本發(fā)明屬于催化反應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于離子膜反應(yīng)器的甲烷重整轉(zhuǎn)化分離裝置。

背景技術(shù)：

由于我國(guó)石油資源儲(chǔ)量有限，甲烷的高效轉(zhuǎn)化已經(jīng)成為關(guān)系到國(guó)家能源戰(zhàn)略的重要研究方向，而且如何減少二氧化碳的排放也一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。甲烷和二氧化碳重整制得的合成氣用于制備各種不同的化工產(chǎn)品或液體燃料具有廣闊的應(yīng)用前景。研發(fā)出甲烷重整高效轉(zhuǎn)化及分離裝置，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用依舊是當(dāng)前需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。目前針對(duì)甲烷和二氧化碳重整制合成氣的研究主要側(cè)重于高效非貴金屬催化劑的研發(fā)，但由于非貴金屬催化劑積炭嚴(yán)重,易導(dǎo)致催化劑積炭失活，是導(dǎo)致甲烷和二氧化碳重整制合成氣迄今尚未真正工業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用的原因之一。同時(shí)，針對(duì)甲烷和二氧化碳重整制得的合成氣進(jìn)行有效分離利用的研究較少。為更好地研究甲烷和二氧化碳重整反應(yīng)及產(chǎn)物的高效分離技術(shù)，有必要研究一種專用的甲烷重整離子膜反應(yīng)器高效轉(zhuǎn)化分離裝置，以實(shí)現(xiàn)甲烷和二氧化碳重整反應(yīng)的高效進(jìn)行與產(chǎn)物的高效分離，有利于推動(dòng)工業(yè)化的實(shí)際應(yīng)用。CN200810034740.1公開(kāi)了一種高溫焦?fàn)t粗煤氣制氫系統(tǒng)裝置及工藝，系統(tǒng)裝置包括高溫焦?fàn)t粗煤氣供送系統(tǒng)、氧源空氣供送系統(tǒng)、高溫水蒸氣供送系統(tǒng)、干氣化爐供氧系統(tǒng)、高溫脫硫系統(tǒng)和煤氣重整反應(yīng)產(chǎn)物輸出系統(tǒng)，能把焦化過(guò)程產(chǎn)生的大量高溫焦?fàn)t粗煤氣的高物理顯熱和高化學(xué)含能組分盡可能的全部轉(zhuǎn)換為氫氣，由于采用干氣化、高溫脫硫和混合導(dǎo)體透氧膜來(lái)供氧，使制氫效率更高，并使氫氣量大幅度提高。CN201480065720.4公開(kāi)了一種用于使用基于氧轉(zhuǎn)運(yùn)膜的重整系統(tǒng)來(lái)生產(chǎn)氫氣的方法和系統(tǒng)，其在重整反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行一段轉(zhuǎn)化過(guò)程，并在反應(yīng)性驅(qū)動(dòng)的且含催化劑的氧轉(zhuǎn)運(yùn)膜反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行二段轉(zhuǎn)化過(guò)程，具有或不具有輔助熱源來(lái)支持重整反應(yīng)器內(nèi)的一段轉(zhuǎn)化過(guò)程以首先形成合成氣產(chǎn)物，該專利側(cè)重于甲烷水蒸氣重整反應(yīng)。而針對(duì)利用離子膜通過(guò)給定電壓的方式進(jìn)行甲烷二氧化碳重整產(chǎn)物的高效分離裝置的研究較少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：提供一種基于離子膜反應(yīng)器的甲烷重整轉(zhuǎn)化分離裝置，解決現(xiàn)有的產(chǎn)物分離效率偏低、實(shí)驗(yàn)室對(duì)產(chǎn)物研究不全面及工業(yè)應(yīng)用局限性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)甲烷二氧化碳重整反應(yīng)高效轉(zhuǎn)化與產(chǎn)物高效分離。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于離子膜反應(yīng)器的甲烷重整轉(zhuǎn)化分離裝置，包括：石英管反應(yīng)器、催化劑床層、離子膜、反應(yīng)氣入口、氣體產(chǎn)物出口、氣體分離產(chǎn)物出口；

