CN106402475A - 具有泄露氢气去除功能的氢气阀门 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有泄露氢气去除功能的氢气阀门，阀门包括：阀体、阀杆、填料、填料压盖，所述填料压盖外壁上沿周向对称开设有若干个第一凹槽，所述填料压盖内壁上沿周向对应开设有若干个第二凹槽，所述第一凹槽和第二凹槽内设置有氢气吸收反应器，所述氢气吸收反应器上设置有Pd/Pt‑Al2O3的催化剂涂层，所述氢气吸收反应器位于所述填料上端的开口中，且所述催化剂涂层暴露在凹槽中。将疏水Pd/Pt‑Al2O3催化涂层涂敷在铁铬铝金属板上，该金属板安装在填料压盖内外壁面开有的凹槽内，常温下实现高效的氢气氧化消除。同时利用Pd/Pt－Al2O3催化涂层的疏水特性实现反应产物水的有效排出，保证催化剂的稳定性。该发明的阀门具有结构简单、安全，高效去除泄露氢气的优点。

Description

具有泄露氢气去除功能的氢气阀门
技术领域
本发明涉及泄漏气体处理技术领域，更具体地说，本发明涉及一种具有泄露氢气去除功能的氢气阀门，本发明用于去除氢气阀门填料处的泄漏气体。
背景技术
阀门是工业装置中不可缺少的部分，其中很多阀门应用于腐蚀性强、有毒或易燃、易爆的工况中。全球工业阀门市场规模约350亿美元，其中中国工业阀门消费约占全球工业阀门总产出的25%。阀门作为一种承压过流通用机械，减少其介质泄露，避免泄露对安全和环境的损害是重要的研究课题。
阀门泄漏分为两类，即外部泄漏和内部泄漏，无论是何种泄漏都有可能造成介质的损失和环境的污染，甚至会引起火灾、爆炸、中毒等危害生命安全的重大事故，给国民经济造成严重的损失。印度博帕尔农药厂事故、切尔诺贝利核电事故均与阀门泄漏存在直接关系。统计数据表明，工业装置中约20%的阀门存在泄漏问题，所造成的损失约占总损失的5%。以一套5000千吨／年规模的石油常减压装置为例，一般情况下有5000个左右的阀门，其中如果20%的阀门出现泄漏将会造成巨大的经济损失和环境污染。
在阀门的两种泄露中，内漏通常会造成系统的不稳定和物料的损失，但是阀门的外漏则可能直接导致爆炸、环境污染和人员中毒。现阶段我国的环境污染源中除工厂直接排放的尾气外，相关设备直接泄露导致的污染也不容忽视。发生阀门外漏的部位主要为阀门与管线的连接部位，阀体与阀杆之间的填料部位。因阀门与管线连接部位为静密封且预紧力较大，出现直接泄露的可能性很小。而填料密封为动密封，随阀门开关次数的增大，密封填料的密封性会逐渐降低，最终由微量泄漏发展为大量泄露。
氢气是一种易燃易爆的介质，因为其分子直径小，极易穿过密封介质发生泄露。泄露的氢气在与空气接触后达到一定浓度，一旦接触明火或温度较高即会发生燃烧爆炸。而如何将阀门填料部位泄漏的氢气进行收集处理，并无相关研究。
中国专利CN101604758，公开了一套燃料电池阳极富氢尾气处理系统，该系统的主要由催化部件和汽水分离器组成。燃料电池排放的尾气与氧气混合后通过催化燃烧去除，尾气中包含的水分通过汽水分离器进行分离，所以该方法需要汽水分离装置。
中国专利CN 104733758，公开了一种燃料电池阳极富氢尾气处理的装置及其方法，该装置及方法的主要应用场合为燃料电池处理领域。该装置在微反应器中安装催化剂，对氢燃料电池的尾气进行催化处理，实现了在潮湿氛围下处理氢气燃料电池尾气。但是，该催化反应装置需要安装精确的控温加热系统，系统较为复杂。
