CN113526464A - 一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置 - Google Patents

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杨福胜
王京
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Abstract

本发明公开了一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置，属于氢能源储存和运输领域。其包括氢气出口管线、脱氢单元和连接在所述的脱氢单元尾部的分离器，脱氢单元由至少两个串联的脱氢反应器组成；每个脱氢反应器通过各自的出口连接至氢气出口管线，每个脱氢反应器产生的氢气均通过其各自的出口输送至所述的氢气出口管线；分离器将脱氢单元反应后的气液混合物进行分离，分离器的出口与氢气出口管线连接，经过分离器分离得到的氢气输送至氢气出口管线。本发明采用多级脱氢单元串联形成一个多级脱氢装置，并在级间排出氢气，以降低催化剂床层中氢气体积导致有机液态储氢材料与固体催化剂接触的不利影响，实现有机液态储氢材料的高效脱氢。

Description

一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置
技术领域
本发明属于氢能源储存和运输领域，具体涉及一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置。
背景技术
化石燃料的大量使用不仅造成了严重的环境污染，也引发了人们对未来可能存在的能源危机的担忧。因此，发展新型清洁能源是实现人类社会可持续发展的必由之路。目前，氢能以其清洁高效的优点引起人们的广泛关注，被认为是未来能源体系的重要组成部分，具有光明的发展前景。然而，在氢能产业链中，氢的运输和储存问题依然是限制其发展的一大瓶颈，阻碍了氢能的大规模应用。
目前，商业化较为成熟的高压氢气储存技术存在储氢量较低、储氢压力高、安全性较低等问题。并且，高压氢气储存技术的固有原理导致这些问题较难完全解决。有机液态储氢材料通过含碳碳双键的有机化合物与氢气发生化学反应从而实现氢气的储存与释放。相比于高压氢气储存技术，该种通过化学反应实现的储氢技术具有储氢量高、储氢压力低、安全稳定等优点。
在有机液态储氢材料放氢过程中，有机液态储氢材料在固体催化剂作用下释放出氢气，该化学反应属于气液固三相化学反应，且放氢反应过程需要吸收热量。然而，该反应过程中，反应释放的氢气体积较大，容易导致有机液态储氢材料与固体催化剂脱离接触，从而造成有机液态储氢材料与催化剂反应不充分，催化剂利用率下降。此外，放氢过程中热量传递对有机液态储氢材料反应过程具有较大影响。
由此可见，现有技术还有待于进一步改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置，其采用多级脱氢单元串联形成一个多级脱氢装置，并在级间排出氢气，以降低催化剂床层中氢气体积导致有机液态储氢材料与固体催化剂接触的不利影响，实现有机液态储氢材料的高效脱氢。
其采用了以下技术方案：
一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置，其包括氢气出口管线、脱氢单元和连接在所述的脱氢单元尾部的分离器；
所述的脱氢单元由至少两个串联的脱氢反应器组成；
所述的每个脱氢反应器通过各自的出口连接至所述的氢气出口管线，每个脱氢反应器产生的氢气均通过其各自的出口输送至所述的氢气出口管线；
所述的分离器用于将所述的脱氢单元反应后的气液混合物进行分离，所述的分离器的出口与所述的氢气出口管线连接，经过所述的分离器分离得到的氢气输送至所述的氢气出口管线。
上述技术方案直接带来的有益技术效果为：
脱氢单元由至少两个串联的脱氢反应器组成，并且每个脱氢反应器在反应过程中产生的氢气均可以输出汇集至氢气出口管线，这样可以直接降低催化剂床层中氢气体积过大导致有机液态储氢材料与固体催化剂接触的不利影响。
作为本发明的一个优选方案，上述的脱氢单元由2～5个脱氢反应器依次串联组成。
作为本发明的另一个优选方案，每个脱氢反应器均包括一腔体，所述的腔体内填充有催化剂床层，在所述的催化剂床层的下方设置有床层支撑器对其进行支撑，在所述的催化剂床层的上方设置有床层固定器，在所述的床层固定器的上方设置有颗粒滤网，所述的颗粒滤网用于过滤催化剂颗粒；
