CN112629158A - 一种带正–仲氢转化的氢液化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带正–仲氢转化的氢液化系统，由七个串联设置的氢液化冷箱构成，每个氢液化冷箱的结构包括：由内壳体和外壳体构成的壳体，在壳体中设置有用于输送氢液化制冷剂的呈螺旋状盘旋的换热管、用于输送氢气/液氢的第一输氢管道和第二输氢管道、以及用于将正仲氢转化催化剂填满或泄出于内壳体中的催化剂进料管和催化剂出料管，在第一输氢管道和第二输氢管道中分别设置有管道过滤嘴；排列于第一个的氢液化冷箱中的氢液化制冷剂为液化丙烷，排列于第二个至第七个的氢液化冷箱中的氢液化制冷剂均为液氮。该系统能在氢液化的同时完成氢气/液氢正‑仲态的转化、并确保氢液化的同时仲氢占比超过95%。

Description

一种带正–仲氢转化的氢液化系统
技术领域
本发明涉及氢液化技术，尤其涉及一种带正–仲氢转化的氢液化系统。
背景技术
通常情况下氢是正氢和仲氢的混合物，正仲氢之间的平衡百分比与温度有关。室温下，氢气大约是由75%正氢和25%仲氢组成，随着温度的降低，具有高能量基态的正氢自发地向低能态的仲氢转化，从而使仲氢浓度不断升高：在77K时正氢含量为51%，仲氢含量为49%，20K时仲氢含量高达99.8%。
当直接将室温下的氢气液化时，得到的液氢处于非平衡状态，正氢会自发地向仲氢转化，而这个过程是一个放热过程；由于正仲氢转化放出的热量大于液态氢的汽化潜热，因此不论液氢储罐绝热性能多好，都会存在液氢蒸发，有研究表明液氢储存的第一天就蒸发了总储量的18%以上，导致液氢储罐的内压力增加，使得液氢储运存在重大挑战。为了减少氢液化时的损失以及再液化的能耗，尽可能延长液氢无损储存的时间，必须在氢液化的同时完成氢气/液氢正-仲态的转化、并确保氢液化的同时仲氢占比超过95%。因而急需研发一种在氢液化的同时完成氢气/液氢正-仲态的转化、并确保氢液化的同时仲氢占比超过95%的设备。
发明内容
本发明所需解决的技术问题是：提供一种在氢液化的同时完成氢气/液氢正-仲态的转化、并确保氢液化的同时仲氢占比超过95%的带正–仲氢转化的氢液化系统。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：所述的一种带正–仲氢转化的氢液化系统，包括：七个顺序排列串联的氢液化冷箱；每个氢液化冷箱的结构包括：前后横卧放置的壳体，所述的壳体为由内壳体和外壳体构成的双层绝热回转壳体；在内壳体中设置有沿壳体轴线由前向后呈螺旋状盘旋的换热管，换热管的进口端密封穿过壳体前部的第一通孔后伸出外壳体外，换热管的出口端密封穿过壳体后部的第二通孔后伸出外壳体外，氢液化制冷剂从换热管的进口端进入换热管中，然后从换热管的出口端排出；第一输氢管道的出口端密封穿过壳体前部的第三通孔后伸入内壳体中，第二输氢管道的进口端密封穿过壳体后部的第四通孔后伸入内壳体中，在第一输氢管道和第二输氢管道中分别设置有管道过滤嘴；催化剂进料管的出口端密封穿过壳体顶部的第五通孔后伸入内壳体中，催化剂出料管的进口端密封穿过壳体底部的第六通孔后伸入内壳体中，正仲氢转化催化剂通过催化剂进料管进入并充满于内壳体中；排列于后位的氢液化冷箱的第一输氢管道的进口端与排列于该氢液化冷箱相邻前位的氢液化冷箱的第二输氢管道的出口端密封连通；排列于第一位的氢液化冷箱中的氢液化制冷剂为液化丙烷，排列于第二位至第七位的氢液化冷箱中的氢液化制冷剂均为液氮。
进一步地，前述的一种带正–仲氢转化的氢液化系统，其中，所述的正仲氢转化催化剂为Fe2O3铁基催化剂，Fe2O3铁基催化剂的颗粒度为15～17微米；管道过滤嘴上的过滤滤芯的过滤精度不超过15微米。
进一步地，前述的一种带正–仲氢转化的氢液化系统，其中，管道过滤嘴上的过滤滤芯为SS316L五层烧结网。
进一步地，前述的一种带正–仲氢转化的氢液化系统，其中，管道过滤嘴由圆筒状底座和设置于圆筒状底座上的过滤滤芯构成，在圆筒状底座的外圆周面上设置有外螺纹段，在第一输氢管道和第二输氢管道中分别设置与外螺纹段匹配的内螺纹段，二个管道过滤嘴通过外螺纹段分别密封旋于对应第一输氢管道和第二输氢管道中。
