微通道重整制氢与催化放热反应器及制氢系统的制作方法

本实用新型涉及氢气制备设备技术领域，特别涉及一种微通道重整制氢与催化放热反应器及制氢系统。

背景技术：

目前，制氢方法主要有两种：其一、绝大部分氢是从石油、煤炭和天然气中制取，这种方法需要消耗本来就很紧缺的矿物燃料；其二、约有4%的氢是用电解水的方法制取，这种方法消耗电能大，很不划算。随着技术的进步，采用甲醇和水重整制氢的技术渐渐得到发展，其能减少化工生产中的能耗和降低成本，并有望替代电能消耗特别大的电解水制氢工艺。利用先进的甲醇水蒸气重整技术制取h2与co2的混合气体，再经钯膜分离器分离，可分别得到h2和co2。

甲醇水重整技术请参照本创作者广东合即得能源科技有限公司在此之前获得授权的发明专利：201410780409.x、201510476342.5、201510553870.6、201610117515.9、201510476323.2、201610881201.6等等。这些专利技术的核心设备为甲醇水重整器，甲醇水重整器设有重整室，重整室内设有催化剂，甲醇和水在重整室内发生甲醇和水的重整制氢反应，制得以二氧化碳和氢气为主的高温混合气体。在这些专利技术中，重整室为盘管状结构，重整室所需要的热量来源于剩余氢气燃烧或者电加热或者电磁加热，与此同时，重整器还需要设置带有送风装置的启动装置等部件。这种甲醇水重整器的优点是技术较为成熟，能够较好地制备氢气，但是其缺点是：体积大、质量重、密封性差，重整室中带有催化剂的盘管管道直径较粗长度较短，重整反应不够彻底，重整器采用的燃烧氢气加热方式加热不均匀，电加热或电磁加热方式加热也不够均匀。

随着技术的进步，在现有技术中出现了微通道制氢反应器技术，例如201510082013.2公开了一种层叠式双面多蛇形微通道重整制氢反应器，包括上盖板、下盖板以及之间的蒸发板、多块上重整板和下重整板，多块上重整板安装在蒸发板与下重整板之间，任意相邻之间均设有柔性石墨垫；蒸发板上表面开有蒸发腔，两侧对称分别连接有相通的入口引流腔和出口引流腔，上重整板和下重整板上表面中心均设有反应腔，反应腔的两侧对称分别连接有相通的入口引流腔和出口引流腔，上重整板和下重整板的反应腔中均安装有反应载体薄板，反应载体薄板上表面和下表面以上下对称开有多个蛇形微通道的凹槽结构。然而此种微通道重整制氢反应器具有如下缺点：其一、在相邻重整板之间用柔性石墨垫进行隔断，使微通道形成于重整板与柔性石墨垫之间，由于柔性石墨垫与重整板的材料特征不一样，使得微通道的稳定性差、导热性不一致、催化剂涂覆不均匀；其二、该微通道重整制氢反应器需要采用外部加热部件加热棒进行加热，其受热均衡性差，影响重整制氢效率。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术中的不足，提供一种微通道重整制氢与催化放热反应器，该反应器不仅体积小、质量轻、密封性好，而且微通道稳定性好、导热性一致、催化剂涂覆均匀，能通过内部加热、受热均衡性好、加热均匀，重整反应彻底、重整制氢效率高。为此，本实用新型还要提供该微通道重整制氢与催化放热反应器的制氢系统。

为解决上述第一个技术问题，本实用新型的技术方案是：一种微通道重整制氢与催化放热反应器，包括上部板、下部板及紧密层叠于上部板和下部板之间的若干片双面凹凸板；所述双面凹凸板的两侧面分别设有进料槽、微型反应槽及出料槽；相邻两片双面凹凸板之间的进料槽互成镜像并相互贴合，形成进料通道；相邻两片双面凹凸板之间的微型反应槽互成镜像并相互贴合，形成微型反应通道；相邻两片双面凹凸板之间的出料槽互成镜像并相互贴合，形成出料通道；在任意一片双面凹凸板一侧，进料通道为甲醇水进料通道，微型反应通道为甲醇水重整制氢反应微通道，其内涂覆有甲醇水重整制氢催化剂，出料通道为富氢气体出料通道；在上述双面凹凸板另一侧，进料通道为甲醇空气进料通道，微型反应通道为甲醇催化氧化放热微通道，其内涂覆有甲醇催化氧化放热催化剂，出料通道为反应余气出料通道。

