一種基於離子膜反應器的甲烷重整轉化分離裝置的製作方法
2023-10-20 16:37:07
本發明屬於催化反應技術領域，特別涉及一種基於離子膜反應器的甲烷重整轉化分離裝置。
背景技術：
由於我國石油資源儲量有限，甲烷的高效轉化已經成為關係到國家能源戰略的重要研究方向，而且如何減少二氧化碳的排放也一直是人們關注的熱點問題。甲烷和二氧化碳重整製得的合成氣用於製備各種不同的化工產品或液體燃料具有廣闊的應用前景。研發出甲烷重整高效轉化及分離裝置，以實現工業化應用依舊是當前需要解決的關鍵技術問題。目前針對甲烷和二氧化碳重整制合成氣的研究主要側重於高效非貴金屬催化劑的研發，但由於非貴金屬催化劑積炭嚴重,易導致催化劑積炭失活，是導致甲烷和二氧化碳重整制合成氣迄今尚未真正工業規模化應用的原因之一。同時，針對甲烷和二氧化碳重整製得的合成氣進行有效分離利用的研究較少。為更好地研究甲烷和二氧化碳重整反應及產物的高效分離技術，有必要研究一種專用的甲烷重整離子膜反應器高效轉化分離裝置，以實現甲烷和二氧化碳重整反應的高效進行與產物的高效分離，有利於推動工業化的實際應用。CN200810034740.1公開了一種高溫焦爐粗煤氣制氫系統裝置及工藝，系統裝置包括高溫焦爐粗煤氣供送系統、氧源空氣供送系統、高溫水蒸氣供送系統、幹氣化爐供氧系統、高溫脫硫系統和煤氣重整反應產物輸出系統，能把焦化過程產生的大量高溫焦爐粗煤氣的高物理顯熱和高化學含能組分儘可能的全部轉換為氫氣，由於採用幹氣化、高溫脫硫和混合導體透氧膜來供氧，使制氫效率更高，並使氫氣量大幅度提高。CN201480065720.4公開了一種用於使用基於氧轉運膜的重整系統來生產氫氣的方法和系統，其在重整反應器內進行一段轉化過程，並在反應性驅動的且含催化劑的氧轉運膜反應器內進行二段轉化過程，具有或不具有輔助熱源來支持重整反應器內的一段轉化過程以首先形成合成氣產物，該專利側重於甲烷水蒸氣重整反應。而針對利用離子膜通過給定電壓的方式進行甲烷二氧化碳重整產物的高效分離裝置的研究較少。
技術實現要素：
本發明的目的是：提供一種基於離子膜反應器的甲烷重整轉化分離裝置，解決現有的產物分離效率偏低、實驗室對產物研究不全面及工業應用局限性問題，實現甲烷二氧化碳重整反應高效轉化與產物高效分離。
本發明的技術方案是：一種基於離子膜反應器的甲烷重整轉化分離裝置，包括：石英管反應器、催化劑床層、離子膜、反應氣入口、氣體產物出口、氣體分離產物出口；
所述石英管反應器用於承載所述催化劑床層和所述離子膜；
所述催化劑床層用於放置催化劑，反應氣為CH4和CO2；
所述離子膜成倒U形，設置於所述石英管反應器內側的中下部；所述離子膜由陽極、陰極和電解質組成，其中最外層為陽極，中間為電解質，最內層為陰極；當在所述離子膜兩側給定合適的電壓時，使氫的質子和陽離子分別定向遷移至所述離子膜兩側，分別形成氣體產物CO與H2；
所述反應氣入口位於所述石英管反應器底部，反應氣CH4和CO2從所述反應氣入口混合均勻後進入，併到達所述催化劑床層，隨溫度升高，並在催化劑的作用下發生重整反應；
所述氣體產物出口位於所述石英管反應器上部，在所述催化劑床層上側將分離的氣體產物CO從所述氣體產物出口排出；
所述氣體分離產物出口位於倒U形所述離子膜的下側口部，用於排出重整反應後分離出的氣體產物H2。
更進一步地，所述離子膜的陽極為Cu，陰極為Ni基複合氧化物，電解質為Ba基氧化物。
本發明將催化重整反應器與離子交換膜技術有效結合，在甲烷二氧化碳重整反應進行的同時，通過給離子交換膜兩側加一個電壓，驅動氫的質子和陽離子的定向遷移，分別流向離子膜兩側，實現反應產物的高效分離，並且及時促進了正向反應的進行，有效解決了現有的產物分離效率偏低、實驗室對產物研究不全面及工業應用局限性問題，實現甲烷二氧化碳重整反應高效轉化與產物高效分離，具有操作簡單、分離效率高等特點，應用前景廣闊。
附圖說明
圖1為本發明組成結構示意圖。
1--石英管反應器，2--催化劑床層，3--離子膜，4--反應氣，5--氣體產物，6--氣體分離產物
具體實施方式
實施例1：參見圖1，一種基於離子膜反應器的甲烷重整轉化分離裝置，包括：石英管反應器1、催化劑床層2、離子膜3、反應氣入口4、氣體產物出口5、氣體分離產物出口6；
所述石英管反應器1用於承載所述催化劑床層2和所述離子膜3；
所述催化劑床層2用於放置催化劑，反應氣為CH4和CO2；
所述離子膜3成倒U形，設置於所述石英管反應器1內側的中下部；所述離子膜3由陽極、陰極和電解質組成，其中最外層為陽極，中間為電解質，最內層為陰極；當在所述離子膜3兩側給定合適的電壓時，使氫的質子和陽離子分別定向遷移至所述離子膜3兩側，分別形成氣體產物CO與H2；所述離子膜3的陽極為Cu，陰極為Ni基複合氧化物，電解質為Ba基氧化物。
所述反應氣入口4位於所述石英管反應器1底部，反應氣CH4和CO2從所述反應氣入口4混合均勻後進入，併到達所述催化劑床層2，隨溫度升高，並在催化劑的作用下發生重整反應；
所述氣體產物出口5位於所述石英管反應器1上部，在所述催化劑床層2上側將分離的氣體產物CO從所述氣體產物出口5排出；
所述氣體分離產物出口6位於倒U形所述離子膜3的下側口部，用於排出重整反應後分離出的氣體產物H2。
上述雖然結合附圖對本發明的具體實施方式進行了描述，但並非對本發明保護範圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本發明的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創造性勞動即可做出的各種修改或變形，仍在本發明的保護範圍以內。