专利名称：一种便携式乙醇自热制氢反应器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种小型自热重整制氢反应器，尤其是可以实现原料在催化床层均勻分布的乙醇重整制氢反应器。
背景技术：
随着氢燃料电池技术的发展，要求开发便携式移动氢源。由于乙醇可以通过生物质发酵技术获得，以乙醇为原料的重整制氢技术可以减少在目前的热化学制氢技术中(X)2 的净排放。乙醇重整制氢机的实现要求设计开发与之匹配的高性能微型制氢反应器。乙醇热化学重整制氢的方法主要包括以下3类C2H50H+3H20 — 6H2+2C02 (重整反应 SRE，强吸热)C2H5OH+1. 502 — 3H2+2C02 (部分氧化 Ρ0Ε，强放热)C2H50H+0 . 502+2H20 — 5H2+2C02 (自热重整 ATRE，放热)SRE可以提供较高的H2得率，但是强吸热使得该反应必须采用外部能源供热。对于小型化制氢机来说，这不仅意味着系统的复杂，而且无法摆脱对于电网或其他燃料的依赖，难以用于移动能源或应急电源等。POE虽然可以解决上述问题，但氢气得率较低。在醇水燃料中混入部分氧气可以兼顾前两者的优点，在适当的计量比下，反应放热可以维持体系在自热状况下工作，从而无需外加热，称为自热重整。为获得便携式移动氢源，必须有效的提高反应效率，降低反应器体积，以提高反应器的移动性能。因此不依赖外部供热的自热重整制氢是较为合适的制氢方式。由于加工技术的进步，反应区域在微米到毫米尺度的微型反应器以其优越的热、 质传递性能在催化氧化(燃烧)、加氢、重整等众多领域得到应用。目前乙醇重整制氢微型反应器的形式主要包括基于平板微通道的板式反应器和采用规整蜂窝陶瓷或泡沫陶瓷等整体化催化剂载体的筒式反应器。对于前者，到目前为止，在低雷诺数(0. 1 < Re < 10)条件下原料在微通道/结构反应器内部的原料的分布性能的研究和设计已经较为充分。但对于便携式乙醇自热重整制氢反应器，考虑到热量管理的需要，反应器通常需要采用筒式结构。相比于板式反应器，其特点为原料处理量大，雷诺数高(100 < Re < 2000)，气体在反应器入口的流速较高(每秒可达十到数十米)。由于微型反应器的制氢性能严重依赖原料在催化剂表面的分布效果，如果在进行反应器设计时，考虑入口原料分布及优化方面的工作，可显著提高反应器性能。该入口分布机构的设计要点应充分适应紧凑的小型反应器的特点，以结构简单、体积小、安装可靠和简易为宜。一些报道中采用了喷嘴对入口的反应物 (乙醇和水的液态混合物)进行雾化分散，但是雾化喷嘴往往需要附加的气压装置，且结构较为精细和复杂，在结构紧凑的微型反应器中的安装难度较高，且不适用于入口反应物均为气相蒸汽的情况。
发明内容本实用新型针对乙醇自热重整制氢反应过程中，反应器空速高，催化剂表面流速大，原料在催化床层分布不均勻；反应器操作弹性小、放大困难的问题，提供一种反应器内部原料分布均勻、制氢效率高、结构紧凑、形式简单的装置。通过在反应器的原料入口安装特定结构的内构件(分布器)，可以保证反应器在具有紧凑的结构的前提下具有优良的分布性能。本实用新型采用在反应器入口安装障碍物型内构件的方法，适当增加原料在进入负载催化剂的陶瓷泡沫层前的压降，合理的改变流体在进入陶瓷泡沫层前的流动方向，从而提高原料在陶瓷泡沫层表面的分布效果，提高反应器的制氢性能。本实用新型的目的通过如下技术方案实现一种便携式乙醇自热制氢反应器，包括反应筒体，两对内、外法兰盖，入、出口管， 分布器以及负载催化剂的陶瓷泡沫层；所述反应筒体上下两端均焊接内法兰盖，内、外法兰盖密封对接，所述入、出口管分别焊接到上、下两端的外法兰盖外侧并与反应筒体相通，所述分布器位于反应筒体上部，并焊接在上端的外法兰盖内壁且正对入口管；所述陶瓷泡沫层设于反应筒体内。优选地，所述反应筒体的内壁设有石英保温管。优选地，所述陶瓷泡沫层将反应筒体分隔成上下两个腔室，陶瓷泡沫层的侧边紧