目前尚没有专门针对氢气阀门填料处泄露气体去除的相关装置及方法。针对氢气阀门填料部位氢气泄露问题，开发一种可实现常温氢气高效去除的装置和方法是非常重要的。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种具有泄露氢气去除功能的氢气阀门，将疏水Pd/Pt-Al2O3催化涂层涂敷在铁铬铝金属板上，该金属板安装在填料压盖内、外壁面开设的凹槽内，常温下实现高效的氢气氧化消除。同时利用Pd/Pt－Al2O3催化涂层的疏水特性实现反应产物水的有效排出，保证催化剂的稳定性。该发明的阀门具有结构简单、安全，高效去除泄露氢气的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种具有泄露氢气去除功能的氢气阀门，包括：
阀体，其上开设有开口；
阀杆，其设置在所述开口中并与阀门的阀芯连接，所述阀杆上端从开口中向外引出，所述阀杆下端与所述开口内壁之间用填料填充；以及
填料压盖，其套设在所述阀杆上，且所述填料压盖按压在所述填料上方并与所述阀体固定；
其中，所述填料压盖外壁上沿周向对称开设有若干个第一凹槽，所述填料压盖内壁上沿周向对应开设有若干个第二凹槽，所述第一凹槽和第二凹槽内设置有氢气吸收反应器，所述氢气吸收反应器上设置有Pd/Pt-Al2O3的催化剂涂层，所述氢气吸收反应器位于所述填料上端的开口中，且所述催化剂涂层暴露在凹槽中。
优选的，所述氢气吸收反应器具体包括：
金属板，其厚度为0.3 mm～0.6mm，所述金属板为经过喷砂处理的铁铬铝金属板；
催化剂涂层，其均匀涂覆在所述金属板的表面，所述催化剂涂层由具有疏水性的Pd/Pt-Al2O3制成；
其中，所述金属板为圆弧面板状结构，所述金属板宽度对应的圆心角在26°～34°，所述金属板上开设有用于安装的螺纹孔。
优选的，所述金属板厚度为0.4mm，金属板宽度对应的圆心角为27°，所述金属板长度为22mm。
优选的，所述填料压盖轴向中心开设有通孔，所述阀杆贯穿所述通孔，所述填料压盖上端通过第一螺栓固定在所述开口上端的阀体上，所述氢气吸收反应器通过第二螺栓固定在凹槽中。
优选的，所述填料压盖与阀体开口为间隙配合，且填料压盖外径与开口内径相差0.5 mm～1mm；填料压盖与与阀杆为间隙配合，填料压盖通孔内径与阀杆外径相差0.5 mm～1mm。
优选的，第一凹槽和第二凹槽为弧状凹槽，第一凹槽和第二凹槽的深度为0.6 mm～1.0mm、长度为20 mm～30mm、宽度对应的圆心角为25°～35°。
优选的，所述填料压盖侧壁上一一对应开设有4组所述第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽的深度为0.8mm、长度为25mm、宽度对应的圆心角为30°。
优选的，所述氢气吸收反应器分为外氢气吸收反应器和内氢气吸收反应器，所述第一凹槽内设置有外氢气吸收反应器，所述外氢气吸收反应器的外表面设置有所述催化剂涂层，所述第二凹槽内设置有内氢气吸收反应器，所述内氢气吸收反应器的内表面设置有所述催化剂涂层。
优选的，所述氢气吸收反应器由以下方法制备：将经热处理后的所述金属板表面制备Al2O3涂层，将氯化钯、氯铂酸、乙醇按照1mg：1mg：1mL的比例配制成溶液，将涂敷有Al2O3涂层的金属板浸泡在所述溶液中，将金属板取出后，在120℃下干燥2h，随后在400℃下煅烧4小时，并将金属板置于50% H2 和50% N2气氛中在350℃下还原2小时，冷却至室温后得到涂敷有Pd/Pt－Al2O3催化剂涂层的铁铬铝金属板，最后做疏水处理后即得氢气吸收反应器。
