CN108837780B - 一种多层网状交错肋板的储氢反应装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多层网状交错肋板的储氢反应装置，该装置为立式结构，包括壳体，壳体的上下两端均通过法兰结构密封连接有上封头和下封头；所述壳体的中心位置处设置有换热管，换热管的外部依次设置有多层周向肋板，相邻两层周向肋板之间设置有径向肋板，径向肋板和周向肋板组成的空间中设置有反应床层；所述上封头与壳体之间设置有管板，管板与上封头之间构成气相缓冲室；上封头上设置有与换热管连通的换热流体入口、与气相缓冲室连接的气相入口和气体安全阀。该装置适用于反应热效应较大的金属氢化物脱氢或氢化的化学反应，该装置具有传热速率快，操作简单，结构紧凑和维护方便的优点。

Description

一种多层网状交错肋板的储氢反应装置
技术领域
本发明属于化工反应装置技术领域；具体涉及氢化或脱氢反应技术领域；具体涉及一种多层网状交错肋板的储氢反应装置。
背景技术
目前国内外针对氢化/脱氢反应过程中热效应较大的储氢反应器主要有以下几个类型：
固定床式储氢反应器：包括圆柱形壳体，其内部设置有反应腔，腔内填充有固体金属氢化物，反应气体从腔体上方进入，并在腔体外围设置了换热流体，用于氢化/脱氢过程中的热交换。该反应器具有结构简单、造价低等特点，但由于反应腔内填充的金属氢化物较少，氢气从入口完全扩散到金属氢化物速度较慢，整体反应效率不高。
直管式储氢反应器：其反应器整体呈圆柱形，在壳体中心设置有换热流体管道，换热流体管道与壳体之间的空腔填充有金属氢化物，壳体上下方设置有仅让氢气出入的滤网，氢气经过滤网之后快速扩散到金属氢化物床层内，热交换反应通过中心换热管进行。该反应器具有结构简单、气体阻力小、造价低等特点，但由于热量交换主要通过中心换热管进行，换热面积小，因而整体换热效率不高。
螺旋管式储氢反应器：为改善上述直管式反应器换热面积小从而导致换热效率不高的缺点，该反应器将中心换热直管设计成螺旋管，不仅增大了换热面积，而且避免反应过程中热效应过大造成的热应力的影响，但螺旋管的加工工艺复杂，成本较高，而且该反应器的床层温度分布不均匀，床层均一性差。
微通道式储氢反应器：为了增加换热面积，提高换热效率，将换热管微通道化，使用多根直径在1mm以下的管道进行换热。该反应器床层温度分布均匀、换热效率高、反应速度快，但微通道加工复杂，成本高，且储氢过程中温度的快速变化导致热应力和储氢合金的体积膨胀容易对微通道造成损坏。
多管束翅片式储氢反应器：为改善微通道反应器的微通道易受热损坏的缺点，在微通道上增加了环形翅片，减小了换热管的热载荷。该反应器结构紧凑、反应速度快、换热效率高，但由于在细换热管道上放置多片薄环形翅片，使换热器加工工艺复杂，成本高，不利于规模化使用。
其他形式储氢反应器：如U型管式、蜂窝式、弓形板式储氢反应器，具有结构紧凑、操作方便、反应速度快等特点，但由于传热效果一般、加工困难，无法推广到大规模工业应用中。
由此可见，上述现有的储氢反应器都存在一些缺陷，在工业大规模应用中还无法大量推广使用。
发明内容
本发明提供了一种多层网状交错肋板的储氢反应装置；该装置适用于反应热效应较大的金属氢化物脱氢或氢化的化学反应，该装置具有传热速率快，操作简单，结构紧凑和维护方便的优点。
本发明的技术方案是：一种多层网状交错肋板的储氢反应装置，该装置为立式结构，包括壳体，壳体的上下两端均通过法兰结构密封连接有上封头和下封头；所述壳体的中心位置处设置有换热管，换热管的外部依次设置有多层周向肋板，相邻两层周向肋板之间设置有径向肋板，径向肋板和周向肋板组成的空间中设置有反应床层；所述上封头与壳体之间设置有管板，管板与上封头之间构成气相缓冲室；上封头上设置有与换热管连通的换热流体入口、与气相缓冲室连接的气相入口和气体安全阀；其中气相入口处设置有过滤装置；所述管板上均匀开设有若干气孔；所述下封头与上设置有与换热管连通的换热流体出口。
更进一步的，本发明的特点还在于：
其中周向肋板有四层，其将换热管到壳体内壁之间的空间分成5个反应区域，且每个区域的面积相等。
其中从换热管向外依次设置的5个反应区域中均匀设置有多个径向肋板，且径向肋板的数量依次递减。
其中换热管向外依次设置的5个反应区域中径向肋板的分布弧度依次为
其中过滤装置为不锈钢材质的滤网，滤网的厚度为0.5-1mm，孔径为300-400目。
其中管板上的气孔的孔径为3-5mm。
