一种用于氨分解制氢与分离的钒合金复合膜反应器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于氨分解制氢与分离的钒合金复合膜反应器，包括反应器壳体、以及设置在反应器壳体内的钒合金薄壁管复合膜和加热组件，反应器壳体的侧壁下方和侧壁上方分别设有与反应器壳体内腔导通的氨气进口和氮气出口，反应器壳体顶部设有氢气出口，氢气出口与钒合金薄壁管复合膜连通。本发明专利技术的膜反应器采用高氢渗透性能的钒合金薄壁管代替传统的钯及其合金管，集氨分解、氢气分离与加热为一体，提高了氨转化率与氢气提纯效率，减少了设备，降低了成本。降低了成本。降低了成本。

【技术实现步骤摘要】
一种用于氨分解制氢与分离的钒合金复合膜反应器


[0001]本专利技术涉及高纯氢气提纯
，具体涉及一种用于氨分解制氢与分离的钒合金复合膜反应器。

技术介绍

[0002]氨(NH3)由于在能量密度、长期储存、易于制造和潜在可再生等方面具有优势，是一种理想的氢气储存中间化学品。将氨用作氢气储存中间体的关键挑战在于使这两个过程，即氨分解和氢气分离纯化。氨分解制氢反应与分离膜反应器是一种很有前途的技术，原理是在单个装置内同时进行氨分解和氢气分离纯化。与氨分解传统技术相比，该技术具有工艺步骤少、投资成本较低、工作效率高以及能耗较低等优势。
[0003]氨分解制氢反应与分离膜反应器主要由催化材料以及氢分离膜组成。催化材料和氢分离膜是影响膜反应器性能的关键因素。常见的膜反应器结构是填充床膜反应器(PBMR)，即催化材料填充在用于氢分离的管状膜周围。但这种结构存在严重的传热传质限制，膜反应器工作效率低。
[0004]另外，氢分离膜需要具有足够的机械稳定性、抗氢脆性能以及化学稳定性。目前常用的金属膜材料钯具有高成本的问题，需要开发具有更少钯用量的复合膜。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术通过改进膜反应器结构以及钒合金薄壁管代替传统钯管，提供一种具有高性能、低成本及高稳定性的用于氨分解制氢与分离的钒合金复合膜反应器。
[0006]本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种用于氨分解制氢与分离的钒合金复合膜反应器，包括反应器壳体、以及设置在所述反应器壳体内的钒合金薄壁管复合膜和加热组件，所述反应器壳体的侧壁下方和侧壁上方分别设有与反应器壳体内腔导通的氨气进口和氮气出口，所述反应器壳体顶部设有氢气出口，所述氢气出口与所述钒合金薄壁管复合膜连通。
[0008]所述膜反应器还包括上法兰和下法兰，所述反应器壳体的上下两端分别通过上法兰和下法兰形成密闭的空腔，所述上法兰内设有氢气腔，所述氢气出口设置在所述上法兰顶部并与所述氢气腔连通，所述钒合金薄壁管复合膜的一端密封，其另一端向上延伸至所述上法兰内，并与所述氢气腔连通，所述加热组件的一端向下穿过所述下法兰后与外部加热装置连接。
[0009]所述钒合金薄壁管复合膜包括钒合金薄壁管、催化材料层和多孔支撑体，所述催化材料层包括氨分解制氢催化层和氢分离催化层，所述氢分离催化层设置在所述钒合金薄壁管的内壁和外壁，所述氨分解制氢催化层设置在所述钒合金薄壁管的外壁，所述多孔支撑体沿所述钒合金薄壁管长度方向通长设置在所述钒合金薄壁管内腔中；
[0010]或者，所述催化材料层包括氢分离催化层，所述氢分离催化层设置在所述钒合金
薄壁管的内、外壁或者单独设置在外壁，所述反应器壳体内的所述钒合金薄壁管复合膜外围设置氨分解制氢催化材料。
[0011]所述钒合金薄壁管的壁厚为10
‑
30μm、外径3
‑
12mm，长度50
‑
1000mm；所述钒合金薄壁管材料为纯钒，钒铁、钒铝、钒铜、钒镍合金中的一种或多种元素组成的合金。
[0012]所述氨分解制氢催化层的催化材料为钌基催化剂、镍基催化剂或铁基催化剂；所述氢分离催化层为钯及其合金催化膜层、氮化物催化膜层、碳化物催化膜层中的一种。
[0013]优选地，所述钯及其合金催化膜层材料为纯钯、钯银、钯铜及钯金中的一种或多种元素组成的合金；所述的氮化物催化膜层材料为氮化钒、氮化钼、氮化钛、氮化铌、氮化钽中的一种；所述碳化物催化膜层材料为碳化钒、碳化钼、碳化钛、碳化铌、碳化钽中的一种。
[0014]所述加热组件分布在所述钒合金薄壁管复合膜周围，多个所述钒合金薄壁管复合膜和加热组件点阵式间隔设置在所述反应器壳体内。
[0015]一种用于氨分解制氢与分离的钒合金复合膜反应器的制备方法，包括以下步骤：
[0016]S1、按照化学计量比配制钒合金，通过感应熔炼炉制备出钒合金胚管；
[0017]S2、将钒合金胚管通过轧管机轧制成钒合金薄壁管；
[0018]S3、在钒合金薄壁管外表面或者内表面制备氨分解制氢催化层或者氢分离催化层，得到钒合金薄壁管复合膜；
[0019]S4、在钒合金薄壁管复合膜内部放入多孔支撑体，并且通过焊接与膜反应器的上法兰连接；
