CN116173691A - 氢气干燥装置、基于该装置的干燥方法和干燥剂再生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢气干燥装置、基于该装置的干燥方法和干燥剂再生方法，属于气体干燥领域。包括容纳腔体、第一气体流道、第二气体流道和加热再生装置；其中，容纳腔体内置有可再生式干燥剂；第一气体流道和第二气体流道均穿过所述容纳腔体；加热再生装置包括套装在所述容纳腔体外部的封闭箱体，均匀分布在所述箱体内表面、适于对所述容纳腔体进行加热的多个微波发生器。本发明一方面将加热再生装置从容纳腔体内部或周向转移至距离容纳腔体预定间距离的位置，保证加热容器的一体式结构，提高了干燥容器的密封性，降低了安全隐患，另一方面采用微波加热的方式，在保证加热均一性的同时，大幅降低干燥剂加热再生时间。

Description

氢气干燥装置、基于该装置的干燥方法和干燥剂再生方法

技术领域

本发明属于气体干燥领域，尤其是一种氢气干燥装置、基于该装置的干燥方法和干燥剂再生方法。

背景技术

传统氢气干燥系统中，采用TSA(变温吸附)和TPSA(变温变压吸附)两种模式，均采以活性氧化铝或硅胶作吸附剂；待干燥剂吸水饱和失效后，一般可通过加热将其水分蒸发后重复使用。参阅附图1，在目前的小型干燥设备中，需由人工将设备或管道、容器打开，将失效的干燥剂取出，用外部加热设备对干燥剂进行加热再生，然后将再生完成后的干燥剂回装后再使用。

一方面，这样不仅费时费力，且极易对设备造成污染或由于拆装不当而损坏设备；另一方面，由于干燥剂外部的水分脱附掉后，其内部吸附的水分并不能得到有效的挥发，从而导致再生后的干燥剂在实际使用过程中很快就会失效，尤其是对未完全铺装开的干燥剂进行加热再生时，上述现象尤为凸出。

