CN109179315A - 一种级联式液态有机储氢系统及控制方法 - Google Patents

一种级联式液态有机储氢系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种级联式液态有机储氢系统及控制方法，包括N(N﹥2)个反应罐通过管道级联而成，反应罐1的顶部连接有三通阀A；每个反应罐的顶部至底部之间连接有氢气循环泵、氢气浓度传感器、三通阀、氢气分配器、氢气流量传感器、和氢气压力传感器；氢气分配器通过高压氢气阀连接有高压氢气管道；从反应罐1始在先反应罐底部至在后反应罐顶部之间连接有LOHC浓度传感器、LOHC温度传感器、LOHC压力传感器、LOHC流量传感器和LOHC循环泵；反应罐N的底部至三通阀A之间连接有LOHC浓度传感器、LOHC温度传感器、LOHC压力传感器、LOHC流量传感器、三通阀B和LOHC循环泵。本发明系统的储氢效率高、能耗低。

Description

一种级联式液态有机储氢系统及控制方法
技术领域
本发明属于电解水制氢及液态有机储氢领域，涉及一种级联式液态有机储氢系统及控制方法。
背景技术
目前，液态有机储氢加氢技术都是采用传统的化工反应器，一次性把贫氢液态有机储氢材料(LOHC)、催化剂和氢气加足，然后等待加氢反应完成。该方法的缺点是刚开始阶段氢气存储很快，但是随着液态有机储氢材料氢含量浓度的慢慢提升，氢气存储越来越慢，存储效率很低，而且会浪费氢气；在加氢之前须对液态有机储氢材料进行加温预热，而在加氢过程中需要降温吸收液态有机储氢材料释放的热量，浪费了很多能耗。
发明内容
本发明的目的是提供一种级联式液态有机储氢系统及控制方法，具有对液态有机储氢材料的储氢效率高、能耗低的特点。
本发明所采用的技术方案是，一种级联式液态有机储氢系统，包括不少于2个的反应罐通过管道级联而成，每个反应罐均分别设置温度传感器T和多层催化床，温度传感器T设置在多层催化床上，位于系统起始端的反应罐的顶部通过管道连接有三通阀A；
每个反应罐的顶部至底部之间通过管道依次连接有氢气循环泵、氢气浓度传感器、三通阀、氢气分配器、氢气流量传感器、和氢气压力传感器；氢气分配器通过高压氢气阀连接有高压氢气管道；
从位于系统起始端的反应罐始，在先的反应罐的底部至在后的反应罐的顶部之间通过管道依次连接有LOHC浓度传感器、LOHC温度传感器、LOHC压力传感器、LOHC流量传感器和LOHC循环泵，连接至位于系统末端的反应罐的顶部；
位于系统末端的反应罐的底部至三通阀A之间通过管道连接有LOHC浓度传感器、LOHC温度传感器、LOHC压力传感器、LOHC流量传感器、三通阀B和LOHC循环泵。
本发明的特点还在于：
与每个反应罐相连的氢气浓度传感器、氢气流量传感器、氢气压力传感器、LOHC浓度传感器、LOHC温度传感器、LOHC压力传感器和LOHC流量传感器均与控制器相连，控制器分别和与每个反应罐相连的氢气循环泵、三通阀、高压氢气阀、LOHC循环泵和温度传感器T相连，控制器还与三通阀A和三通阀B相连。
每个反应罐的顶部至底部之间相连的管道系统为氢气循环系统。
从位于系统起始端的反应罐始，在先的反应罐的底部至在后的反应罐的顶部之间相连的管道系统为LOHC循环系统。
多层催化床呈微孔网状结构。
一种级联式液态有机储氢系统的控制方法，具体按照以下步骤实施：
步骤a：控制器接收与每个反应罐相连的氢气浓度传感器、氢气流量传感器、氢气压力传感器、LOHC浓度传感器、LOHC温度传感器、LOHC压力传感器、LOHC流量传感器的信息；
步骤b：控制器将步骤a接收到的信号相结合，进行多目标优化算法；
步骤c：，控制器对于位于系统起始端的所述反应罐输出转速控制信号Uf1至氢气循环泵、控制信号Uv12至三通阀、控制信号Uv11至高压氢气阀、转速控制信号Ul1至LOHC循环泵、控制信号Ut1至温度传感器T；直至控制器对于位于系统末端的所述反应罐输出转速控制信号Ufn至氢气循环泵、控制信号Uvn2至三通阀、控制信号Uvn1至高压氢气阀、转速控制信号Uln至循环泵、控制信号Utn至温度传感器T；控制器还输出控制信号Ulohc2至三通阀A、控制信号Ulohc1至三通阀B。
本发明的有益效果是：
1)本发明采用多个反应罐级联批量加氢的工艺及方法，多个反应罐通过管道串联在一起，LOHC在每个反应罐里连续串联流动，可缩短加氢时间，大大提升加氢效率，还可节省氢气；
2)本发明采用并联循环注氢的工艺及方法，可同时向每个反应罐并联注氢，氢气气泡上升过程中不断搅拌LOHC，使氢气与LOHC混合均匀，氢气一直在循环使用，利用率非常高；
3)本发明采用连续加氢的工艺及方法，可减少每个反应罐对LOHC进行预热的工序，大大节约了能耗。
附图说明
图1是本发明一种级联式液态有机储氢系统及控制方法的结构示意图；
图2是本发明一种级联式液态有机储氢系统及控制方法的控制器信号接口图。
图中，1.三通阀A，26.三通阀B。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种级联式液态有机储氢系统，如图1所示，包括反应罐1至反应罐N(N＞2)通过管道级联而成，反应罐1至反应罐N的结构相同，反应罐1至反应罐N(N＞2)内分别设置有温度传感器T和多层催化床；多层催化床呈微孔网状结构，温度传感器T设置在多层催化床上，反应罐1的顶部通过管道连接有三通阀A1；
