CN116182072A - 一种氢纯化储存装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种氢纯化储存装置，属于化学化工产品制造技术领域，包括外部换热壳以及并列设置在外部换热壳内腔中的氢纯化/储存反应器，氢纯化/储存反应器包括反应器壳体以及设置在反应器壳体内部的氢气管路，氢气管路的管壁上分布有多个渗气孔，反应器壳体与氢气管路之间填充有储氢合金材料层。本发明通过在氢气管路的管壁上设置渗气孔，增加了含氢气体的分压，提高了吸放氢反应动力，减少了氢气的渗透距离，有效改善了传质过程和提高反应器的吸放氢性能。
Description
技术领域
本发明属于化学化工产品制造技术领域，涉及高纯氢制造技术，尤其是含氢气体纯化制高纯氢技术，具体为一种氢纯化储存装置。
背景技术
未来短时间内我国氢能产业发展的氢源主要将来自化石燃料制氢(煤制氢)和化工工业副产氢(焦炉气副产氢、氯碱副产、PDH即丙烷脱氢副产等)。随着氢能需求的不断增加，氢纯化技术成为我国能源化工基地低碳化转型、助力“双碳”的重要技术支点。
金属氢化物(MH)分离法利用储氢合金材料层与氢气的选择性反应，即可实现混合气体中氢气组分的分离与提纯，其技术具有工艺简单、设备成熟、操作条件(温度和压力)适中、产品氢纯度高、能耗较低、定向除杂等优点，在实现氢的分离提纯的同时，还具有储氢功能，故具有广阔的实际应用前景。然而，在利用金属氢化物(MH)分离法进行氢纯化时，由于混合气氛下氢分压低，吸放氢反应动力学缓慢。
发明内容
针对上述所描述的在利用金属氢化物(MH)分离法进行氢纯化时，由于混合气氛下氢分压低，吸放氢反应动力学缓慢的问题，本发明提出了一种氢纯化储存装置。
本发明主要是在氢纯化/储存反应器内部设置氢气管路和储氢合金材料层，在氢气管路的管壁上分布多个渗气孔，使得进入氢气管路内的含氢气体可以通过氢气管路的管壁上的渗气孔渗透至储氢合金材料层中，通过氢气管路的管壁上的多个渗气孔增加了含氢气体的分压，提高了吸放氢反应动力，减少了氢气的渗透距离，有效改善了传质过程和提高反应器的吸放氢性能，同时通过储氢合金材料层实现氢的存储，其具体技术方案如下：
一种氢纯化储存装置，包括外部换热壳以及多个并列设置在外部换热壳内腔中的氢纯化/储存反应器，所述氢纯化/储存反应器包括反应器壳体以及设置在反应器壳体内部的氢气管路，所述氢气管路的管壁上分布有多个渗气孔，所述反应器壳体与氢气管路之间填充有储氢合金材料层。
进一步限定，所述渗气孔的孔径大于等于氢气管路中含氢气体的粒径且小于储氢合金材料层中储氢合金材料的粒径。
进一步限定，所述外部换热壳内腔中相邻氢纯化/储存反应器之间的空腔以及外部换热壳与氢纯化/储存反应器之间的空腔均为换热腔，所述换热腔内填充有换热介质层。
进一步限定，所述外部换热壳上设置有换热介质进口和换热介质出口，所述换热介质进口和换热介质出口均与换热腔连通。
进一步限定，所述氢纯化储存装置还包括含氢气体进口管路、进口阀门、出口阀门和残留气体出口管路，所述含氢气体进口管路通过进口阀门与每个氢纯化/储存反应器的氢气管路均连通，所述残留气体出口管路通过出口阀门与每个氢纯化/储存反应器的储氢合金材料层均连通。
进一步限定，所述含氢气体进口管路设置在氢纯化/储存反应器的顶部，所述残留气体出口管路设置在氢纯化/储存反应器的底部。
进一步限定，所述氢纯化储存装置还包括进口密封法兰和出口密封法兰，所述氢纯化/储存反应器的顶部通过进口密封法兰与外部换热壳的顶部固定连接；所述氢纯化/储存反应器的底部通过出口密封法兰与外部换热壳的底部固定连接；所述氢气管路的顶部与进口密封法兰固定连接，所述氢气管路的底部与出口密封法兰连接。
进一步限定，所述氢气管路上与进口密封法兰的连接部位以及氢气管路上与出口密封法兰的连接部位均为实心管，所述氢气管路上的渗气孔设置在氢气管路与储氢合金材料层接触的部位；所述进口阀门的出口端贯穿氢气管路与进口密封法兰连接部位的实心管，并与氢气管路上的渗气孔连通。
