带超声辅助汽化的重整制氢微反应器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及醇类重整制氢微反应器，尤其是涉及一种带超声辅助汽化的重整制氢微反应器。
技术背景
[0002]随着现代社会工业经济的高速发展，尤其是汽车工业的发展，能源紧缺和环境污染已经成为新世纪时代人类面临的两大重大生存挑战。一方面，日益壮大的汽车工业正快速消耗着石油资源，据世界能源组织统计:按目前需求速率增长，世界所有已探明的石油蕴藏量将在2054年枯竭，到时侯汽车靠什么动力驱动将是人类面临的一个重大难题。另一方面，日益增多的汽车排出的大量尾气中含有上百种不同的化合物，其中的污染物如固体悬浮微粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅及硫氧化合物等已造成严重的大气污染。
[0003]在此能源短缺与环境污染的大背景下，高效、清洁能源的研发与推广势不可挡。氢能由于其燃烧热值高、没有污染物、来源广泛等优点，成为新能源的焦点，大力发展氢能源将有益于缓解能源短缺和环境污染的问题。
[0004]为了实现氢能的推广应用，必须解决氢气的储存和运输问题。采用醇类燃料现场重整产生氢气是解决上述问题的一种有效办法。
[0005]制氢反应器是实现醇类现场重整制氢的核心部件。近年来，世界各国不少相关单位开展了对重整制氢反应机理的研究，并已制造出重整制氢反应器。当前的重整制氢微反应器包括微通道式和微凸台式等，这些微反应器一般包含蒸发腔、重整反应腔、加热单元等结构，重整反应开始时液态的醇水混合物进入蒸发腔，吸收热量后变成气体，之后进入反应腔进行重整反应。这种反应器制作简单，容易装配，但是反应物由液态形式进入蒸发腔然后吸热迅速膨胀为气体，使得重整反应腔入口流量不稳定、脉动剧烈，会严重地影响重整制氢反应的反应效率，降低反应物的转化率、氢气的选择性。
[0006]中国发明专利(申请号201210448874.4)公开了一种层叠式微凸台阵列型重整制氢微反应器。该反应器采用微凸台阵列结构金属薄板作为反应载体，具有较高表面积体积比，可实现较大的体积能量密度。
[0007]中国发明专利(申请号201310558909.4)公开了一种带环形阵列的微凸台结构的重整制氢微反应器。该反应器将环形阵列的微凸台结构作为重整制氢的反应载体，反应物从圆周进入，产物从圆心流出，提高了反应流体在反应载体中的分布均匀性，增大了反应器的比表面积，有利于提高反应器的反应效率。
[0008]综上，现有的微型醇类重整制氢反应器都是通过优化重整反应腔中反应载体的结构，以提高反应腔内流速分布均匀度。尽管现有的优化结构能在制氢效率方面有出色表现，但未能解决重整反应腔入口流量脉动剧烈的问题，反应物由液体形式进入蒸发腔，与加热单元的接触面积小，接触到加热单元的液体受热突然汽化，未接触加热单元的液体则仍保持液状，流量脉动大，不能从根本上保证反应腔中流速的稳定均匀分布，从而不能得到较高的传质传热效率。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种带超声辅助汽化的重整制氢微反应器，能使反应物混合均匀、蒸发迅速，能减小所需入口压力；能解决重整反应腔入口流量脉动剧烈的问题，保证反应腔中流速稳定均匀分布，提高整体反应效率。
[0010]本发明采用的技术方案是:
[0011]本发明从下至上依次包括下盖板、蒸发单元、预热单元、重整制氢微反应单元和上盖板；从下至上依次组成雾化蒸发腔、预热腔、重整制氢反应腔和产物气体缓冲腔。
[0012]所述下盖板是一块凸状圆形板，凸状圆形板的凹槽底面上装有超声波换能器，凸缘左、右两侧各开有一个进料孔，重整制氢反应开始前，还原气体从一侧进料孔通入，重整制氢反应物由另一侧进料孔通入；下盖板台肩同一圆周上等距分布有贯穿的螺栓定位孔。