每个反应罐的顶部至底部之间通过管道依次连接有氢气循环泵、氢气浓度传感器、三通阀、氢气分配器、氢气流量传感器、和氢气压力传感器；所述氢气分配器通过高压氢气阀连接有高压氢气管道，连接至反应罐N，形成氢气循环系统；从位于系统起始端的反应罐始，在先的反应罐的底部至在后的反应罐的顶部之间通过管道依次连接有LOHC浓度传感器、LOHC温度传感器、LOHC压力传感器、LOHC流量传感器和LOHC循环泵，连接至反应罐N的顶部，形成LOHC循环系统；反应罐N的底部至三通阀A1之间通过管道连接有LOHC浓度传感器、LOHC温度传感器、LOHC压力传感器、LOHC流量传感器、三通阀B26和LOHC循环泵；
如图2所示，与每个反应罐相连的氢气浓度传感器、氢气流量传感器、氢气压力传感器、LOHC浓度传感器、LOHC温度传感器、LOHC压力传感器和LOHC流量传感器均与控制器相连，控制器分别和与每个反应罐相连的氢气循环泵、三通阀、高压氢气阀、LOHC循环泵和温度传感器T相连，控制器还与三通阀A1和三通阀B26相连。
一种级联式液态有机储氢系统的控制原理如下：
步骤a：控制器接收与每个反应罐相连的氢气浓度传感器、氢气流量传感器、氢气压力传感器、LOHC浓度传感器、LOHC温度传感器、LOHC压力传感器、LOHC流量传感器的信息；
步骤b：控制器将步骤a接收到的信号相结合，进行多目标优化算法；
步骤c：，控制器对于反应罐1输出转速控制信号Uf1至氢气循环泵、控制信号Uv12至三通阀、控制信号Uv11至高压氢气阀、转速控制信号Ul1至LOHC循环泵、控制信号Ut1至温度传感器T；直至控制器对于反应罐N输出转速控制信号Ufn至氢气循环泵、控制信号Uvn2至三通阀、控制信号Uvn1至高压氢气阀、转速控制信号Uln至循环泵、控制信号Utn至温度传感器T；
控制器还输出控制信号Ulohc2至三通阀A1、控制信号Ulohc1至三通阀B26。
进一步的：
控制器接收与每个反应罐相连的LOHC浓度传感器、氢气温度传感器、LOHC压力传感器、LOHC流量传感器的信号，输出转速控制信号Ul1至与反应罐1相连的循环泵，直至控制器输出转速控制信号Uln至与反应罐N相连的循环泵。
进一步的：
控制器接收与每个反应罐相连的氢气温度传感器的信号，输出控制信号Ut1至反应罐1中的温度传感器T，直至控制器输出控制信号Utn至反应罐N中的温度传感器T，可间接控制反应罐1至反应罐N中LOHC催化加氢的反应速率。
进一步的：
控制器接收与反应罐N-1相连的LOHC浓度传感器的信号，输出控制信号Ulohc2至三通阀A1、控制信号Ulohc1至三通阀B26。
本发明一种级联式液态有机储氢系统中主要部件的作用分别如下：
三通阀：可实时检测循环氢气的浓度，在氢气浓度低于一定程度时，控制器可控制三通阀排出氢气尾气，进而排出LOHC催化加氢过程中的杂质；
高压氢气阀：控制器接收与每个反应罐相连的LOHC浓度传感器的信号，输出与每个反应罐相连的高压氢气阀和氢气循环泵的控制信号，进而控制氢气进入每个反应罐的流量与压力，间接控制每个反应罐中的LOHC催化加氢的加氢反应量；氢气气泡从每个反应罐内的底部上升，可将LOHC搅拌均匀，提高LOHC催化加氢的反应速率；
循环泵：控制器接收反应罐N出口处的LOHC流量传感器检测的LOHC催化加氢的流量信号，控制三通阀B26将LOHC催化加氢材料输出或是循环注入到反应罐1中再次进行LOHC催化加氢循环。
本发明一种级联式液态有机储氢系统，其工作原理如下：
贫氢LOHC从反应罐1上端的管道注入，与此同时，控制高压氢气阀从高压氢气主管道释放氢气至反应罐1内，贫氢LOHC在反应罐1内部的多层催化床与氢气充分催化反应后，储氢LOHC经反应罐1底部输出到管道，经过与反应罐1相连的循环泵再输入到反应罐2内，富余氢气从反应罐1的顶部流出至与反应罐1相连的氢气循环管路，经过氢气循环泵至氢气分配器，与新注入氢气混合后注入进反应罐1内，每个反应罐的循环过程一致，直至储氢LOHC从与反应罐N-1相连的LOHC循环泵抽出，注入到反应罐N内，在反应罐N内部的多层催化床与氢气充分催化反应后，经反应罐N底部的LOHC输出阀输出到管道，通过与反应罐N相连的LOHC浓度传感器的检测后，若储氢LOHC的加氢浓度达标，则控制器输出控制信号Ulohc1至三通阀B26输出储氢LOHC，完成加氢过程；若储氢LOHC的加氢浓度未达标，则控制三通阀B26将储氢LOHC流回至反应罐1的顶部进行第二轮加氢流程，如此循环往复，直至从反应罐N的出口处形成氢浓度达标的富氢LOHC。
本发明一种级联式液态有机储氢系统及控制方法，其有益效果在于：
1)本发明生产富氢LOHC过程是连续、动态、流动的，能够进行大规模生产；
2)本发明中每个反应罐可使LOHC的加氢过程更充分、完全；
3)本发明中每个反应罐中氢气的进气量和压力都可控，且每个反应罐的氢气循环量通过氢气分配器可单独控制，每个反应罐中储氢LOHC的流量、温度和压力都可控；
4)本发明采取连续加氢的工艺流程，反应罐2至反应罐N可减少对液态有机储氢材料进行预热，节约了能耗。