本发明至少包括以下有益效果：
1、本发明的阀门采用安装具有涂敷有Pd/Pt-Al2O3疏水催化剂涂层的铁铬铝金属板，常温下实现高效的氢气氧化消除；
2、利用Pd/Pt-Al2O3催化涂层的疏水特性实现反应产物水的有效排出，保证催化剂的稳定性；
3、本发明的阀门具有结构简单、安全性和可靠性高，制造工艺简单，同时具有高效去除泄露氢气的优点。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1 为氢气吸收反应器侧视图；
图2为外氢气吸收反应器A-A方向剖视图；
图3为内氢气吸收反应器A-A方向剖视图；
图4为应用氢气吸收反应器阀门的结构示意图；
图5为填料压盖侧视图；
图6为填料压盖侧视图局部剖视图；
图7为图6中B-B方向的剖视图；
图8为填料压盖立体结构示意图；
以上附图中：1：第一螺栓，2：外氢气吸收反应器，3：第二螺栓，4：阀杆，5：填料压盖，6：阀体，7：填料，8：螺母，9：内氢气吸收反应器，51：第一凹槽，52：第二凹槽，110：金属板，111：螺纹孔，120：催化剂涂层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例一，一种具有泄露氢气去除功能的氢气阀门，如图1-8所示，包括：阀体6、填料7、填料压盖5、阀杆4以及设置在填料压盖5上的氢气吸收反应器，其中，阀体6上开设有开口，阀杆4设置在所述开口中，阀杆底部与阀门阀芯连接用于控制阀门的开关状态，阀杆上端从开口中向外引出，所述阀杆下端与所述开口内壁之间用填料7填充，起到阀杆引出端与阀门内部的气密性连接，以防止阀门内氢气泄露；填料压盖5设置为圆柱状结构，并套设在所述阀杆4上，具体的，所述填料压盖5轴向中心开设有通孔53，所述阀杆贯穿所述通孔，所述填料压盖按压在所述填料上方并与所述阀体固定，将填料挤压后完全填充阀杆与开口内壁之间的空隙，提高阀门气密性；
其中，如图5-8所示，所述填料压盖5外壁上沿周向对称开设有若干个第一凹槽51，所述填料压盖内壁上沿周向对应开设有若干个第二凹槽52所述第一凹槽和第二凹槽内设置有氢气吸收反应器，所述氢气吸收反应器上设置有Pd/Pt-Al2O3的催化剂涂层，所述氢气吸收反应器位于所述填料上端的开口中，且氢气吸收反应器上的催化剂涂层暴露在凹槽中，本实施例中，所述填料压盖侧壁上一一对应开设有4组所述第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽的深度为0.8mm、长度为25mm、宽度对应的圆心角θ为30°，对应的，所述氢气吸收反应器设置为圆弧面板状结构，所述金属板宽度对应的圆心角θ在27°，所述金属板长度为22mm，氢气吸收反应器完全设置在凹槽内，不影响填料压盖的正常安装。具体的，第一凹槽中设置外氢气吸收反应器2，如图2所示，Pd/Pt-Al2O3疏水催化剂涂层设置在铁铬铝金属板外周，外氢气吸收反应器2的内表面贴合设置在所述第一凹槽外表面上，外氢气吸收反应器2外表面的Pd/Pt-Al2O3疏水催化剂涂层暴露在调料压盖外侧壁与开口内侧壁之间的缝隙中；第二凹槽中设置内氢气吸收反应器9，如图3所示，Pd/Pt-Al2O3疏水催化剂涂层设置在铁铬铝金属板内周，内氢气吸收反应器9的外表面贴合设置在所述第二凹槽内表面上，内氢气吸收反应器9内表面的Pd/Pt-Al2O3疏水催化剂涂层暴露在阀杆外侧壁与填料压盖通孔内侧壁之间的缝隙中；Pd/Pt－Al2O3疏水催化剂涂层能够在常温下催化去除阀门填料部位泄漏的氢气，同时催化剂涂层具有的疏水特性可以排除反应生成的水以保持催化剂的活性，从而当氢气阀门填料处泄露少量氢气时，填料处可能的泄露处都设置有氢气吸收反应器，氢气吸收反应器在常温下实现高效的氢气氧化消除，防止氢气泄露到阀门外，造成安全隐患。
