[實(shí)用新型]一種電化學(xué)加氫裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201721846103.5
• 申請日: 2017-12-26
• 公開（公告）號: CN207872138U
• 公開（公告）日: 2018-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 代巖;賀高紅
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)盤錦產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院
• 主分類號: B01J19/08
• 分類號: B01J19/08;B01J19/00
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 李娜;李馨

本實(shí)用新型涉及一種電化學(xué)加氫裝置，屬于化工技術(shù)領(lǐng)域。一種電化學(xué)加氫裝置，所述裝置包括平面疊層組件，所述疊層組件依次由以下平面層疊放而成，氫氣解離催化層，陽離子電解質(zhì)膜層，陰離子電解質(zhì)膜層，水解離催化層，加氫催化層。利用本實(shí)用新型所述裝置進(jìn)行加氫反應(yīng)，其反應(yīng)進(jìn)程穩(wěn)定可控，反應(yīng)產(chǎn)率高，反應(yīng)器自增濕，易于進(jìn)行水管理。本實(shí)用新型加氫反應(yīng)過程高效、快速、穩(wěn)定，無需高溫高壓，僅消耗少量電能，在常溫常壓下即可對有機(jī)物進(jìn)行催化加氫反應(yīng)，反應(yīng)過程經(jīng)濟(jì)、環(huán)保。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及一種電化學(xué)加氫裝置，屬于化工技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

加氫反應(yīng)是化工生產(chǎn)過程中的重要工藝技術(shù)。直餾汽油、柴油、航煤等油品通常需要加氫反應(yīng)脫除其中硫、氮等；生物質(zhì)柴油普遍具有氧含量過高的問題，通過加氫處理可以有效提高生物質(zhì)油的品質(zhì)。由于加氫反應(yīng)活性較低，通常需要較高的壓力維持氫氣分壓，以使反應(yīng)正向進(jìn)行。目前常規(guī)加氫方法需要采用高溫高壓反應(yīng)器在6～18MPa、350～450℃條件下進(jìn)行加氫反應(yīng)。較為苛刻的反應(yīng)條件使加氫裝置需要復(fù)雜的配套設(shè)施，包括原料加熱爐、高溫高壓反應(yīng)器、循環(huán)氫壓縮機(jī)等設(shè)備使加氫裝置無法小型化，操作成本也較高。

采用電化學(xué)加氫的方法可以有效降低加氫反應(yīng)的難度，降低反應(yīng)條件苛刻度。常規(guī)的電化學(xué)加氫裝置由擴(kuò)散層、催化劑、聚合物電解質(zhì)、流道組成。利用貴金屬催化氫氣解離，由電解質(zhì)將質(zhì)子傳遞至陰極形成吸附氫，由于吸附氫的反應(yīng)等效氫分壓是氣相氫分壓的幾千倍以上。由于較高的活性，使電化學(xué)加氫裝置可以在常溫常壓下進(jìn)行加氫反應(yīng)。

然而，常規(guī)的電化學(xué)加氫裝置存在多種不足。由于電化學(xué)加氫裝置采用質(zhì)子交換膜作為電解質(zhì)傳遞質(zhì)子，而質(zhì)子必須以水合質(zhì)子形式進(jìn)行傳遞，因此在常規(guī)電化學(xué)加氫裝置中水的流向?yàn)殛枠O到陰極的單一流向。單一的水流向造成水管理問題，一方面原料氫氣需要不斷補(bǔ)水進(jìn)行增濕操作，而另一方面陰極的反應(yīng)物不斷被陽極傳遞過來的水稀釋，降低了反應(yīng)速率。通常對于水溶性加氫反應(yīng)物，在4～6小時(shí)反應(yīng)時(shí)間內(nèi)反應(yīng)物濃度將降低20～40％以上，嚴(yán)重影響了反應(yīng)平衡和反應(yīng)進(jìn)程。此外，由于電化學(xué)加氫反應(yīng)通常需要循環(huán)利用反應(yīng)物以在維持反應(yīng)正向進(jìn)行的同時(shí)提高產(chǎn)物收率，但是反應(yīng)物與產(chǎn)物通常具有相同的溶解性，例如反應(yīng)物丙酮、加氫產(chǎn)物丙醇，丁酮、加氫產(chǎn)物丁醇均溶于水。互溶的反應(yīng)物與產(chǎn)物通常難以分離，且存在較強(qiáng)的產(chǎn)物吸附抑制作用，使常規(guī)的電化學(xué)加氫裝置通常在6-8小時(shí)后達(dá)到反應(yīng)平衡，轉(zhuǎn)化率維持在 45～60％，無法繼續(xù)提高。

專利CN106148990A公開了一種電化學(xué)高壓加氫及有機(jī)液態(tài)儲氫裝置及儲氫方法，其特點(diǎn)是利用高壓電解水裝置提供氫源，并將氫氣直接引入有機(jī)也太高壓加氫反應(yīng)器中。該發(fā)明的特點(diǎn)是利用電壓維持氫氣分壓，從而促進(jìn)加氫反應(yīng)進(jìn)行，與常規(guī)加氫反應(yīng)器的區(qū)別在于其利用電壓維持氫分壓，而代替了氫壓機(jī)。然而該發(fā)明裝置中氫氣仍然必須以氣相狀態(tài)存在，并沒有改變氣相狀態(tài)下氫氣反應(yīng)活性不足的問題；同時(shí)該裝置電解水裝置將會使氫氣帶水進(jìn)入有機(jī)相，水的存在將使加氫催化劑中毒，因而反應(yīng)進(jìn)程將會受阻。

專利CN105200448A公開了一種有機(jī)物脫氫與加氫耦合的電化學(xué)氫泵雙反應(yīng)器，其特點(diǎn)是利用高氫/碳比反應(yīng)物脫氫提供氫源并利用質(zhì)子交換膜傳遞質(zhì)子并形成吸附氫。雖然該發(fā)明解決了氫壓不足的問題，但并無法進(jìn)行水管理，若氫源有機(jī)物是水溶性的，則仍然需要在陽極不斷補(bǔ)水，而陰極產(chǎn)物則會被水不斷稀釋、增加了產(chǎn)物分離難度；若氫源有機(jī)物是油溶性的，則在陽極補(bǔ)水的同時(shí)將會造成陽極流道出現(xiàn)復(fù)雜的液態(tài)兩相流，甚至出現(xiàn)油/水柱塞流的情況，傳質(zhì)阻力大幅升高，使氫源供給不足，加氫反應(yīng)無以為繼。

發(fā)明內(nèi)容

針對常規(guī)加氫裝置高溫高壓能耗過高的問題，和常規(guī)電化學(xué)加氫裝置水管理較差、產(chǎn)物難以分離的問題，本實(shí)用新型提供了一種陰陽離子交換膜自增濕的常溫常壓電化學(xué)加氫方法。該實(shí)用新型的特點(diǎn)是通過同時(shí)使用陰陽離子交換膜作為電解質(zhì)，使水在反應(yīng)器中運(yùn)動方向集中指向陰陽離子電解質(zhì)膜層界面，通過收集回用電解質(zhì)中的生成水可有效解決陽極水分不足、陰極水量過大的問題；通過設(shè)計(jì)膜接觸器原位分離回收產(chǎn)物和反應(yīng)物，解決了產(chǎn)物收率不足和產(chǎn)物抑制問題，提高了反應(yīng)效率。