一种气体换热式反应器及硫酸催化分解方法技术

本发明专利技术属于化工领域，以及热化学循环制氢领域，尤其涉及一种气体换热式反应器，及利用该反应器进行的硫酸催化分解方法。本发明专利技术提出的气体换热式反应器，依靠高温气体进入外壳，加热其内设置的多个刺刀管内部换热式反应器组件，组件为套管结构，内外管之间的环隙容纳催化剂，并使经过其中的反应物料在加热条件下发生催化反应。该反应器的反应物料暂存区与附属输送泵、附属冷却器相连，部分反应物料被循环降温，从而确保管板与刺刀管内部换热式反应器组件之间，以及管板与测温组件之间的密封件不会因超温而发生损坏。该反应器可利用高温气体作为加热介质，实现硫酸的高效催化分解。

A gas heat exchange reactor and sulfuric acid catalytic decomposition method

【技术实现步骤摘要】
一种气体换热式反应器及硫酸催化分解方法
本专利技术属于化工领域，以及热化学循环制氢领域，尤其涉及一种气体换热式反应器，及利用该反应器进行的硫酸催化分解方法。
技术介绍
氢气是重要的工业原料，也是无污染、可再生的清洁能源及能源载体。除了在合成氨、合成甲醇等工业中的传统应用外，氢气在石油精炼、煤液化等领域的应用与需求近年来迅速增加；在作为能源用于燃料电池汽车、作为还原剂用于直接还原炼铁等领域需求也有巨大潜力[1]。2012年我国氢气产量已超过1600万吨，居世界第一，而且近年来以7％的速率在增长。但是目前氢气绝大部分由化石燃料转化制备，过程中排放大量CO2和其他有害气体。在对传统方法进行改进的同时，需要开发可持续的绿色制氢方法，以适应氢气作为工业原料和能源载体大规模应用的要求。若要减少或者消除CO2排放，前提条件之一是以水为原料制氢。但是由于水的直接分解需要2500℃以上的高温才能进行，在工程上难以实现；所以考虑将水分解反应通过由两个或多个热驱动的化学反应相耦合组成一个闭路循环来进行；除水以外的其它所有物料都在过程中循环使用，净结果为水分解得到氢和氧，这就是热化学循环分解水制氢。经过多年的研发与评估，国际上认为热化学碘硫(IS)循环和混合硫(HyS)循环是最有工业化前景的热化学分解水制氢流程。以核能特别是高温气冷反应堆的热能或太阳能，经热化学循环分解水，可实现氢气的高效、无排放、大规模制备。而高温气冷反应堆能够向化学化工过程提供900℃左右的高温工艺热，因此高温气冷反应堆的发展为气体换热式反应器的研发带来了机遇，也为硫酸分解反应提供了一种操作选择。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。HyS循环原理由美国西屋公司提出，包括HyS循环包括如下两步反应：SO2去极化电解反应：SO2+2H2O＝H2SO4+H230-120℃硫酸分解反应：H2SO4＝H2O+SO2+1/2O2，～850℃SO2电解产生硫酸和氢气，硫酸分解产生SO2再用于电解反应，如此组成闭合循环；净结果为水分解产生氢气和氧气。过程所需热和电可由太阳能提供。HyS循环研究在美国SavannahRiver国家实验室、南卡罗莱纳大学、法国原子能委员会、韩国能源研究院、我国清华大学等机构展开。硫酸分解是热化学碘硫循环、混合硫循环以及其他一些硫循环制氢工艺共同的步骤，是利用高温工艺热、实现高效制氢的核心环节。针对的硫酸分解反应已进行了大量研究，开发了高效催化剂，确定了硫酸分解能耗。但遗憾的是对于硫酸分解的设备，由于使用环境为高温、高压、强腐蚀性物料等苛刻条件，存在材料选择、结构设计、传热、密封以及制造等大量工程难题。目前在气体加热的换热式分解反应器方面，列管式或集束式管壳换热反应器的设计方案已经被提出，但工程设计、制造还未能实现。对于其中包含的刺刀管内部换热式硫酸分解组件，美国SNL公司提出了刺刀管式回热式的结构，通过冷热物流在圆筒套管中逆流换热，可以降低分解产物出口温度，使得与外部系统的连接与密封具备可能。文献1对刺刀管换热式组件进行了计算流体力学模拟。文献2提出了一种包含预热和分解的一体化硫酸分解器。文献3中，韩国原子能研究院提出了一种板翅式SO3分解反应器并进行了数值模拟。文献4中，日本原子力机构专利技术了一种氦气加热的硫酸分解反应器，但在密封结构、高温氦气进入与流出反应器方式、硫酸进入与离开反应器的方式等方面都存在一些缺陷。文献5提出了一种换热式硫酸催化分解反应器及催化方法。在实际操作时，上述方案中密封的可靠性都成为了非常重要的、亟待解决的问题。以文献5为例，采用气体加热时，为了达到良好的换热效果，必须采用高压、高温气体供热，这对刺刀管外管与管板之间的密封结构提出了非常高的要求，在反应过程中，所用的刺刀管会将热量快速地由换热区域传导至反应器底部刺刀管外管与管板之间的密封结构，很容易造成密封结构过热，从而引发严重泄露危险。综上，虽然目前对气体换热式反应器以及在硫酸分解反应方面的应用提出了一些概念设计，但由于气体加热的换热式硫酸分解设备需要在高温、高压、强腐蚀等非常苛刻的条件下使用，设备的设计、制造等存在大量的科学和工程难题，包括传热性能、温度与流速分布、材料选择、结构布置、密封方式等，因此目前国际上换热式反应器设计、制造及其在硫酸分解反应的应用还存在着巨大的改进空间。现有技术文献文献1：Nagarajan,etal.Numericalstudyofsulfurtrioxidedecompositioninbayonettypeheatexchangerandchemicaldecomposerwithporousmediazoneanddifferentpackedbeddesigns.IntJHydrogenEnergy.2008,33,6445-6455，2009，35：2543-2557文献2：Connollyetal,Designofacompositesulfuricaciddecompositionreactor,concentrator,andpreheaterforhydrogengeneration,IntJHydrogenEnergy.2009,4074-4087文献3：(Kimetal,Thermaldesignofalaboratory-scaleSO3decomposerfornuclearhydrogenproduction.IntJHydrogenEnergy,2008,33,3688-3699)文献4：日本专利JP2008-69053A文献5：中国专利技术专利《一种换热式硫酸催化分解反应器及催化方法》，申请号201910790954X。
技术实现思路
专利技术要解决的技术问题本专利技术的目的是提供一种气体加热的换热式反应器，在利用高温气体作为加热介质，实现硫酸的高效催化分解的同时，避免密封结构过热，从而引发严重泄露危险。同时本设备也有望用于其他的化学反应过程。用于解决技术问题的方法针对上述问题，本专利技术提出了一种气体换热式反应器，其包括：外壳、气体导流板、刺刀管内部换热式反应器组件、管板、内部绝热层、反应物进料单元、反应产物出料单元和物料循环冷却单元；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气体换热式反应器，其特征在于，包括：外壳、气体导流板、刺刀管内部换热式反应器组件、管板、内部绝热层、反应物进料单元、反应产物出料单元和物料循环冷却单元；/n外壳上具有加热气体入口和加热气体出口，加热气体入口位于外壳上部，气体导流板形成热交换腔室，气体导流板与外壳具有环形间隙，气体导流板下端与内部绝热层抵接，气体导流板下端与环形间隙连通，环形间隙与加热气体出口连通；/n管板安装于外壳下部，反应器下部外壳与管板在反应器下部分隔出了反应物进料单元和反应产物出料单元，刺刀管内部换热式反应器组件安装在管板上，刺刀管内部换热式反应器组件与管板之间依靠密封组件实现密封，反应物进料单元通过其上的反应物料循环冷却出口与反应物料循环冷却单元连接，反应物进料单元包括反应物暂存区，反应产物出料单元包括反应产物暂存区，反应物暂存区与反应物进料口连通，反应产物暂存区与反应产物出料口连通；/n刺刀管内部换热式反应器组件穿过内部绝热层与反应物暂存区和反应产物暂存区连通，其中，刺刀管内部换热式反应器组件内管与外管的环隙与反应物暂存区连通，反应管内管穿过反应物暂存区与反应产物暂存区连通。/n

