CN111115578B - 一种适用于大流量高压条件的仲氢富集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于大流量高压条件的仲氢富集装置,包括温度检测室、温度器线路保护管、双室连接管、仲氢富集室、热交换棒、保压过滤帽、输入接口、冷却管、输出接口、催化剂和温度显示器；该温度检测室与冷却管、双室连接管以及温度器线路保护管连接；双室连接管连接温度检测室和仲氢富集室；仲氢富集室为套管形式，设有热交换棒和外管，底部连接双室连接管，顶部连接输出接口；催化剂填充于热交换棒和仲氢富集室之间的环形腔内；热交换棒安装在仲氢富集室内腔底部；保压过滤帽设有过滤层和保压层，装于热交换棒顶部，底部设有过滤气孔，顶部侧壁设有保压气孔。应用本技术方案能够提高热传递效果和保持一定压力提高大流量转化效率。

Description

一种适用于大流量高压条件的仲氢富集装置

技术领域

本发明涉及氢气生产设备领域，具体是指一种适用于大流量高压条件的仲氢富集装置。

背景技术

氢气是由正氢与仲氢组成的混合物，其物理性质为无色无味的透明气体。正氢和仲氢的区别在于其氢分子为两种不同的自旋异构体，在化学反应上完全相同，物理性质略有差异。当氢处于室温或者更高温度时，其正、仲氢混合比例为3:1,称为正常氢或者标准氢，随着温度降低，即使在没有催化剂的作用下，正氢也会自发的向仲氢转化，但相比有催化剂的情况下，转化速率显著减慢。一般情况下在制备液氢时，需要在气态氢时就开始正-仲氢的转化，这是因为转化过程存在大量的放热，这会导致液氢蒸发。在低温液氢中，一般要求仲氢含量在95％以上。

液态仲氢是重要的液体燃料和低温冷源，也是激光拉曼转换的介质。近年来气态仲氢作为核磁共振超极化作用的工具不断得到应用。仲氢转化富集装置也得到发展。

仲氢发生器一般包括冷却管、温度测量装置和转化柱。因为转化过程存在大量的放热，有时整个转化通路会有几个大气压的压力，增大了实际流量。这就要求转化装置具有良好的热交换特性、保压特性和大流量的高效性，以提高整体的转化效率。

文献1：“杨晓阳，杨昌乐，骆明强，朱晓彤，温鹏飞，董雪，陈静.一种正仲氢转化装置.中国发明专利，公布号：CN104101520A,公布时间2014.10.15”和文献2：“杨昌乐，何田田.仲氢发生器的改进研究.低温与特气，33(6),2015.12”公开了一种单腔式转化装置，温度传感器置于转化腔内，没有热交换器、过滤器和保压器，这样的装置在仅靠转化柱外壳和冷媒接触，热交换效率较差，在大流量高压下难以保证稳定高效的转化率，同时温度传感器置于转化腔内无法提前检测输入氢气的温度，在大流量时未达到预定温度的氢气进入转化柱时会降低转化效率。文献3：“倪中华，邬海强，严岩，魏蔚，况开锋，郭道峰，王秋霞.一种具有正-仲氢转化功能的冷箱.中国发明专利，公开号CN108562112A,公开时间:2018.09.21”，公开了带有出入口的壳体和两段处在壳体之中的换热管，以及防止催化剂流出的过滤器，其换热管即为上一文献的转化柱外壳，换热管两端连接到冷媒的壳体上，这对热交换效果有一定提升，但是对于催化剂内部深处热量的传导较低，其滤波器位于底部，容易造成堵塞。首先在壳体中充入液氮，氢气在热交换管入口进入后，在第一段螺旋管中进行冷却，然后在第二段放有催化剂的直管中进行转化成仲氢，而热交换管出口带有金属过滤器，保证催化剂不随气体从出口吹出。

在文献4“Jan-Bernd

Sébastien

Jochen Leupold,Klaus Jenne,Dieter Leibfritz,Jürgen Hennig,Simon B.Duckett and Dominik von Elverfeldt.Acontinuous flow,high-throughput,high-pressure parahydrogen converter forhyperpolarization in a clinical setting.NMRin Biomedicine,2013,26(2):124–131”所提出的装置完全处于液氮环境中，其螺旋冷却管缠绕在圆柱表面，氢气在经过螺旋冷却管的充分预冷后，进入圆柱体腔内与催化剂反应，并利用压力调节器和阀门在出口位置控制气体的流速，该仲氢转化装置与文献2类似。