发明内容

为了克服上述技术缺陷，本发明提供一种氢气干燥装置、基于该装置的干燥方法和干燥剂再生方法，以解决背景技术所涉及的问题。

本发明提供一种氢气干燥装置，包括：

容纳腔体，内置有可再生式干燥剂；

第一气体流道，穿过所述容纳腔体；在常温条件下，将待干燥氢气传输通过所述容纳腔体，并与可再生式干燥剂进行水汽交换；

第二气体流道，穿过所述容纳腔体；在高温条件下，将干燥气体传输通过所述容纳腔体，并与可再生式干燥剂进行水汽交换；

加热再生装置，包括套装在所述容纳腔体外部的封闭箱体，均匀分布在所述箱体内表面、适于对所述容纳腔体进行加热的多个微波发生器和/或光波加热器。

优选地或可选地，所述光波加热器与所述微波发生器相间分布在所述封闭箱体的内表面。

优选地或可选地，所述容纳腔体内部还设置有测温装置，所述测温装置至少设置有三个测温探头，分别为第一测温探头、第二测温探头和第三测温探头；

所述第一测温探头、第二测温探头和第三测温探头沿着所述容纳腔体的中轴线处至容纳腔体的表面处分布设置。

优选地或可选地，所述封闭箱体的一端设置有旋转齿轮，所述旋转齿轮与驱动装置传动连接。

优选地或可选地，所述封闭箱体的两侧安装有轴承，所述轴承的内圈的内部形成的走线通道，在所述走线通道内安装有法兰，并在法兰内部安装有微波隔离网；

所述第一气体流道、所述第二气体流道与所述容纳腔体连接的部分共用同一管路，所述法兰用于连接所述第一气体流道、所述第二气体流道封闭箱体内外两侧的管路。

优选地或可选地，所述第一气体流道、所述第二气体流道与所述容纳腔体连接的部分共用同一管路。

优选地或可选地，所述第一气体流道包括：

第一进气端，将待干燥气体的气源与所述容纳腔体的进气口相连通，并在所述第一进气端设置有第一控制阀；

第一出气端，将干燥气体的消耗设备与所述容纳腔体的出气口相连通，并在所述第一出气端设置有第二控制阀。

优选地或可选地，所述第二气体流道包括：

风机；

第二进气端，将风机的出气口与所述容纳腔体的进气口相连通，并在所述第二进气端设置有第三控制阀；

第二出气端，将所述容纳腔体的出气口与大气相连通，并在所述第二出气端设置有第四控制阀。

优选地或可选地，所述容纳腔体外部设置有多个颜色传感器，对准容纳腔体并实时获取可再生式干燥剂的颜色变化情况。

本发明还提供一种基于所述的氢气干燥装置的氢气干燥方法，所述方法包括：

关闭第二气体流道，加热再生装置和测温装置不工作；

待干燥的气体经过第一气体流道和容纳腔体，并与可再生式干燥剂进行水汽交换，去除待干燥气体中的水分。

本发明还提供一种基于所述的氢气干燥装置的干燥剂再生方法，所述方法包括：

通过颜色传感器实时监控可再生式干燥剂的颜色变化情况，基于可再生式干燥剂的颜色变化情况，判断可再生式干燥剂是否失效和/或计算所述可再生式干燥剂的失效时间；

当可再生式干燥剂失效后，关闭第一气体流道，打开第二气体流道，并通过第二气体流道将相对干燥气体传输通过所述容纳腔体，直至排空所述容纳腔体内部的氢气；

然后打开加热再生装置和测温装置，根据可再生式干燥剂的类型，设置微波发生器和光波加热器的开启数量、位置、加热功率和加热时间；

当所述第一测温探头检测的温度高于第一阈值，则关闭部分微波发生器和/或降低部分微波发生器的功率；

当所述第三测温探头检测的温度高于第一阈值，则关闭部分光波加热器和/或降低部分微波发生器的功率；

当所述第二测温探头检测的温度高于第一阈值，则同时关闭部分微波发生器和部分光波加热器和/或降低部分微波发生器的功率；

通过加热再生装置的动态维持整个所述第一测温探头、第二测温探头和第三测温探头检测的温度始终保持在预定温度范围；

当可再生式干燥剂再生完成后，停止加热；直至第一测温探头检测的温度小于45℃后，关闭加热再生装置、测温装置和第二气体流道。

本发明涉及一种氢气干燥装置、基于该装置的干燥方法和干燥剂再生方法，相较于现有技术，具有如下有益效果：

1、本发明一方面将加热再生装置从容纳腔体内部或周向转移至距离容纳腔体预定间距离的位置，保证容纳容器的一体式结构，提高了干燥容器的密封性，降低了安全隐患，另一方面采用微波加热的方式，在保证加热均一性的同时，大幅降低干燥剂加热再生时间。

2、本发明采用微波配合光波加热的加热方式，保证有效的提高容纳腔体内部各区域加热温度的均匀性，保证容纳腔体内的温度处于干燥剂的脱附加热的温度范围之内。

3、本发明在容纳腔体内由内至外设置多个测温探头，实时获取容纳腔体内各个区域的温度变化情况，及时调整出针对性的加热策略，保证容纳腔体内的温度的均匀性。

4、本发明将封闭腔体设计为旋转形式，使得微波发生器以预定速度沿着所述容纳腔体旋转，保证加热的均匀性。

5、本发明通过在封闭箱体的两侧安装有轴承，一方面起到固定支撑封闭箱体的作用，一方面，所述第一气体流道、所述第二气体流道与所述容纳腔体的连接管路通过，保证第一气体流道、所述第二气体流道与所述容纳腔体连接的稳定性。

