CN111111565B - 一种翅片与环路式冷却系统耦合的储氢反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种翅片与环路式冷却系统耦合的储氢反应器，属于化工反应器设计领域。反应器整体结构为圆柱形，外侧设有水套，内部中心位置设有中心换热管，中心换热管与水套连通形成一体化环路；经结构优化后的内、外翅片分别沿中心换热管和水套内壁平行布置，翅片之间的空腔填充有金属氢化物，内、外翅片之间布置有四根氢气管道；反应器顶端布置有氢气入/出口，换热流体入口和气体安全阀，底端布置有底座和立式支座；换热流体从顶端中心位置流入反应器，从水套侧出口流出，在储氢过程中，氢气通过管板上物料进出孔及氢气管进入床层，与金属氢化物发生反应。本发明的优点包括传热传质效果优良，气密性好、结构紧凑、易于加工、操作简便、适用于热效应较大的金属氢化物脱氢/氢化的化学反应。
Description
技术领域
本发明涉及一种非均相反应、氢化/脱氢反应领域的翅片与环路式冷却系统耦合的储氢反应器，属于化工反应器领域。适用于反应热效应较大的金属氢化物脱氢/氢化的化学反应。
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：固定水套式储氢反应器——反应器为圆柱形，壳体内部是反应腔，腔内填充有金属氢化物。氢气从壳体上部经过滤网进入反应腔，向金属氢化物床层扩散。壳体外设有水套，通过壳体外侧水套进行氢化/脱氢过程中的热交换。该反应器具有结构简单、成本低等优点，但由于壳体中心区域换热较差，反应效率不高，温度分布不均匀。(International Journalof Hydrogen Energy.2011,36；4952-4957.)
单管翅片式储氢反应器——反应器为圆柱形，在反应器壳体中心设置有中心换热管，换热管上布置有翅片，中心换热管与壳体之间的空腔填充有金属氢化物，壳体上方设置有氢气入口和仅供氢气通过的滤网，氢气从入口进入经过滤网，向金属氢化物床层扩散，反应的热交换通过翅片和中心换热管进行。该反应器具有结构简单，成本低等优点，但由于换热主要通过中心换热管进行，换热面积较小，不适用于储氢反应热效应较大的场合，且该反应器床层温度分布不均匀。(International Journal of Hydrogen Energy.2011,36；4952-4957.)
螺旋管式储氢反应器——反应器为圆柱形，在壳体中心位置设置有螺旋管，壳体和螺旋管之间的空腔填充有金属氢化物。氢气从壳体上部经过滤网向金属氢化物床层扩散。与单管翅片式储氢反应器相比，该反应器使用螺旋管进行换热，增大了对流换热面积，换热效率高，但由于螺旋管加工复杂，造价较高。(International Journal of HydrogenEnergy.2010,35；1674-1680.)
微通道式储氢反应器——为了增大反应器对流换热面积，提高换热效率，使用多根直径在1mm以下的微通道代替中心换热管。该反应器具有换热性能好，反应速率快，金属氢化物床层温度分布较均匀等优点，但微通道加工工艺复杂，加工成本高，且储氢过程中储氢合金的体积膨胀以及床层内由于温度分布不均产生的热应力容易对微通道造成损坏。(International Journal of Hydrogen Energy.2013,38；15242-15253.)
多管束翅片式储氢反应器——该反应器在微通道式反应器的基础上，在微通道上均匀布置翅片，进一步增大了换热面积，提高了换热效率。但由于需要在微通道上布置薄环形翅片，加工工艺复杂，制造成本高，不利于规模化应用。(International Journal ofHydrogen Energy.2014,38；13583-13595.)