上述材料包含的方法均无法实现较好的热交换效果，在大流量高压下的仲氢转化效果不够好，无法对进入转化腔内的氢气温度进行检测，因此无法准确的判断效率降低的原因。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于大流量高压条件的仲氢富集装置，能够提高热传递效果和保持一定压力提高大流量转化效率。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于大流量高压条件的仲氢富集装置,包括温度检测室、温度器线路保护管、双室连接管、仲氢富集室、热交换棒、保压过滤帽、输入接口、冷却管、输出接口、催化剂和温度显示器；该温度检测室与冷却管、双室连接管以及温度器线路保护管连接；所述双室连接管连接温度检测室和仲氢富集室；仲氢富集室为套管形式，设有热交换棒和外管，底部连接双室连接管，顶部连接输出接口；催化剂填充于热交换棒和仲氢富集室之间的环形腔内；热交换棒安装在仲氢富集室内腔底部；保压过滤帽设有过滤层和保压层，装于热交换棒顶部，底部设有过滤气孔，顶部侧壁设有保压气孔；热交换棒底端侧壁设有内螺纹、气孔和细滤网，气孔孔径为2mm。

在一较佳的实施例中，所述仲氢富集装置设有温度检测室与仲氢富集室两个独立的腔，并通过双室连接管连接。

在一较佳的实施例中，所述温度检测室包括检测腔、温度传感器和绝热护套，温度检测室设有三个接口，分别与冷却管、双室连接管以及温度器线路保护管连接，温度传感器套于绝热护套内，通过线路连接到温度显示器，温度显示器位于外管顶部，线路置于温度器线路保护管内。

在一较佳的实施例中，所述双室连接管采用U型结构，两端设置有外螺纹，分别与温度检测室和仲富集室连接，所述双室连接管与仲氢富集室连接的一端的外螺纹较长，连接时由仲氢富集室的外管的底部穿入内腔。

在一较佳的实施例中，所述热交换棒底端侧壁设有内螺纹、气孔和细滤网，其他部分为实心；热交换棒通过底端侧壁的内螺纹安装在双室连接管伸入氢富集室的外管内腔的外螺纹上，与外界连通；热交换棒顶部侧壁设有保压过滤帽的固定螺孔。

在一较佳的实施例中，所述保压过滤帽为双层结构，设有过滤层、保压层以及垫片。

在一较佳的实施例中，所述过滤层套在热交换棒顶部，通过侧面螺丝固定，帽沿为上层结构，设有气孔，双层之间设有精密滤网。

在一较佳的实施例中，所述保压层上部为中空结构，侧壁设有2个0.5mm的通孔。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

