CN113019276A - 一种醇类重整制氢的柔性微反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种醇类重整制氢的柔性微反应器，该微反应器可保证制氢反应有效进行的情况下实现在复杂空间内弯曲、扭转等位移变形，解决了传统制氢反应器空间适应性差的缺点；由于其具有安装灵活性，降低了醇类重整制氢反应器对环境稳定性的依赖，可以应对不同场合的需求。且，加热带缠绕在柔性耐高温聚合物腔体外周，有效缓冲了弯折对整个醇类重整制氢反应过程带来的温度影响，并解决了加热温度不均匀的问题。该微反应器结构紧凑小巧，与传统反应器相比具有一定灵活性和稳定性，可以起到一定的防震减震的效果，具有抗冲击性，可以保证在环境动荡时制氢反应稳定进行，为复杂动态环境下氢气的制取提供了新可能。

Description

一种醇类重整制氢的柔性微反应器

技术领域

本发明涉及一种醇类重整制氢的柔性微反应器，特别是涉及了一种用于甲醇重整制氢的柔性微反应器。

背景技术

氢能具有清洁高效、绿色环保的特点，被视为在未来可替代传统能源的理想能源。在众多制氢方法中，醇类重整制氢具有能量密度高、可再生、运输便捷等优势，是实现现场制氢的有效途径之一。醇类重整制氢微应器具有高比表面积、强传质传热特性和抑制剧烈反应引发的链式效应(防止爆炸)等优势，得到了广大研究者的关注。其中甲醇来源广泛、制氢副产物少、产氢效率高、反应温度较为温和(只需200℃-300℃)，使甲醇重整制氢得到较为广泛的应用。

申请号为201210448874.4的中国发明专利公开了一种层叠式微凸台阵列型重整制氢微反应器，可以用于中、小流量醇类重整制氢场合，具有填装更换方便的特点，但是它整体结构为不锈钢结构，灵活性较差。

申请号为201720667571.X的中国发明专利公开了一种带孔径孔隙率渐变催化剂载体的制氢微反应器，采用沿气流流动方向孔隙率逐渐减小的反应载体，减少重整单元入口气体流量脉动，提高反应腔内流速分布均匀度。但是其采用柔性石墨垫进行密封，使整体反应器灵活性较差，无法适应较为复杂的空间环境。

虽然研究者们对微反应器的研究取了不小的进展，然而醇类重整制氢对环境的稳定性要求较高，目前的微反应器依然无法满足其对于航天、航海等动态复杂工况的要求。因此有必要设计一种具有柔弹性、抗冲击性等特性的制氢微反应器。

发明内容

本发明提供了一种醇类重整制氢的柔性微反应器，其克服了背景技术所存在的不足。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种醇类重整制氢的柔性微反应器，其特征在于：它包括柔性耐高温聚合物腔体、至少两段多孔金属反应载体和加热装置，柔性耐高温聚合物腔体具有入口和出口，腔体入口处连接有蒸发单元，腔体出口处连接有后处理单元，所述多孔金属反应载体紧贴在柔性耐高温聚合物腔体内壁且相邻两个多孔金属反应载体之间间隔布置，且位于两端的多孔金属反应载体分别与柔性耐高温聚合物腔体的入口处和出口处之间均具有间隙；所述加热装置包括加热带，该加热带缠绕在柔性耐高温聚合物腔体外周。

一较佳实施例之中：所述加热带螺旋缠绕并布满在柔性耐高温聚合物腔体外周。

一较佳实施例之中：所述加热装置还包括测温片，该测温片固接在柔性耐高温聚合物腔体外周并与加热带电性连接。

一较佳实施例之中：所述柔性耐高温聚合物腔体采用具有柔弹性并可在300℃的高温环境中正常工作的材质。

一较佳实施例之中：所述多孔金属反应载体为泡沫铜、铜纤维烧结板或泡沫铝中的一种或几种混合组成。

一较佳实施例之中：所有的多孔金属反应载体的长度完全相同或部分相同或完全不同。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

1.该微反应器可保证制氢反应有效进行的情况下实现在复杂空间内弯曲、扭转等位移变形，解决了传统制氢反应器空间适应性差的缺点；

2.由于其具有安装灵活性，降低了醇类重整制氢反应器对环境稳定性的依赖，可以应对不同场合的需求；

3.加热带缠绕在柔性耐高温聚合物腔体外周，有效缓冲了弯折对整个醇类重整制氢反应过程带来的温度影响，并解决了加热温度不均匀的问题；

综上所述该微反应器结构紧凑小巧，与传统反应器相比具有一定灵活性和稳定性，可以起到一定的防震减震的效果，具有抗冲击性，可以保证在环境动荡时制氢反应稳定进行，为复杂动态环境下氢气的制取提供了新可能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1绘示了一较佳实施例的一种醇类重整制氢的柔性微反应器的整体示意图。