进一步地，前述的一种带正–仲氢转化的氢液化系统，其中，在内壳体与外壳体之间的中空夹层中填充满珠光砂。
进一步地，前述的一种带正–仲氢转化的氢液化系统，其中，第一输氢管道和第二输氢管道的介质工作压力为0～3.5MPa，工作温度为20K～440K。
本发明的有益效果是：①该带正–仲氢转化的氢液化系统能在氢液化的同时完成氢气/液氢正-仲态的转化、并确保氢液化的同时仲氢占比超过95%；②各氢液化冷箱的结构简单、紧凑，操作方便，可重复拆卸清理后使用；③管道过滤嘴的具体设计既能阻挡正仲氢转化催化剂、避免正仲氢转化催化剂的流失，又能过滤氢气中的杂质，避免氢气中的杂质堵塞管道。
附图说明
图1是本发明所述的一种带正–仲氢转化的氢液化系统的结构示意图。
图2是图1中单个氢液化冷箱的结构示意图。
图3是图2中管道过滤嘴的结构示意图。
图4是氢液化冷箱的另一种结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及优选实施例对本发明所述的技术方案作进一步详细的说明。
如图1、图2和图4所示，本实施例中所述的一种带正–仲氢转化的氢液化系统，包括：七个顺序排列串联的氢液化冷箱100。每个氢液化冷箱100的结构包括：前后横卧放置的壳体，所述的壳体为由内壳体2和外壳体1构成的双层绝热回转壳体。在内壳体2与外壳体1之间的中空夹层9中填充满珠光砂，用于绝热，以减少冷量损失。在内壳体2中设置有沿壳体轴线由前向后呈螺旋状盘旋的换热管3，换热管的进口端31密封穿过壳体前部的第一通孔后伸出外壳体1外，换热管的出口端32密封穿过壳体后部的第二通孔后伸出外壳体1外。在正常使用过程中，氢液化制冷剂从换热管的进口端31进入换热管3中，然后从换热管的出口端32排出。
如图2和图4所示，第一输氢管道4的出口端密封穿过壳体前部的第三通孔后伸入内壳体2中，第二输氢管道5的进口端密封穿过壳体后部的第四通孔后伸入内壳体2中，在第一输氢管道4和第二输氢管道5中分别设置有管道过滤嘴8。在正常使用过程中，氢气从第一输氢管道4的进口端进入第一输氢管道4中，进而进入内壳体2中，然后通过第二输氢管道5的进口端进入第二输氢管道5中，进而从第二输氢管道5的出口端输出。
七个顺序排列串联的氢液化冷箱100的串联方式为：排列于后位的氢液化冷箱的第一输氢管道的进口端与排列于该氢液化冷箱相邻前位的氢液化冷箱的第二输氢管道的出口端密封连通。
第一输氢管道4和第二输氢管道5的介质工作压力为0～3.5MPa，工作温度为20K～440K。
正仲氢自发转化是一个极其慢的过程，因此需采用催化剂加快正氢向仲氢的转化速率。本实施例中，如图2和图4所示，催化剂进料管6的出口端密封穿过壳体顶部的第五通孔后伸入内壳体2中，催化剂出料管7的进口端密封穿过壳体底部的第六通孔后伸入内壳体2中，正仲氢转化催化剂10通过催化剂进料管6进入并充满于内壳体2中。在正常使用过程中，催化剂进料管6的进口端、催化剂出料管7的出口端均处于常闭状态，在需要补充或更换正仲氢转化催化剂10时，通过催化剂进料管6、催化剂出料管7进行相应操作。
本实施例中，所述的正仲氢转化催化剂10采用Fe2O3铁基催化剂，Fe2O3铁基催化剂具有催化反应速率快、成本低、安全性能好、可重复使用等优点。Fe2O3铁基催化剂颗粒越小，氢原子与催化剂的接触面积越大，转化效果越好，本实施例中Fe2O3铁基催化剂的颗粒度为15～17微米。管道过滤嘴8上的过滤滤芯83的过滤精度不超过15微米。
如图3所示，本实施例中，管道过滤嘴8由圆筒状底座81和设置于圆筒状底座81上的过滤滤芯83构成，过滤滤芯83采用SS316L五层烧结网。在圆筒状底座81的外圆周面上设置有外螺纹段82，在第一输氢管道4和第二输氢管道5中分别设置与外螺纹段82匹配的内螺纹段，二个管道过滤嘴8通过外螺纹段82分别密封旋于对应第一输氢管道4和第二输氢管道5中。氢气从第一输氢管道4的进口端进入第一输氢管道4中，经第一输氢管道4中的管道过滤嘴8过滤后进入内壳体2中，然后通过第二输氢管道5的进口端进入第二输氢管道5中，经第二输氢管道5中的管道过滤嘴8过滤后从第二输氢管道5的出口端输出。