[0013]所述蒸发单元是一块圆形结构的加热板，上表面为平面，下表面开有凹槽，凹槽内分布有用于增大对雾化液滴的加热面积的圆形阵列的凸台；蒸发单元上开有放射状分布的、用于气体流通的扇形孔；下盖板上表面和蒸发单元下表面构成微反应器的雾化蒸发腔。
[0014]所述预热单元是一块圆形结构的加热板，上表面为平面，下表面开有凹槽，凹槽内分布有用于增大对气体预热面积的圆形阵列的凸台；预热单元中心处开有贯通的流道孔，蒸发单元上表面和预热单元下表面构成微反应器的预热腔。
[0015]所述重整制氢单元是一块圆形板，上表面为平面，下表面开有凹槽，凹槽内分布有圆形阵列的凸台，微凸台表面涂覆有作为重整制氢的反应载体催化剂，微凸台的高度与凹槽高度相等，装配时微凸台与预热单元的上表面相接触；重整制氢单元上开有用于放置热电偶的孔，重整制氢单元的微凸台外围处开有等距分布的弧形流道，预热单元上表面和重整制氢单元下表面构成微反应器的重整制氢反应腔。
[0016]所述上盖板是一块凸状圆形板，板中心处有一圆形流道孔，上盖板台肩同一圆周上等距分布有贯穿的螺栓定位孔，该螺栓孔的直径与数量均与下盖板台肩的螺栓直径和数量相等，重整反应单元的上表面和上盖板的下表面组成产物气体缓冲腔。
[0017]本发明具有的有益效果是:
[0018]1、反应物液体通过进料孔进入雾化腔后在超声换能器的作用下雾化成飘逸气雾，雾化液滴接触蒸发单元后迅速吸热蒸发成气体，即雾化之后立即汽化，这种雾化蒸发方式使反应物液体混合均匀，大大提高工质液体的蒸发效率。
[0019]2、反应物液体雾化蒸发是一个连续过程，该过程中气体体积膨胀，压强增大，能减小反应器所需入口压力。
[0020]3、可以通过调节超声换能器的功率达到调节重整反应腔入口气体流量的目的。
[0021]4、通过超声波换能器的雾化作用，反应物液化蒸发过程连续，能显著减小重整制氢单元入口气体的流量脉动，提高反应腔内流速分布均匀度，提高反应效率。
【附图说明】
[0022]图1是本发明整体的平面结构主视图。
[0023]图2是本发明整体的平面结构左视图。
[0024]图3是本发明整体的平面结构俯视图。
[0025]图4是本发明三维结构向上爆炸图。
[0026]图5是本发明三维结构向下爆炸图。
[0027]图6是本发明上盖板的结构立体图。
[0028]图7是本发明重整反应单元的结构立体图。
[0029]图8是本发明预热单元的结构立体图。
[0030]图9是本发明蒸发单元的结构立体图。
[0031]图10是本发明下盖板的结构立体图。
[0032]图11是本发明的流体流动路径简图。
[0033]图中:1、下盖板，2、蒸发单元，3、预热单元，4、重整反应单元，5、上盖板，6、超声波换能器，7、进料孔，8、产物出口，9、热电偶孔。
【具体实施方式】
[0034]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0035]如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明从下至上依次包括下盖板1、蒸发单元2、预热单元3、重整制氢微反应单元4和上盖板5 ;从下至上依次组成雾化蒸发腔、预热腔、重整制氢反应腔和产物气体缓冲腔。这些结构之间均加有石墨垫片密封。所述下盖板1底部安装有超声换能器6，左右两侧各开有一进料孔，蒸发单元2的下表面有圆形阵列的凸台，可大大增大加热面积。重整制氢的液体反应物通过进料孔7进入雾化腔，在超声换能器的振动作用下发生雾化，雾化液滴接触蒸发单元后迅速蒸发，在增大的压强的推动下进入后续结构继续参与后续反应。
[0036]如图10所示，所述下盖板1是一块凸状圆形板，凸状圆形板的凹槽底面上装有超声波换能器6，凸缘左、右两侧各开有一个进料孔7，重整制氢反应开始前，还原气体从一侧进料孔通入，重整制氢反应物由另一侧进料孔通入；下盖板1台肩同一圆周上等距分布有贯穿的螺栓定位孔。
[0037]如图9所示，所述蒸发单元2是一块圆形结构的加热板，上表面为平面，下表面开有凹槽，凹槽内分布有用于增大对雾化液滴的加热面积的圆形阵列的凸台；蒸发单元2上开有放射状分布的