图2绘示了图1的剖视示意图。

图3绘示了气体流动路径示意图。

图4-a绘示了采用两段多孔金属反应载体的柔性微反应器弯折示意图。

图4-b绘示了采用三段多孔金属反应载体的柔性微反应器弯折示意图。

图4-c绘示了采用四段多孔金属反应载体的柔性微反应器弯折示意图。

其中，1为柔性耐高温聚合物腔体，2为多孔金属反应载体，3为加热装置，4为有机接头，5为金属卡箍，A为气体流入入口，B为重整制氢催化反应区域，C为多孔金属反应载体间的间隙，D为气体流出出口。

具体实施方式

本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“第一”、“第二”或“第三”等，都是为了区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。

本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，对于方位词，如使用术语“中心”、“横向”、“纵向”、“水平”、“垂直”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位或位置关系乃基于附图所示的方位和位置关系，且仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或以特定的方位构造和操作，所以也不能理解为限制本发明的具体保护范围。

本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，除非另有明确限定，如使用术语“固接”、“固定连接”，应作广义理解，即两者之间没有位移关系和相对转动关系的任何连接方式，也就是说包括不可拆卸的固定连接、可拆卸的固定连接、连为一体以及通过其他装置或元件固定连接。

本发明的权利要求书、说明书及上述附图中，如使用术语“包括”、“具有”、以及它们的变形，意图在于“包含但不限于”。

请查阅图1至图4，一种醇类重整制氢的柔性微反应器的一较佳实施例，所述的一种醇类重整制氢的柔性微反应器，它包括柔性耐高温聚合物腔体1、至少两段多孔金属反应载体2和加热装置3，柔性耐高温聚合物腔体1具有入口和出口，腔体入口处连接有蒸发单元，腔体出口处连接有后处理单元，所述多孔金属反应载体2紧贴在柔性耐高温聚合物腔体1内壁且相邻两个多孔金属反应载体2之间间隔布置，且位于两端的多孔金属反应载体2分别与柔性耐高温聚合物腔体1的入口处和出口处之间均具有间隙；所述加热装置3包括加热带，该加热带缠绕在柔性耐高温聚合物腔体1外周。当外部环境动荡时，多孔金属反应载体2之间以及多孔金属反应载体2与腔体入口处或出口处之间均可承担一部分的变形，可以使柔性微反应器整体实现复杂变形；且多孔金属反应载体2可以提高足够的支撑约束，并可以防止柔性耐高温聚合物腔体1发生坍塌，阻塞内部通路。

本实施例中，如图1所示，所述加热带螺旋缠绕并布满在柔性耐高温聚合物腔体1外周。且，所述加热装置3还包括测温片，该测温片固接在柔性耐高温聚合物腔体1外周并与加热带电性连接。具体的，测温片与加热带之间可通过一个温度控制器进行连接。

本实施例中，所述柔性耐高温聚合物腔体1采用具有柔弹性并可在300℃的高温环境中正常工作的材质如硅橡胶材质，或者，也可采用其他柔性材质，不以此为限。所述多孔金属反应载体2可以为泡沫铜、铜纤维烧结板或泡沫铝中的一种或几种混合组成，本实施例中采用的是泡沫铜材质。本实施例中，所有的多孔金属反应载体2的长度完全相同，根据需要，或所有的多孔金属反应载体2的长度可以部分相同或完全不同，不以此为限。

本实施例中，还包括两个有机接头4，所述腔体入口处与蒸发单元之间通过其中一个有机接头4进行连接，腔体出口处与后处理单元之间通过另一个有机接头4进行连接。具体的，所述有机接头4采用聚酰亚胺材质。且，腔体入口处与有机接头4之间、腔体出口处与有机接头4之间均通过金属卡箍5进行密封连接，以保证在进行高温反应时整个反应器的气密性。

本实施例中，如图3所示，该柔性微反应器包含四个多孔金属反应载体2，四个多孔金属反应载体2形成四个反应区域B。或者，也可包含两个或三个不等的多孔金属反应载体2，不以此为限。

醇类、水的混合液，通过蒸发单元在高温下变为气体反应物；随后，混合气体经过气体流入入口A进入微反应器，在催化剂的作用下，在反应区域B处发生重整制氢反应，最后到达气体流出出口D进行冷凝收集等处理。间隙C在反应器弯曲、扭转过程中起到缓冲的作用，避免多孔金属反应载体2被外力挤压破坏。