在所述的颗粒滤网下部的腔体的外围设置有换热夹套，所述的换热夹套上设置有换热流体入口和换热流体出口，所述的换热夹套用于对所述的腔体进行加热；
在所述的脱氢反应器的底部设置有有机液态储氢材料入口一，其顶部设置有有机液态储氢材料出口一；
在所述的颗粒滤网上部的腔体外围设置有氢气夹套，用于收集脱氢反应器释放的氢气，所述的颗粒滤网上部的腔体与所述的氢气夹套之间设置有透气膜，所述的换热夹套与所述的氢气夹套之间设置有隔板。
进一步优选，相邻的脱氢反应器之间通过管线或者首尾直接连接在一起。
进一步优选，在每个脱氢反应器与氢气出口管线连接的管线上、所述的分离器与所述的氢气出口管线连接的管线上均设置有阀门。
进一步优选，所述的有机液态储氢材料为乙基咔唑或二苄基甲苯。
进一步优选，所述的分离器的出口处设置有滤网，所述的滤网用于过滤氢气中携带的有机液态储氢材料液滴，所述的滤网的孔径为100～500目。
进一步优选，所述的颗粒滤网的孔径为100～500目，所述的换热流体入口处温度根据所使用的有机液态储氢材料来确定；所述的氢气夹套其材质为金属或塑料。
进一步优选，所述的透气膜是由微孔结构和疏油特性的材料制成，所述的透气膜上允许氢气通过，通过所述的透气膜将有机液态储氢材料和氢气进行阻隔，透气膜上的微孔的尺寸为0.01～10微米。
进一步优选，所述的催化剂床层中的催化剂选用Pt/Al2O3或Pd/C。
上述一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置的工作原理介绍如下。
装置工作原理：
有机液态储氢材料首先进入靠前的脱氢反应器，在脱氢反应器内有机液态储氢材料与催化剂反应产生氢气，形成气液固三相混合物，同时外部换热夹套为该脱氢反应提供热量。三相混合物中少量的固体颗粒通过颗粒滤网过滤留在催化剂床层侧，气液混合物进入颗粒滤网上部的空腔。气液混合物中的部分氢气可通过透气膜进入氢气夹套，再进入氢气出口管线，而气液混合物中的液态则被透气膜阻挡。排出部分氢气的气液混合物再依次进入与其相邻的脱氢反应器中。
在这个脱氢反应器中的反应与上述脱氢反应器相同。
在经过最后的脱氢反应器反应后，反应得到的气液混合物进入分离器进行气液分离，密度较大的液体沉积到分离器底部，可通过有机液态储氢材料出口二排出；密度较小的氢气经过滤网过滤，再经过阀门进入氢气出口管线，与级间排出的氢气汇合。
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
(1)本发明脱氢单元由至少两个脱氢反应器串联形成，每个脱氢反应器均可排出氢气，从而可以降低脱氢反应器中催化剂床层中氢气体积的不利影响，增加了有机液态储氢材料与固体催化剂的接触，促进反应转化，实现了有机液态储氢材料的高效脱氢；
(2)设置有多个脱氢反应器，对每个脱氢反应器内部的催化剂床层进行优化提高装置的运行稳定性。如降低靠前的脱氢反应器内催化剂床层的催化剂浓度，以避免有机液态储氢材料在低级反应器内反应速率过快，实现其在各个脱氢反应器内脱氢速率较为平均；
(3)各级脱氢反应器采用并联式的夹套式结构进行换热和排出氢气，保证了各个催化剂床层放氢过程中的热量供应和氢气顺利排出，结构简单易行；
(4)多个脱氢反应器除内部填充催化剂床层外结构形式一致，有利于脱氢反应器的批量加工、组装、维修，可降低生产维修成本。
综上所述，本发明提出的一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置，可实现有机液态储氢材料的高效脱氢。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置的整体结构示意图；
图2为每个脱氢反应器的结构示意图；
图3为本发明较为紧凑排列的装置的结构示意图；
图中：
1、氢气出口管线，2、第一级脱氢单元，3、第二级脱氢单元，4、第三级脱氢单元，5、有机液态储氢材料入口二，6、阀门，7、滤网，8、有机液态储氢材料出口二，9、分离器，10、脱氢反应器，11、脱氢反应器氢气出口，12、调节阀，13、有机液态储氢材料出口一，14、透气膜，15、颗粒滤网，16、床层固定器，17、催化剂床层，18、换热流体出口，19、床层支撑器，20、有机液态储氢材料入口一，21、换热夹套，22、换热流体入口，23、隔板，24、氢气夹套。
具体实施方式
