一种甲醇制氢板式重整反应器的制作方法

1.本实用新型属于重整反应设备技术领域，尤其涉及一种甲醇制氢板式重整反应器。


背景技术：

2.目前的制氢方法主要有水电解制氢、生物质制氢、热解制氢、烃醇类重整制氢等方法，其中烃醇类重整式目前工业上应用的主要制氢方法，尤其是醇类重整在车载燃料电池系统中越来越受到人们的重视，由于甲醇重整具有体积小、重整温度低、能耗小、原料易得、安全等特点，在现场制氢给燃料电池汽车提供氢源时，不仅解决了运输问题，并且在安全和经济方面也有一定优势。甲醇制氢重整反应器在燃料电池汽车上使用需要满足启动快、低温运行、产品气杂质含量低等要求，其中，重整反应器是指进行催化重整的设备。
3.目前重整反应器仍然属于实验研究阶段，主要是重整器的效率和稳定性不佳。在现有文献(申请号：cn200510033759.0)中公开有一种电启动叠板式自动热重整器，重整器包括水蒸气重整反应板、部分氧化重整反应板和催化剂载体等。其中水蒸气重整反应板和部分氧化重整反应板中都设有催化剂承载孔，分别用于放置催化剂载体和催化剂载体，在催化剂载体上分别粘固有用于发生水蒸气重整反应和部分氧化重整反应的催化剂。
4.然而，这种固定催化剂的方式虽然能在一定程度解决催化剂堆叠的问题，但是由于反应板上叠加载体，并将催化剂粘固在载体上，导致催化剂与反应体中的流道分层布置，降低催化剂与流体之间的接触效果，导致反应不充分；同时，在固定催化剂时需额外增加催化剂载体等结构，导致结构复杂，重整反应器的紧凑度降低。