贴石英保温管壁。优选地，所述陶瓷泡沫层由支撑管固定于反应筒体的中部或中下部。优选地，所述分布器为半球体，半球体的球面正对入口管，球面的顶点距离入口侧外法兰盖内壁0. 1 3mm。优选地，所述半球体的直径为反应器筒体内径的20% 50%。优选地，所述分布器为圆锥体，圆锥顶部正对入口管，锥顶距离入口侧外法兰盖内壁 0. 1 3mm。优选地，所述圆锥体底面圆的直径为反应器筒体内径的10% 20%，高度为催化剂层上表面与反应原料入口的距离的10% 15%。优选地，所述反应筒体的内壁和石英保温管之间还装有石墨垫片。上述反应器采用筒式结构，由不锈钢材料加工，内部添加石英衬管以提高反应器的保温性能，衬管和金属器壁之间装有石墨垫片，以防止原料从两者之间的缝隙流过。整个反应器安置于保温盒之中，并在两者之间的空间填充石英棉。催化剂置于反应器的中底部， 原料如乙醇-水、空气的混和气从入口管进入反应器。反应后的产品气从底部的管道流出。 催化剂层上表面与反应原料入口的距离为70mm。入口处(如图1中划圆的区域)安装内构件作为分布器。入口处与陶瓷泡沫层上表面具有较大的距离，以促进原料在到达陶瓷泡沫层前充分扩散，在陶瓷泡沫层上均勻分布。反应生成的气体由反应器的出口管导出。所述反应器的陶瓷泡沫层采用一种^O2陶瓷泡沫负载的贵金属Irzla2O3催化剂， 其在反应器轴向的位置由石英支撑管固定。在催化剂层和反应器主体之间衬有石英保温管，以减少热量损失。与现有技术相比本实用新型的有益效果如下(1)本实用新型的反应器可以实现原料在催化剂表面均勻分布，反应过程中催化泡沫底面温差一般在10-30°C。反应器在较宽的空速范围内(0. 1 2X105l/h)具有较高的自热重整制氢性能，乙醇转化率大于90%，氢气选择性超过70%。而不添加任何内构件的反应器，其乙醇转化率低于85 %，氢气选择性低于65 %。(2)本实用新型的反应器结构紧凑，原料利用效率高，能量密度高，安装的内构件后仍能保证反应器具有优良的移动性能。(3)本实用新型的反应器具有较短的反应启动时间，当反应器预热到300 400°C 后，反应启动时间小于100s。(4)本实用新型的反应器具有较低的压降。
图1为本实用新型的利用半球形内构件改善原料分布性能的反应器的结构示意图。图2为图1中半球形内构件的放大图。图3为本实用新型的利用圆锥形内构件改善原料分布性能的反应器的结构示意图。图4为图3中圆锥形内构件的放大图。图5为图1中A-A向剖视图。图6为图1中B-B向剖视图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实例对本实用新型做进一步说明。实施例1如图1所示，一种便携式乙醇自热制氢反应器，反应器采用筒式结构，由不锈钢材料加工，包括反应筒体1，入口管2，出口管8，两对内、外法兰盖6、5，分布器3，石英支撑管 7，石英保温管9以及负载催化剂的陶瓷泡沫层4。反应筒体1由不锈钢加工，内径88mm，高度120mm，两端均焊接内法兰盖6。内、外法兰盖6、5对接，并采用直径6mm的螺丝配合石墨垫片10密封。入口管2和出口管8均采用不锈钢材料加工，分别焊接到两外法兰盖5上，管路外径19mm，内径15mm。所述分布器为半径为14mm的不锈钢半球，其焊接在上端外法兰盖5内壁上，球面正对入口管2，球面的顶端距离入口侧外法兰盖内壁为1mm。反应筒体1内部添加石英保温管9以提高反应器的保温性能，减少热量损失。石英保温管外径86mm，内径82mm。石英保温管9和反应筒体1的器壁之间还装有石墨垫片12， 以防止原料从两者之间的缝隙流过。负载催化剂的陶瓷泡沫层4是采用一种^O2陶瓷泡沫负载的贵金属Irzla2O3催化剂，制成直径80mm，高度30mm的圆柱形，置于反应筒体1内，其底部由石英支撑管7固定。 石英支撑管外径82mm，内径76mm，长度20mm。陶瓷泡沫层4上表面与反应原料入口的距离为70mm。入口与陶瓷泡沫层上表面具有较大的距离，以促进原料在到达陶瓷泡沫层前充分扩散，在陶瓷泡沫层上均勻分布。整个反应器安置于保温盒之中，并在两者之间的空间填充石英棉。进料为乙醇、脱盐水和空气。乙醇流量100mol/h，水流量200mol/h，空气流量 83mol/h (按氧气流量计算)。进料压力1.2MPa，原料乙醇和水配成溶液，300°C气化，空气常温进样。反应前，采用外部的电加热器件11将陶瓷泡沫层预热到300°C。