本发明提出了一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”等等将被理解为包括所陈述的部件或组成部分，而并未排除其他部件或其他组成部分。
在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个部件或特征与另一部件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他部件或特征“下方”或“下”的部件将取向在所述部件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。部件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。
本发明一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置，包括氢气出口管线、脱氢单元和连接在脱氢单元尾部的分离器；
作为本发明的主要创新点，脱氢单元由至少两个串联的脱氢反应器组成，这样设置的目的在于：可以直接降低催化剂床层中氢气体积过大导致有机液态储氢材料与固体催化剂接触的不利影响。
每个脱氢反应器通过各自的出口连接至氢气出口管线，每个脱氢反应器产生的氢气均通过其各自的出口输送至所述的氢气出口管线。
上述的脱氢单元，如从前往后包括第一级脱氢单元2、第二级脱氢单元3、第三级脱氢单元4，相邻的脱氢单元之间串联，可通过管线连接，也可以直接接触。
分离器的结构不做详细冗述，采用现有技术即可，分离器的主要作用是用于将脱氢单元反应后的气液混合物进行分离，密度较大的液体沉积到分离器底部，可通过有机液态储氢材料出口二排出；密度较小的氢气经过滤网过滤，再经过阀门进入氢气出口管线，与级间排出的氢气汇合分离器的出口与氢气出口管线连接，经过分离器分离得到的氢气输送至氢气出口管线。
本发明优选，上述的脱氢单元由2～5个脱氢反应器依次串联组成。
每个脱氢反应器均包括一腔体，腔体内填充有催化剂床层，在催化剂床层的下方设置有床层支撑器对其进行支撑，在催化剂床层的上方设置有床层固定器，在床层固定器的上方设置有颗粒滤网，颗粒滤网用于过滤催化剂颗粒；
在颗粒滤网下部的腔体的外围设置有换热夹套，所述的换热夹套上设置有换热流体入口和换热流体出口，换热夹套用于对腔体进行加热；
在脱氢反应器的底部设置有有机液态储氢材料入口一，其顶部设置有有机液态储氢材料出口一；有机液态储氢材料从底部进从顶部出。
在颗粒滤网上部的腔体外围设置有氢气夹套，用于收集脱氢反应器释放的氢气，颗粒滤网上部的腔体与氢气夹套之间设置有透气膜，换热夹套与氢气夹套之间设置有隔板。
本发明一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置的工作原理为：
有机液态储氢材料从位置靠前的脱氢反应器的有机液态储氢材料入口一进入脱氢反应器，在该脱氢反应器内有机液态储氢材料与催化剂反应产生氢气，形成气液固三相混合物，同时外部换热夹套为该脱氢反应提供热量。三相混合物中少量的固体颗粒通过颗粒滤网过滤留在催化剂床层侧，气液混合物进入颗粒滤网上部的空腔。气液混合物中的部分氢气可通过透气膜进入氢气夹套，再进入氢气出口管线，而气液混合物中的液态则被透气膜阻挡。排出部分氢气的气液混合物再依次进入与其相邻的脱氢反应器中，在这些脱氢反应器内的反应过程和上述脱氢反应器内相似。在经过最后的脱氢反应器之后，反应得到的气液混合物进入分离器进行气液分离，密度较大的液体沉积到分离器底部，可通过有机液态储氢材料出口二排出；密度较小的氢气经过滤网过滤，再经过阀门进入氢气出口管线，与级间排出的氢气汇合。
下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
实施例1：
如图1所示，本发明一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置，其中包括：氢气出口管线1、第一级脱氢单元2、第二级脱氢单元3、第三级脱氢单元4、有机液态储氢材料入口二5、阀门6、滤网7、有机液态储氢材料出口二8、分离器9、脱氢反应器10、反应器氢气出口11和调节阀12。反应器氢气出口11连接到调节阀12，再连接到氢气出口管线1；
各级脱氢单元内的脱氢反应器10的有机液态储氢材料入口一20和有机液态储氢材料出口一13依此相连，级数低的脱氢单元在前，级数高的脱氢单元在后，形成各级脱氢单元的串联。
