一种层叠式氢气提纯膜反应器制造技术

本发明专利技术公开了一种层叠式氢气提纯膜反应器。膜反应器主要由上盖板、第一石墨垫片、第一钯铜合金膜、第一石墨垫片、第一金属铜网、第二石墨垫片、水煤气变换反应腔体、第二石墨垫片、第二金属铜网、第一石墨垫片、第二钯铜合金膜、第一石墨垫片和下盖板从上至下依次层叠组成，上盖板中开设有用于外接真空泵的出口，下盖板中开设有下盖板气体入口和尾气出口，水煤气变换反应腔体的两端开设有反应腔气体入口和反应腔气体出口，反应腔气体入口连通混合气体，反应腔气体出口通过橡胶导管与下盖板气体入口连通，膜反应器通过螺栓紧固。本发明专利技术将混合气中的一氧化碳转化为氢气，去除一氧化碳的同时提高氢气产量，模块化程度高、拓展成本低、使用范围广。用范围广。用范围广。

【技术实现步骤摘要】
一种层叠式氢气提纯膜反应器


[0001]本专利技术属于可再生能源领域的一种涉及甲醇重整制氢产物的氢气提纯装置，尤其是涉及了一种层叠式氢气提纯膜反应器。

技术介绍

[0002]随着社会的发展，人类对能源的需求量不断增加，这导致了石油化石燃料的大量消耗。而大量使用石油化石燃料会导致严重的环境污染，且石油化石燃料是不可再生资源，储量有限。因此，人类迫切地需要绿色环保的可再生能源。氢能作为一种可再生、利用率高、资源丰富的绿色能源，是替代石油化石燃料的理想能源。
[0003]直接储氢和输氢过程面临危险性大、能量消耗大和储氢密度低等问题，而甲醇作为一种良好的储氢载体，具有方便携带运输、储氢密度高、来源广泛、可再生等特点，通过制氢反应器可以实现甲醇的现场制氢，是解决直接储氢、输氢问题的有效途径。
[0004]氢燃料电池是利用氢能的主要途径之一，用于氢燃料电池的氢气纯度要求99.999％以上。而现有的甲醇蒸汽重整制氢反应产物中含有H2、CO、CO2，产物的氢气纯度远无法满足氢燃料电池的需求；同时，重整产物中的CO会导致氢燃料电池中的铂基催化剂中毒并使其失效，必须将CO浓度降低至10ppm以下。因此，甲醇现场制氢产物无法直接应用于氢燃料电池，这限制了甲醇现场制氢的应用。为了实现现场制氢和用氢的衔接，提高甲醇蒸汽重整制氢产物中的H2纯度和降低CO浓度至关重要。
[0005]中国技术专利(申请号202121083998.8)公开了一种氢气提纯装置的过滤机构，包括吸附结构和过滤结构。H2从吸附结构底部进入并向上通过吸附结构，吸附结构对氢气中混杂的水气和微粒杂质进行吸附；之后H2再进入过滤结构，通过钯银合金膜分离出H2中的CO2，获得纯度较高的H2。改善了现有技术中氢气提纯过滤装置过滤效果差的问题。中国专利技术专利(申请号201910203234.9)公开了一种层叠结构的氢气提纯装置，包括过滤装置及加热装置。使用不锈钢滤网支撑的钯银合金膜过滤CO2并提纯H2，使用加热装置对过滤装置进行加热，以避免钯银合金膜发生“氢脆”。在高温高压条件下，对过滤装置和加热装置进行结构改进，不但结构强度大而且可有效避免“氢脆”等问题。
[0006]上述两种技术方案，均没有考虑到钯合金膜提纯效果的有限性。虽然通过钯合金膜可以获得高纯度的H2，但依然会有极小部分的杂质无法仅通过膜分离就可以去除，如果杂质中含有CO，即使杂质含量很小也会使氢燃料电池失效；同时，钯合金膜上的氢吸附位点有限，当进气流量较大时，一部分H2就无法通过钯合金膜并随废气排出，这导致了H2的浪费。申请号为201910203234.9的专利技术专利虽然使用了层叠式的装置结构，但并没有将其组件模块化。在已公开的专利中尚未发现能同时兼顾CO去除、H2提纯与回收、多模块化的氢气提纯膜反应器，现有技术缺少一种层叠式氢气提纯膜反应器，能够完全去除CO，提高H2纯度的同时增加H2的产量，并可以根据工况自由拓展模块，扩大使用范围。

