[实用新型]一种电化学加氢装置

说明书

本实用新型涉及一种电化学加氢装置，属于化工技术领域。一种电化学加氢装置，所述装置包括平面叠层组件，所述叠层组件依次由以下平面层叠放而成，氢气解离催化层，阳离子电解质膜层，阴离子电解质膜层，水解离催化层，加氢催化层。利用本实用新型所述装置进行加氢反应，其反应进程稳定可控，反应产率高，反应器自增湿，易于进行水管理。本实用新型加氢反应过程高效、快速、稳定，无需高温高压，仅消耗少量电能，在常温常压下即可对有机物进行催化加氢反应，反应过程经济、环保。

技术领域

本实用新型涉及一种电化学加氢装置，属于化工技术领域。

背景技术

加氢反应是化工生产过程中的重要工艺技术。直馏汽油、柴油、航煤等油品通常需要加氢反应脱除其中硫、氮等；生物质柴油普遍具有氧含量过高的问题，通过加氢处理可以有效提高生物质油的品质。由于加氢反应活性较低，通常需要较高的压力维持氢气分压，以使反应正向进行。目前常规加氢方法需要采用高温高压反应器在6～18MPa、350～450℃条件下进行加氢反应。较为苛刻的反应条件使加氢装置需要复杂的配套设施，包括原料加热炉、高温高压反应器、循环氢压缩机等设备使加氢装置无法小型化，操作成本也较高。

采用电化学加氢的方法可以有效降低加氢反应的难度，降低反应条件苛刻度。常规的电化学加氢装置由扩散层、催化剂、聚合物电解质、流道组成。利用贵金属催化氢气解离，由电解质将质子传递至阴极形成吸附氢，由于吸附氢的反应等效氢分压是气相氢分压的几千倍以上。由于较高的活性，使电化学加氢装置可以在常温常压下进行加氢反应。

然而，常规的电化学加氢装置存在多种不足。由于电化学加氢装置采用质子交换膜作为电解质传递质子，而质子必须以水合质子形式进行传递，因此在常规电化学加氢装置中水的流向为阳极到阴极的单一流向。单一的水流向造成水管理问题，一方面原料氢气需要不断补水进行增湿操作，而另一方面阴极的反应物不断被阳极传递过来的水稀释，降低了反应速率。通常对于水溶性加氢反应物，在4～6小时反应时间内反应物浓度将降低20～40％以上，严重影响了反应平衡和反应进程。此外，由于电化学加氢反应通常需要循环利用反应物以在维持反应正向进行的同时提高产物收率，但是反应物与产物通常具有相同的溶解性，例如反应物丙酮、加氢产物丙醇，丁酮、加氢产物丁醇均溶于水。互溶的反应物与产物通常难以分离，且存在较强的产物吸附抑制作用，使常规的电化学加氢装置通常在6-8小时后达到反应平衡，转化率维持在 45～60％，无法继续提高。

专利CN106148990A公开了一种电化学高压加氢及有机液态储氢装置及储氢方法，其特点是利用高压电解水装置提供氢源，并将氢气直接引入有机也太高压加氢反应器中。该发明的特点是利用电压维持氢气分压，从而促进加氢反应进行，与常规加氢反应器的区别在于其利用电压维持氢分压，而代替了氢压机。然而该发明装置中氢气仍然必须以气相状态存在，并没有改变气相状态下氢气反应活性不足的问题；同时该装置电解水装置将会使氢气带水进入有机相，水的存在将使加氢催化剂中毒，因而反应进程将会受阻。

专利CN105200448A公开了一种有机物脱氢与加氢耦合的电化学氢泵双反应器，其特点是利用高氢/碳比反应物脱氢提供氢源并利用质子交换膜传递质子并形成吸附氢。虽然该发明解决了氢压不足的问题，但并无法进行水管理，若氢源有机物是水溶性的，则仍然需要在阳极不断补水，而阴极产物则会被水不断稀释、增加了产物分离难度；若氢源有机物是油溶性的，则在阳极补水的同时将会造成阳极流道出现复杂的液态两相流，甚至出现油/水柱塞流的情况，传质阻力大幅升高，使氢源供给不足，加氢反应无以为继。

发明内容

针对常规加氢装置高温高压能耗过高的问题，和常规电化学加氢装置水管理较差、产物难以分离的问题，本实用新型提供了一种阴阳离子交换膜自增湿的常温常压电化学加氢方法。该实用新型的特点是通过同时使用阴阳离子交换膜作为电解质，使水在反应器中运动方向集中指向阴阳离子电解质膜层界面，通过收集回用电解质中的生成水可有效解决阳极水分不足、阴极水量过大的问题；通过设计膜接触器原位分离回收产物和反应物，解决了产物收率不足和产物抑制问题，提高了反应效率。