脱氢单元级数为2～5级，每级脱氢单元中对应一个脱氢反应器，各级脱氢反应器除催化剂床层外结构形式一致。有机液态储氢材料可选择乙基咔唑、二苄基甲苯等材料，催化剂可选择Pt/Al2O3、Pd/C等较为成熟的催化剂。氢气出口管线1压力为1bar(一般设置其压力低于1MPa)，第一级脱氢单元2的有机液态储氢材料入口一20压力由于多孔催化剂床层产生的压降，压力要比1bar高一些，具体压力值取决于多孔床层的性质。
级数最高的脱氢单元需通过管道连接到分离器9，其脱氢反应器上的有机液态储氢材料出口一13连接到有机液态储氢材料入口一20。脱氢反应完成得到的气液混合物在分离器9内实现气液完全分离；密度较大的液体沉积到分离器底部，可通过有机液态储氢材料出口二8排出；密度较小的氢气经过滤网7过滤，再经过阀门6进入氢气出口管线1，与级间排出的氢气汇合。有机液态储氢材料出口二8可设置在底部或者距离底部一定高度的位置，便于有机液态储氢材料排除；滤网7主要是减少氢气中携带的有机液态储氢材料液滴，滤网孔尺寸为100-500目，具体取决于实际分离要求，分离要求高甚至可用多层滤网。
如图2所示，脱氢反应器10包括：有机液态储氢材料出口一13、透气膜14、颗粒滤网15、床层固定器16、催化剂床层17、换热流体出口18、床层支撑器19、有机液态储氢材料入口一20、换热夹套21、换热流体入口22、隔板23和氢气夹套24。有机液态储氢材料从脱氢反应器10下部流到上部，脱氢反应器10下部设置有有机液态储氢材料入口一20，脱氢反应器10上部设置有有机液态储氢材料出口一13。
催化剂床层17的下部为床层支撑器19，上部为床层固定器16；床层固定器16上部设置颗粒滤网15，用于过滤催化剂颗粒，防止其进入脱氢反应器上部空间；催化剂床层17外部设置有换热夹套21，用于为有机液态储氢材料脱氢反应提供热量，换热夹套21与催化剂床层17之间用导热性能较好的金属材料分隔，换热夹套21上部设置有换热流体入口22，换热夹套21下部设置有换热流体出口18。颗粒滤网15依据催化剂颗粒尺寸选择，一般选择颗粒滤网尺寸为100-500目。换热夹套21材质可选为铜、不锈钢等，换热夹套21与催化剂床层17之间的分隔材料同换热夹套材质即可。换热流体入口温度依据所使用的有机液态储氢材料确当，对于乙基咔唑，一般设置为150～250℃，对于二苄基甲苯，一般为250～350℃。
上述的床层支撑器及床层固定器的结构借鉴现有技术即可，此处不做详细冗述。
在颗粒滤网15上部的腔体外设有氢气夹套24，用于收集级间释放的氢气，颗粒滤网上部的腔体与氢气夹套24之间用透气膜14分隔。换热夹套21与氢气夹套24之间用隔板分开，防止两部分流体混合。氢气夹套24选用金属材料或塑料材料；透气膜14是一种具有微孔结构和疏油特性的材料，微孔结构允许氢气通过，疏油特性不允许有机液态储氢材料通过，材料可选聚四氟乙烯等，微孔尺寸为0.01～10微米。
实施例2：
如图3所示，本实施例与实施例1不同之处在于：相邻的脱氢反应器之间是采用首尾相接的方式，不用通过管线连接，这样连接的好处在于节省占地面积。
本实施例的装置结构为小型装置，其优点是结构紧凑，占地面积小，适用于对占地面积要求比较高的情况。
下面对上述实施例1、实施例2述及的一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置的使用方法做详细说明。
以三个依次串联的脱氢反应器为例进行说明，具体使用方法为：
步骤一、有机液体储氢材料从有机液态储氢材料入口一进入第一级脱氢单元的脱氢反应器中，与其中的催化剂进行反应后产生氢气，形成气液固三相混合物，在此过程中，反应所需热量通过换热夹套提供，即通过换热流体入口向换热夹套内通入流体，具体的通入温度，可根据反应所需进行调整；
步骤二、形成的气液固三相混合物，少量的固体颗粒通过颗粒滤网过滤，留在催化剂床层侧，而气液混合物则进入颗粒滤网上部的空腔，气液混合物中的部分氢气通过透气膜进入氢气夹套，氢气夹套与氢气出口管线相同，进入氢气出口管线；而气液混合物中的液态被透气膜阻挡，此时该脱氢反应器中得到的是气液混合物；接着进入与其相邻的脱氢反应器(第二级脱氢单元的脱氢反应器)中；
步骤三、气液混合物中的部分氢气通过透气膜进入氢气夹套，氢气夹套与氢气出口管线相同，进入氢气出口管线；而气液混合物中的液态被透气膜阻挡，此时该脱氢反应器中得到的是气液混合物；接着进入与其相邻的脱氢反应器(第三级脱氢单元的脱氢反应器)中；
步骤四、气液混合物进入分离器进行气液分离，具体分离步骤为：