6、本发明通过所述第一气体流道、所述第二气体流道与所述容纳腔体连接的部分共用同一管路，减少管路与封闭箱体之间的干涉，提高整个干燥装置的密封性。

7、本发明通过关闭或导通第一气体流道和第二气体流道，可以避免两种气体相互混合，污染待干燥的氢气。

附图说明

图1是现有的干燥设备结构示意图。

图2是方案一中干燥剂容器的结构示意图。

图3是方案二中干燥剂容器的结构示意图。

图4是本发明的结构示意图。

图5是本发明中干燥剂容器和加热再生装置的截面示意图。

图6是本发明的加热再生装置的结构示意图。

附图标记为：

100、容纳腔体；110、干燥剂；120、电加热元件；130、测温装置；140、槽体；

200、第一气体流道；210、第一进气端；220、第一控制阀；230、第一出气端；240、第二控制阀；

300、第二气体流道；310、风机；320、第二进气端；330、第三控制阀；340、第二出气端；350、第四控制阀；

400、加热再生装置；410、封闭箱体；420、微波发生器；430、光波加热器；440、旋转齿轮；450、轴承；640、走线通道。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

参阅附图1，在目前小型的干燥设备中，需由人工将设备或管道、容器打开，将失效的干燥剂110取出，用外部设备(如烘箱、微波炉等)加热后，回装后再使用。这样不仅费时费力，而且极易对设备造成污染或由于拆装不当而损坏设备。而且由于干燥剂110外部的水分脱附掉后，其内部吸附的水分并不能得到有效的挥发，从而导致再生后的干燥剂110在实际使用过程中很快就会失效，尤其是对未完全铺装开的干燥剂110进行加热再生时，上述现象尤为凸出。

为了解决上述问题，而且实现干燥剂110的均匀加热，申请人对干燥容器的结构设计了多种改进方案。例如，方案一：参阅附图2，在容纳腔体100内部设置有电加热元件120，直接从干燥剂110内部进行加热，提高加热的均匀性。方案二：参阅附图3，将容纳腔体100表面设置向内凹陷的槽体140，所述槽体140与容纳腔体100的内部经容纳腔体100的壳壁断隔，电加热元件120穿入所述槽体140内，对容纳腔体100中部位置进行加热，提高加热的均匀性。但是由于氢气属于易燃易爆气体，在干燥氢气过程中，容纳腔体100则会成为形成一个压力容器，而方案一、方案二中所涉及的容纳腔体100结构较为复杂，需要将容纳腔体100设计为分体式结构，将加热再生装置400会槽体140安装在容纳腔体100内部，最后通过密封连接，形成一个封闭腔体，而这种分体式密封连接结构在长期使用过程中，相对容易发生氢气泄露，而加热再生装置400又恰好能够提供了火源，很容易形成安全隐患。

基于上述多次改进后，申请人设计了一种氢气干燥装置，将加热再生装置400与容纳腔体100分离，降低形成安全隐患的可能。参阅附图4，所述氢气干燥装置包括：容纳腔体100、第一气体流道200、第二气体流道300、加热再生装置400和控制器。

其中，所述容纳腔体100内置有可再生式干燥剂110；所述可再生式干燥剂110可以为但不限于为分子筛、变色硅胶。本实施例中容纳腔体100采用高硼硅耐热玻璃或石英玻璃制成的透明容器，方便用户观察容纳腔体100内部的情况，在常规的气体干燥工艺中，可再生式干燥剂110吸水饱和失效后，一般会变颜色，提示用户需要更换。例如常用的硅胶干燥剂，在干态是是蓝色，吸水后变为粉红色。通过人工主动检查可再生式干燥剂110颜色，发现变色后及时更换、或通过机器预估失效时间，到时即更换。

但是上述检测方法，都难以做到自动定量、准时的处理。本实施例提出一种利用颜色传感器检测干燥剂颜色的方法，通过所述容纳腔体100外部设置有多个颜色传感器，对准容纳腔体并实时获取可再生式干燥剂110的颜色变化情况，后续的电路或自动化逻辑可非常方便地处理“何时干燥剂失效”等问题。进一步地，输出三色分量型的传感器，也可在过程中实时监控干燥剂的颜色变化，从而随时评估气体的含水量、计算干燥剂未来的失效时间等，进而实现完全自动化处理，杜绝人为误差。

