板翅式甲醇蒸汽重整制氫系統的製作方法

2023-07-28 09:03:56

專利名稱：板翅式甲醇蒸汽重整制氫系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種以甲醇與蒸汽為原料重整制氫的新型緊湊板翅式重整系統。
背景技術：
為了解決能源短缺、環境汙染日益嚴重和經濟持續發展等問題，潔淨的新能源和可再生能源的開發已是迫在眉睫。氫能作為一種潔淨的可再生能源，它的發展可能帶來能源結構的重大改變，而在目前它還是一種理想的低汙染或零汙染的車用能源，國際上公認在不遠的將來氫燃料汽車將是解決城市大氣汙染的最重要途徑之一。
工業制氫方法主要是以天然氣、石油、和煤為原料，在高溫下使之與水蒸氣反應而製得，也可以用空氣進行部分氧化製得。甲醇分解水蒸氣轉化制氫是近二十幾年發展起來的氫氣製取技術，是具有潛力的工業製取氫氣方法。與其它制氫方法相比，具有反應溫度低(250℃-300℃)、流程短、投資省、能耗低、無環境汙染等優點。
目前常用的甲醇蒸汽重整方法流程為甲醇和純水混合併預熱，經蒸發與加熱成過熱蒸汽後，再送入重整器，在重整管內因催化劑的催化作用使甲醇與水蒸汽發生化學反應，產生氫氣和二氧化碳和部分一氧化碳。由於甲醇重整反應為吸熱反應，在該過程中會出現熱損失，反應產物流經熱交換器與甲醇及水(原料)進行熱交換並部分冷卻，將該混合物送入氣液分離器中使水和氣體分離，然後再將氣體通過氫氣吸收裝置，以分離氫氣與其它產物。
甲醇與水重整制氫過程主要有以下化學反應式如下(1)(2)(3)
反應式(1)為甲醇的蒸汽轉化反應，是吸熱反應；化學反應式(2)表示甲醇的分解反應，同樣為吸熱反應；反應式(3)為一氧化碳的變換反應，是放熱反應。上述吸熱反應(1)、(2)需在較高溫度下(300℃)左右進行，而放熱反應則可在較低溫(190℃左右)下進行，且這些過程均需含添加劑的鉻、銅或鋅的氧化物作為催化劑。
關於甲醇蒸汽重整的方法與系統有許多相關專利，如CN1383417A，CN1031211A等。關於重整制氫的反應混合物(氫、水、二氧化碳以及一氧化碳)的分離與吸收則有相關專利CN1239121，CN1301327等。
工業上，一般採用熱交換器來對原料進行加熱，其重整器結構較為複雜，致使整個重整系統結構龐大，重整反應與熱效率，以及一氧化碳的轉移與去除都不夠理想。

發明內容
本實用新型為解決上述傳統結構而存在的問題而設計，其目的是提供一種新型甲醇蒸汽重整制氫系統，使整個重整系統結構緊湊，熱傳遞效率高，系統能源消耗降低；並能有效利用傳熱介質的流速來調節重整器進、出口反應產物的溫度，使反應產物中一氧化碳的含量控制在較低水平。
本實用新型的新型甲醇蒸汽重整制氫系統主要包括兩個板翅式換熱器和一個板翅式重整器。兩個板翅式換熱器主要用來高效傳熱。其中一個在中部設有接管口6便於其傳熱介質通道與其它通道的傳熱介質相聯。