其中壳体上端和上封头下端均设置有法兰，两个相对设置的法兰之间通过螺栓结构连接；且管板与壳体上端和上封头下端接触的两个面上均设置有密封圈。
其中壳体下端和下封头上端均设置有法兰，两个相对设置的法兰之间通过螺栓结构连接；且壳体下端和下封头上端的接触面上设置有密封圈。
其中壳体中周向肋板与管板之间设置有间隙。
其中下封头的下方设置有若干个立式支座。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该储氢反应装置采用立式结构能够减小气相扩散时的阻力，使其更快的进入反应区域；气相入口下方设置的过滤装置能够防止微小颗粒杂志随着氢气一同进入反应床层区，对反应造成不良影响；气体安全阀能够有效防止反应装置内氢气压力过大导致壳体破裂的危险；周向肋板和径向肋板垂直交叉布置，将反应床层划分为多个反应区域，增大了换热面积，能够有效提高换热流体与金属氢化物之间的换热效率，促进反应的进行。该装置与现有的固定床式、直管式、螺旋管式、微通道式、多管束翅片式等储氢反应器相比，具有结构紧凑、换热效率高、维护方便、操作简单、气相扩散阻力小、反应床层温度均匀等特点，可以满足反应过程中热效应较大的储氢反应的需求。
更进一步的，在反应过程中的热量随着距离换热管的增加而减少，因此通过4层周向肋板以换热管为中心将反应床层划分为5个反应区域，且每个反应区域的面积相同，同时每个反应区域设置的径向肋板数量依次递减，能够使同一层反应床层内的每个反应区域热量分布均匀。
更进一步的，采用法兰结构连接上封头和下封头，便于整体拆卸和肋板的更换维护。
更进一步的，密封圈更进一步使上封头和下封头与壳体之间密封连接，保证了连接的密封性。
更进一步的，周向肋板与管板之间设置的间隙，能够防止金属氢化物在反应过程中受热膨胀，从而使反应器内部结构出现破损。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中A-A处的截面图；
图3为图1中B处的结构示意图；
图4为本发明中管板的结构示意图。
图中：1为壳体；2为上封头；3为气相入口；4为滤网；5为换热流体入口；6为气体安全阀；7为气相缓冲室；8为管板；9为法兰结构；10为换热管；11为下封头；12为换热流体出口；13为立式支座；14为反应床层；15为周向肋板；16为径向肋板；17为气孔；18为密封圈；19为螺母；20为垫片；21为法兰；22为螺栓。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。
本发明提供了一种多层网状交错肋板的储氢反应装置，该装置为立式结构，如图1所示，包括壳体1，壳体1的上下两端分别通过法兰结构9密封连接有上封头2和下封头11。其中壳体1的中心位置处设置有换热管10，以换热管10为中心朝向壳体1的内壁之间依次设置有多层周向肋板15，将将换热管10和壳体1内壁之间的空间分为多个反应区域，且每个反应区域的面积相等，反应区域内设置有反应床层14；且相邻两个周向肋板15之间、换热管10与其最近的周向肋板之间、壳体1与其最近的周向肋板之间均设置有径向肋板16，且相邻径向肋板16的弧度相同，从换热管10向外的反应区域其径向肋板16的数量依次减少，及相邻径向肋板16的弧度变大。
其中上封头2和壳体1之间设置有管板8，管板8与上封头2之间的空间构成气相缓冲室 7，且上封头2上设置有与换热管10连通的换热流体入口5，上封头2上还设置有与气相缓冲室7连接的气相入口和气体安全阀6，其中气相入口3上设置有过滤装置，过滤装置为过滤网 4。上封头2与壳体1内反应床层14之间具有间隙。
其中下封头11上设置有与换热管10连通的换热流体出口12，且下封头11上还设置有立式支柱13。
优选的，如图2所示，周向肋板15设置有4层，即4层周向肋板15将换热管10与壳体1内壁之间的空间分为5个反应区域，其每个反应区域对应的截面面积相等；同时每个反应区域内设置有多个径向肋板16，且由内向外5反应区域内径向肋板16的数量依次递减；优选的由内向外5反应区域内径向肋板16的分布弧度依次为
优选的，换热流体入口5和换热流体出口12与换热管10通过焊接连接起来。
优选的，过滤装置为不锈钢材质的滤网4，且滤网4的厚度为0.5-1mm，其孔径为300-400mm。
如图4所示，管板8的中心位置设置有穿过换热流体入口5的孔，且管板8上分布有若干个气孔，管板8两面的边缘处均设置有密封圈18。