所述石英管反應(yīng)器用于承載所述催化劑床層和所述離子膜；

所述催化劑床層用于放置催化劑，反應(yīng)氣為CH4和CO2；

所述離子膜成倒U形，設(shè)置于所述石英管反應(yīng)器內(nèi)側(cè)的中下部；所述離子膜由陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)組成，其中最外層為陽(yáng)極，中間為電解質(zhì)，最內(nèi)層為陰極；當(dāng)在所述離子膜兩側(cè)給定合適的電壓時(shí)，使氫的質(zhì)子和陽(yáng)離子分別定向遷移至所述離子膜兩側(cè)，分別形成氣體產(chǎn)物CO與H2；

所述反應(yīng)氣入口位于所述石英管反應(yīng)器底部，反應(yīng)氣CH4和CO2從所述反應(yīng)氣入口混合均勻后進(jìn)入，并到達(dá)所述催化劑床層，隨溫度升高，并在催化劑的作用下發(fā)生重整反應(yīng)；

所述氣體產(chǎn)物出口位于所述石英管反應(yīng)器上部，在所述催化劑床層上側(cè)將分離的氣體產(chǎn)物CO從所述氣體產(chǎn)物出口排出；

所述氣體分離產(chǎn)物出口位于倒U形所述離子膜的下側(cè)口部，用于排出重整反應(yīng)后分離出的氣體產(chǎn)物H2。

更進(jìn)一步地，所述離子膜的陽(yáng)極為Cu，陰極為Ni基復(fù)合氧化物，電解質(zhì)為Ba基氧化物。

本發(fā)明將催化重整反應(yīng)器與離子交換膜技術(shù)有效結(jié)合，在甲烷二氧化碳重整反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，通過(guò)給離子交換膜兩側(cè)加一個(gè)電壓，驅(qū)動(dòng)氫的質(zhì)子和陽(yáng)離子的定向遷移，分別流向離子膜兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)產(chǎn)物的高效分離，并且及時(shí)促進(jìn)了正向反應(yīng)的進(jìn)行，有效解決了現(xiàn)有的產(chǎn)物分離效率偏低、實(shí)驗(yàn)室對(duì)產(chǎn)物研究不全面及工業(yè)應(yīng)用局限性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)甲烷二氧化碳重整反應(yīng)高效轉(zhuǎn)化與產(chǎn)物高效分離，具有操作簡(jiǎn)單、分離效率高等特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明組成結(jié)構(gòu)示意圖。

1--石英管反應(yīng)器，2--催化劑床層，3--離子膜，4--反應(yīng)氣，5--氣體產(chǎn)物，6--氣體分離產(chǎn)物

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：參見(jiàn)圖1，一種基于離子膜反應(yīng)器的甲烷重整轉(zhuǎn)化分離裝置，包括：石英管反應(yīng)器1、催化劑床層2、離子膜3、反應(yīng)氣入口4、氣體產(chǎn)物出口5、氣體分離產(chǎn)物出口6；

所述石英管反應(yīng)器1用于承載所述催化劑床層2和所述離子膜3；

所述催化劑床層2用于放置催化劑，反應(yīng)氣為CH4和CO2；

所述離子膜3成倒U形，設(shè)置于所述石英管反應(yīng)器1內(nèi)側(cè)的中下部；所述離子膜3由陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)組成，其中最外層為陽(yáng)極，中間為電解質(zhì)，最內(nèi)層為陰極；當(dāng)在所述離子膜3兩側(cè)給定合適的電壓時(shí)，使氫的質(zhì)子和陽(yáng)離子分別定向遷移至所述離子膜3兩側(cè)，分別形成氣體產(chǎn)物CO與H2；所述離子膜3的陽(yáng)極為Cu，陰極為Ni基復(fù)合氧化物，電解質(zhì)為Ba基氧化物。

所述反應(yīng)氣入口4位于所述石英管反應(yīng)器1底部，反應(yīng)氣CH4和CO2從所述反應(yīng)氣入口4混合均勻后進(jìn)入，并到達(dá)所述催化劑床層2，隨溫度升高，并在催化劑的作用下發(fā)生重整反應(yīng)；

所述氣體產(chǎn)物出口5位于所述石英管反應(yīng)器1上部，在所述催化劑床層2上側(cè)將分離的氣體產(chǎn)物CO從所述氣體產(chǎn)物出口5排出；

所述氣體分離產(chǎn)物出口6位于倒U形所述離子膜3的下側(cè)口部，用于排出重整反應(yīng)后分離出的氣體產(chǎn)物H2。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形，仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。