板翅式重整器的典型結構如圖1所示，重整器104分為重整部分104a和轉化部分104b，重整反應通道與傳熱介質通道相鄰，通道上下設有隔板2b，通道側設有擋板4，通道內設有翅片3，傳熱介質通道被隔板2a隔成左右相互獨立的兩部分，且在其隔板2b壁面上塗有含催化劑(鉻、銅或鋅等氧化物)的塗層。傳熱介質通道中的氣流方向與重整反應通道中的原料流動方向相反，便於提高傳熱效率。在其上側104a由於溫度較高而主要產生重整與分解反應。下側104b利用傳熱介質來調控溫度使之便於發生轉化反應，以消除重整部分反應產物中一氧化碳的含量。同時可根據實際產氫量的需求，按此結構相應增加重整反應通道和傳熱介質通道的數量。板翅式通道的典型結構如圖2所示。板翅式重整換熱器的主要結構如圖3所示，其各通道與換熱方式與重整器結構相同，採用逆流換熱。在換熱器102的傳熱介質通道中部設有接管6，便於重整反應器的傳熱介質流入。
由於本實用新型主要採用板翅式換熱器來進行熱交換，加上板翅式重整器的開發，使整個重整系統結構緊湊，拆卸方便，並且還減少了不必要的龐大設備如蒸發過熱部分，使本發明的整個重整系統與對應的傳統重整系統在制氫量不變的情況下，佔地空間將減少二分之一左右。另外，由於此重整系統以板翅式結構為主，且採用逆流換熱(傳熱介質與原料在重整系統內的流動方向相反)，因此還可使傳熱效率提高，整個系統比採用傳統的重整系統的傳熱效率要高2～4倍。


圖1是板翅式重整器的典型結構示意圖。其中，1-絕熱層；2a-隔板；2b-塗有催化劑的隔板；3-翅片(位置)；4-檔板。
圖2是板翅式通道的典型結構示意圖。其中，2b-塗有催化劑的隔板；3-翅片；4-檔板。
圖3是板翅式換熱器的典型結構示意圖。其中，2b-塗有催化劑的隔板；3-翅片；4-檔板；6-接管。
圖4是重整系統的實施方案流程圖。
具體實施方式
本實用新型甲醇蒸汽重整系統的具體實施方案如下原料在本重整系統中的整個流程如圖4所示。甲醇與水分別經泵200與202加壓至10個大氣壓後，進入第一個板翅式換熱器100預熱至140℃，經第二個換熱器102再次加熱蒸發，使之溫度達到300℃左右的過熱蒸汽，再進入板翅式重整器104的重整部分104a，在反應通道壁面催化劑的作用下，進行轉化(1)與分解(2)反應，並與高溫傳熱介質發生熱交換，以維持其重整與分解反應所需的熱量，保持重整部分104a的溫度基本不變。然後反應產物進入轉化部分104b進行變換反應(3)，將分解反應(2)所生成的一氧化碳轉化，生成氫氣與二氧化碳。在此過程中，因反應產物溫度較高，加上變換反應(3)為放熱反應，因此熱交換過程與重整部分104a相反，表現為高溫反應產物向傳熱介質傳熱，最終反應產物溫度控制在190℃左右。然後反應產物進入第一個板翅式換熱器100與初始原料(甲醇與純水)進行進一步熱交換以預熱初始原料和降低反應產物溫度，隨後進入冷凝器106，以冷凝其中的水份，最後再分別進入氣液分離器108與吸收分離裝置110，以分離反應物中的水與其它產物，其中生成的水將被循環利用，最後得到氫氣。
傳熱介質在本系統中進行如下的循環用加熱器203將傳熱介質加熱到330℃左右，經輸油管與流速控制閥204與206，分別進入板翅式換熱器102與板翅式重整器104的重整部分104a，在重整部分104a的傳熱介質與板翅式換熱器102中的甲醇與純水混合物(原料)進行熱交換，以供給重整反應所需的熱量，隨後流入板翅式換熱器102的中部，與經流速控制閥204的傳熱介質匯合一起對原料進行蒸發加熱。而經流速控制閥204的傳熱介質則在板翅式換熱器102內，從上往下對原料進行蒸發加熱的熱交換，並在其中部與經重整部分的傳熱介質混合在一起，對進入板翅式換熱器102的原料進行蒸發加熱，其溫度將降至140℃左右，隨後進入重整器104的分解部分104b與高溫反應產物發生熱交換而被加熱，最後進入加熱器進一步加熱到330℃左右，再重新開始循環。
