專利名稱：一種便攜式乙醇自熱制氫反應器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種小型自熱重整制氫反應器，尤其是可以實現原料在催化床層均勻分布的乙醇重整制氫反應器。
背景技術：
隨著氫燃料電池技術的發展，要求開發便攜式移動氫源。由于乙醇可以通過生物質發酵技術獲得，以乙醇為原料的重整制氫技術可以減少在目前的熱化學制氫技術中(X)2 的凈排放。乙醇重整制氫機的實現要求設計開發與之匹配的高性能微型制氫反應器。乙醇熱化學重整制氫的方法主要包括以下3類C2H50H+3H20 — 6H2+2C02 (重整反應 SRE，強吸熱)C2H5OH+1. 502 — 3H2+2C02 (部分氧化 Ρ0Ε，強放熱)C2H50H+0 . 502+2H20 — 5H2+2C02 (自熱重整 ATRE，放熱)SRE可以提供較高的H2得率，但是強吸熱使得該反應必須采用外部能源供熱。對于小型化制氫機來說，這不僅意味著系統的復雜，而且無法擺脫對于電網或其他燃料的依賴，難以用于移動能源或應急電源等。POE雖然可以解決上述問題，但氫氣得率較低。在醇水燃料中混入部分氧氣可以兼顧前兩者的優點，在適當的計量比下，反應放熱可以維持體系在自熱狀況下工作，從而無需外加熱，稱為自熱重整。為獲得便攜式移動氫源，必須有效的提高反應效率，降低反應器體積，以提高反應器的移動性能。因此不依賴外部供熱的自熱重整制氫是較為合適的制氫方式。由于加工技術的進步，反應區域在微米到毫米尺度的微型反應器以其優越的熱、 質傳遞性能在催化氧化(燃燒)、加氫、重整等眾多領域得到應用。目前乙醇重整制氫微型反應器的形式主要包括基于平板微通道的板式反應器和采用規整蜂窩陶瓷或泡沫陶瓷等整體化催化劑載體的筒式反應器。對于前者，到目前為止，在低雷諾數(0. 1 < Re < 10)條件下原料在微通道/結構反應器內部的原料的分布性能的研究和設計已經較為充分。但對于便攜式乙醇自熱重整制氫反應器，考慮到熱量管理的需要，反應器通常需要采用筒式結構。相比于板式反應器，其特點為原料處理量大，雷諾數高(100 < Re < 2000)，氣體在反應器入口的流速較高(每秒可達十到數十米)。由于微型反應器的制氫性能嚴重依賴原料在催化劑表面的分布效果，如果在進行反應器設計時，考慮入口原料分布及優化方面的工作，可顯著提高反應器性能。該入口分布機構的設計要點應充分適應緊湊的小型反應器的特點，以結構簡單、體積小、安裝可靠和簡易為宜。一些報道中采用了噴嘴對入口的反應物 (乙醇和水的液態混合物)進行霧化分散，但是霧化噴嘴往往需要附加的氣壓裝置，且結構較為精細和復雜，在結構緊湊的微型反應器中的安裝難度較高，且不適用于入口反應物均為氣相蒸汽的情況。
發明內容本實用新型針對乙醇自熱重整制氫反應過程中，反應器空速高，催化劑表面流速大，原料在催化床層分布不均勻；反應器操作彈性小、放大困難的問題，提供一種反應器內部原料分布均勻、制氫效率高、結構緊湊、形式簡單的裝置。通過在反應器的原料入口安裝特定結構的內構件(分布器)，可以保證反應器在具有緊湊的結構的前提下具有優良的分布性能。本實用新型采用在反應器入口安裝障礙物型內構件的方法，適當增加原料在進入負載催化劑的陶瓷泡沫層前的壓降，合理的改變流體在進入陶瓷泡沫層前的流動方向，從而提高原料在陶瓷泡沫層表面的分布效果，提高反應器的制氫性能。本實用新型的目的通過如下技術方案實現一種便攜式乙醇自熱制氫反應器，包括反應筒體，兩對內、外法蘭蓋，入、出口管， 分布器以及負載催化劑的陶瓷泡沫層；所述反應筒體上下兩端均焊接內法蘭蓋，內、外法蘭蓋密封對接，所述入、出口管分別焊接到上、下兩端的外法蘭蓋外側并與反應筒體相通，所述分布器位于反應筒體上部，并焊接在上端的外法蘭蓋內壁且正對入口管；所述陶瓷泡沫層設于反應筒體內。優選地，所述反應筒體的內壁設有石英保溫管。優選地，所述陶瓷泡沫層將反應筒體分隔成上下兩個腔室，陶瓷泡沫層的側邊緊