技术实现要素：

5.基于上述背景，本实用新型的目的是提供一种甲醇制氢板式重整反应器，结构紧凑，传热传质效果好；同时在避免催化剂堆叠堵塞的基础上，保证催化剂与流体充分接触。
6.为实现以上目的，本实用新型采用以下的技术方案：
7.一种甲醇制氢板式重整反应器，包括第一换热器；反应板，叠设于所述第一换热器上，所述反应板背向所述第一换热器的一侧面上设有蛇形分布且供流体流动的流道，所述反应板还分别设有与所述流道两端连通的进液口与出液口，所述流道内沿流体的流动方向依次收纳若干催化剂，所述流道的内壁用于固定所述催化剂；或者，所述流道的横断面积用于限制两个以上所述催化剂同时流动；压片，叠设于所述反应板具有所述流道的一侧面上，以封闭所述流道；第二换热器，叠设于所述压片背向所述反应板的一侧面上。
8.进一步地，所述流道的内壁上沿所述流动方向间隔设有若干凹槽，所述凹槽用于供所述催化剂插接。
9.进一步地，所述凹槽的种类分为第一凹部和第二凹部，所述第一凹部与所述第二凹部沿所述流动方向交替间隔设置，在相邻的所述第一凹部和所述第二凹部之间，所述第一凹部位于两个所述第二凹部之间。
10.进一步地，所述流道包括沿所述流动方向依次连通的若干通道单元，各所述通道单元均包括沿所述流动方向依次连通的收口段和混合段，所述混合段的横断面积s1大于所述收口段的横断面积s2，所述凹槽开设于所述混合段的内壁上。
11.进一步地，在相邻两个所述通道单元中，其中一个所述通道单元的收口段与另一个所述通道单元的收口段分别位于所述混合段的相对两侧。
12.进一步地，当所述催化剂被构造为球状结构时，所述流道的深度与所述催化剂的直径之比值小于2。
13.进一步地，所述流道的深度与所述催化剂的直径之比值为1.2～1.8。
14.进一步地，所述第一换热器与所述第二换热器均为电加热板。
15.进一步地，所述流道由所述反应板背向所述第一换热器的一侧面内凹形成，并在所述反应板朝向所述第一换热器的一侧面形成受热凸部，所述第一换热器上设有与所述受热凸部适配的传热凹部。
16.进一步地，还包括基底，所述第一换热器叠设于所述基底上，所述基底上设有围绕所述第一换热器外周延伸设置的环形槽，所述反应板上设有围绕所述第一换热器外周延伸设置的隔热凸部，所述隔热凸部插入所述环形槽内。
17.本实用新型具有以下有益效果：
18.(1)将催化剂沿着流动方向间隔收纳在流道内，不仅取消载体等结构，而且使得催化剂直接与流体充分接触，保证反应充分进行，提升反应效果；同时，将催化剂固定在流道内或者将流道的横截面设计为仅供一个催化剂通过，限制两个以上催化剂同时通过，这样能有效避免催化剂堆叠在一起而堵塞流道的流通，使得催化剂在流道中有效固载或依次排列，从而使得流体流动顺畅，保证反应稳定进行；
19.(2)将通道单元设计为收口段和混合段，且混合段的横断面积大于收口段的横断面积，使得收口段中流体流入混合段时，流速降低，压力提升，从而使得气液进一步分散，有利于提升反应效果；
20.(3)在相邻的第一凹部和第二凹部中，将第一凹部位于两个第二凹部之间，这样当流体在第一凹部中的催化剂圆周方向分散成均匀的两股；形成的两股在两个第二凹部之间汇合一起，如此，流体在流道中以周期性分散、汇合等流动，使得气液充分混合，进一步提升反应效果；
21.(4)采用电加热的方式，避免传统导热油换热的占地大，重量大，导热油出现泄漏的风险。
附图说明
22.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其它的附图。
23.图1为一个实施例中所述的重整反应器的结构拆分示意图；
24.图2为一个实施例中所述的反应板正面结构示意图一；
25.图3为一个实施例中所述的反应板正面结构示意图二；
26.图4为一个实施例中所述的反应板正面结构示意图三；
27.图5为一个实施例中所述的反应板背面结构示意图；
28.图6为一个实施例中所述的第一换热器的结构示意图。
29.附图标号说明：
30.100、重整反应器；110、第一换热器；111、传热凹部；112、环形槽；120、反应板；121、进液口；122、出液口；123、受热凸部；124、隔热凸部；125、流道；130、凹槽；131、第一凹部；132、第二凹部；140、通道单元；141、收口段；142、混合段；150、压板；160、第二换热器；170、端盖；180、基底。
31.本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
32.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
33.需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
34.另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
35.在一个实施例中，请参见图1至图6，一种甲醇制氢板式重整反应器100，包括第一换热器110；反应板120，叠设于所述第一换热器110上，所述反应板120背向所述第一换热器110 的一侧面上设有蛇形分布且供流体流动的流道125，所述反应板120还分别设有与所述流道 125两端连通的进液口121与出液口122，所述流道125内沿流体的流动方向依次收纳若干催化剂，所述流道125的内壁用于固定所述催化剂；或者，所述流道125的横断面积用于限制两个以上所述催化剂同时流动；压片，叠设于所述反应板120具有所述流道125的一侧面上，以封闭所述流道125；第二换热器160，叠设于所述压片背向所述反应板120的一侧面上。
36.上述的甲醇制氢板式重整反应器100，在反应板120的两侧分别设置第一换热器110和第二换热器160，利用两侧的换热器对反应板120的流道125进行加热，促使流道125的气液反应。由于将催化剂沿着流动方向间隔收纳在流道125内，因此，不仅取消传统载体等结构，而且使得催化剂直接与流体充分接触，保证反应充分进行，提升反应效果；同时，将催化剂固定在流道125内或者将流道125的横截面设计为仅供一个催化剂通过，限制两个以上催化剂同时通过，这样能有效避免催化剂堆叠在一起而堵塞流道125的流通，使得催化剂在流道125中有效固载或依次排列，从而使得流体流动顺畅，保证反应稳定进行。另外，将催化
剂直接收纳在流道125中，使得催化剂对流体起到扰流作用，强化气液混合效果，起到一定的回旋，这样避免了流体流动有死区的存在。
37.需要说明的是，第一换热器110和第二换热器160分别是指能对反应板120进行加热的部件，比如：电加热板、导热油板等。同时，为保证第一换热器110、反应片、压片和第二换热器160紧密压合，可在第一换热器110下方设置基底180，在第二换热器160的上方设置端盖170，并通过螺栓依次贯穿端盖170和基底180，使得第一换热器110、反应片、压片和第二换热器160被紧密压合。