權利要求1.板翅式甲醇蒸汽重整制氫系統，其特徵是，該系統主要包括(a)板翅式重整器(104)，由重整(104a)與轉化(104b)兩部分組成，用於甲醇與水蒸汽的重整制氫，其中還包括過熱蒸汽原料分解以及中間產物的轉化兩個反應過程來進行氫氣製備；(b)兩個板翅式換熱器(100、102)，其中一個(100)主要用於通過利用高溫反應產物與初始原料之間的傳熱，而另一個(102)則通過傳熱介質來蒸發原料；(c)流速控制閥(204、206、208)，控制輸料管內傳熱介質的流速；(d)加熱器(203)，用來加熱傳熱介質。
2.根據權利要求1所述的甲醇蒸汽重整制氫系統，其特徵是，重整器為板翅式結構，其重整反應通道與兩個傳熱介質通道相鄰，通道上下設有隔板(2b)，通道內設有翅片(3)；傳熱介質通道被隔板(2a)隔成左右相互獨立的兩部分，並可按此結構根據實際需要來增加重整反應通道和傳熱介質通道，以增加重整制氫產量。
3.根據權利要求1所述的甲醇蒸汽重整制氫系統，其特徵是，兩個換熱器(100、102)為板翅式結構，通道上下設有隔板(2b)，通道內設有翅片(3)。
4.根據權利要求1所述的甲醇蒸汽重整制氫系統，其特徵是，板翅式重整器(104)與換熱器(100、102)內各通道的大小與長短以及翅片的形式，可根據實際需要而定。
5.根據權利要求1所述的甲醇蒸汽重整制氫系統，其特徵是，在第二個板翅式換熱器(102)的中部設有接管(6)，便於重整器重整部分的傳熱介質流入匯合。
6.根據權利要求1所述的甲醇蒸汽重整制氫系統，其特徵是，其中輸料管將傳熱介質分別輸送到重整器的重整部分(104a)和用來蒸發原料的第二個換熱器(102)，用流速控制閥(204、206)分別調節兩部分的溫度；進入重整器(104)的傳熱介質，與重整反應原料傳熱後被送回第二個換熱器(102)中部，與另一部分匯合。
7.根據權利要求1所述的甲醇蒸汽重整制氫系統，其特徵是，重整器轉化部分(104a)的傳熱是在高溫反應物與第二個換熱器(102)流入的傳熱介質之間進行；而第一個傳熱器(100)則是在初始原料與重整器轉換部分出來的反應產物之間進行。
8.根據權利要求1所述的甲醇蒸汽重整制氫系統，其特徵是，其重整器(104)的重整反應通道隔板(2b)上塗有催化劑。
專利摘要本實用新型的甲醇蒸汽重整制氫系統主要包括兩個板翅式換熱器和一個板翅式重整器。兩個板翅式換熱器主要用來高效傳熱。其中一個在中部設有接管便於其傳熱介質通道與其它通道的傳熱介質相聯。由於本實用新型主要採用板翅式重整器，並採用板翅式換熱器來進行熱交換，使整個重整系統結構緊湊，拆卸方便，並且還減少了不必要的龐大設備如蒸發過熱部分，使本實用新型的整個重整系統與對應的傳統重整系統在制氫量不變的情況下，佔地空間將減少二分之一左右。另外，由於本實用新型的重整系統以板翅式結構為主，且採用逆流換熱(傳熱介質與原料在重整系統內的流動方向相反)，因此還可使傳熱效率提高，整個系統比採用傳統的重整系統的傳熱效率要高2～4倍。
文檔編號C01B3/38GK2668600SQ0325552
公開日2005年1月5日 申請日期2003年7月11日 優先權日2003年7月11日
發明者陳志華, 塗善東, 王正東 申請人:華東理工大學