CN112645281A - 一种正仲氢转化装置及正仲氢转化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种正仲氢转化装置及正仲氢转化方法，该装置包括提供氢气的氢气源(1)，含催化剂的正仲氢转化机构(2)，为正仲氢转化机构(2)提供低温环境的低温反应箱(3)，为正仲氢转化机构(2)提供高温活化环境的高温反应器(42)，用于正仲氢转化机构(2)内抽真空的真空泵(4)；所述的氢气源(1)与正仲氢转化机构(2)的进口处相连，催化剂活化时，所述的正仲氢转化机构(2)设置在高温反应器(42)内部；低温反应时，所述的正仲氢转化机构(2)设置在低温反应箱(3)内部。与现有技术相比，本发明具有正仲氢转化效率高、自动化程度高、操作过程安全可靠等优点。

Description

一种正仲氢转化装置及正仲氢转化方法

技术领域

本发明涉及正仲氢转化领域，具体涉及一种正仲氢转化装置及正仲氢转化方法。

背景技术

随着传统化石能源的不断减少以及环境问题的日益严重，氢能作为一种理想的清洁能源，由于具有可再生，能量密度大等优点，已经开始应用到各个行业中。氢具有气态，液态，和固态多种形态，其中液氢具有便于储存，气化时膨胀倍率大等优点，已经成为氢能使用和储存的重要方式之一。氢分子有正氢和仲氢两种形态，是根据其中氢原子旋转方向来进行区分的，正氢中两个氢原子自旋同向，仲氢中两个氢原子自旋反向。

通常情况下，氢是正氢和仲氢的混合物，正氢和仲氢混合物的平衡浓度随温度的不同而有显著的变化。室温下，氢气约由75％正氢和25％仲氢组成，而正氢比仲氢的能量基态高，因此，氢液化的过程中随着温度的降低，正氢会自发地向仲氢转化，此过程是一个放热过程，而此部分热量大于液态氢的汽化潜热，因此，当直接将室温的氢气液化时，得到的液氢处于非平衡态，正氢会自发的向仲氢转化，导致液氢的蒸发，因此为减少液氢储存时的损失，必须在氢液化的同时完成正仲氢的转化，而正仲氢转化是一个极其漫的过程，需要采用催化剂加快正仲氢转化速率。

而现有技术中，虽然使用了催化剂，但依然存在操作过程不安全，装置自动化程度低，单位时间仲氢收率低等缺陷。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种正仲氢转化效率高、自动化程度高、操作过程安全可靠的正仲氢转化装置及正仲氢转化方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

发明人了解到，因为氢气在超低温下才能够液化，对设备的要求较高，因此，为了对正仲氢的催化转化进行前期探索，通常采用液氮或干冰作为低温介质，在低温下对正仲氢的转化进行探究。而在催化剂的使用前，需要对其进行活化，通常采用的活化方式是在高温真空条件下保温一定的时间，为了使催化剂活化后趁热将氢气引入反应系统中，需要把催化剂的活化过程放置在反应系统中进行，才能使氢气快速引入反应系统中。同时，不同的催化剂的活化过程不同，因此，从实验室经济性和实用性考虑，需要设计一款能满足多种催化剂活化过程的设备。又由于氢气具有危险性，为维护操作人员的安全，仪器采用全自动方式更加能够保护操作人员的安全性，于是提出如下具体方案：

一种正仲氢转化装置，该装置包括提供氢气的氢气源，含催化剂的正仲氢转化机构，为正仲氢转化机构提供低温环境的低温反应箱，为正仲氢转化机构提供高温活化环境的高温反应器，用于正仲氢转化机构内抽真空的真空泵；所述的氢气源与正仲氢转化机构的进口处相连，

催化剂活化时，所述的正仲氢转化机构设置在高温反应器内部；低温反应时，所述的正仲氢转化机构设置在低温反应箱内部。

进一步地，该装置还包括控制氢气源气体流量的开关阀，控制真空泵开关的真空阀，控制高温反应器升温，以及控制开关阀和/或真空阀的控制器；

当装置运行时，控制器发送信号至氢气源使其开始工作，一段时间后，控制器发送信号至氢气源使其停止工作，同时发送信号至开关阀使其关闭；催化剂高温真空活化时，控制器发送信号至真空泵使其开始运行，当真空泵运行一定时间后，控制器发送信号至真空泵使其停止运行，真空泵运行的时间通过控制器控制，当真空泵停止运行的同时，控制器发送启动信号至高温反应器使其开始升温，一定时间后，控制器发送信号至高温反应器使其停止继续升温并保温一定时间；当催化剂高温真空活化过程结束后，控制器发送信号至开关阀使其打开，同时发送信号至氢气源使其开始工作，一段时间后，将正仲氢转化机构置于低温反应箱内。