另外，为了保证微波加热的均匀性，还可以容纳腔体100的内部放置若干玻璃珠，即能够起到导热效果，避免局部暴热，同时又能穿透电磁波，没有能量损耗，能量利用率较高。

所述第一气体流道200穿过所述容纳腔体100；在常温条件下，将待干燥氢气传输通过所述容纳腔体100，并与可再生式干燥剂110进行水汽交换，去除待干燥气体中的水分，以满足气体消耗设备的相关要求。具体地，所述第一气体流道200包括：第一进气端210和第一出气端230。所述第一进气端210将电解槽的储氢口与所述容纳腔体100的进气口相连通，并在所述第一进气端210设置有第一控制阀220；第一出气端230将充氢设备与所述容纳腔体100的出气口相连通，并在所述第一出气端230设置有第二控制阀240。在所述第一气体流道200内，所述电解槽的出氢口处的气压大于所述充氢设备处的气压，形成压力差，将待干燥氢气导入所述容纳腔体100内部，并与可再生式干燥剂110进行水汽交换，去除水汽，实现气体干燥。

所述第二气体流道300穿过所述容纳腔体100；在高温条件下，将相对干燥气体传输通过所述容纳腔体100，并与可再生式干燥剂110进行水汽交换，带走可再生式干燥剂110中的水分，实现可再生式干燥剂110再生。所述干燥气体可以为空气、氮气等惰性气体。具体地，所述第二气体流道300包括：风机310、第二进气端320和第二出气端340。第二进气端320将风机310的出气口与所述容纳腔体100的进气口相连通，并在所述第二进气端320设置有第三控制阀330；第二出气端340将所述容纳腔体100的出气口与大气相连通，并在所述第二出气端340设置有第四控制阀350。其中所述风机310主要是用于提供压力差，对于本领域技术人员而言，所述风机310还可为其它形式，例如抽真空泵，将真空泵安装在第二出气端340，提供压力差。由于压力差的存在，将空气中相对干燥的气体导入容纳腔体100内，实现带走水分的效果。

参阅附图5，所述加热再生装置400包括套装在所述容纳腔体100外部的封闭箱体410，均匀分布在所述箱体内表面、适于对所述容纳腔体100进行加热的多个微波发生器420，以及匀分布在所述箱体内表面、适于对所述容纳腔体100进行加热的多个光波加热器430。其中，所述光波加热器430与所述微波发生器420相间分布在所述封闭箱体410的内表面。

其中，微波加热通过材料内部分子振动产生热量，材料整体发热后再向外界扩散，从而使材料达到加热效果。本实施例中的微波加热均匀分布在容纳腔体100的外表面，可从容纳腔体100的内部对可再生式干燥剂110加热，提高加热的均匀性。而光波加热原理则是利用光波发生器迅速产生光能和高温热能，光波加热是从外向内部传输的，不会直接对可再生式干燥剂110的中心加热，避免可再生式干燥剂110内部热量聚集，温度过高，导致可再生式干燥剂110报废。因此，配合电加装置能够有效的提高干燥剂110的均匀性，保证可再生式干燥剂110内的温度处于安全的脱附加热的温度范围之内，例如变色硅胶的脱附加热的温度为120至180℃。

为了精准获取容纳腔体100内部的温度变化情况，所述容纳腔体100内部还设置有测温装置130，所述测温装置130至少设置有三个测温探头，分别为第一测温探头、第二测温探头和第三测温探头；所述第一测温探头、第二测温探头和第三测温探头沿着所述容纳腔体100的中轴线处至容纳腔体100的表面处分布设置。通过三个探测探头反应的温度，实时调整微波加热器和光波加热器430的加热方式，保证可再生式干燥剂110内的温度处于安全的脱附加热的温度范围之内。

另外，由于所述容纳腔体100并非只可以为圆柱形，还可以为其他形状，例如截面形状为方形、椭圆形。为了进一步保证加热的均匀性，可以将所述封闭腔体设计为旋转形式，以预定速度沿着所述容纳腔体100旋转，保证加热的均匀性，避免局部过热。参阅附图6，在所述封闭箱体410的一端设置有旋转齿轮440，所述旋转齿轮440与驱动装置传动连接，适于驱动所述封闭箱体410沿着容纳腔体100的中轴线旋转。使得微波发生器420、光波加热器430以预定速度沿着所述容纳腔体100旋转，保证加热的均匀性。