貼石英保溫管壁。優選地，所述陶瓷泡沫層由支撐管固定于反應筒體的中部或中下部。優選地，所述分布器為半球體，半球體的球面正對入口管，球面的頂點距離入口側外法蘭蓋內壁0. 1 3mm。優選地，所述半球體的直徑為反應器筒體內徑的20% 50%。優選地，所述分布器為圓錐體，圓錐頂部正對入口管，錐頂距離入口側外法蘭蓋內壁 0. 1 3mm。優選地，所述圓錐體底面圓的直徑為反應器筒體內徑的10% 20%，高度為催化劑層上表面與反應原料入口的距離的10% 15%。優選地，所述反應筒體的內壁和石英保溫管之間還裝有石墨墊片。上述反應器采用筒式結構，由不銹鋼材料加工，內部添加石英襯管以提高反應器的保溫性能，襯管和金屬器壁之間裝有石墨墊片，以防止原料從兩者之間的縫隙流過。整個反應器安置于保溫盒之中，并在兩者之間的空間填充石英棉。催化劑置于反應器的中底部， 原料如乙醇-水、空氣的混和氣從入口管進入反應器。反應后的產品氣從底部的管道流出。 催化劑層上表面與反應原料入口的距離為70mm。入口處(如圖1中劃圓的區域)安裝內構件作為分布器。入口處與陶瓷泡沫層上表面具有較大的距離，以促進原料在到達陶瓷泡沫層前充分擴散，在陶瓷泡沫層上均勻分布。反應生成的氣體由反應器的出口管導出。所述反應器的陶瓷泡沫層采用一種^O2陶瓷泡沫負載的貴金屬Irzla2O3催化劑， 其在反應器軸向的位置由石英支撐管固定。在催化劑層和反應器主體之間襯有石英保溫管，以減少熱量損失。與現有技術相比本實用新型的有益效果如下(1)本實用新型的反應器可以實現原料在催化劑表面均勻分布，反應過程中催化泡沫底面溫差一般在10-30°C。反應器在較寬的空速范圍內(0. 1 2X105l/h)具有較高的自熱重整制氫性能，乙醇轉化率大于90%，氫氣選擇性超過70%。而不添加任何內構件的反應器，其乙醇轉化率低于85 %，氫氣選擇性低于65 %。(2)本實用新型的反應器結構緊湊，原料利用效率高，能量密度高，安裝的內構件后仍能保證反應器具有優良的移動性能。(3)本實用新型的反應器具有較短的反應啟動時間，當反應器預熱到300 400°C 后，反應啟動時間小于100s。(4)本實用新型的反應器具有較低的壓降。

圖1為本實用新型的利用半球形內構件改善原料分布性能的反應器的結構示意圖。圖2為圖1中半球形內構件的放大圖。圖3為本實用新型的利用圓錐形內構件改善原料分布性能的反應器的結構示意圖。圖4為圖3中圓錐形內構件的放大圖。圖5為圖1中A-A向剖視圖。圖6為圖1中B-B向剖視圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實例對本實用新型做進一步說明。實施例1如圖1所示，一種便攜式乙醇自熱制氫反應器，反應器采用筒式結構，由不銹鋼材料加工，包括反應筒體1，入口管2，出口管8，兩對內、外法蘭蓋6、5，分布器3，石英支撐管 7，石英保溫管9以及負載催化劑的陶瓷泡沫層4。反應筒體1由不銹鋼加工，內徑88mm，高度120mm，兩端均焊接內法蘭蓋6。內、外法蘭蓋6、5對接，并采用直徑6mm的螺絲配合石墨墊片10密封。入口管2和出口管8均采用不銹鋼材料加工，分別焊接到兩外法蘭蓋5上，管路外徑19mm，內徑15mm。所述分布器為半徑為14mm的不銹鋼半球，其焊接在上端外法蘭蓋5內壁上，球面正對入口管2，球面的頂端距離入口側外法蘭蓋內壁為1mm。反應筒體1內部添加石英保溫管9以提高反應器的保溫性能，減少熱量損失。石英保溫管外徑86mm，內徑82mm。石英保溫管9和反應筒體1的器壁之間還裝有石墨墊片12， 以防止原料從兩者之間的縫隙流過。負載催化劑的陶瓷泡沫層4是采用一種^O2陶瓷泡沫負載的貴金屬Irzla2O3催化劑，制成直徑80mm，高度30mm的圓柱形，置于反應筒體1內，其底部由石英支撐管7固定。 石英支撐管外徑82mm，內徑76mm，長度20mm。陶瓷泡沫層4上表面與反應原料入口的距離為70mm。入口與陶瓷泡沫層上表面具有較大的距離，以促進原料在到達陶瓷泡沫層前充分擴散，在陶瓷泡沫層上均勻分布。整個反應器安置于保溫盒之中，并在兩者之間的空間填充石英棉。進料為乙醇、脫鹽水和空氣。乙醇流量100mol/h，水流量200mol/h，空氣流量 83mol/h (按氧氣流量計算)。