其他形式储氢反应器——如U型管式、弓形板式储氢反应器等，具有换热效果好、结构紧凑等优点，但由于加工复杂，难以大规模应用。
由此可见，目前主要的几种储氢反应器都存在一些缺陷，难以大规模应用。
发明内容
为了改善上述储氢反应器存在的缺陷，本发明提出了一种结构紧凑、换热性能好、气密性好、加工简单、操作简便的翅片与环路式冷却系统耦合的储氢反应器。
本发明公开了一种翅片与环路式冷却系统耦合的储氢反应器，壳体内壁和外壁之间的空腔为水套，水套与中心换热管连通形成一体化环路。壳体上下两端分别设置有上封头和底座；上封头设有氢气入/出口、换热流体入口和气体安全阀，底座与立式支座连接，上封头与壳体的连接处设有管板，上封头与管板之间构成气体缓冲室；管板与底座之间的空腔布置有内翅片、外翅片和四根氢气管，内翅片和中心换热管连接，外翅片和壳体内壁连接，氢气管和管板连接，内翅片、外翅片和氢气管之间的区域构成反应床层区，反应床层区与管板之间构成膨胀室。
氢气入口下方设有只供氢气出入的滤网，滤网厚度为0.5-1mm，孔径为300-400目。壳体与中心换热管连接，且整体通过一次成型获得。
内翅片与外翅片分别沿中心换热管和壳体内壁均匀布置，内翅片和外翅片交叉布置。
氢气管为烧结滤管，且通过与管板连接固定。
四根氢气管伸入床层内部，且沿圆周对称布置。
管板上设有四个物料进出孔，且沿圆周对称布置。
上封头与壳体、底座与壳体之间均采用法兰连接，上封头与壳体之间还使用密封圈进行密封。
反应器整体为立式放置，底座下方设有立式支座。
与现有储氢反应器相比，本发明具有以下有效的技术特性：
金属氢化物氢化/脱氢反应过程的热效应很大，能否在储氢过程中将金属氢化物床层中的热量及时导出，且在释氢过程中向金属氢化物床层中输入足够的热量，是提高储氢反应器反应速率的关键。因此，提高储氢反应器的换热性能，有助于提高储氢反应器的整体储氢性能。本发明公开的储氢反应器，在反应器中同时设有水套和中心换热管，水套与中心换热管连通形成一体化环路，结构紧凑；内翅片与外翅片分别沿中心换热管和壳体内壁均匀布置，增大了换热面积，有效提高了反应器的换热性能，同时具有限制颗粒纵向移动发生自压实、进而导致应力集中破坏的作用；内翅片和外翅片交叉布置，既便于安装，又提高了反应过程中床层温度分布均匀性；上封头和底座均使用法兰连接，便于安装和反应器的更新维护；上封头设有气体安全阀，当反应器内部氢气压力达到限定值时，安全阀打开，保证反应的安全进行。与传统的储氢反应器相比，本发明公开的储氢反应器只需要一侧进行气体密封，提高了储氢反应器的气密性。本发明与目前主要的固定水套式、单管翅片式、螺旋管式、微通道式、多管束翅片式等储氢反应器相比，具有换热效率高、气密性好、结构紧凑、加工方便、氢气扩散阻力小，床层温度分布均匀等特点，可以满足反应过程中热效应较大的氢化/脱氢反应的需求。
附图说明
图1是本发明翅片与环路式冷却系统耦合的储氢反应器的结构示意图；
图2是本发明翅片与环路式冷却系统耦合的储氢反应器的轴向剖面图；
图3是本发明翅片与环路式冷却系统耦合的储氢反应器壳体与法兰之间连接示意图；
图4是本发明翅片与环路式冷却系统耦合的储氢反应器管板示意图；
图中标号说明：
1——壳体 2——水套 3——反应床层区
4——氢气管 5——换热流体出口 6——上封头
7——氢气入/出口 8——滤网 9——膨胀室
10——换热流体入口 11——气体缓冲室 12——气体安全阀
13——管板 14——法兰连接 15——中心换热管
16——内翅片 17——外翅片 18——底座
19——立式支座 20——螺母 21——螺栓