空气和乙醇水混和蒸气由入口管1进入反应器，混和并在分布器3处发生分散，随后进入陶瓷泡沫层4。由于陶瓷泡沫层4负载的催化剂的作用，原料在催化剂表面迅速发生反应，陶瓷泡沫层中心温度在90s内升高到650°C，稳定后中心至边壁温度差为15°C，同时获得富氢气体。反应后的产品气从出口管8流出。反应启动后，整个体系不需要额外热量供给。该实用新型的乙醇转化率95%，氢气选择性73%。实施例2本实施例与实施例1的不同之处在于所述分布器为圆锥体，其高度为8mm，圆锥底面半径为6mm，圆锥顶部正对入口管， 锥顶距离入口侧外法兰盖内壁1mm，如图3所示。空气和乙醇水混和蒸气由入口管1进入反应器，混和并在分布器3处发生分散，随后进入陶瓷泡沫层4。由于催化剂的作用，原料在催化剂表面迅速发生反应，陶瓷泡沫层中心温度在95s内升高到650°C，稳定后中心至边壁温度差为50°C，同时获得富氢气体。反应后的产品气从出口管8流出。反应启动后，整个体系不需要额外热量供给。该实用新型的乙醇转化率91 %，氢气选择性70 %。实施例3本实施例与实施例1不同之处在于，半球形分布器3的半径为10mm。该实用新型的乙醇转化率93%，氢气选择性73%。实施例4本实施例与实施例1不同之处在于，半球形分布器3的半径为20mm。该实用新型的乙醇转化率91%，氢气选择性72%。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求1.一种便携式乙醇自热制氢反应器，其特征在于，包括反应筒体，两对内、外法兰盖， 入、出口管，分布器以及负载催化剂的陶瓷泡沫层；所述反应筒体上下两端均焊接内法兰盖，内、外法兰盖密封对接，所述入、出口管分别焊接到上、下两端的外法兰盖外侧并与反应筒体相通，所述分布器位于反应筒体上部，并焊接在上端的外法兰盖内壁且正对入口管；所述陶瓷泡沫层设于反应筒体内。
2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述反应筒体的内壁设有石英保温管。
3.根据权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述陶瓷泡沫层将反应筒体分隔成上下两个腔室，陶瓷泡沫层的侧边紧贴石英保温管壁。
4.根据权利要求3所述的反应器，其特征在于，所述反应筒体的内壁和石英保温管之间还装有石墨垫片。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的反应器，其特征在于，所述陶瓷泡沫层由支撑管固定于反应筒体的中部或中下部。
6.根据权利要求5所述的反应器，其特征在于，所述分布器为半球体，半球体的球面正对入口管，球面的顶点距离入口侧外法兰盖内壁0. 1 3mm。
7.根据权利要求6所述的反应器，其特征在于，所述半球体的直径为反应器筒体内径的20% 50%。
8.根据权利要求5所述的反应器，其特征在于，所述分布器为圆锥体，圆锥顶部正对入口管，锥顶距离入口侧外法兰盖内壁0. 1 3mm。
9.根据权利要求8所述的反应器，其特征在于，所述圆锥体底面圆的直径为反应器筒体内径的10% 20%，高度为催化剂层上表面与反应原料入口的距离的10% 15%。
专利摘要本实用新型公开了一种便携式乙醇自热制氢反应器，包括反应筒体，两对内、外法兰盖，入、出口管，分布器以及负载催化剂的陶瓷泡沫层；所述反应筒体上下两端均焊接内法兰盖，内、外法兰盖密封对接，所述入、出口管分别焊接到上、下两端的外法兰盖外侧并与反应筒体相通，所述分布器位于反应筒体上部，并焊接在上端的外法兰盖内壁且正对入口管；所述陶瓷泡沫层设于反应筒体内。本实用新型的反应器可以实现原料在催化剂表面均匀分布，乙醇转化率大于90％，氢气选择性超过70％。该反应器结构紧凑，原料利用效率高，能量密度高，安装的内构件后仍能保证反应器具有优良的移动性能。
文档编号C01B3/32GK202089764SQ201120147490
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月10日 优先权日2011年5月10日
发明者余皓, 彭峰, 王红娟, 陈鸿庆 申请人:华南理工大学