一种氨分解制氢与板式膜反应器集成用于制备高纯氢的装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种氨分解制氢与板式膜反应器集成用于制备高纯氢的装置，包括制氢反应器1和膜反应/纯化器2，制氢反应器1内装填有氨分解催化剂3，其侧壁上设有与其内部反应室连通的原料气进口11和尾气出口12，膜反应/纯化器2包括透氢膜21和纯化室22，纯化室22的侧壁上设有氢气出口221，制氢反应器1的反应室与纯化室22之间通过透氢膜21隔开。其中，透氢膜为非贵金属材料，具有只允许氢传输特性，分离纯化的氢为高纯氢。本发明专利技术可用于多种模式下高纯氢的制备，该装置具有结构紧凑，适用范围广，制氢转化率高，同时可在简单工序和低成本条件下高效率连续制备高纯氢，在未来高纯氢制备领域具有广泛的应用前景。具有广泛的应用前景。具有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种氨分解制氢与板式膜反应器集成用于制备高纯氢的装置


[0001]本专利技术涉及高纯氢制备
，具体涉及一种氨分解制氢与板式膜反应器集成用于制备高纯氢的装置。

技术介绍

[0002]氢气是新能源领域未来最有前途的选择之一，被认为是一种绿色能源载体。氢在能量密度、可运输性、长期储存、多功能性和转换为其他形式能源的灵活性之间取得了良好的平衡。此外，全球变暖的环境问题直接推动了以环保方式生产氢气的无碳方法的研究。因此，相对于碳氢化物(如甲烷和甲醇)制氢，氨分解制氢不会产生碳氧化物，是一种很有前途的制氢方式。
[0003]用于制氢的氨分解过程通常由方程式描述为：
[0004][0005]氨分解制备的氢通常为含氮和氨的混合气，因此需要通过分离纯化技术制备高纯氢以满足工业领域中氢的应用。目前，一般采用高温催化氨分解后再通过变压吸附的方式制备高纯氢。然而，该方式存在耗能高，氨转化率低，设备规模大且复杂，制氢纯度低等缺点，无法满足未来分布式制氢特点和高纯氢快速增长需求。其中，膜分离纯化技术作为一种简单，高效和低成本的方法与制氢相结合，是实现制备高纯氢的一种有效途径。然而，透氢膜材料通常为Pd基多孔载体复合膜，其制备工艺复杂，选择性低且材料价格昂贵，导致制氢成本显著增加。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术通过改进膜反应器结构以及钒合金薄壁管代替传统钯管，提供一种氨分解制氢与板式膜反应器集成用于制备高纯氢的装置，该装置制氢能耗低，氨转化率高，制氢纯度高，同时装置规模小，可满足未来分布式制氢需求。
[0007]本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种氨分解制氢与板式膜反应器集成用于制备高纯氢的装置，包括用于氨分解制氢的制氢反应器和分离氢的膜反应/纯化器，所述制氢反应器内装填有氨分解催化剂，其侧壁上设有与其内部反应室连通的原料气进口和尾气出口，所述膜反应/纯化器包括透氢膜和纯化室，所述纯化室的侧壁上设有氢气出口，所述制氢反应器的反应室与所述纯化室之间通过所述透氢膜隔开。
[0009]所述的制氢反应器和膜反应/纯化器为一体式反应器，所述膜反应/纯化器置于所述制氢反应器中。
[0010]所述透氢膜为平板状复合膜，包括基体层和设置在所述基体层两侧的氢解离/解吸催化层。
[0011]所述基体层材料为V或V合金中的一种。
[0012]优选地，所述V合金为V
‑
Fe合金、V
‑
Ni合金、V
‑
Al合金中的一种。
[0013]所述氢解离/解吸催化层材料为Pd合金、金属碳化物、金属氮化物、金属氧化物、非晶合金中的一种。
[0014]优选地，所述氢解离/解吸催化层材料为Pd合金。
[0015]所述透氢膜制备方式为轧制、剥离、熔体旋淬中的一种。
[0016]优选地，所述透氢膜制备方式为轧制。
[0017]所述基体层的厚度为0.005mm
‑
2mm，所述氢解离/解吸催化层的厚度为5
×
10
‑6mm
‑5×
10
‑4mm。
[0018]优选地，所述基体层的厚度为0.02mm
‑
0.3mm，所述氢解离/解吸催化层的厚度为3
×
10
‑5mm
‑1×
10
‑4mm。
[0019]所述氨分解催化剂装填在反应室内部、反应室内壁表面或所述反应室侧的所述透氢膜表面。
[0020]所述装置内设有n个所述膜反应/纯化器，其中n≥1，n个所述膜反应/纯化器并联或串联设置。
[0021]优选地，n个所述膜反应/纯化器并联设置。