如图3所示，上封头2与壳体1通过法兰结构9密封连接起来，其中管板8及密封圈10设置在壳体1与上封头2之间；法兰结构9包括连接在上封头2和壳体1上的法兰21，两个法兰21之间通过螺栓结构连接，其中螺栓22穿过两个法兰21，两个螺母19分别连接在螺栓 22两端，且两个螺母19与两个对应的法兰21之间设置有垫片20。
优选的，如图1所示，管板8与壳体1内的周向肋板15和径向肋板16之间具有一定间隙。
其中下封头11与壳体1之间的法兰结构9包括连接在下封头11和壳体1上的法兰21，两个法兰21之间通过螺栓结构连接，其中螺栓22穿过两个法兰21，两个螺母19分别连接在螺栓22两端，且两个螺母19与两个对应的法兰21之间设置有垫片20。
本发明的使用方法是：换热流体从换热流体入口5处进入换热管10内，并且与反应床层 14的金属氢化物通过径向肋板16和周向肋板15进行热量交换后从换热流体出口12流出；气相从气相入口3进入，经过过滤装置过滤后通过气相缓冲室7和管板8进入反应床层14，并且与金属氢化物发生反应。
下面以金属氢化物LaNi5为填充物质，对多层网状交错肋板的储氢反应器进行说明。LaNi5金属氢化物储氢/脱氢的化学反应式为：由上式可知， LaNi5在氢化/脱氢反应中释放/吸收的热量为30.30kj·mol-1，热效应较大，有效的热交换是保证该反应进行的基础。以氢化过程为例，LaNi5吸氢反应为放热反应，释放出大量的热量，使反应床层区域的压力和温度升高，如果不能有效地移除这部分热量，由反应动力学的原理可知， LaNi5的可逆反应向右进行的速度将大大减小，甚至氢化过程停止。使用本发明的装置进行上述反应，能够高效的实现换热，从而保证氢化/脱氢反应的进行。

Claims (8)

1.一种多层网状交错肋板的储氢反应装置，其特征在于，该装置为立式结构，包括壳体(1)，壳体(1)的上下两端均通过法兰结构(9)密封连接有上封头(2)和下封头(11)；
所述壳体(1)的中心位置处设置有换热管(10)，换热管(10)的外部依次设置有多层周向肋板(15)，相邻两层周向肋板(15)之间设置有径向肋板(16)，径向肋板(16)和周向肋板(15)组成的空间中设置有反应床层(14)；
所述上封头(2)与壳体(1)之间设置有管板(8)，管板(8)与上封头(2)之间构成气相缓冲室(7)；上封头(2)上设置有与换热管(10)连通的换热流体入口(5)、与气相缓冲室(7)连接的气相入口(3)和气体安全阀(6)；其中气相入口(3)处设置有过滤装置；
所述管板(8)上均匀开设有若干气孔(17)；
所述下封头(11)上设置有与换热管(10)连通的换热流体出口(12)；所述周向肋板(15)有四层，其将换热管(10)到壳体(1)内壁之间的空间分成5个反应区域，且每个反应区域对应的截面面积相等；从换热管(10)向外依次设置的5个反应区域中均匀设置有多个径向肋板(16)，且径向肋板(16)的数量依次递减。
2.根据权利要求1所述的多层网状交错肋板的储氢反应装置，其特征在于，从换热管(10)向外依次设置的5个反应区域中径向肋板(16)的分布弧度依次为和
3.根据权利要求1-2任意一项所述的多层网状交错肋板的储氢反应装置，其特征在于，所述过滤装置为不锈钢材质的滤网(4)，滤网(4)的厚度为0.5-1mm，孔径为300-400目。
4.根据权利要求1-2任意一项所述的多层网状交错肋板的储氢反应装置，其特征在于，所述管板(8)上的气孔(17)的孔径为3-5mm。
5.根据权利要求1-2任意一项所述的多层网状交错肋板的储氢反应装置，其特征在于，所述壳体(1)上端和上封头(2)下端均设置有法兰(21)，两个相对设置的法兰(21)之间通过螺栓结构连接；且管板(8)与壳体(1)上端和上封头(2)下端接触的两个面上均设置有密封圈(18)。
6.根据权利要求5所述的多层网状交错肋板的储氢反应装置，其特征在于，所述壳体(1)下端和下封头(11)上端均设置有法兰(21)，两个相对设置的法兰(21)之间通过螺栓结构连接；且壳体(1)下端和下封头(11)上端的接触面上设置有密封圈。
7.根据权利要求1-2任意一项所述的多层网状交错肋板的储氢反应装置，其特征在于，所述壳体(1)中周向肋板(15)与管板(8)之间设置有间隙。
8.根据权利要求1-2任意一项所述的多层网状交错肋板的储氢反应装置，其特征在于，所述下封头(11)的下方设置有若干个立式支座(13)。
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