進料壓力1.2MPa，原料乙醇和水配成溶液，300°C氣化，空氣常溫進樣。反應前，采用外部的電加熱器件11將陶瓷泡沫層預熱到300°C。空氣和乙醇水混和蒸氣由入口管1進入反應器，混和并在分布器3處發生分散，隨后進入陶瓷泡沫層4。由于陶瓷泡沫層4負載的催化劑的作用，原料在催化劑表面迅速發生反應，陶瓷泡沫層中心溫度在90s內升高到650°C，穩定后中心至邊壁溫度差為15°C，同時獲得富氫氣體。反應后的產品氣從出口管8流出。反應啟動后，整個體系不需要額外熱量供給。該實用新型的乙醇轉化率95%，氫氣選擇性73%。實施例2本實施例與實施例1的不同之處在于所述分布器為圓錐體，其高度為8mm，圓錐底面半徑為6mm，圓錐頂部正對入口管， 錐頂距離入口側外法蘭蓋內壁1mm，如圖3所示。空氣和乙醇水混和蒸氣由入口管1進入反應器，混和并在分布器3處發生分散，隨后進入陶瓷泡沫層4。由于催化劑的作用，原料在催化劑表面迅速發生反應，陶瓷泡沫層中心溫度在95s內升高到650°C，穩定后中心至邊壁溫度差為50°C，同時獲得富氫氣體。反應后的產品氣從出口管8流出。反應啟動后，整個體系不需要額外熱量供給。該實用新型的乙醇轉化率91 %，氫氣選擇性70 %。實施例3本實施例與實施例1不同之處在于，半球形分布器3的半徑為10mm。該實用新型的乙醇轉化率93%，氫氣選擇性73%。實施例4本實施例與實施例1不同之處在于，半球形分布器3的半徑為20mm。該實用新型的乙醇轉化率91%，氫氣選擇性72%。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求1.一種便攜式乙醇自熱制氫反應器，其特征在于，包括反應筒體，兩對內、外法蘭蓋， 入、出口管，分布器以及負載催化劑的陶瓷泡沫層；所述反應筒體上下兩端均焊接內法蘭蓋，內、外法蘭蓋密封對接，所述入、出口管分別焊接到上、下兩端的外法蘭蓋外側并與反應筒體相通，所述分布器位于反應筒體上部，并焊接在上端的外法蘭蓋內壁且正對入口管；所述陶瓷泡沫層設于反應筒體內。
2.根據權利要求1所述的反應器，其特征在于，所述反應筒體的內壁設有石英保溫管。
3.根據權利要求2所述的反應器，其特征在于，所述陶瓷泡沫層將反應筒體分隔成上下兩個腔室，陶瓷泡沫層的側邊緊貼石英保溫管壁。
4.根據權利要求3所述的反應器，其特征在于，所述反應筒體的內壁和石英保溫管之間還裝有石墨墊片。
5.根據權利要求1或2或3或4所述的反應器，其特征在于，所述陶瓷泡沫層由支撐管固定于反應筒體的中部或中下部。
6.根據權利要求5所述的反應器，其特征在于，所述分布器為半球體，半球體的球面正對入口管，球面的頂點距離入口側外法蘭蓋內壁0. 1 3mm。
7.根據權利要求6所述的反應器，其特征在于，所述半球體的直徑為反應器筒體內徑的20% 50%。
8.根據權利要求5所述的反應器，其特征在于，所述分布器為圓錐體，圓錐頂部正對入口管，錐頂距離入口側外法蘭蓋內壁0. 1 3mm。
9.根據權利要求8所述的反應器，其特征在于，所述圓錐體底面圓的直徑為反應器筒體內徑的10% 20%，高度為催化劑層上表面與反應原料入口的距離的10% 15%。
專利摘要本實用新型公開了一種便攜式乙醇自熱制氫反應器，包括反應筒體，兩對內、外法蘭蓋，入、出口管，分布器以及負載催化劑的陶瓷泡沫層；所述反應筒體上下兩端均焊接內法蘭蓋，內、外法蘭蓋密封對接，所述入、出口管分別焊接到上、下兩端的外法蘭蓋外側并與反應筒體相通，所述分布器位于反應筒體上部，并焊接在上端的外法蘭蓋內壁且正對入口管；所述陶瓷泡沫層設于反應筒體內。本實用新型的反應器可以實現原料在催化劑表面均勻分布，乙醇轉化率大于90％，氫氣選擇性超過70％。該反應器結構緊湊，原料利用效率高，能量密度高，安裝的內構件后仍能保證反應器具有優良的移動性能。
文檔編號C01B3/32GK202089764SQ201120147490
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月10日 優先權日2011年5月10日
發明者余皓, 彭峰, 王紅娟, 陳鴻慶 申請人:華南理工大學