优选地，所述反应器还设有贯穿所述若干片双面凹凸板的总甲醇水进料孔、总甲醇空气进料孔、总富氢气体出料孔和总反应余气出料孔；其中，所述总甲醇水进料孔与所有双面凹凸板之间的甲醇水进料通道均相连通，所述总甲醇空气进料孔与所有双面凹凸板之间的甲醇空气进料通道均相连通，所述总富氢气体出料孔与所有双面凹凸板之间的富氢气体出料通道均相连通，所述总反应余气出料孔与所有双面凹凸板之间的反应余气出料通道均相连通。

优选地，所述双面凹凸板两侧面的微型反应槽为呈直条状平行排布的微型反应槽，或者为呈螺旋状排布的微型反应槽，或者为交叉排布的微型反应槽；所述微型反应槽的宽度为10μm-1mm。

优选地，所述双面凹凸板的数量为10片以上，每片双面凹凸板的厚度为0.1mm-1.0mm。

优选地，所述上部板为铝合金上部板，所述下部板为铝合金下部板，所述双面凹凸板为铝合金双面凹凸板。

优选地，所述反应器外侧套有密封壳体，所述壳体的一端设有进料口，另一端设有出料口，在靠近进料口一端的密封壳体内设有用于对甲醇水原理进行过滤的过滤机构。

优选地，所述双面凹凸板的进料槽、微型反应槽和出料槽采用激光雕刻法或者化学蚀刻法或者液压机液压法制造而成。

所述微通道重整制氢与催化放热反应器，其特征在于：所述双面凹凸板的进料槽、微型反应槽和出料槽采用激光雕刻法或者化学蚀刻法或者液压机液压法制造而成。

为解决上述第二个技术问题，本实用新型的技术方案是：上述微通道重整制氢与催化放热反应器的制氢系统，包括甲醇水储存容器、甲醇储存容器、甲醇水输送泵、甲醇输送泵、换热器、空气泵、微通道重整制氢与催化放热反应器，其中：

甲醇水储存容器，其内储存有液态的甲醇水原料；

甲醇水输送泵，用于将甲醇水储存容器中的甲醇水原料通过输送管道泵送至微通道重整制氢反应器；

换热器，安装于甲醇水原料的输送管道上，甲醇水原料在换热器中，与微通道重整制氢反应器输出的高温富氢气体进行换热，甲醇水原料温度升高，富氢气体温度降低；

甲醇储存容器，其内储存有液态的甲醇原料；

甲醇输送泵，用于将甲醇储存容器中的甲醇原料通过输送管道泵送至催化放热反应器，甲醇原料的输送管道中设有空气接口；

空气泵，用于将外界空气经空气接口泵入甲醇原料的输送管道中；

微通道重整制氢与催化放热反应器，其中各层双面凹凸板的甲醇水进料通道、甲醇水重整制氢反应微通道和富氢气体出料通道依次连通，组成微通道重整制氢反应器，在微通道重整制氢反应器内，甲醇水原料发生甲醇和水的重整制氢反应，制得高温富氢气体；其中各层双面凹凸板的所述甲醇空气进料通道、甲醇催化氧化放热微通道、反应余气出料通道依次连通，组成微通道催化放热反应器，在微通道催化放热反应器内，甲醇与空气中的氧气发生催化氧化放热反应，为微通道重整制氢反应器提供热量。

