甲烷水蒸气重整制氢的催化剂评价装置的制作方法

本实用新型涉及甲烷水蒸气重整制氢技术领域，具体而言，涉及一种甲烷水蒸气重整制氢的催化剂评价装置。

背景技术：

氢气作为一种二次化工产品，在医药、精细化工、电子电气等行业具有广泛的用途。工业上以天然气和水为主要原料，在一定的压力和一定的高温及催化剂作用下，天然气中的CH4和水蒸气发生化学反应，经过一系列过程转化为氢气。涉及到的反应式为：CH4+H2O→CO+3H2；CO+H2O→CO2+H2。

上述制氢催化剂的生产过程较长且复杂，导致影响最终产品质量因素较多，因此小型的制氢催化剂评价实验装置的稳定性尤为重要。目前制氢催化剂评价实验装置所采用的评价的原料水为液相，即使液相水直接与甲烷进入反应器中反应，评价结果显示同一个运行的样品测得的甲烷转化速率在450～520mlC1/g·min之间不等，测得的结果波动较大，难以准确反映催化剂的真实活性水平。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种甲烷水蒸气重整制氢的催化剂评价装置，以解决现有技术中评价实验装置测试结果不能反映催化剂真实活性水平的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种甲烷水蒸气重整制氢的催化剂评价装置，包括汽化混合单元，具有液态水进口、气体进口和混合气出口，用于将液态水汽化为水蒸气并将水蒸气与甲烷混合形成混合气；热反应单元，与混合气出口相连。

进一步地，汽化混合单元包括：混合器，液态水进口、气体进口和混合器出口设置在混合器上；换热器，设置在混合器的至少部分外侧用于对所述混合器进行加热。

进一步地，混合器包括：混合管道，换热器设置在混合管道的外侧；三通管，具有第一端口、第二端口和第三端口，第一端口为气体进口，第二端口与混合管道连通，第三端口为液态水进口，混合气出口设置在混合管道的远离三通管的一端。

进一步地，第二端口和第三端口的末端开口方向相反。

进一步地，第三端口为变径端口，且第三端口的口径由末端向始端逐渐增大。

进一步地，混合器还包括输水管，输水管依次穿过第三端口和第二端口并延伸至混合管道中。

进一步地，输水管的末端与第一端口的末端之间距离为混合管道长度的1/3～2/3。

进一步地，输水管的外径与第三端口的末端开口内径相同。

进一步地，输水管为不锈钢管，混合管道为不锈钢管道。

进一步地，换热器为加热炉，加热炉的加热丝盘绕在混合管道的外壁上。

应用本实用新型的技术方案，在催化评价装置中设置汽化混合单元和热反应单元，可以将液态水在进入热反应单元之前完成汽化，汽化得到的水蒸气与甲烷混合形成混合气，混合气再进入热反应单元进行制氢反应，以使得催化剂床层反应环境稳定，防止反应条件的波动，从而测量得到的结构能够准确反应催化剂的真实活性水平。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1示出了本实用新型的实施例提供的催化剂评价装置的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、混合器；20、换热器；11、混合管道；12、三通管；121、第一端口；122、第二端口；123、第三端口；13、输水管；

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

如本申请背景技术所分析的，现有的制氢催化剂评价实验装置测得的结果波动较大，难以准确反映催化剂的真实活性水平，申请人对其中的原因进行研究，发现其中最重要的原因是液态水进入反应器后需要汽化过程，从而存在催化剂床层局部反应环境不稳定，包括反应压力、反应温度以及原料组成等，从而造成反应条件的波动，进而导致催化剂真实活性的测定受到影响。基于上述发现，本申请为了解决上述问题，提供了一种甲烷水蒸气重整制氢的催化剂评价装置。该催化剂评价装置，包括汽化混合单元和热反应单元，汽化混合单元具有液态水进口、气体进口和混合气出口，用于将液态水汽化为水蒸气并将水蒸气与甲烷混合形成混合气；热反应单元与混合气出口相连。

在催化评价装置中设置汽化混合单元和热反应单元，可以将液态水在进入热反应单元之前完成汽化，汽化得到的水蒸气与甲烷混合形成混合气，混合气再进入热反应单元进行制氢反应，以使得催化剂床层反应环境稳定，防止反应条件的波动，从而测量得到的结构能够准确反应催化剂的真实活性水平。

在本实施例一个的技术方案中，如图1所示，上述汽化混合单元包括混合器10和换热器20，液态水出口、气体进口和混合气体设置在混合器10上；换热器20设置在混合器10的至少部分外侧用于对混合器10进行加热。通过将换热器20设置在混合器10的至少部分外侧并对混合器10进行加热，以加热的方式使输送进来的液态水汽化为水蒸气，该气化混合单元的结构相对简单。

