[发明专利]使用集成的反应/分离方法的氢生产模块及使用该模块的氢生产反应器

说明书

技术领域

本发明涉及氢生产模块及使用所述模块的氢生产反应器，更具体地，涉及能够通过集成的反应/分离方法以高于平衡转化率的高效率从烃或一氧化碳生产氢的氢生产模块以及使用所述模块的氢生产反应器。

背景技术

氢，其作为未来的能源资源以及作为化学和电子工业工艺的基础材料，正在通过各种的途径制备。

各种反应中，因为其所得氢的高浓度，所以使用天然气的蒸汽重整反应(反应式1，下文中被称为“SR”)在工业上被广泛地使用。

[反应式1]

反应热＝205.8kJ/mol

在反应式1的反应之后，根据反应式2进行一氧化碳转移反应(水气转换，下文中称为“WGS”)以提高氢浓度，随后在冷却/水移除、变压吸附(PSA)单元工艺中进行分离氢的工艺。

[反应式2]

反应热＝-41.2kJ/mol

与反应式1相关的SR反应是具有大量热吸收的平衡反应，其中，高温是不可避免的。根据反应式2的WGS反应是平衡反应，并且工艺温度因生成的热量而升高。因此，在高温转化(HTS)反应之后，反应气体不可避免地需要冷却，低温转化(LTS)反应在高温转化反应后进行。因此，整个工艺要在一个大工厂中进行，并且，存在热效率低的问题。因此，需要开发一种新工艺来替代这个工艺。

为改善上述问题，正在对具有快速传热速率的金属催化剂和使用这种催化剂的微通道反应器展开研究。

另外，基于氢生成反应是平衡反应的理念，日本的三菱重工业株式会社(Mitsubishi Heavy Industries)已经着手开发一种简化的工艺，其中，使用氢分离膜通过反应的同时移除氢以打破平衡，并且由此能够在低温重整反应的同时获得高浓度的氢。(Y.Shirasaki等人，《用于从天然气高效生产氢的膜重整器系统的开发》(Development of membrane reformer system for highly efficient hydrogen production from natural gas)，国际氢能源杂志(Int.J.Hydrogen Energy),34(2009)4482-4487；K.-R.Hwang等人，《用于水-气转换反应的催化膜反应器》(A catalytic membrane reactor for water-gas shift reaction)，韩国化学工程杂志(Korean J.Chem.Eng.)，27(3)(2010)816-821)。

如上所述的方法，Hwang等人通过在一氧化碳水含水反应的同时移除氢改善了一氧化碳的传递速率。

上述两个反应器的本质为将催化剂设置于分离膜周围作为催化剂和反应器的构型方法，很多研究人员对此付出了很大的努力。在这样的构型中，涂覆了催化剂的金属网被安置在分离膜附近但不与其接触，或者，将催化剂细粉置于篮子中以与分离膜保持一定的间隔。也就是说，分离膜和催化剂的位置是固定的，而且，因为生成的氢的量较少(尤其是在其入口处)，所以只有催化剂被置于反应器的入口，并且，从一定距离的后半部分起，分离膜被置于催化剂周围。这样的构型仅处于研究阶段，以验证反应分离的同步工艺的可能性，并且，作为一种用于使效率最大化的技术或放大到大规模的技术因此有很多问题。尤其是为使反应分离效果最优化，需要能够提高反应操作压力的构型。为此，由于结构特点，需要一种新途径。

也就是说，根据分离膜和催化剂之间的空间构型方法，在性能方面存在很大不同。就使其大规模和大量生产而言，可以看出需要易于放大的构型。

发明内容

[技术问题]

因此，本发明的第一个目的是提供一种使用烃和/或一氧化碳高效地生产氢的集成的反应/分离方法。

本发明的第二个目的是提供一种生产氢的反应器，所述反应器可以通过在单位元件(unit cell)中形成反应器并层压所述单位元件的技术来放大规模。

[技术方案]

为实现上述目的，本发明使用高效集成的反应/分离方法，所述方法通过催化剂和分离膜的布置和单位元件的重复使放大变得容易，所述布置可以使反应效率最大化。