技术实现思路

[0007]为了解决现有甲醇重整制氢产物H2纯度低、CO含量高、重整产物无法直接用于氢燃料电池等问题，本专利技术的目的在于提供一种层叠式氢气提纯膜反应器，针对膜反应器的结构进行了模块化设计，通过多个模块的叠加实现多次水煤气变换反应和多次膜分离，提高H2的产量和纯度。
[0008]本专利技术采用的技术方案是：
[0009]主要由上盖板、第一石墨垫片、第一钯铜合金膜、第一石墨垫片、第一金属铜网、第二石墨垫片、水煤气变换反应腔体、第二石墨垫片、第二金属铜网、第一石墨垫片、第二钯铜合金膜、第一石墨垫片和下盖板从上至下依次层叠组成；
[0010]膜反应器通过第一钯铜合金膜和第二钯铜合金膜分离混合气体中的一氧化碳和氢气，并将一氧化碳转化为氢气，从而在去除混合气体中一氧化碳的同时提高氢气产量，进而实现氢气的提纯利用。
[0011]所述的上盖板中开设有用于外接真空泵的出口，下盖板中开设有下盖板气体入口和尾气出口，水煤气变换反应腔体一端的侧壁上开设有反应腔气体入口，水煤气变换反应腔体另一端的下表面开设有反应腔气体出口，反应腔气体入口连通外界待分离的混合气体，反应腔气体出口通过橡胶导管与下盖板气体入口连通。
[0012]所述的水煤气变换反应腔体为内部中空的环状框体结构，第一石墨垫片和第二石墨垫片均为平面边框结构，第二石墨垫片和水煤气变换反应腔体两侧的内侧壁上均设有用于放置支撑块的卡槽，水煤气变换反应腔体、第一金属铜网、第二金属铜网和支撑块共同围成了立方体腔室，立方体腔室内填充有固体颗粒状的水煤气变换反应催化剂；上盖板和第一钯铜合金膜之间的第一石墨垫片以及上盖板、第一钯铜合金膜共同围成了渗透腔，第二钯铜合金膜和下盖板之间的第一石墨垫片以及第二钯铜合金膜、下盖板共同围成了二次渗透腔。
[0013]所述的上盖板、第一石墨垫片、第一钯铜合金膜、第一金属铜网、第二石墨垫片、水煤气变换反应腔体、第二金属铜网、第二钯铜合金膜和下盖板在外周的相同位置处均开设有螺栓固定孔，螺栓固定孔用于穿设固定螺栓。
[0014]所述第一金属铜网和第二金属铜网的厚度均为1～2mm，第一金属铜网和第二金属铜网的内圈均开设有若干个直径为2mm的内圈圆通孔，相邻的两个内圈圆通孔之间的孔间距为5mm。
[0015]所述的支撑块中开设有若干个直径为3mm的通气通孔，相邻的两个通气通孔之间的孔间距为9mm，支撑块的高度等于第一金属铜网下表面和第二金属铜网上表面之间的间距。
[0016]所述第一钯铜合金膜和第二钯铜合金膜中钯元素的质量分数均为50％～60％，铜元素的质量分数均为40％～50％，第一钯铜合金膜和第二钯铜合金膜的膜厚度均为20～40μm，钯铜合金膜中的基底采用多孔陶瓷薄片。
[0017]本专利技术为用于提纯甲醇蒸汽重整产物中H2的层叠式氢气提纯膜反应器，本专利技术在水煤气变换反应腔体中填充有球状水煤气变换反应催化剂，将通入的混合气中的CO转化为H2，同时使用钯铜合金膜分离H2，通过二次渗透腔回收第一次气体分离后残余的H2，去除CO的同时减少H2的浪费且提高H2产量；利用层叠式反应器模块化程度高、拓展成本低的特点，
可根据工况自由拓展膜反应器结构，有效提高H2的纯度，使用范围广。
[0018]本专利技术的有益效果为：
[0019]1)提高甲醇蒸汽重整产物中H2的产量，并去除CO。甲醇蒸汽重整产物中含有一定量的CO，水煤气变换反应能将CO转化为H2。由于H2作为水煤气变换反应的产物不断地被膜分离至渗透腔，所以水煤气变换反应会持续朝着产出H2的方向进行，这能够去除大部分的CO并增加H2的量。第一次气体分离后的混合气会进入二次渗透腔，混合气中残余的H2可通过二次渗透腔重新进入水煤气变换反应腔体以实现回收，能够减少H2的浪费，提高产量。
[0020]2)提高甲醇蒸汽重整产物中H2的纯度，并避免了钯合金膜的“氢脆”问题。甲醇蒸汽重整产物将通过钯铜合金膜进行气体分离，虽然钯铜合金膜的分离效果没有纯钯膜好，但分离后依然可以获得较高纯度的H2。若一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种层叠式氢气提纯膜反应器，其特征在于：主要由上盖板(1)、第一石墨垫片(2)、第一钯铜合金膜(3)、第一石墨垫片(2)、第一金属铜网(4)、第二石墨垫片(5)、水煤气变换反应腔体(6)、第二石墨垫片(5)、第二金属铜网(7)、第一石墨垫片(2)、第二钯铜合金膜(8)、第一石墨垫片(2)和下盖板(9)从上至下依次层叠组成；膜反应器通过第一钯铜合金膜(3)和第二钯铜合金膜(8)分离混合气体中的一氧化碳和氢气，并将一氧化碳转化为氢气，从而在去除混合气体中一氧化碳的同时提高氢气产量，进而实现氢气的提纯利用。2.根据权利要求1所述的一种层叠式氢气提纯膜反应器，其特征在于：所述的上盖板(1)中开设有用于外接真空泵的出口，下盖板(9)中开设有下盖板气体入口(14)和尾气出口(15)，水煤气变换反应腔体(6)一端的侧壁上开设有反应腔气体入口(11)，水煤气变换反应腔体(6)另一端的下表面开设有反应腔气体出口(13)，反应腔气体入口(11)连通外界待分离的混合气体，反应腔气体出口(13)通过橡胶导管(10)与下盖板气体入口(14)连通。3.根据权利要求1所述的一种层叠式氢气提纯膜反应器，其特征在于：所述的水煤气变换反应腔体(6)为内部中空的环状框体结构，第一石墨垫片(2)和第二石墨垫片(5)均为平面边框结构，第二石墨垫片(5)和水煤气变换反应腔体(6)两侧的内侧壁上均设有用于放置支撑块(12)的卡槽，水煤气变换反应腔体(6)、第一金属铜网(4)、第二金属铜网(7)和支撑块(12)共同围成了立方体腔室，立方体腔室内填充有固体颗粒状的水煤气变换反应催化...

【专利技术属性】
技术研发人员：梅德庆，施锦磊，汪延成，刘海宇，吴琼，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：