进一步地，所述的装置还包括用于检测仲氢含量的检测分析仪，该检测分析仪与正仲氢转化机构的出口处相连。所述的检测分析仪为用于检测仲氢含量的气相色谱仪。

进一步地，所述的高温反应器和低温反应箱分别位于一位置可调节的移动支撑架的两端，所述移动支撑架与控制器信号相连。

高温反应器与真空泵配合使用，使真空泵无需拆卸，在装置中即可实现催化剂的活化，且在活化后能尽快将氢引入真空泵中，简单方便；低温反应箱与催化剂配合使用，可以使氢中的正氢向仲氢转化，同时通过调节低温反应箱的介质种类，可以探究催化剂在不同温度下的催化转化效率，具有极高的探究意义。

进一步地，所述的正仲氢转化机构包括转化柱，所述的催化剂装填于转化柱内部；可拆卸地连接于转化柱底部，并使得气体通入转化柱的预冷管；可拆卸地连接于转化柱顶部的出气管；以及用于测量转化柱内部温度的温度传感器，所述温度传感器与控制器信号相连。

催化剂通常为固体粉末，因此在填入转化柱中，长时间使用，容易将转化柱与预冷管接口处堵塞，因此采用开拆卸方式，当堵塞时，可以将预冷管与转化柱拆分开进行疏通和清洗，提高设备的使用寿命。所述温度传感器连接有一显示器，能够实时显示转化柱内部的温度。

进一步地，所述的预冷管缠绕在转化柱上，这样比较方便，且温度传感器测量的是转化柱内部的温度，将预冷管缠绕在转化柱上，使预冷管与转化柱内部的温度更接近，提高实验的严谨性；所述的真空泵与出气管相连。

进一步地，所述的转化柱与预冷管连接处和/或转化柱与出气管连接处设有防止催化剂颗粒随气体进入检测分析仪的过滤层。

使氢气能够顺利通过过滤层而催化剂颗粒始终位于转化柱内。

进一步地，所述的氢气源与正仲氢转化机构之间还包括用于对氢气进行纯化的氢气纯化机构，包括用于去除水蒸气的分子筛干燥管，用于去除氧气的脱氧管，以及用于去除氮气的脱氮管。可以进一步提高氢气的纯度，降低杂质气体对实验结果的干扰。

进一步地，该装置还包括用于检测周围环境中氢气含量的氢气检测器。当氢气检测器检测到周围环境中氢气含量的高于设定值时氢气检测器发送信号至控制器，控制器发送信号至氢气源，开关阀以及检测分析仪使其关闭，同时发送警报信号提醒操作人员。

进一步地，所述的检测分析仪之后还设有废气回收装置。

一种利用如上所述的装置的正仲氢转化方法，该方法包括以下步骤：

(1)催化剂的活化：

(1-1)开启氢气源使其运行一定时间后，关闭开关阀，开启真空阀，真空泵开始运行，将正仲氢转化机构内部进行抽真空；

(1-2)正仲氢转化机构内部真空度达到实验要求后，真空泵停止运行，高温反应器开始升温，并保温一定时间，使正仲氢转化机构内部的催化剂开始活化；

(2)正仲氢的转化：

(2-1)当保温时间达到预设值时，高温反应器停止保温，同时开启开关阀，使氢气源中的氢气进入正仲氢转化机构；

(2-2)当高温反应器内部自然降至室温时，将正仲氢转化机构从高温反应器移出，并放入低温反应箱内，使进入正仲氢转化机构的正氢转化为仲氢，期间，利用检测分析仪检测仲氢的含量。