【技术特征摘要】
1.一种气体换热式反应器，其特征在于，包括：外壳、气体导流板、刺刀管内部换热式反应器组件、管板、内部绝热层、反应物进料单元、反应产物出料单元和物料循环冷却单元；
外壳上具有加热气体入口和加热气体出口，加热气体入口位于外壳上部，气体导流板形成热交换腔室，气体导流板与外壳具有环形间隙，气体导流板下端与内部绝热层抵接，气体导流板下端与环形间隙连通，环形间隙与加热气体出口连通；
管板安装于外壳下部，反应器下部外壳与管板在反应器下部分隔出了反应物进料单元和反应产物出料单元，刺刀管内部换热式反应器组件安装在管板上，刺刀管内部换热式反应器组件与管板之间依靠密封组件实现密封，反应物进料单元通过其上的反应物料循环冷却出口与反应物料循环冷却单元连接，反应物进料单元包括反应物暂存区，反应产物出料单元包括反应产物暂存区，反应物暂存区与反应物进料口连通，反应产物暂存区与反应产物出料口连通；
刺刀管内部换热式反应器组件穿过内部绝热层与反应物暂存区和反应产物暂存区连通，其中，刺刀管内部换热式反应器组件内管与外管的环隙与反应物暂存区连通，反应管内管穿过反应物暂存区与反应产物暂存区连通。


2.根据权利要求1所述的反应器，其中，循环冷却单元包括附属冷却器、附属输送泵及连接管道，附属冷却器通过管道与反应物进料部件连通。


3.根据权利要求1或2所述的反应器，其中，热交换腔室中进一步设置用于实现气体分布与流速调节的隔板。


4.根...

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