实施例二，所述填料压盖上端设置有凸起，所述填料压盖上端通过第一螺栓1固定在所述开口上端的阀体6上，第一螺栓1上端通过螺母8与所述凸起固定，氢气吸收反应器的金属板上开设有若干个用于安装的螺纹孔111，同时凹槽内壁上开设有螺纹孔，所述氢气吸收反应器通过第二螺栓3固定在凹槽中，氢气吸收反应器不凸出于凹槽。所述填料压盖与阀体开口为间隙配合，且填料压盖外径与开口内径相差0.5 mm～1mm，外氢气吸收反应器暴露在此间隙内；填料压盖与与阀杆为间隙配合，填料压盖通孔内径与阀杆外径相差0.5 mm～1mm，内氢气吸收反应器暴露在此间隙内；从而，填料处可能的氢气泄露处都设置有4个氢气吸收反应器，有效吸收掉可能泄露的氢气，提高阀门安全性。
实施例三，如图1-3所示，氢气吸收反应器具体包括金属板110和涂覆在金属板表面的催化剂涂层120，其中，金属板的厚度为0.4mm，所述金属板采用经过喷砂处理的铁铬铝金属板，铝含量为5wt%；催化剂涂层120，其均匀涂覆在所述金属板的表面，所述催化剂涂层由具有疏水性的Pd/Pt-Al2O3制成，涂敷有Pd/Pt－Al2O3疏水催化剂涂层的铁铬铝金属板，形成氢气吸收反应器，催化剂涂层能够在常温下催化去除阀门填料部位泄漏的氢气，同时催化剂涂层具有的疏水特性可以排除反应生成的水以保持催化剂的活性具体的，实现持续稳定的泄露氢气去除，提高氢气阀门的安全性。本实施例中，为了安装方便，将所述金属板设置为圆弧面板状结构，所述金属板宽度对应的圆心角θ在27°，所述金属板长度为22mm，所述金属板上开设有用于安装的螺纹孔111，氢气吸收反应器通过螺栓安装在氢气阀门上，成为一体式结构，同时，催化剂涂层120暴露在阀门填料可能泄露的位置，以反应吸收可能泄露的氢气。
氢气阀门填料部位泄漏的微量氢气与空气混合，在Pd/Pt-Al2O3疏水催化剂涂层的作用下，氢气与空气中的氧气反应生成水，常温下实现高效的氢气氧化消除，避免了安全隐患；同时，由于催化剂涂层具有疏水性，反应生成的水可随反应气体脱离催化剂涂层，保证了催化剂的高效性和稳定性。
实施例四，氢气吸收反应器由以下步骤制得：
步骤一、采用铝含量为5wt%左右的铁铬铝合金金属板，为了增强铁铬铝合金同催化剂涂层载体的结合强度，对其进行必要的热处理，热处理的过程如下：首先用丙酮对铁铬铝金属板的表面进行清洗，再用5wt%的NaOH溶液浸泡20 分钟，然后在马福炉中以4℃/min的升温速率升温至900℃，保温2 小时，炉冷；
步骤二、配置2mol/L的硝酸溶液，将Al2O3粉末加入到硝酸溶液中，在室温下搅拌30 分钟，陈化2 小时，形成浆液，其中，Al2O3粉末与硝酸溶液的配比为100g Al2O3粉末: 1molHNO3，将形成的浆液均匀涂覆在经过热处理后的金属板上，将金属板表面多余的浆液除去，在室温下干燥1 h后放置在真空干燥箱中105℃下干燥12 h，随后将金属板放置在马福炉中以4℃/min的升温速率升温至500℃进行烧结，得到涂覆有Al2O3涂层的金属板；