进一步地，所述的催化剂包括Fe₃O₄、Gd₂O₃、Nd₂O₃、CeO₂、V₂O₅、Cr₂O₃、镍铬催化剂或纳米贵金属颗粒中的一种或多种；

所述的高温反应器内的温度为100-200℃，保温时间为8-24h；

氢气进入正仲氢转化机构的流量为50-300ml/min，所述低温反应箱内的低温介质为液氮或干冰。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本装置可以实现催化剂的活化，正仲氢的转化，以及仲氢含量的检测，结构简单，全程自动化，提高了实验人员的安全性；

(2)用于对催化剂进行活化的机构位于装置中，使得催化剂在高温活化之后，能够迅速通入氢气，降低催化剂的团聚，提高催化剂的转化效率；同时此活化机构可以实现高温真空和高温吹除两种活化过程。

附图说明

图1为本发明装置的示意图；

图2为本发明装置正仲氢转化机构的示意图；

图3为本发明装置正仲氢转化机构的剖视图；

图中标号所示：氢气源1、正仲氢转化机构2、转化柱21、预冷管22、出气管23、温度传感器24、过滤层25、低温反应箱3、真空泵4、高温反应器42、检测分析仪5、氢气检测器6、开关阀8、移动支撑架9。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

一种正仲氢转化装置，如图1，该装置包括提供氢气的氢气源1，含催化剂的正仲氢转化机构2，为正仲氢转化机构2提供低温环境的低温反应箱3，为正仲氢转化机构2提供高温活化环境的高温反应器42，用于正仲氢转化机构2内抽真空的真空泵4；氢气源1与正仲氢转化机构2的进口处相连，催化剂活化时，正仲氢转化机构2设置在高温反应器42内部；低温反应时，正仲氢转化机构2设置在低温反应箱3内部。检测分析仪5为用于检测仲氢含量的气相色谱仪。装置还包括用于检测仲氢含量的检测分析仪5，该检测分析仪5与正仲氢转化机构2的出口处相连。高温反应器42和低温反应箱3分别位于一位置可调节的移动支撑架9的两端。高温反应器42与真空泵4配合使用，使真空泵4无需拆卸，在装置中即可实现催化剂的活化，且在活化后能尽快将氢引入装置中，简单方便；低温反应箱3与催化剂配合使用，可以使氢中的正氢向仲氢转化，同时通过调节低温反应箱3的低温介质种类，可以探究催化剂在不同温度下的催化转化效率，具有极高的探究意义。

氢气源1与正仲氢转化机构2之间还包括用于对氢气进行纯化的氢气纯化机构，包括用于去除水蒸气的分子筛干燥管，用于去除氧气的脱氧管，以及用于去除氮气的脱氮管。可以进一步提高氢气的纯度，降低杂质气体对实验结果的干扰。该装置还包括控制氢气源1气体流量的开关阀8，控制真空泵4开关的真空阀，以及控制开关阀8和/或真空阀的控制器。该控制器还与温度传感器24电连接。该装置还包括用于检测周围环境中氢气含量的氢气检测器6。当氢气检测器6检测到周围环境中氢气含量的高于设定值时氢气检测器6发送信号至控制器，控制器发送信号至氢气源1，开关阀8以及检测分析仪5使其关闭，同时发送警报信号提醒操作人员。检测分析仪5之后还设有废气回收装置。

如图2-3，正仲氢转化机构2包括转化柱21，催化剂装填于转化柱21内部；可拆卸地连接于转化柱21底部，并使得气体通入转化柱21的预冷管22；可拆卸地连接于转化柱21顶部的出气管23；以及用于测量转化柱21内部温度的温度传感器24。催化剂通常为固体粉末，因此在填入转化柱中，长时间使用，容易将转化柱21与预冷管22接口处堵塞，因此采用开拆卸方式，当堵塞时，可以将预冷管22与转化柱21拆分开进行疏通和清洗，提高设备的使用寿命。温度传感器24连接有一显示器，能够实时显示转化柱内部的温度。预冷管22缠绕在转化柱21上，这样比较方便，且温度传感器测量的是转化柱内部的温度，将预冷管缠绕在转化柱上，使预冷管与转化柱内部的温度更接近，提高实验的严谨性；真空泵4与出气管23相连。转化柱21与预冷管22连接处和/或转化柱21与出气管23连接处设有防止催化剂颗粒随气体进入检测分析仪5的过滤层25。使氢气能够顺利通过过滤层25而催化剂颗粒始终位于转化柱21内。