所述封闭箱体410的两侧安装有轴承450，通过轴承450与外部支撑结构连接，实现封闭箱体410的支持和固定，并在所述轴承450的内圈的内部形成的走线通道460，允许所述第一气体流道200、所述第二气体流道300与所述容纳腔体100的连接管路通过，保证第一气体流道200、所述第二气体流道300与所述容纳腔体100连接的稳定性。

由于微波进入容纳腔体100后，会经过第一气体流道200、所述第二气体流道300传导，造成能量损失，因此在所述走线通道460内安装法兰，并在法兰内部安装有微波隔离网；所述法兰用于连接所述第一气体流道200、所述第二气体流道300在封闭箱体410内外两侧的管路。所述微波隔离网为孔径小于3mm的金属网，可以实现微波屏蔽，避免微波损失，提高能量利用率。

与之相适应的是，所述第一气体流道200、所述第二气体流道300与所述容纳腔体100连接的部分共用同一管路。方便封闭腔体、容纳腔体100、第一气体流道200和第二气体流道300的安装。减少管路与封闭箱体410之间的干涉，提高整个干燥装置的密封性。

所述控制器与所述加热再生装置400、测温装置130、第一气体流道200和第二气体流道300上的控制阀信号连接，实现在合适温度加热，对第一气体流道200和第二气体流道300的切断和导通。同时，由于第一气体流道200和第二气体流道300的气体可以为不同组分的气体，通过关闭或导通第一气体流道200和第二气体流道300，可以避免两种气体相互混合，污染待干燥的氢气。

为了方便理解氢气干燥装置的技术方案，对其干燥方法和干燥剂110再生方法做出简要说明：

在干燥氢气的过程中，关闭第二气体流道300，加热再生装置400和测温装置130不工作；待干燥的气体经过第一气体流道200和容纳腔体100，并与可再生式干燥剂110进行水汽交换，去除待干燥气体中的水分。

在干燥剂110再生方法过程中，通过颜色传感器实时监控可再生式干燥剂110的颜色变化情况，基于可再生式干燥剂110的颜色变化情况，判断所述可再生式干燥剂110是否失效和/或计算可再生式干燥剂110的失效时间；当可再生式干燥剂110失效后，关闭第一气体流道200，打开第二气体流道300，并通过第二气体流道300将相对干燥气体传输通过所述容纳腔体100，直至排空所述容纳腔体100内部的氢气；然后打开加热再生装置400和测温装置130，根据可再生式干燥剂110的类型，设置微波发生器420和光波加热器430的开启数量、位置、加热功率和加热时间；当所述第一测温探头检测的温度高于第一阈值，则关闭部分微波发生器420和/或降低部分微波发生器420的功率；当所述第三测温探头检测的温度高于第一阈值，则关闭部分光波加热器430和/或降低部分微波发生器420的功率；当所述第二测温探头检测的温度高于第一阈值，则同时关闭部分微波发生器420和部分光波加热器430和/或降低部分微波发生器420的功率；通过加热再生装置400的动态维持整个所述第一测温探头、第二测温探头和第三测温探头检测的温度始终保持在预定温度范围；当可再生式干燥剂110再生完成后，停止加热；直至第一测温探头检测的温度小于45℃后，关闭加热再生装置400、测温装置130和第二气体流道300。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (10)