1.本发明装配的温度传感器能够及时获取内部温度情况。

2.本发明采用双室连接管，同时实现实时监测温度的功能与气体催化的功能。

3.本发明热交换棒底部侧面开有若干通气的2mm圆孔，同时外部被有精密细孔的滤网所包围。

4.本发明热交换管完全位于仲氢富集室之中，实现热交换棒和仲氢富集室的内外管双层导热，加快温度传导速度。

5.本发明所采用的保压过滤帽，上下层均开有若干同心直径2mm的圆孔，中间夹层焊接有精密滤网，提供一定的压力，保证氢气与催化剂的充分反应。

6.本发明所采用的保压过滤帽，氢气从其侧面开有两个直径0.5mm的圆孔流出，由于圆孔直径小，可减慢气体流速，并提供一定的气压，使氢气的转化反应更加完全、高效。

附图说明

图1是本发明优选实施例的整体结构示意图；

图2是本发明优选实施例的双室连接管示意图；

图3是本发明优选实施例的温度检测室与温度器线路保护管的剖面示意图；

图4是本发明优选实施例的仲氢富集室及其内部零件和连接零件示意图。

图5是本发明优选实施例的热交换棒示意图；

图6是本发明优选实施例的热交换棒底部放大示意图；

图7是本发明优选实施例的保压过滤帽示意图及剖面示意图；

图8是本发明优选实施例的保压过滤帽底端放大示意图。

其中：1a—冷却管，1b—输入接口，1c—冷却管出口，2a—温度检测室，2b—第一通孔，2c—第一内螺纹，2d—温度传感器，2e—温度器线路保护管，2f—温度检测室密封盖，3a—双室连接管，3b—双室连接管入口，3c—双室连接管出口，3d—第一外螺纹，4a—仲氢富集室，5a—热交换棒,5c—热交换棒螺纹孔，5d—第二通孔，6a—保压过滤帽，6b—保压过滤帽螺纹孔，6c—第三通孔，6d—保压过滤帽夹层，6e—第四通孔，6f—第五通孔，7a—出口帽，7b—输出接口，8a—热交换棒侧面精密滤网，8b—保压过滤帽夹层精密滤网,9a—催化剂。

具体实施方式

下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种适用于大流量高压条件的仲氢富集装置,包括温度检测室2a、温度器线路保护管2e、双室连接管3a、仲氢富集室4a、热交换棒5a、保压过滤帽6a、冷却管1a、催化剂9a和温度显示器。所述双室连接管3a包括双室连接管入口3b及双室连接管出口3c；该温度检测室2a与冷却管1a、双室连接管3a以及温度器线路保护管2e连接；所述双室连接管3a连接温度检测室2a和仲氢富集室4a；仲氢富集室4a为套管形式，设有热交换棒5a和外管，底部连接双室连接管3a，顶部连接输出接口7b；催化剂9a填充于热交换棒5a和仲氢富集室4a之间的环形腔内；热交换棒5a安装在仲氢富集室4a内腔底部；保压过滤帽6a设有过滤层和保压层，装于热交换棒5a顶部，底部设有过滤气孔，顶部侧壁设有保压气孔；热交换棒5a底端侧壁设有内螺纹、气孔和细滤网，气孔孔径为2mm。

具体来说，所述仲氢富集装置设有温度检测室2a与仲氢富集室4a两个独立的腔，并通过双室连接管3a连接。所述温度检测室2a包括检测腔、温度传感器和绝热护套，温度检测室2a设有三个接口以及温度检测室密封盖2f，分别与冷却管1a、双室连接管3a以及温度器线路保护管2e连接，温度传感器套于绝热护套内，通过线路连接到温度显示器，温度显示器位于外管顶部，线路置于温度器线路保护管2e内。所述双室连接管3a采用U型结构，两端设置有外螺纹，分别与温度检测室2a和仲富集室连接，所述双室连接管3a与仲氢富集室4a连接的一端的外螺纹较长，连接时由仲氢富集室4a的外管的底部穿入内腔。

具体来说，所述热交换棒5a底端侧壁设有内螺纹、气孔和细滤网，其他部分为实心；热交换棒5a通过底端侧壁的内螺纹安装在双室连接管3a伸入氢富集室的外管内腔的外螺纹上，与外界连通；热交换棒5a顶部侧壁设有保压过滤帽6a的固定螺孔。

具体来说，所述保压过滤帽6a为双层结构，设有过滤层、保压层以及垫片。所述过滤层套在热交换棒5a顶部，通过侧面螺丝固定，帽沿为上层结构，设有气孔，双层之间设有精密滤网。所述保压层上部为中空结构，侧壁设有2个0.5mm的通孔。

本发明工作流程：氢气从输入接口1b进入冷却管1a中，冷却管的多圈螺旋设计，增加了氢气和液氮热交换的面积，经过冷却后，由冷却管出口1c和第一通孔2b焊接连接处进入温度检测室2a，温度检测室2a上方管口与不锈钢圆盘通过焊接实现密封，下方的第一内螺纹2c与双室连接管3a的第一外螺纹3d以螺纹方式实现连接，再通过焊接方式密封。温度检测室中的氢气通过双室连接管入口3b进入双室连接管3a。

氢气进入温度检测室2a后，内部的温度传感器2d的传感器能够实时监测经过冷却后的氢气是否得到充足的冷量，并将温度数值显示在温度显示器上。

双室连接管3a的氢气流出后，进入热交换棒5a，双室连接管3a与热交换棒5a通过螺纹和焊接方式实现连接与密封。进入热交换棒5a后，通过热交换棒侧面第二通孔5d流进仲氢富集室4a，其中热交换棒侧面被精密滤网通过焊接的形式包裹，精密滤网的细小滤孔其直径远比热交换棒侧面的第二通孔5d的小，能够提供一定的气压，可适当减缓氢气的流速，保证气体在冷却管中得到充分的冷却，有效减少未充分冷却的氢气进入仲氢富集室，提高仲氢转化的效率。螺丝穿过保压过滤帽6a螺纹孔6b和热交换棒螺纹孔5c，将保压过滤帽6a和热交换棒连接固定，在未进行仲氢收集的转化反应时，可随时松开螺丝，取下保压过滤帽6a，对仲氢富集室内部的催化剂9a进行替换。