[0022]所述制氢反应器为微反应器、固定床反应器或流化床反应器中的一种。
[0023]优选地，所述制氢反应器为微反应器。
[0024]所述制氢反应器的制氢催化反应为高温氨分解催化制氢反应。
[0025]所述氨分解催化剂为钌基合金、镍基合金、氧化铁中的一种。
[0026]优选地，所述氨分解催化剂为钌基合金。
[0027]所述的纯化室与透氢膜之间通过焊接密封为整体。
[0028]优选地，所述焊接方式为扩散焊或真空钎焊。
[0029]本专利技术技术方案，具有如下优点：
[0030]A、本专利技术装置可用于多种模式下高纯氢的制备。该装置具有结构紧凑，适用范围广，制氢转化率高，将膜分离/纯化与制氢反应相结合，极大减少了制氢过程，可满足分布式小规模制备高纯氢需求，此外，制氢反应与分离纯化过程同时进行，有利于氨分解反应正向进行，提高了氨转化率的同时降低了反应温度，从而极大减小了反应能耗。
[0031]B、本专利技术开发的非贵钒基致密合金膜氢渗透性能优异和选择性高，分离/纯化氢气的回收率和纯度高，此外，板式薄膜，制备工艺简单，与纯化室封装组合结构更灵活多样，有利于不同类型反应器的组装和应用。
附图说明
[0032]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033]图1为本专利技术氨分解制氢与板式膜反应器集成装置整体结构示意图；
[0034]图2为本专利技术中氨分解催化剂安装位置示意图(一)；
[0035]图3为本专利技术中氨分解催化剂安装位置示意图(二)；
[0036]图4为本专利技术中氨分解催化剂安装位置示意图(三)；
[0037]图5为本专利技术中钒基复合膜制备流程图；
[0038]图6为本专利技术中钒基合金膜轧制示意图；
[0039]图7为本专利技术中透氢膜剖面结构示意图；
[0040]图8为本专利技术中透氢膜性能测试装置示意图；
[0041]图9为本专利技术中透氢膜氢渗透性和温度关系图；
[0042]图10为本专利技术中膜分离/纯化器剖面结构示意图；
[0043]图11为本专利技术集成装置截面结构示意图(一)；
[0044]图12为本专利技术集成装置截面结构示意图(二)。
[0045]图中标识如下：
[0046]1‑
制氢反应器，11
‑
原料气进口，12
‑
尾气出口；2
‑
膜反应/纯化器，21
‑
透氢膜，211
‑
基体层，212
‑
解离/解吸催化层，22
‑
纯化室，221
‑
氢气出口；3
‑
氨分解催化剂；4
‑
多孔支撑体；5
‑
加热器；6
‑
温度传感器；7
‑
压力传感器；8
‑
气动电磁阀；9
‑
质量流量控制器；10
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氨分解制氢与板式膜反应器集成用于制备高纯氢的装置，其特征在于，所述装置包括用于氨分解制氢的制氢反应器(1)和分离氢的膜反应/纯化器(2)，所述制氢反应器(1)内装填有氨分解催化剂(3)，其侧壁上设有与其内部反应室连通的原料气进口(11)和尾气出口(12)，所述膜反应/纯化器(2)包括透氢膜(21)和纯化室(22)，所述纯化室(22)的侧壁上设有氢气出口(221)，所述制氢反应器(1)的反应室与所述纯化室(22)之间通过所述透氢膜(21)隔开。2.根据权利要求1所述的氨分解制氢与板式膜反应器集成用于制备高纯氢的装置，其特征在于，所述的制氢反应器(1)和膜反应/纯化器(2)为一体式反应器，所述膜反应/纯化器(2)置于所述制氢反应器(1)中。3.根据权利要求1所述的氨分解制氢与板式膜反应器集成用于制备高纯氢的装置，其特征在于，所述透氢膜(21)为平板状复合膜，包括基体层(211)和设置在所述基体层(211)两侧的氢解离/解吸催化层(212)。4.根据权利要求3所述的氨分解制氢与板式膜反应器集成用于制备高纯氢的装置，其特征在于，所述基体层(221)材料为V或V合金中的一种；所述氢解离/解吸催化层(212)材料为Pd合金、金属碳化物、金属氮化物、金属氧化物、非晶合金中的一种。5.根据权利要求4所述的氨分解制氢与板式膜反应器集成用于制备高纯氢的装置，其特征在于，所述V合金为...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪正鹏，李新中，商红岩，黄浩然，
申请(专利权)人：北京东方红升新能源应用技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：