Claims (6)

1.一种级联式液态有机储氢系统，其特征在于，包括不少于2个的反应罐通过管道级联而成，每个反应罐均分别设置温度传感器T和多层催化床，所述温度传感器T设置在多层催化床上，位于系统起始端的所述反应罐的顶部通过管道连接有三通阀A(1)；
每个反应罐的顶部至底部之间通过管道依次连接有氢气循环泵、氢气浓度传感器、三通阀、氢气分配器、氢气流量传感器、和氢气压力传感器；所述氢气分配器通过高压氢气阀连接有高压氢气管道；
从位于系统起始端的反应罐始，在先的反应罐的底部至在后的反应罐的顶部之间通过管道依次连接有LOHC浓度传感器、LOHC温度传感器、LOHC压力传感器、LOHC流量传感器和LOHC循环泵，连接至位于系统末端的所述反应罐的顶部；
位于系统末端的所述反应罐的底部至三通阀A(1)之间通过管道连接有LOHC浓度传感器、LOHC温度传感器、LOHC压力传感器、LOHC流量传感器、三通阀B(26)和LOHC循环泵。
2.如权利要求1所述的一种级联式液态有机储氢系统，其特征在于，与每个反应罐相连的氢气浓度传感器、氢气流量传感器、氢气压力传感器、LOHC浓度传感器、LOHC温度传感器、LOHC压力传感器和LOHC流量传感器均与控制器相连，控制器分别和与每个反应罐相连的氢气循环泵、三通阀、高压氢气阀、LOHC循环泵和温度传感器T相连，控制器还与三通阀A(1)和三通阀B(26)相连。
3.如权利要求1所述的一种级联式液态有机储氢系统，其特征在于，每个反应罐的顶部至底部之间相连的管道系统为氢气循环系统。
4.如权利要求1所述的一种级联式液态有机储氢系统，其特征在于，从位于系统起始端的反应罐始，在先的反应罐的底部至在后的反应罐的顶部之间相连的管道系统为LOHC循环系统。
5.如权利要求1所述的一种级联式液态有机储氢系统，其特征在于，所述多层催化床呈微孔网状结构。
6.如权利要求2-5任意一项所述的一种级联式液态有机储氢系统的控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤a：控制器接收与每个反应罐相连的氢气浓度传感器、氢气流量传感器、氢气压力传感器、LOHC浓度传感器、LOHC温度传感器、LOHC压力传感器、LOHC流量传感器的信息；
步骤b：控制器将步骤a接收到的信号相结合，进行多目标优化算法；
步骤c：，控制器对于位于系统起始端的所述反应罐输出转速控制信号Uf1至氢气循环泵、控制信号Uv12至三通阀、控制信号Uv11至高压氢气阀、转速控制信号Ul1至LOHC循环泵、控制信号Ut1至温度传感器T；直至控制器对于位于系统末端的所述反应罐输出转速控制信号Ufn至氢气循环泵、控制信号Uvn2至三通阀、控制信号Uvn1至高压氢气阀、转速控制信号Uln至循环泵、控制信号Utn至温度传感器T；控制器还输出控制信号Ulohc2至三通阀A1、控制信号Ulohc1至三通阀B26。
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