优选地，如图1所示，上述混合器10包括混合管道11和三通管12，换热器20设置在混合管道11的外侧；三通管12具有第一端口121、第二端口122和第三端口123，第一端口121为气体进口，第二端口122与混合管道连通，第三端口123为液态水进口，混合器10出口设置在混合管道11的远离三通管12的一端。通过设置与混合管道11相连的三通管12，利用三通管12的第一端口121向混合管道11中通入甲烷等气体，利用第三端口123向混合管道11中通入液态水，液态水在混合管道11中通过与换热器20换热实现气化，并与甲烷等气体混合形成混合。通过上述结构，使得甲烷和液态水的通入互不影响，便于对各自的流速进行控制，进而有利于根据热反应单元的进程实时调节甲烷和液态水的通入量。而且，在进行混合之前，可以通过第一端口121预先通入甲烷等气体对混合管道11和热反应单元进行吹扫，以避免催化剂评价装置中的杂质对于反应的影响。

在一种实施例中，上述第二端口122和第三端口123的末端开口方向相反。以减少液态水混合管道11的阻力，便于液态水汽化后与甲烷混合。

因为所设置的三通管12的三个端口相互连通，那么通过第一端口121进入的气体在向混合管道11方向流动的同时，也会向第三端口123末端流动并且再返回至混合管道11方向，为了避免该过程中气体流动形成的旋流，优选如图1所示，上述第三端口123为变径端口，且第三端口123的口径由末端向始端逐渐增大。通过变径端口对流动的气体形成缓冲作用，进而避免了旋流导致的混合器10工作状态的波动。

在一种实施例中，如图1所示，上述混合器10还包括输水管13，该输水管13依次穿过第三端口123和第二端口122并延伸至混合管道11内。由于当输水管13延伸至混合管道11内，输入的液态水在出口处即被加热气化为水蒸气，所形成的水蒸气能够和甲烷等气体迅速混合形成混合气。

为了获得更好的液态水汽化效果，优选输水管13的末端与第一端口121的末端之间的距离为混合管道11长度的1/3～2/3。

在另一种实施例中，上述输水管13的外径与第三端口123的末端开口内径相同。这样设置可以使得在输水管13和第三端口123的末端接触处形成密封，简化了混合器10的结构，且使得输水管13的疏水功能以及第三端口123的缓冲功能得到充分稳定发挥。

进一步地，优选上述输水管13为不锈钢管，混合管道11为不锈钢管道。这样设置可以防止管道生成水锈，延长了催化评价装置的使用寿命。

本申请换热器20可以采用现有技术中多种形式的换热器，为了简化结构、节约成本，优选上述换热器20为加热炉，加热炉的加热丝盘绕在混合管道11的外壁上。这样不但可以实现均匀加热使得输水管13中的液态水汽化形成水蒸气，还能保持热反应单元过程中始终保持较高的温度，使反应温度保持稳定，进一步提高催化剂评价装置的稳定性。

以下结合实施例进一步说明本申请的催化剂评价装置，需要说明的是以下说明只是示意性说明，并不会限制本申请的保护范围。

实施例1

参考图1，混合管道11为长度35cm；外径Φ10mm的不锈钢管；三通管12为通径6mm的不锈钢管，第三端口为变径端口，由端口末端的3mm增加到始端的6mm；输水管13为Φ3mm的不锈钢管，输水管13前端打磨成45°斜角，插入混合管道11内深度约为12cm；换热器20选用加热炉，加热炉的内径Φ11mm，其内绕电热炉丝的加热功率为2KW。反应前，首先按照66ml/min的流速将甲烷从三通管12的第一端口通入催化剂评价装置内以置换混合管道内的空气。然后打开加热炉的加热开关，将加热炉的加入温度设定为300℃，当达到设定的300℃且温度恒定时，用水泵按照12g/min水量通过输水管13输入，液态水因为加热炉20的作用在输水管13的出口端汽化成为水蒸气，水蒸气和甲烷混合均匀后进入内装有甲烷转化制氢催化剂的反应炉中，在500℃～750℃的温度中制取氢气，用色谱分析反应生成的尾气，获得氢气的转化速率稳定在480～500mlC1/g·min之间，波动明显减小。

实施例2

与实施例1的区别在于，输水管插入混合管道内深度约为24cm。用色谱分析反应生成的尾气，获得氢气的转化速率稳定在480～500mlC1/g·min之间，波动明显减小。

从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：

在催化剂评价装置中设置汽化混合单元和热反应单元，可以将液态水在进入热反应单元之前完成汽化，汽化得到的水蒸气与甲烷混合形成混合气，混合气再进入热反应单元进行制氢反应，以使得催化剂床层反应环境稳定，防止反应条件的波动，从而测量得到的结构能够准确反应催化剂的真实活性水平。

除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本实用新型的范围内。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。