[0020]S5、加热组件通过焊接与膜反应器的下法兰连接；
[0021]S6、将步骤S4和S5得到的组件放入反应器壳体内部，通过垫圈进行密封，即得所需膜反应器。
[0022]所述步骤S3中，所述氨分解制氢催化层材料通过浸渍和烧结制备后放置在钒合金薄壁管外部，或通过喷涂方式涂覆在钒合金薄壁管表面；
[0023]所述氢分离催化层厚度为10
‑
100nm，其通过化学镀、磁控溅射、化学气相沉积和离子注入中的一种在钒合金薄壁管外表面或者内表面制备。
[0024]所述步骤S4中，多孔支撑体为多孔不锈钢管、多孔陶瓷管和多孔镍管中的一种。
[0025]所述步骤S6中，垫圈材质为铜或石墨中的一种。
[0026]本专利技术技术方案，具有如下优点：
[0027]A、本专利技术采用高氢渗透性能的钒合金薄壁管代替传统的钯及其合金管，成本低廉，并增加了膜反应器的氢气提纯效率、氢气纯度以及工作稳定性。
[0028]B、本专利技术将催化材料装填在钒合金薄壁管内、管外或者涂覆在钒合金薄壁管表面，氨催化反应与膜分离技术耦合，有效提高氨转化效率以及氢气产率，降低生产成本。
[0029]C、本专利技术加热组件分布在膜管周围有利于精确控制反应温度，有利于提高膜管使用时间以及保证高的生产效率。
附图说明
[0030]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式，下面将对具体实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，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获得其他的附图。
[0031]图1为本专利技术钒合金复合膜反应器整体结构示意图；
[0032]图2为本专利技术中钒合金薄壁管复合膜和加热组件分布示意图；
[0033]图3为本专利技术中钒合金薄壁管复合膜结构示意图；
[0034]图4为本专利技术基于氨分解反应与氢气分离的装置图；
[0035]图5为本专利技术钒合金薄壁管复合膜与钯复合膜氢渗透率对比图；
[0036]图6为本专利技术钒合金薄壁管复合膜氨转化率与氢气纯度测试图。
[0037]图中标识如下：
[0038]1‑
反应器壳体，11
‑
氨气进口，12
‑
氮气出口；2
‑
钒合金薄壁管复合膜，21
‑
钒合金薄壁管，22
‑
催化材料层，221
‑
氨分解制氢催化层，222
‑
氢分离催化层，23
‑
多孔支撑体；3
‑
加热组件；4
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于氨分解制氢与分离的钒合金复合膜反应器，其特征在于，所述膜反应器包括反应器壳体(1)、以及设置在所述反应器壳体(1)内的钒合金薄壁管复合膜(2)和加热组件(3)，所述反应器壳体(1)的侧壁下方和侧壁上方分别设有与反应器壳体(1)内腔导通的氨气进口(11)和氮气出口(12)，所述反应器壳体(1)顶部设有氢气出口(4)，所述氢气出口(4)与所述钒合金薄壁管复合膜(2)连通。2.根据权利要求1所述的用于氨分解制氢与分离的钒合金复合膜反应器，其特征在于，所述膜反应器还包括上法兰(5)和下法兰(6)，所述反应器壳体(1)的上下两端分别通过上法兰(5)和下法兰(6)形成密闭的空腔，所述上法兰(5)内设有氢气腔(51)，所述氢气出口(4)设置在所述上法兰(5)顶部并与所述氢气腔(51)连通，所述钒合金薄壁管复合膜(2)的一端密封，其另一端向上延伸至所述上法兰(5)内，并与所述氢气腔(51)连通，所述加热组件(3)的一端向下穿过所述下法兰(6)后与外部加热装置连接。3.根据权利要求1所述的用于氨分解制氢与分离的钒合金复合膜反应器，其特征在于，所述钒合金薄壁管复合膜(2)包括钒合金薄壁管(21)、催化材料层(22)和多孔支撑体(23)，所述催化材料层(22)包括氨分解制氢催化层(221)和氢分离催化层(222)，所述氢分离催化层(222)设置在所述钒合金薄壁管(21)的内壁和外壁，所述氨分解制氢催化层(221)设置在所述钒合金薄壁管(21)的外壁，所述多孔支撑体(23)沿所述钒合金薄壁管(21)长度方向通长设置在所述钒合金薄壁管(21)内腔中；或者，所述催化材料层(22)包括氢分离催化层(222)，所述氢分离催化层(222)设置在所述钒合金薄壁管(21)的内、外壁，所述反应器壳体(1)内的所述钒合金薄壁管复合膜(2)外围设置氨分解制氢催化材料。4.根据权利要求3所述的用于氨分解制氢与分离的钒合金复合膜反应器，其特征在于，所述钒合金薄壁管(21)的壁厚为10
‑
30μm、外径3
‑
12mm，长度50
‑
1000mm；所述钒合金薄壁管(21)材料为纯钒，钒铁...

【专利技术属性】
技术研发人员：李新中，洪正鹏，商红岩，杨宇昕，
申请(专利权)人：北京东方红升新能源应用技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：