38.甲醇制氢是指甲醇与水蒸气在一定的温度、压力条件下通过催化剂，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，生成氢和二氧化碳的制氢过程。在具体作业过程中，将甲醇和水蒸气分别从进液口121通入，并通过流道125从出液口122中流出等。
39.还需说明的是，催化剂在流道125的内壁上的固定方式有多种，比如：粘接、卡接等。同时，流道125的横截面能限制两个以上的催化剂通过是指流道125的横截面的大小仅供一个催化剂通过，避免两个及两个以上催化剂同时卡在同一横截面上。而催化剂的形状也可有多种，比如：催化剂的形状可为但不限于球形、柱形等。
40.另外，为提升压片与反应板120之间的气密性，可在压片和反应板120之间可设置密封垫片。
41.进一步地，请参见图2，所述流道125的内壁上沿所述流动方向间隔设有若干凹槽130，所述凹槽130用于供所述催化剂插接。如此，利用凹槽130，将催化剂稳定卡接在流道125 的内壁上，保证催化剂实现有效固载，保证反应稳定进行。
42.更进一步地，请参见图3，所述凹槽130的种类分为第一凹部131和第二凹部132。所述第一凹部131与所述第二凹部132沿所述流动方向交替间隔设置，在相邻的所述第一凹部131 和所述第二凹部132之间，所述第一凹部131位于两个所述第二凹部132之间。由此可知，在相邻的第一凹部131和第二凹部132中，将第一凹部131位于两个第二凹部132之间，这样当流体在第一凹部131中的催化剂圆周方向分散成均匀的两股；形成的两股在两个第二凹部132之间汇合一起，如此，流体在流道125中以周期性分散、汇合等流动，使得气液充分混合，进一步提升反应效果。
43.需要说明的是，将第一凹部131位于两个第二凹部132之间，使得催化剂的安装位置，不在一条直线的路径上，避免会导致流体短路，催化剂之间的距离过小而导致压降的增加，从而导致反应不充分。
44.在一个实施例中，请参见图4，所述流道125包括沿所述流动方向依次连通的若干通道单元140。各所述通道单元140均包括沿所述流动方向依次连通的收口段141和混合段142，所述混合段142的横断面积s1大于所述收口段141的横断面积s2，所述凹槽130开设于所述混合段142的内壁上。由此可知，收口段141中流体的流速增大，混合段142中流体的流速降低，如此，使得收口段141中流体流入混合段142时，流速降低，压力提升，从而使得气液进一步分散，有利于提升反应效果。
45.需要说明的是，收口段141的横断面积小于混合段142的横断面积，其实现的方式有多种，比如：收口段141的形状设计为条状结构，混合段142的形状设计为圆形结构等。
46.当催化剂的形状无法设计成球形时，如做成柱状结构等，在流道125下表面挖深与
柱形催化剂直径相同的凹坑，挖深深度大概为催化剂直径，使催化剂可以垂直于反应片安装于流道125内，且不会因为流体冲刷而偏转或被冲走。
47.进一步地，请参见图4，在相邻两个所述通道单元140中，其中一个所述通道单元140 的收口段141与另一个所述通道单元140的收口段141分别位于所述混合段142的相对两侧。如此，使得两个收口段141中的流体错开流动，延长流体的流动路径，保证气液充分反应。
48.在一个实施例中，当所述催化剂被构造为球状结构时，所述流道125的深度与所述催化剂的直径之比值小于2。如此，仅供一个催化剂通过，限制两个以上催化剂同时通过，这样能有效避免催化剂堆叠在一起而堵塞流道125的流通，使得催化剂在流道125中有效固载或依次排列，从而使得流体流动顺畅，保证反应稳定进行。
49.进一步地，所述流道125的深度与所述催化剂的直径之比值为1.2～1.8。以球状催化剂为例，将两者比值控制为1.2～1.8，有利于气液的混合和分配，若流道125深度过浅，球状催化剂在流体流动作用下与反应流道125表面会摩擦，缩短催化剂使用寿命；若流道125过深，球形催化剂容易上下堆叠，导致气液混合效果不好，发生短路或者堵塞的情况。其中，球形催化剂的尺寸可为从0.1mm到5mm之间的任一值。
50.在一个实施例中，所述第一换热器110与所述第二换热器160均为电加热板。如此，利用电加热的方式，以便车辆提供电源，第一换热器110直接与反应板120下表面接触，热量通过热传导从第一换热器110传递给反应板120上，再给反应流道125内的流体进行加热。
51.需要说明的是，本技术的第一换热器110与传统的换热板原理和结构不同，采用电加热的方式，比如云母板电加热器等，利用云母板良好的绝热性能和其耐高温性能，以云母板为骨架和绝缘层，辅以不锈钢板作为支持保护，温度可以达到500℃，满足甲醇制氢工艺的反应温度和吸热功率。
52.另外，利用电加热的加热方式省去了导热油的换热设备—高低温冷热一体机，导热油储藏槽在车辆运行当中，容易发生摇晃泄露的风险，且增加设备占地和车辆重量。
53.在一个实施例中，请参见图5与图6，所述流道125由所述反应板120背向所述第一换热器110的一侧面内凹形成，并在所述反应板120朝向所述第一换热器110的一侧面形成受热凸部123。所述第一换热器110上设有与所述受热凸部123适配的传热凹部111。如此，在反应板120的一侧面形成受热凸部123，可增加反应板120上的受热面积，提高传热效率，保证反应充分。
54.另外，将第一换热器110设计为电加热方式，通过热电阻测得流道125中的反应温度，来控制电加热器的开关，以控制反应温度。
55.进一步地，请参见图1，重整反应器100还包括基底180。所述第一换热器110叠设于所述基底180上。所述基底180上设有围绕所述第一换热器110外周延伸设置的环形槽112，所述反应板120上设有围绕所述第一换热器110外周延伸设置的隔热凸部124，所述隔热凸部124插入所述环形槽112内。如此，组装后的重整反应器100，隔热凸部124围绕在第一换热器110的外围上，减少第一换热器110的外周散热，提升传热效率。
56.需要说明的是，隔热凸部124是指能避免热量向外扩散的结构，比如：隔热凸部124材料可为但不限于泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉等。
57.当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，
本技术领域的技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。