变形量也不同，从而在管子、壳体和管板中产生温差应力，另外反应器有两个管板对于密封要求极高，加工难度大。因此上述文献报道的氢碘酸分解反应均不是理想的制氢用反应器。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种氢碘酸分解制氢用反应器，使其不仅具有结构简单、密封面少、传热性能较好、承压能力强和造价低等优点，且工艺简单，运行可靠。本技术的技术方案如下：一种氢碘酸分解制氢用反应器，其特征在于：所述反应器主要包括管箱、筒体和多根U型换热反应管；管箱和筒体通过管板连接；在所述的管箱内设有分程隔板，管箱两侧设有反应物料进口和反应产物出口；所述的多根U型换热反应管设置在筒体内，且U型换热反应管与筒体内壁之间留有加热介质流道；所述U型换热反应管进口和出口分别通过管板与所述反应物料进口和反应产物出口连通；所述筒体的两侧分别设有加热介质输入口和加热介质输出口；在筒体中心的竖直平面上设有纵向隔板；所述分程隔板和所述纵向隔板通过管板位于所述的同一竖直平面上，且每根U型换热反应管反应物进口管段和产物出口管段关于纵向隔板呈对称布置。上述技术方案中，所述的管箱、分程隔板、管板和U型换热反应管采用以耐腐蚀的碳化硅或镍基合金为制造材质的管箱、分程隔板、管板和U型换热反应管；所述的筒体和纵向隔板是以马氏体钢、奥氏体钢或镍基合金为制造材质的筒体和纵向隔板。优选地，所述的管箱、分程隔板、管板和U型换热反应管采用以HastelloyC-276为制造材质管箱、分程隔板、管板和U型换热反应管；所述的筒体和纵向隔板采用以S31008不锈钢为制造材质的筒体和纵向隔板。本技术具有以下优点及有益效果：本技术所提供的一种氢碘酸分解制氢用反应器不仅具有结构简单、密封面少、传热性能较好、承压能力强等优势，且管束的U形端不加固定，可自由伸缩和；因该反应器只有一块管板，单位传热面积的金属消耗量少，造价较低，非常适用于以核能或太阳能加热的高温氦气或熔盐对氢碘酸分解提供换热。附图说明图1为本技术的逆流换热的氢碘酸分解制氢用反应器的结构原理示意图。图2为图1中A-A位置的横向截面图。图3为本技术的顺流换热的氢碘酸分解制氢用反应器的结构原理示意图。图中:1-分程隔板；2-管箱；3-筒体(壳体)；4-纵向隔板；5-U型本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氢碘酸分解制氢用反应器，其特征在于：所述反应器包括管箱(2)、筒体(3)和多根U型换热反应管(5)；管箱(2)和筒体(3)通过管板(6)连接；在所述的管箱内设有分程隔板(1)，管箱两侧设有反应物料进口(7)和反应产物出口(8)；所述的多根U型换热反应管(5)设置在筒体内，且U型换热反应管与筒体内壁之间留有加热介质流道；所述U型换热反应管进口和出口分别通过管板(6)与所述反应物料进口(7)和反应产物出口(8)连通；所述筒体的两侧分别设有加热介质输入口(9)和加热介质输出口(10)；在筒体中心的竖直平面上设有纵向隔板(4)；所述分程隔板(1)和所述纵向隔板(4)通过管板位于所述的同一竖直平面上，且每根U型换热反应管反应物进口管段和产物出口管段关于纵向隔板呈对称布置。

【技术特征摘要】
1.一种氢碘酸分解制氢用反应器，其特征在于：所述反应器包括管箱(2)、筒体(3)和多根U型换热反应管(5)；管箱(2)和筒体(3)通过管板(6)连接；在所述的管箱内设有分程隔板(1)，管箱两侧设有反应物料进口(7)和反应产物出口(8)；所述的多根U型换热反应管(5)设置在筒体内，且U型换热反应管与筒体内壁之间留有加热介质流道；所述U型换热反应管进口和出口分别通过管板(6)与所述反应物料进口(7)和反应产物出口(8)连通；所述筒体的两侧分别设有加热介质输入口(9)和加热介质输出口(10)；在筒体中心的竖直平面上设有纵向隔板(4)；所述分程隔板(1)和所述纵向隔板(4)通过管板位于所述的同一竖直平面上，且每根U型换热反应管反应物进口管...

【专利技术属性】
技术研发人员：王来军，李亚楠，张平，陈崧哲，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：新型
国别省市：北京,11