22——密封圈 23——物料进出口
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，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1，本发明的翅片与环路式冷却系统耦合的储氢反应器，包括壳体1和设置在壳体1上下两端的上封头6和底座18，上封头6设有氢气入口7、换热流体入口10和气体安全阀12，底座18与立式支座19连接，上封头6与壳体1的连接处设有管板13，上封头6与管板13之间构成气体缓冲室11；管板13与底座18之间的空腔布置有内翅片16、外翅片17和四根氢气管4，内翅片16和中心换热管15连接，外翅片17和壳体1内壁连接，氢气管4和管板13连接，内翅片16、外翅片17和氢气管4之间的区域构成反应床层区3，反应床层区3与管板13之间构成膨胀室9。
上封头6与壳体1、底座18与壳体1均是通过法兰14连接的，便于反应器的安装与维护。换热流体入口10与中心换热管15通过焊接连接，换热流体出口5与水套2通过焊接连接，加工简便且密封效果较好。壳体1内壁和外壁之间的空腔是水套2，中心换热管15与水套2连通形成一体化环路，且整体通过一次成型获得，结构紧凑，反应器只需要一侧进行气体密封，提高了气密性。内翅片16与外翅片17分别沿中心换热管15和壳体1内壁均匀布置，内翅片16和外翅片17交叉布置，反应的热量通过内翅片16、中心换热管15、外翅片17以及水套2进行交换，翅片的布置增大了换热面积，提高了换热效率，同时具有限制颗粒纵向移动发生自压实、进而导致应力集中破坏的作用，此外，内翅片16和外翅片17交叉布置，便于翅片安装，且数值模拟结果表明内、外翅片交叉布置可提高反应过程中床层温度分布均匀性。四根氢气管4伸入反应床层区3内部，且沿圆周对称布置，氢气通过管板上物料进出孔23及氢气管4扩散进入床层，与金属氢化物接触更充分、均匀，反应效率提高。
氢气入口7下方设有滤网8，主要目的是防止固体微粒随着氢气进入反应床层区3，对床层造成污染。滤网厚度为0.5-1mm，材质为不锈钢，孔径为300-400目。上封头6上设有气体安全阀12，防止氢气压力过高对反应器造成损害。在反应床层区3和管板13之间设有膨胀室9，目的是防止金属氢化物在反应过程中受热膨胀，从而对反应器结构造成损害。
在储氢过程中，氢气从氢气入口7进入反应器，经过滤网8进入气体缓冲室11，部分氢气经过物料进出孔23和膨胀室9进入反应床层区3，部分氢气通过氢气管4向反应床层区3内部扩散，扩散之后与金属氢化物发生反应。换热流体从换热流体入口10进入中心换热管15，通过中心换热管15和内翅片16进行热交换后换热流体继续流入水套2，通过水套2和外翅片17进行热交换后从换热流体出口5流出。
参见图2，本发明整体为圆柱形，四根氢气管4沿圆周对称布置，确保氢气在床层内分布相对均匀，以及床层内反应速率和温度分布相对均匀。
参见图3，本发明中的上封头6与壳体1、底座18与壳体1之间通过法兰14连接，使用螺栓21、螺母20和密封圈22进行密封，具有安装和维护简便的特点。
参见图4，管板13上设有四个物料进出孔23，且沿圆周对称布置，管板13与氢气管4和中心换热管15连接。物料填装时先将氢气管4与管板13连接固定，将整体放入壳体1中后，再填装物料。
下面以LaNi5金属氢化物为储氢介质的储氢反应器为例对翅片与环路式冷却系统耦合的储氢反应器进行说明。
LaNi5储氢合金与氢气的氢化/脱氢反应如下式所示：