在仲氢富集室内部放置有能催化氢气实现正-仲氢转化的催化剂9a，经过催化后，仲氢经过保压过滤帽6a上的第三通孔6c和保压过滤帽6a夹层6d中的精密百目滤网流出，再从直径0.5mm的第四通孔6e和第五通孔6f流向输出接口7b，由于第四通孔6e的两个圆孔其直径远小于第三通孔6c的直径，因此能够很好的提供一定的压力，减慢仲氢的流速，从而使氢气能够在仲氢富集室内与催化剂9a进行充分的反应。出口帽7a与仲氢富集室4a通过螺纹旋紧固定，且二者之间夹有圆环垫片保证气密性。

热交换棒的热交换棒侧面精密滤网8a和保压过滤帽6a夹层中的保压过滤帽夹层精密滤网8b保证仲氢富集室内部的催化剂9a不会随氢气从热交换棒及保压过滤帽6a的圆孔流出且能够提供一定的气压从而减缓气体的流速，使气体得到充分的冷却和催化。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (7)

1.一种适用于大流量高压条件的仲氢富集装置,其特征在于包括温度检测室、温度器线路保护管、双室连接管、仲氢富集室、热交换棒、保压过滤帽、输入接口、冷却管、输出接口、催化剂和温度显示器；该温度检测室与冷却管、双室连接管以及温度器线路保护管连接；所述双室连接管连接温度检测室和仲氢富集室；仲氢富集室为套管形式，设有热交换棒和外管，底部连接双室连接管，顶部连接输出接口；催化剂填充于热交换棒和仲氢富集室之间的环形腔内；热交换棒安装在仲氢富集室内腔底部；保压过滤帽设有过滤层和保压层，装于热交换棒顶部，底部设有过滤气孔，顶部侧壁设有保压气孔；热交换棒底端侧壁设有内螺纹、气孔和细滤网，气孔孔径为2mm；所述保压层上部为中空结构，侧壁设有2个0.5mm的通孔。

2.根据权利要求1所述的一种适用于大流量高压条件的仲氢富集装置，其特征在于：所述仲氢富集装置设有温度检测室与仲氢富集室两个独立的腔，并通过双室连接管连接。

3.根据权利要求1所述的一种适用于大流量高压条件的仲氢富集装置，其特征在于：所述温度检测室包括检测腔、温度传感器和绝热护套，温度检测室设有三个接口，分别与冷却管、双室连接管以及温度器线路保护管连接，温度传感器套于绝热护套内，通过线路连接到温度显示器，温度显示器位于外管顶部，线路置于温度器线路保护管内。

4.根据权利要求1所述的一种适用于大流量高压条件的仲氢富集装置，其特征在于：所述双室连接管采用U型结构，两端设置有外螺纹，分别与温度检测室和仲富集室连接，所述双室连接管与仲氢富集室连接的一端的外螺纹较长，连接时由仲氢富集室的外管的底部穿入内腔。

5.根据权利要求1所述的一种适用于大流量高压条件的仲氢富集装置，其特征在于：所述热交换棒底端侧壁设有内螺纹、气孔和细滤网，其他部分为实心；热交换棒通过底端侧壁的内螺纹安装在双室连接管伸入氢富集室的外管内腔的外螺纹上，与外界连通；热交换棒顶部侧壁设有保压过滤帽的固定螺孔。

6.根据权利要求1所述的一种适用于大流量高压条件的仲氢富集装置，其特征在于：所述保压过滤帽为双层结构，设有过滤层、保压层以及垫片。

7.根据权利要求6所述的一种适用于大流量高压条件的仲氢富集装置，其特征在于：所述过滤层套在热交换棒顶部，通过侧面螺丝固定，帽沿为上层结构，设有气孔，双层之间设有精密滤网。

Images