本实用新型的有益效果是：其一、本实用新型微通道重整制氢与催化放热反应器相比传统重整器，其体积小、质量轻、密封性好；其二、本实用新型设置若干片双面凹凸板，相邻两片双面凹凸板之间的进料槽互成镜像并相互贴合形成进料通道，相邻两片双面凹凸板之间的微型反应槽互成镜像并相互贴合形成微型反应通道，相邻两片双面凹凸板之间的出料槽互成镜像并相互贴合形成出料通道，微通道材料一致、稳定性好、导热性一致、催化剂涂覆均匀；其三、本实用新型任意一片双面凹凸板一侧，进料通道为甲醇水进料通道，微型反应通道为甲醇水重整制氢反应微通道，其内涂覆有甲醇水重整制氢催化剂，出料通道为富氢气体出料通道；在上述双面凹凸板另一侧，进料通道为甲醇空气进料通道，微型反应通道为甲醇催化氧化放热微通道，其内涂覆有甲醇催化氧化放热催化剂，出料通道为反应余气出料通道；这样，甲醇水制氢反应微通道与甲醇催化氧化放热微通道交替层叠，高效给甲醇水制氢反应提供热量，受热均衡性好、加热均匀，重整反应彻底、重整制氢效率高。

附图说明

图1为本实用新型优选实施例的外部结构示意图。

图2为本实用新型优选实施例的剖视结构示意图。

图3为微通道重整制氢与催化放热反应器的外部结构示意图。

图4为微通道重整制氢与催化放热反应器的分散结构示意图之一。

图5为图4中a部分的结构放大示意图。

图6为图4中b部分的结构放大示意图。

图7为微通道重整制氢与催化放热反应器的分散结构示意图之二。

图8为图7中a部分的结构放大示意图。

图9为图7中b部分的结构放大示意图。

图10为本实用新型另一优选实施例的外部结构示意图。

图11为微通道重整制氢与催化放热反应器的制氢系统方框结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

如图1-图9所示，一种微通道重整制氢与催化放热反应器，包括上部板1、下部板2及紧密层叠于上部板和下部板之间的若干片双面凹凸板3；所述双面凹凸板的两侧面分别设有进料槽31、微型反应槽32及出料槽33；相邻两片双面凹凸板3之间的进料槽31互成镜像并相互贴合，形成进料通道；相邻两片双面凹凸板之间的微型反应槽32互成镜像并相互贴合，形成微型反应通道；相邻两片双面凹凸板之间的出料槽33互成镜像并相互贴合，形成出料通道；在任意一片双面凹凸板3一侧，进料通道为甲醇水进料通道，微型反应通道为甲醇水重整制氢反应微通道，其内涂覆有甲醇水重整制氢催化剂，出料通道为富氢气体出料通道；在上述双面凹凸板另一侧，进料通道为甲醇空气进料通道，微型反应通道为甲醇催化氧化放热微通道，其内涂覆有甲醇催化氧化放热催化剂，出料通道为反应余气出料通道。甲醇水制氢反应微通道与甲醇催化氧化放热微通道交替层叠。

如图3-图9所示，所述反应器还设有贯穿所述若干片双面凹凸板的总甲醇水进料孔4、总甲醇空气进料孔5、总富氢气体出料孔6和总反应余气出料孔7；其中，所述总甲醇水进料孔4与所有双面凹凸板之间的甲醇水进料通道均相连通，所述总甲醇空气进料孔5与所有双面凹凸板之间的甲醇空气进料通道均相连通，所述总富氢气体出料孔6与所有双面凹凸板之间的富氢气体出料通道均相连通，所述总反应余气出料孔7与所有双面凹凸板之间的反应余气出料通道均相连通。

如图4-图9所示，所述双面凹凸板3两侧面的微型反应槽32为呈直条状平行排布的微型反应槽，或者为呈螺旋状排布的微型反应槽，或者为交叉排布的微型反应槽；所述微型反应槽的宽度为10μm-1mm。所述双面凹凸板的数量为10片以上，优选为20-100片，每片双面凹凸板的厚度为0.1mm-1.0mm。所述上部板1为铝合金上部板，所述下部板2为铝合金下部板，所述双面凹凸板3为铝合金双面凹凸板。所述双面凹凸板3的进料槽、微型反应槽和出料槽采用激光雕刻法或者化学蚀刻法或者液压机液压法制造而成。优选为采用6500t液压机液压制造而成。

如图1-图2所示，所述反应器外侧套有密封壳体8，所述壳体8的一端设有进料口81，另一端设有出料口82，在靠近进料口一端的密封壳体内设有用于对甲醇水原理进行过滤的过滤机构83。