由上式可知，LaNi5在氢化/脱氢反应中的反应热为30.3kJ·mol-1,热效应较大，如果反应器中换热流体与金属氢化物床层热交换性能较差，将影响反应器的综合性能。以LaNi5氢化过程为例：吸氢反应为放热过程，随着反应进行会释放出大量热量，使得床层温度上升。由反应动力学原理可知，反应的驱动力来自氢气压力和反应平衡压力之间的压差，床层温度上升使得反应的平衡压力上升，反应速率降低甚至停止。所以，储氢反应器良好的换热特性是氢化/脱氢过程的基本保证。
综上所述，本发明公开的翅片与环路式冷却系统耦合的储氢反应器，主要结构特点有三个：一是在反应器中同时设有水套和中心换热管，水套与中心换热管连通形成一体化环路，且整体通过一次成型获得，结构紧凑，反应器只需要一侧进行气体密封，提高了气密性；二是沿中心换热管和壳体内壁均匀布置了内翅片和外翅片，增大了换热面积，有效提高了反应器的换热性能，同时具有限制颗粒纵向移动发生自压实、进而导致应力集中破坏的作用，内翅片和外翅片采用交叉布置，既便于安装，又提高了反应过程中床层温度分布均匀性；三是四根氢气管伸入床层内部，且沿圆周对称布置，氢气通过物料进出孔及氢气管扩散进入床层，氢气与金属氢化物接触更充分、均匀，反应效率提高。
Claims (7)
1.一种翅片与环路式冷却系统耦合的储氢反应器，其特征在于：壳体(1)内壁和外壁之间的空腔为水套(2)，水套(2)与中心换热管(15)连通形成一体化环路,壳体(1)与中心换热管(15)整体通过一次成型技术获得；壳体(1)上下两端分别设置有上封头(6)和底座(18)，上封头(6)设有氢气入/出口(7)、换热流体入口(10)和气体安全阀(12)，底座(18)与立式支座(19)连接；上封头(6)与壳体(1)的连接处设有管板(13)，管板(13)上设有四个物料进出孔(23)，且沿圆周对称布置，上封头(6)与管板(13)之间构成气体缓冲室(11)；管板(13)与底座(18)之间的空腔布置有内翅片(16)、外翅片(17)和四根氢气管(4)，内翅片(16)与外翅片(17)分别沿中心换热管(15)和壳体(1)内壁均匀布置，内翅片(16)和外翅片(17)交叉布置；氢气管(4)和管板(13)连接，内翅片(16)、外翅片(17)和氢气管(4)之间的区域构成反应床层区(3)，反应床层区(3)与管板(13)之间构成膨胀室(9)。
2.根据权利要求1所述的一种翅片与环路式冷却系统耦合的储氢反应器，其特征在于：氢气入口(7)下方设有只供氢气出入的滤网(8)，滤网厚度为0.5-1mm，孔径为300-400目。
3.根据权利要求1所述的一种翅片与环路式冷却系统耦合的储氢反应器，其特征在于：换热流体入口(10)与中心换热管(15)通过焊接连接，换热流体出口(5)与壳体(1)通过焊接连接。
4.根据权利要求1所述的一种翅片与环路式冷却系统耦合的储氢反应器，其特征在于：氢气管(4)为烧结滤管，四根氢气管(4)伸入反应床层区(3)内部，且沿圆周对称布置。
5.根据权利要求1所述的一种翅片与环路式冷却系统耦合的储氢反应器，其特征在于：氢气管(4)通过与管板(13)连接固定。
6.根据权利要求1所述的一种翅片与环路式冷却系统耦合的储氢反应器，其特征在于：上封头(6)与壳体(1)、底座(18)与壳体(1)均采用法兰连接(14)，上封头(6)与壳体(1)之间还使用密封圈(22)进行密封。
7.根据权利要求1所述的一种翅片与环路式冷却系统耦合的储氢反应器，其特征在于：翅片与环路式冷却系统耦合的储氢反应器为立式壳体(1)，底座(18)下方设有立式支座(19)。
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