本发明可采用的醇类为甲醇或者乙醇等低碳醇，下面采用甲醇水蒸气重整制氢来阐述本发明的工作原理。

在甲醇重整制氢反应器中进行的水蒸气重整反应包括三个反应，所示如下：

甲醇重整(SR)

CH₃OH+H₂O→3H₂+CO₂

水汽逆变换(rWGS)

CO₂+H₂→H₂O+CO

甲醇分解(DE)

CH₃OH→2H₂+CO

所述的多孔金属反应载体2上负载有催化剂，用于甲醇水蒸气重整制氢。

催化剂的负载方式如下：

多孔金属反应载体2的预处理：为了去除多孔金属反应载体表面的杂质,将多孔金属反应载体2放入去离子水中，再放入超声波清洗机中清洗15min,随后放入在鼓风干燥箱里面烘干。

催化剂的制备:将催化剂粉末与水、乙醇按照一定比例进行混合，并按照一定比例加入联合剂。

催化剂的负载:将混有催化剂的悬浊液放置于磁力搅拌器上进行搅拌，搅拌后将多孔金属反应载体放入催化剂悬浊液中进行主动负载。随后将负载后的多孔金属反应载体放入鼓风干燥箱进行烘干，如此反复直至负载完全。

制氢反应开始前，从气体流入入口A处通入保护气氮气，清除通道内残留的杂质气体。随后，使用加热装置3的加热带对反应器进行加热，使整个反应器保持在300℃。随后，将含H₂体积分数5％的N₂/H₂混合气体从气体流入入口A处通入柔性耐高温聚合物腔体1中，对多孔金属反应载体2上的催化剂进行还原。待催化剂还原完成后，将反应温度调至重整制氢温度，甲醇水的混合溶液在注射泵的推动下流入蒸发腔内，经过蒸发单元加热后得到甲醇与水混合蒸汽。接着混合蒸汽到达气体流入入口A，流经多段多孔金属反应载体2所在的反应区域B，进行甲醇重整制氢反应，产生氢气和二氧化碳等混合气体，经过有机接头5到达气体流出出口D，流向后处理单元，在后处理单元进行对于氢气的提纯和收集。

由此，本发明醇类重整制氢的柔性微反应器由于柔性耐高温聚合物腔体1具有一定的柔性，且内部多段多孔金属反应载体2间隔排列，可在不造成多孔金属反应载体2被挤压破坏的情况下实现在复杂空间内弯曲、扭转等位移变形，解决了传统制氢反应器不能弯折的缺点。与传统反应器相比增进了一定灵活性和稳定性、可以应对复杂多变的空间环境，降低了醇类重整制氢反应器对环境稳定性的依赖。并通过缠绕加热，贴片测温等优化手段，有效缓冲了弯折对整个制氢反应过程带来的温度影响，并很好的解决了温度不均匀的问题。柔性反应器还可起到一定的防震减震的效果，具有抗冲击性，保证反应器在复杂工况下平稳运行。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (6)

1.一种醇类重整制氢的柔性微反应器，其特征在于：它包括柔性耐高温聚合物腔体、至少两段多孔金属反应载体和加热装置，柔性耐高温聚合物腔体具有入口和出口，腔体入口处连接有蒸发单元，腔体出口处连接有后处理单元，所述多孔金属反应载体紧贴在柔性耐高温聚合物腔体内壁且相邻两个多孔金属反应载体之间间隔布置，且位于两端的多孔金属反应载体分别与柔性耐高温聚合物腔体的入口处和出口处之间均具有间隙；所述加热装置包括加热带，该加热带缠绕在柔性耐高温聚合物腔体外周。

2.根据权利要求1所述的一种醇类重整制氢的柔性微反应器，其特征在于：所述加热带螺旋缠绕并布满在柔性耐高温聚合物腔体外周。

3.根据权利要求2所述的一种醇类重整制氢的柔性微反应器，其特征在于：所述加热装置还包括测温片，该测温片固接在柔性耐高温聚合物腔体外周并与加热带电性连接。

4.根据权利要求1所述的一种醇类重整制氢的柔性微反应器，其特征在于：所述柔性耐高温聚合物腔体采用具有柔弹性并可在300℃的高温环境中正常工作的材质。

5.根据权利要求1所述的一种醇类重整制氢的柔性微反应器，其特征在于：所述多孔金属反应载体为泡沫铜、铜纤维烧结板或泡沫铝中的一种或几种混合组成。

6.根据权利要求1所述的一种醇类重整制氢的柔性微反应器，其特征在于：所有的多孔金属反应载体的长度完全相同或部分相同或完全不同。

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