一种具有高传热传质均匀性的蜂窝式甲醇重整制氢反应器

本发明属于甲醇重整制氢设备，尤其涉及一种具有高传热传质均匀性的蜂窝式甲醇重整制氢反应器。

背景技术：

1、天然气重整难以分布式部署、煤制氢碳排放高、电解水制氢运行成本偏高、高压液氢储运安全风险大且配套基础设施不完善，制约了氢能规模化推广应用。

2、甲醇原料来源广泛、常温常压储运便捷、重整反应条件温和，可依托现有化工基础设施实现分布式制氢，广泛适配工业现场供氢、车载氢能动力、备用燃料电池电源等场景，是现阶段氢能商业化落地的核心过渡技术。

3、甲醇重整制氢反应器为制氢系统核心单元，现有主流反应器分为管式、板式、微通道多孔反应器三类：板式反应器加工精度要求高，承压与密封性能差；微通道反应器气体压降大，催化剂涂覆、更换操作难度高；管式反应器结构稳定、制造成本低、压降小、基础传热性能优良，应用最为广泛。

4、现有管式甲醇重整反应器存在两大核心缺陷：

5、流体分布不均：反应物经进口高速进入载体前端，载体截面中心区域气体流量大、边缘区域流量低，气相传质分布差异显著，催化剂利用率不均衡，降低整体制氢效率；

6、温度场分布不均：仅依靠壳体外部加热，蜂窝载体径向、轴向温差大，局部温度过低会降低甲醇转化率，局部超温易引发副反应、加速催化剂老化失活。

技术实现思路

1、针对现有管式甲醇重整反应器载体入口气流分布不均、载体内部温度场差异大的缺陷，本发明提供一种具有高传热传质均匀性的蜂窝式甲醇重整制氢反应器，通过锥孔均流结构+内外复合供热结构协同设计，同步优化反应器内部流场、温度场，提升甲醇转化率与单位体积产氢量。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种具有高传热传质均匀性的蜂窝式甲醇重整制氢反应器，沿介质流动方向自左至右依次装配有左端盖、锥孔块、左侧石墨密封板、加热芯、重整反应载体模块、石墨密封卷材、壳体、陶瓷加热环、右侧石墨密封板和右端盖，所述左端盖、右端盖与壳体法兰端面均开设螺栓连接孔，三者通过贯穿螺栓锁紧装配，左端盖、右端盖与重整反应载体模块之间分别夹设左侧石墨密封板、右侧石墨密封板实现端面密封，重整反应载体模块外周壁通过石墨密封卷材与壳体内壁密封固定，陶瓷加热环包覆固定于壳体外壁，提供外部热源，加热芯穿设于重整反应载体模块预设加热孔内，提供内部热源，所述重整反应载体模块为蜂窝陶瓷多孔基体结构，基体内部轴向开设若干加热孔，蜂窝陶瓷多孔流道内壁整体涂覆甲醇重整专用催化剂，所述锥孔块整体带有锥形扩张结构，锥孔块端面沿径向分区开设多组规格差异化流通孔，锥孔块边缘设有8块均布的接触板，接触板与左端盖内侧壁焊接固定，所述左端盖外侧连通小径反应物进口管，左端盖内部中空区域形成重整反应物入口区，右端盖外侧连通大口径产物出口管，右端盖内部中空区域形成重整产物出口区，完整反应气路为：反应物进口管→重整反应物入口区→锥孔块→重整反应载体模块内部蜂窝流道→重整产物出口区→产物出口管。

3、进一步地，所述锥孔块流通孔的孔径、开孔数量、开孔径向分布位置，基于进气端流体仿真流场结果匹配设计，锥孔锥形结构可降低气流通过压力损失，差异化开孔布局抵消进口流体中心流速高、边缘流速低的分布偏差，使重整反应载体模块入口截面气流均匀分布。

4、进一步地，所述加热芯与加热孔配套设计：依据重整反应载体模块传热仿真结果，根据载体外径、长度调整加热孔的开孔数量、轴向排布位置、孔径尺寸，小尺寸载体匹配少量加热芯，大尺寸载体增设加热芯并优化径向分布，壳体外侧陶瓷加热环+载体内部加热芯形成内外复合供热结构，均衡载体全域温度场。

5、进一步地，小径反应物进口管提升入口流体流速均匀性，大口径产物出口管降低富氢产物排出阻力，加速反应产物导出。

6、进一步地，反应器额定工作温度区间为200℃~300℃，内部发生主反应甲醇水汽重整反应、副反应水汽逆变换反应。

7、采用上述结构后，本发明有益效果如下：

8、（1）前端锥孔块采用仿真优化分区变径开孔+锥形减压结构，均衡载体入口截面气流分布，消除中心流量过剩、边缘流量不足的问题。

9、（2）采用壳体外部陶瓷加热环+载体内部加热芯复合供热方案，针对不同尺寸蜂窝载体适配对应数量、排布的加热芯，消除载体径向、轴向温差，避免局部低温降低转化率、局部高温诱发副反应。

10、（3）气流均匀分布提升催化剂有效接触面积，温度场均衡保障重整反应稳定高效进行，同步提升甲醇单程转化率与单位载体体积氢气产率；锥孔均流结构与内置加热芯结构协同适配，结构通用性强，可根据不同制氢工况仿真定制开孔、加热布局。

11、（4）全密封结构采用石墨密封板、石墨密封卷材柔性密封，耐高温、气密性优异，整体法兰螺栓锁紧装配，拆装方便，便于蜂窝陶瓷载体更换、加热元件检修。

1.一种具有高传热传质均匀性的蜂窝式甲醇重整制氢反应器，其特征在于：沿介质流动方向自左至右依次装配有左端盖（1）、锥孔块（2）、左侧石墨密封板（3）、加热芯（4）、重整反应载体模块（5）、石墨密封卷材（6）、壳体（7）、陶瓷加热环（8）、右侧石墨密封板（9）和右端盖（10）；

2.根据权利要求1所述的一种具有高传热传质均匀性的蜂窝式甲醇重整制氢反应器，其特征在于：所述锥孔块（2）的流通孔孔径、开孔数量、开孔径向分布位置基于进气端流体仿真流场结果匹配设计，所述锥孔块（2）为锥形扩张结构，且所述锥孔块（2）端面采用差异化开孔布局。

3.根据权利要求2所述的一种具有高传热传质均匀性的蜂窝式甲醇重整制氢反应器，其特征在于：所述重整反应载体模块（5）的加热孔（12）开孔数量、轴向排布位置、孔径尺寸基于载体传热仿真结果匹配设定，且所述加热孔（12）的布设规格根据载体外径、长度自适应调整。

4.根据权利要求3所述的一种具有高传热传质均匀性的蜂窝式甲醇重整制氢反应器，其特征在于：所述左端盖（1）外侧的反应物进口管为小径管路，所述右端盖（10）外侧的产物出口管为大口径管路。

5.根据权利要求4所述的一种具有高传热传质均匀性的蜂窝式甲醇重整制氢反应器，其特征在于：所述反应器额定工作温度区间为200℃~300℃。