单个氢液化冷箱100的工作原理为：氢液化制冷剂从换热管的进口端31进入换热管3中，与正仲氢转化催化剂10或氢气进行间接热交换，吸收正–仲氢转化的放热量、同时将氢气液化后从换热管的出口端32排出。氢气从第一输氢管道4的进口端进入内壳体2中，氢原子与内壳体2中充满的Fe2O3铁基催化剂接触，Fe2O3铁基催化剂的非均匀磁场使得原本自旋方向一致的正氢分子旋向改变，变成自旋方向相反的仲氢分子，然后从从第二输氢管道5的出口端输出。
其中排于第一位的带正-仲氢转化的氢液化冷箱中的氢液化制冷剂采用液化丙烷，排列于第二位至第七位的带正-仲氢转化的氢液化冷箱中的氢液化制冷剂均采用液氮。利用7个串联的带正-仲氢转化的氢液化冷箱能够将氢气冷却至20K液氢，同时液氢中仲氢含量≥95%。
以上所述仅是本发明的较佳实施例，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明要求保护的范围。
本发明的有益效果是：①该带正–仲氢转化的氢液化系统能在氢液化的同时完成氢气/液氢正-仲态的转化、并确保氢液化的同时仲氢占比超过95%；②各氢液化冷箱100的结构简单、紧凑，操作方便，可重复拆卸清理后使用；③管道过滤嘴8的具体设计既能阻挡正仲氢转化催化剂、避免正仲氢转化催化剂的流失，又能过滤氢气中的杂质，避免氢气中的杂质堵塞管道。

Claims (6)

1.一种带正–仲氢转化的氢液化系统，其特征在于：包括：七个顺序排列串联的氢液化冷箱；每个氢液化冷箱的结构包括：前后横卧放置的壳体，所述的壳体为由内壳体和外壳体构成的双层绝热回转壳体；在内壳体中设置有沿壳体轴线由前向后呈螺旋状盘旋的换热管，换热管的进口端密封穿过壳体前部的第一通孔后伸出外壳体外，换热管的出口端密封穿过壳体后部的第二通孔后伸出外壳体外，氢液化制冷剂从换热管的进口端进入换热管中，然后从换热管的出口端排出；第一输氢管道的出口端密封穿过壳体前部的第三通孔后伸入内壳体中，第二输氢管道的进口端密封穿过壳体后部的第四通孔后伸入内壳体中，在第一输氢管道和第二输氢管道中分别设置有管道过滤嘴；催化剂进料管的出口端密封穿过壳体顶部的第五通孔后伸入内壳体中，催化剂出料管的进口端密封穿过壳体底部的第六通孔后伸入内壳体中，正仲氢转化催化剂通过催化剂进料管进入并充满于内壳体中；排列于后位的氢液化冷箱的第一输氢管道的进口端与排列于该氢液化冷箱相邻前位的氢液化冷箱的第二输氢管道的出口端密封连通；排列于第一位的氢液化冷箱中的氢液化制冷剂为液化丙烷，排列于第二位至第七位的氢液化冷箱中的氢液化制冷剂均为液氮。
2.根据权利要求1所述的一种带正–仲氢转化的氢液化系统，其特征在于：所述的正仲氢转化催化剂为Fe2O3铁基催化剂，Fe2O3铁基催化剂的颗粒度为15～17微米；管道过滤嘴上的过滤滤芯的过滤精度不超过15微米。
3.根据权利要求1或2所述的一种带正–仲氢转化的氢液化系统，其特征在于：管道过滤嘴上的过滤滤芯为SS316L五层烧结网。
4.根据权利要求1或2所述的一种带正–仲氢转化的氢液化系统，其特征在于：管道过滤嘴由圆筒状底座和设置于圆筒状底座上的过滤滤芯构成，在圆筒状底座的外圆周面上设置有外螺纹段，在第一输氢管道和第二输氢管道中分别设置与外螺纹段匹配的内螺纹段，二个管道过滤嘴通过外螺纹段分别密封旋于对应第一输氢管道和第二输氢管道中。
5.根据权利要求1或2所述的一种带正–仲氢转化的氢液化系统，其特征在于：在内壳体与外壳体之间的中空夹层中填充满珠光砂。
6.根据权利要求1所述的一种带正–仲氢转化的氢液化系统，其特征在于：第一输氢管道和第二输氢管道的介质工作压力为0～3.5MPa，工作温度为20K～440K。
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