如图10所示，为一种优选的微通道重整制氢与催化放热反应器，包括上部板1、下部板2及紧密层叠于上部板和下部板之间的若干片双面凹凸板3。该反应器与图1-9所示的反应器相比，双面凹凸板3结构原理一致，其区别在于，在上部板1和下部板2之间安装有若干紧固螺栓9，使上部板1、下部板2和若干片双面凹凸板3紧密贴合在一起。

如图11所示，并结合参考图1-10，上述微通道重整制氢与催化放热反应器的制氢系统，包括甲醇水储存容器、甲醇储存容器、甲醇水输送泵、甲醇输送泵、换热器、空气泵、微通道重整制氢与催化放热反应器，其中：

甲醇水储存容器，其内储存有液态的甲醇水原料；

甲醇水输送泵，用于将甲醇水储存容器中的甲醇水原料通过输送管道泵送至微通道重整制氢反应器；

换热器，安装于甲醇水原料的输送管道上，甲醇水原料在换热器中，与微通道重整制氢反应器输出的高温富氢气体进行换热，甲醇水原料温度升高，富氢气体温度降低；

甲醇储存容器，其内储存有液态的甲醇原料；

甲醇输送泵，用于将甲醇储存容器中的甲醇原料通过输送管道泵送至催化放热反应器，甲醇原料的输送管道中设有空气接口；

空气泵，用于将外界空气经空气接口泵入甲醇原料的输送管道中；

微通道重整制氢与催化放热反应器，其中各层双面凹凸板的甲醇水进料通道、甲醇水重整制氢反应微通道和富氢气体出料通道依次连通，组成微通道重整制氢反应器，在微通道重整制氢反应器内，甲醇水原料发生甲醇和水的重整制氢反应，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢气和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统，反应方程为：(1)ch3oh→co+2h2、(2)h2o+co→co2+h2、(3)ch3oh+h2o→co2+3h2，制得高温富氢气体；其中各层双面凹凸板的所述甲醇空气进料通道、甲醇催化氧化放热微通道、反应余气出料通道依次连通，组成微通道催化放热反应器，在微通道催化放热反应器内，甲醇与空气中的氧气发生催化氧化放热反应，为微通道重整制氢反应器提供热量，其反应方程为：ch3oh+1.5o2→co2+h2o。

上述制氢系统的制氢方法，包括以下方法步骤：

ⅰ.原料输送步骤，包括甲醇水输送步骤和甲醇输送步骤，具体如下：

ⅰ.甲醇水输送步骤:甲醇水储存容器中的甲醇水原料在甲醇水输送泵的泵送作用力下，经换热器，泵送至微通道重整制氢反应器；甲醇水原料在通过换热器的过程中，与高温富氢气体进行换热，甲醇水原料温度提升，富氢气体温度下降；

ⅱ.甲醇输送步骤:甲醇储存容器中的甲醇原料在甲醇输送泵的泵送作用力下，泵送至微通道催化放热反应器；与此同时，空气泵将外界空气经空气接口泵入甲醇原料的输送管道中，再随着甲醇原料一起输送至微通道催化放热反应器；

ⅱ.微通道重整制氢反应步骤和甲醇催化放热反应步骤，具体如下：

ⅰ.微通道重整制氢反应步骤：在各层双面凹凸板之间，甲醇水原料从甲醇水进料通道进入甲醇水重整制氢反应微通道，在甲醇水重整制氢反应微通道之内，甲醇水原料受热汽化，汽化的甲醇和水在催化剂作用下，发生甲醇和水的重整制氢反应，制得高温富氢气体，该高温富氢气体经富氢气体出料通道输出；

ⅱ.甲醇催化放热反应步骤:在各层双面凹凸板之间，甲醇原料及空气从甲醇空气进料通道进入甲醇催化氧化放热微通道，在甲醇催化氧化放热微通道之内，甲醇与空气中的氧气在催化剂作用下，发生甲醇与氧气的氧化放热反应，为微通道重整制氢反应提供热量，生成的反应余气从反应余气出料通道输出。

ⅲ.富氢气体输出换热步骤，具体为：从富氢气体出料通道输出的富氢气体进入换热器，在换热器中，富氢气体与甲醇水原料换热，富氢气体换热之后输出。

以上所述，仅是本实用新型较佳实施方式，凡是依据本实用新型的技术方案对以上的实施方式所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。