步骤三、将氯化钯、氯铂酸、乙醇按照1mg：1mg：1mL的比例配制成溶液，将涂敷有Al2O3涂层的金属板浸泡在配置的所述溶液中，将金属板取出后，在120℃下干燥2h，随后在400℃下煅烧4小时，并将金属板置于50% H2 和50% N2气氛中在350℃下还原2小时，冷却至室温后得到涂敷有Pd/Pt－Al2O3催化剂涂层的铁铬铝金属板；
步骤四、将涂敷有Pd/Pt－Al2O3催化剂涂层的铁铬铝金属板做疏水处理得到氢气吸收反应器，疏水处理过程如下：将涂覆有Al2O3涂层的金属板放置于三乙氧基－1H，1H，2H，2H十三氟－N－辛基硅烷的乙醇溶液中浸泡24h，三乙氧基－1H，1H，2H，2H十三氟－N－辛基硅烷与乙醇的配比为1mL:100mL，然后将金属板洗涤后在100℃下干燥1小时，即得到具有Pd/Pt-Al2O3疏水催化剂涂层的氢气吸收反应器。
最后将氢气吸收反应器对应安装到调料压盖上的凹槽内即得到了具有泄露氢气去除功能的氢气阀门，实现了阀门泄露氢气的有效去除，提高了阀门的安全和可靠性。
由此可知，本发明的制造工艺简单，同时具有高效去除泄露氢气的优点。
对比实施例一，一台氢气阀门，如图4所示，阀门填料处安装有如图5-8所示的填料压盖5，填料压盖内外壁面沿周向分别均匀开有4个凹槽，凹槽的深度D取0.8mm、长度25mm，宽度对应夹角角度30°，但未安装涂敷有Pd/Pt-Al2O3疏水催化剂涂层的氢气吸收反应器。在入口处通入纯氢，入口压力为0.6MPa。放松紧固螺栓1上的螺母8，产生气体泄漏，记录紧固螺栓放松时螺母相对于螺栓的位置。在填料压盖5上表面靠近和阀杆4的间隙处采用气体注射器抽取泄漏气体，然后将此抽取的气体通过气相色谱仪分析氢气的浓度为4%。关闭氢气阀门入口的气源，将氢气阀门内部的气体排空。拆下填料压盖5，在填料压盖内外壁的8个凹槽内安装涂敷有Pd/Pt-Al2O3疏水催化剂涂层的外氢气吸收反应器2和内氢气吸收反应器9。铁铬铝金属板经过喷砂处理，板厚0.4mm。外铁铬铝金属板2以及内铁铬铝金属板9通过螺栓3固定于凹槽内。
在入口处通入纯氢，入口压力为0.6MPa。放松紧固螺栓1上的螺母8，螺母放松的位置与未装外氢气吸收反应器2和内氢气吸收反应器9时记录的螺栓1放松时螺母相对于螺栓的位置相同，产生气体泄漏。在填料压盖5上表面靠近和阀杆4的间隙处采用气体注射器抽取泄漏气体，然后将此抽取的气体通过气相色谱仪分析氢气的浓度为50ppm。由此可见，采用本发明的具有泄露氢气去除功能的氢气阀门可实现通过填料泄露的氢气的高效氧化去除，极大地保证了相关装置及系统的安全。
由上所述，本发明提供一种具有泄露氢气去除功能的氢气阀门，用于去除氢气阀门填料处泄漏的气体，该阀门包括一种特殊结构的填料压盖，所述填料压盖周向内外分别开有环形阵列凹槽，凹槽内部装有涂敷有Pd/Pt－Al2O3疏水催化剂涂层的铁铬铝金属板。所述的催化剂涂层能够在常温下催化去除阀门填料部位泄漏的氢气，同时催化剂涂层具有的疏水特性可以排除反应生成的水以保持催化剂的活性。本专利能够实现在用氢气阀门填料泄漏的氢气的在线高效去除。同时，本发明的阀门具有结构简单、安全性和可靠性高，制造工艺简单，同时具有高效去除泄露氢气的优点，适于推广应用。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种具有泄露氢气去除功能的氢气阀门，其特征在于，包括：
阀体，其上开设有开口；