一种利用如上正仲氢转化装置的正仲氢转化方法，该方法包括以下步骤：

(1)催化剂的活化：其中，催化剂为Fe₂O₃、Gd₂O₃、Nd₂O₃、CeO₂、V₂O₃、Cr₂O₃、镍铬催化剂或贵金属纳米颗粒中的一种或多种；当装置运行时，控制器发送信号至氢气源1使其开始工作，一段时间后，控制器发送信号至氢气源1使其停止工作，同时发送信号至开关阀8使其关闭。当需要高温真空活化时，控制器发送信号至真空泵4使其开始运行，当真空泵4运行一定时间使正仲氢转化机构2内部真空度达到要求后，控制器发送信号至真空泵4使其停止运行，真空泵4运行的时间通过控制器控制；当真空泵4停止运行的同时，控制器发送启动信号至高温反应器42使其开始升温，温度传感器24将转化柱21内温度传输至控制器中，当控制器监测到转化柱21内温度达到预设温度时，控制器发送信号至高温反应器42使其停止继续升温并保温一定时间，当保温时间达到预设值时，控制器发送信号至开关阀8使其打开，发送信号至高温反应器42使其停止工作，同时发送信号至氢气源1使其开始工作。当需要高温吹除活化时，控制器直接发送信号至高温反应器42使其升温，温度传感器24将转化柱21内温度传输至控制器中，当控制器监测到转化柱21内温度达到预设温度时，控制器发送信号至高温反应器42使其停止继续升温并保温一定时间；当保温时间到达预设时间时，控制器发送信号至开关阀8使其打开，发送信号至高温反应器42使其停止工作，同时发送信号至氢气源1使其开始吹除工作。其中高温反应器42中采用沙浴的方式进行加热，沙浴温度为100-200℃，保温时间为8-24h。

由于催化剂颗粒在经过高温加热后再降温，易发生团聚，而催化剂的催化效果与催化剂的粒径有一定关系，因此，当催化剂进行降温时，通过通入连续氢气，使催化剂处于流动气体中，降低颗粒的团聚程度；同时，催化剂在经过高温加热后，部分杂质挥发，此时趁热通入气体，可以在杂质重新凝结之前将杂质带离出装置。

(2)正仲氢的转化：当控制器通过温度传感器24监测到转化柱21内的温度降至室温时，控制器发送信号至移动支撑架9使正仲氢转化机构2从高温反应器42移出并放入含有低温介质的低温反应箱3内，此为现有技术，在此不做赘述。

(3)仲氢含量的检测：当控制器通过温度传感器24监测到转化柱21内温度到达预设低温时，发送信号至检测分析仪5使其开始运行。本实验中，检测分析仪为带有热导检测器的气相色谱仪，其中色谱柱长为2-5m，分子筛选用13X分子筛，或5A分子筛，或NaY型分子筛。为尽可能精准的对正仲氢进行分离，色谱柱应处于低温环境中。

实施例1

催化剂为三氧化二铁，活化条件：130℃下真空12小时，趁热通入氢气，转化柱降至室温后，将其放入含有液氮的低温反应箱内，当氢气流速150ml/min时，仲氢含量达到45％。

实施例2

催化剂为镍铬催化剂，活化条件：200℃下保温6小时，此时不需要真空泵运作，趁热通入氢气吹除，转化柱降至室温时，将其放入含有液氮的低温反应箱，氢气流速130ml/min，仲氢含量达到48％。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种正仲氢转化装置，其特征在于，该装置包括提供氢气的氢气源(1)，含催化剂的正仲氢转化机构(2)，为正仲氢转化机构(2)提供低温环境的低温反应箱(3)，为正仲氢转化机构(2)提供高温活化环境的高温反应器(42)，用于正仲氢转化机构(2)内抽真空的真空泵(4)；所述的氢气源(1)与正仲氢转化机构(2)的进口处相连，

催化剂活化时，所述的正仲氢转化机构(2)设置在高温反应器(42)内部；低温反应时，所述的正仲氢转化机构(2)设置在低温反应箱(3)内部。

2.根据权利要求1所述的一种正仲氢转化装置，其特征在于，该装置还包括控制氢气源(1)气体流量的开关阀(8)，控制真空泵(4)开关的真空阀，控制高温反应器(42)升温，以及控制开关阀(8)和/或真空阀的控制器；