密度较大的液体沉积到分离器底部，通过有机液态储氢材料出口二排出；密度较小的氢气经过滤网过滤，再经过阀门进入氢气出口管线，与第一级脱氢单元、第二级脱氢单元、第三级脱氢单元排出的氢气汇合。
本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
尽管本文中较多的使用了诸如氢气出口管线1、第一级脱氢单元2、换热夹套21、催化剂床层17等术语，但并不排除使用其它术语的可能性，使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
需要进一步说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置，其包括氢气出口管线、脱氢单元和连接在所述的脱氢单元尾部的分离器，其特征在于：
所述的脱氢单元由至少两个串联的脱氢反应器组成；
所述的每个脱氢反应器通过各自的出口连接至所述的氢气出口管线，每个脱氢反应器产生的氢气均通过其各自的出口输送至所述的氢气出口管线；
所述的分离器用于将所述的脱氢单元反应后的气液混合物进行分离，所述的分离器的出口与所述的氢气出口管线连接，经过所述的分离器分离得到的氢气输送至所述的氢气出口管线。
2.根据权利要求1所述的一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置，其特征在于：所述的脱氢单元由2～5个脱氢反应器依次串联组成。
3.根据权利要求2所述的一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置，其特征在于：每个脱氢反应器均包括一腔体，所述的腔体内填充有催化剂床层，在所述的催化剂床层的下方设置有床层支撑器对其进行支撑，在所述的催化剂床层的上方设置有床层固定器，在所述的床层固定器的上方设置有颗粒滤网，所述的颗粒滤网用于过滤催化剂颗粒；
在所述的颗粒滤网下部的腔体的外围设置有换热夹套，所述的换热夹套上设置有换热流体入口和换热流体出口，所述的换热夹套用于对所述的腔体进行加热；
在所述的脱氢反应器的底部设置有有机液态储氢材料入口一，其顶部设置有有机液态储氢材料出口一；
在所述的颗粒滤网上部的腔体外围设置有氢气夹套，用于收集脱氢反应器释放的氢气，所述的颗粒滤网上部的腔体与所述的氢气夹套之间设置有透气膜，所述的换热夹套与所述的氢气夹套之间设置有隔板。
4.根据权利要求2或3所述的一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置，其特征在于：相邻的脱氢反应器之间通过管线或者首尾直接连接在一起。
5.根据权利要求2或3所述的一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置，其特征在于：在每个脱氢反应器与氢气出口管线连接的管线上设置有调节阀，所述的分离器与所述的氢气出口管线连接的管线上设置有阀门。
6.根据权利要求2或3所述的一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置，其特征在于：所述的有机液态储氢材料为乙基咔唑或二苄基甲苯。
7.根据权利要求2或3所述的一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置，其特征在于：所述的分离器的出口处设置有滤网，所述的滤网用于过滤氢气中携带的有机液态储氢材料液滴，所述的滤网的孔径为100～500目。
8.根据权利要求3所述的一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置，其特征在于：所述的颗粒滤网的孔径为100～500目，所述的换热流体入口处温度根据所使用的有机液态储氢材料来确定；所述的氢气夹套其材质为金属或塑料。
9.根据权利要求3所述的一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置，其特征在于：所述的透气膜是由微孔结构和疏油特性的材料制成，所述的透气膜上允许氢气通过，通过所述的透气膜将有机液态储氢材料和氢气进行阻隔，透气膜上的微孔的尺寸为0.01～10微米。
10.根据权利要求3所述的一种级间氢气引出的有机液态储氢材料多级脱氢装置，其特征在于：所述的催化剂床层中的催化剂选用Pt/Al2O3或Pd/C。
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