1.一种氢气干燥装置，其特征在于，包括：

容纳腔体，内置有可再生式干燥剂；

第一气体流道，穿过所述容纳腔体；在常温条件下，将待干燥氢气传输通过所述容纳腔体，并与可再生式干燥剂进行水汽交换；

第二气体流道，穿过所述容纳腔体；在高温条件下，将干燥气体传输通过所述容纳腔体，并与可再生式干燥剂进行水汽交换；

加热再生装置，包括套装在所述容纳腔体外部的封闭箱体，均匀分布在所述箱体内表面、适于对所述容纳腔体进行加热的多个微波发生器和/或光波加热器。

2.根据权利要求1所述的氢气干燥装置，其特征在于，所述光波加热器与所述微波发生器相间分布在所述封闭箱体的内表面。

3.根据权利要求1所述的氢气干燥装置，其特征在于，所述容纳腔体内部还设置有测温装置，所述测温装置至少设置有三个测温探头，分别为第一测温探头、第二测温探头和第三测温探头；

所述第一测温探头、第二测温探头和第三测温探头沿着所述容纳腔体的中轴线处至容纳腔体的表面处分布设置。

4.根据权利要求1所述的氢气干燥装置，其特征在于，所述封闭箱体的一端设置有旋转齿轮，所述旋转齿轮与驱动装置传动连接。

5.根据权利要求4所述的氢气干燥装置，其特征在于，所述封闭箱体的两侧安装有轴承，所述轴承的内圈的内部形成的走线通道，在所述走线通道内安装有法兰，并在法兰内部安装有微波隔离网；

所述第一气体流道、所述第二气体流道与所述容纳腔体连接的部分共用同一管路，所述法兰用于连接所述第一气体流道、所述第二气体流道封闭箱体内外两侧的管路。

6.根据权利要求1所述的氢气干燥装置，其特征在于，所述第一气体流道包括：

第一进气端，将待干燥气体的气源与所述容纳腔体的进气口相连通，并在所述第一进气端设置有第一控制阀；

第一出气端，将干燥气体的消耗设备与所述容纳腔体的出气口相连通，并在所述第一出气端设置有第二控制阀。

7.根据权利要求1所述的氢气干燥装置，其特征在于，所述第二气体流道包括：

风机；

第二进气端，将风机的出气口与所述容纳腔体的进气口相连通，并在所述第二进气端设置有第三控制阀；

第二出气端，将所述容纳腔体的出气口与大气相连通，并在所述第二出气端设置有第四控制阀。

8.根据权利要求1所述的氢气干燥装置，其特征在于，所述容纳腔体外部设置有至少一个颜色传感器，对准容纳腔体并实时获取可再生式干燥剂的颜色变化情况。

9.一种基于权利要求1至8任一项所述的氢气干燥装置的氢气干燥方法，其特征在于，所述方法包括：

关闭第二气体流道，加热再生装置和测温装置不工作；

待干燥的气体经过第一气体流道和容纳腔体，并与可再生式干燥剂进行水汽交换，去除待干燥气体中的水分。

10.一种基于权利要求1至8任一项所述的氢气干燥装置的干燥剂再生方法，其特征在于，所述方法包括：

通过颜色传感器实时监控可再生式干燥剂的颜色变化情况，基于可再生式干燥剂的颜色变化情况，判断可再生式干燥剂是否失效和/或计算所述可再生式干燥剂的失效时间；

当可再生式干燥剂失效后，关闭第一气体流道，打开第二气体流道，并通过第二气体流道将相对干燥气体传输通过所述容纳腔体，直至排空所述容纳腔体内部的氢气；

然后打开加热再生装置和测温装置，根据可再生式干燥剂的类型，设置微波发生器和光波加热器的开启数量、位置、加热功率和加热时间；

当所述第一测温探头检测的温度高于第一阈值，则关闭部分微波发生器和/或降低部分微波发生器的功率；

当所述第三测温探头检测的温度高于第一阈值，则关闭部分光波加热器和/或降低部分微波发生器的功率；

当所述第二测温探头检测的温度高于第一阈值，则同时关闭部分微波发生器和部分光波加热器和/或降低部分微波发生器的功率；

通过加热再生装置的动态维持整个所述第一测温探头、第二测温探头和第三测温探头检测的温度始终保持在预定温度范围；

当可再生式干燥剂再生完成后，停止加热；直至第一测温探头检测的温度小于45℃后，关闭加热再生装置、测温装置和第二气体流道。

Images