当装置运行时，控制器发送信号至氢气源(1)使其开始工作，一段时间后，控制器发送信号至氢气源(1)使其停止工作，同时发送信号至开关阀(8)使其关闭；催化剂高温真空活化时，控制器发送信号至真空泵(4)使其开始运行，当真空泵(4)运行一定时间后，控制器发送信号至真空泵(4)使其停止运行，真空泵(4)运行的时间通过控制器控制，当真空泵(4)停止运行的同时，控制器发送启动信号至高温反应器(42)使其开始升温，一定时间后，控制器发送信号至高温反应器(42)使其停止继续升温并保温一定时间；当催化剂高温真空活化过程结束后，控制器发送信号至开关阀(8)使其打开，同时发送信号至氢气源(1)使其开始工作，一段时间后，将正仲氢转化机构置于低温反应箱(3)内。

3.根据权利要求1所述的一种正仲氢转化装置，其特征在于，所述的装置还包括用于检测仲氢含量的检测分析仪(5)，该检测分析仪(5)与正仲氢转化机构(2)的出口处相连。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种正仲氢转化装置，其特征在于，所述的高温反应器(42)和低温反应箱(3)分别位于一位置可调节的移动支撑架(9)的两端，所述移动支撑架(9)与控制器信号相连。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种正仲氢转化装置，其特征在于，所述的正仲氢转化机构(2)包括转化柱(21)，所述的催化剂装填于转化柱(21)内部；可拆卸地连接于转化柱(21)底部，并使得气体通入转化柱(21)的预冷管(22)；可拆卸地连接于转化柱(21)顶部的出气管(23)；以及用于测量转化柱(21)内部温度的温度传感器(24)，所述温度传感器(24)与控制器信号相连。

6.根据权利要求5所述的一种正仲氢转化装置，其特征在于，所述的预冷管(22)缠绕在转化柱(21)上；所述的真空泵(4)与出气管(23)相连。

7.根据权利要求5所述的一种正仲氢转化装置，其特征在于，所述的转化柱(21)与预冷管(22)连接处和/或转化柱(21)与出气管(23)连接处设有防止催化剂颗粒随气体进入检测分析仪(5)的过滤层(25)。

8.根据权利要求1-3任一项所述的一种正仲氢转化装置，其特征在于，所述的氢气源(1)与正仲氢转化机构(2)之间还包括用于对氢气进行纯化的氢气纯化机构，包括用于去除水蒸气的分子筛干燥管，用于去除氧气的脱氧管，以及用于去除氮气的脱氮管。

9.一种利用如权利要求1-8任一项所述的装置的正仲氢转化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)催化剂的活化：

(1-1)开启氢气源(1)使其运行一定时间后，关闭开关阀(8)，开启真空阀，真空泵(4)开始运行，将正仲氢转化机构(2)内部进行抽真空；

(1-2)正仲氢转化机构(2)内部真空度达到实验要求后，真空泵(4)停止运行，高温反应器(42)开始升温，并保温一定时间，使正仲氢转化机构(2)内部的催化剂开始活化；

(2)正仲氢的转化：

(2-1)当保温时间达到预设值时，高温反应器(42)停止保温，同时开启开关阀(7)，使氢气源(1)中的氢气进入正仲氢转化机构(2)；

(2-2)当高温反应器(42)内部自然降至室温时，将正仲氢转化机构(2)从高温反应器(42)移出，并放入低温反应箱(3)内，使进入正仲氢转化机构(2)的正氢转化为仲氢，期间，利用检测分析仪(5)检测仲氢的含量。

10.根据权利要求9所述的一种正仲氢转化方法，其特征在于，所述的催化剂包括Fe₃O₄、Gd₂O₃、Nd₂O₃、CeO₂、V₂O₅、Cr₂O₃、镍铬催化剂或纳米贵金属颗粒中的一种或多种；

所述的高温反应器(42)内的温度为100-200℃，保温时间为8-24h；

氢气进入正仲氢转化机构的流量为50-300ml/min，所述低温反应箱(3)内的低温介质为液氮或干冰。

Images