阀杆，其设置在所述开口中并与阀门的阀芯连接，所述阀杆上端从开口中向外引出，所述阀杆下端与所述开口内壁之间用填料填充；以及
填料压盖，其套设在所述阀杆上，且所述填料压盖按压在所述填料上方并与所述阀体固定；
其中，所述填料压盖外壁上沿周向对称开设有若干个第一凹槽，所述填料压盖内壁上沿周向对应开设有若干个第二凹槽，所述第一凹槽和第二凹槽内设置有氢气吸收反应器，所述氢气吸收反应器上设置有Pd/Pt-Al2O3的催化剂涂层，所述氢气吸收反应器位于所述填料上端的开口中，且所述催化剂涂层暴露在凹槽中。
2.如权利要求1所述的一种具有泄露氢气去除功能的氢气阀门，其特征在于，所述氢气吸收反应器具体包括：
金属板，其厚度为0.3 mm～0.6mm，所述金属板为经过喷砂处理的铁铬铝金属板；
催化剂涂层，其均匀涂覆在所述金属板的表面，所述催化剂涂层由具有疏水性的Pd/Pt-Al2O3制成；
其中，所述金属板为圆弧面板状结构，所述金属板宽度对应的圆心角在26°～34°，所述金属板上开设有用于安装的螺纹孔。
3.如权利要求2所述的一种具有泄露氢气去除功能的氢气阀门，其特征在于，所述金属板厚度为0.4mm，金属板宽度对应的圆心角为27°，所述金属板长度为22mm。
4.如权利要求1所述的一种具有泄露氢气去除功能的氢气阀门，其特征在于，所述填料压盖轴向中心开设有通孔，所述阀杆贯穿所述通孔，所述填料压盖上端通过第一螺栓固定在所述开口上端的阀体上，所述氢气吸收反应器通过第二螺栓固定在凹槽中。
5.如权利要求4所述的一种具有泄露氢气去除功能的氢气阀门，其特征在于，所述填料压盖与阀体开口为间隙配合，且填料压盖外径与开口内径相差0.5 mm～1mm；填料压盖与与阀杆为间隙配合，填料压盖通孔内径与阀杆外径相差0.5 mm～1mm。
6.如权利要求5所述的一种具有泄露氢气去除功能的氢气阀门，其特征在于，第一凹槽和第二凹槽为弧状凹槽，第一凹槽和第二凹槽的深度为0.6 mm～1.0mm、长度为20 mm～30mm、宽度对应的圆心角为25°～35°。
7.如权利要求6所述的一种具有泄露氢气去除功能的氢气阀门，其特征在于，所述填料压盖侧壁上一一对应开设有4组所述第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽的深度为0.8mm、长度为25mm、宽度对应的圆心角为30°。
8.如权利要求7所述的一种具有泄露氢气去除功能的氢气阀门，其特征在于，所述氢气吸收反应器分为外氢气吸收反应器和内氢气吸收反应器，所述第一凹槽内设置有外氢气吸收反应器，所述外氢气吸收反应器的外表面设置有所述催化剂涂层，所述第二凹槽内设置有内氢气吸收反应器，所述内氢气吸收反应器的内表面设置有所述催化剂涂层。
9.如权利要求1所述的一种具有泄露氢气去除功能的氢气阀门，其特征在于，所述氢气吸收反应器由以下方法制备：将经热处理后的所述金属板表面制备Al2O3涂层，将氯化钯、氯铂酸、乙醇按照1mg：1mg：1mL的比例配制成溶液，将涂敷有Al2O3涂层的金属板浸泡在所述溶液中，将金属板取出后，在120℃下干燥2h，随后在400℃下煅烧4小时，并将金属板置于50%H2 和50% N2气氛中在350℃下还原2小时，冷却至室温后得到涂敷有Pd/Pt－Al2O3催化剂涂层的铁铬铝金属板，最后做疏水处理后即得氢气吸收反应器。
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