进一步限定，所述氢纯化储存装置还包括滤网，所述滤网设置在出口密封法兰与储氢合金材料层之间，所述出口阀门通过滤网与储氢合金材料层连通。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本申请一种氢纯化储存装置，其包括外部换热壳以及多个并列设置在外部换热壳内腔中的氢纯化/储存反应器，其中，氢纯化/储存反应器包括反应器壳体以及设置在反应器壳体内部的氢气管路，在氢气管路的管壁上分布有多个渗气孔，在吸氢过程中，进入氢气管路内部的含氢气体通过渗气孔渗透至储氢合金材料层，与储氢合金材料层中的储氢合金材料发生反应，将含氢气体中的氢气固化在储氢合金材料层中，实现氢气的储存；氢气管路的管壁上的渗气孔增加了含氢气体的分压，提高了吸放氢反应动力，减少了氢气的渗透距离，有效改善了传质过程和提高反应器的吸放氢性能，解决了吸放氢反应动力学缓慢的问题。
2、渗气孔的孔径大于等于氢气管路中含氢气体的粒径且小于储氢合金材料层中储氢合金材料的粒径，这样设置渗气孔的孔径既能够保证含氢气体中的氢气顺利地渗透至储氢合金材料层中，又能够保证储氢合金材料层中的储氢合金材料不会进入氢气管路中将氢气管路堵塞。
3、在外部换热壳内腔中相邻氢纯化/储存反应器之间的空腔以及外部换热壳与氢纯化/储存反应器之间的空腔均为换热腔，换热腔内填充有换热介质层，在吸氢过程中，可以向换热腔内充注冷介质，通过冷介质为吸附并带走氢气与储氢合金材料反应过程中放出的热量；在放氢过程中，可以向换热腔内充注热介质，为储氢合金材料放氢提供热量；即本申请通过向换热腔内充注热介质或冷介质为储氢合金材料的放氢和吸氢提供良好的反应条件，存进放氢过程或吸氢过程。
4、本申请的氢纯化储存装置还包括含氢气体进口管路、进口阀门、出口阀门和残留气体出口管路，含氢气体进口管路通过进口阀门与每个氢纯化/储存反应器的氢气管路均连通，残留气体出口管路通过出口阀门与每个氢纯化/储存反应器的储氢合金材料层均连通，通过含氢气体进口管路、氢纯化/储存反应器的氢气管路以及残留气体出口管路形成了流通式反应器，含氢气体通过含氢气体进口管路进入氢气管路，吸附完的残余气体通过含氢气体进口管路或残留气体出口管路排掉，有效降低了反应器操作压力以及减少了杂质气体在反应器内的停留时间；与传统的反口的金属氢化物反应器，流通式结构设计也方便了气体吹扫操作。
5、本申请的氢纯化储存装置还包括进口密封法兰和出口密封法兰，通过进口密封法兰对氢纯化/储存反应器的顶部和外部换热壳的顶部进行固定，通过出口密封法兰对氢纯化/储存反应器的底部和外部换热壳的底部进行固定。
6、氢气管路上与进口密封法兰的连接部位以及氢气管路上与出口密封法兰的连接部位均为实心管；进口阀门的出口端贯穿氢气管路与进口密封法兰连接部位的实心管，并与氢气管路上的渗气孔连通，这样设置氢气管路能够保证氢气管路的密封效果，防止含氢气体泄露。
7、在出口密封法兰与储氢合金材料层之间设置有滤网，出口阀门通过滤网与储氢合金材料层连通，通过滤网可以防止储氢合金材料层中的储氢合金材料泄漏至出口阀门中，将出口阀门堵塞。
附图说明
图1为本申请氢纯化储存装置的结构示意图；
图2为进口密封法兰和出口密封法兰的结构示意图；
图3为本申请氢气管路的结构示意图；
其中，1-含氢气体进口管路，2-进口阀门，3-进口密封法兰，4-外部换热壳，5-氢纯化/储存反应器，6-出口密封法兰，7-出口阀门，8-残留气体出口管路，9-氢气管路，10-滤网，11-储氢合金材料层，12-换热介质层，13-换热介质进口，14-换热介质出口。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行进一步地解释说明，但本发明并不限于以下说明的实施方式。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1
参见图1，本实施例一种氢纯化储存装置，其包括外部换热壳4以及多个并列设置在外部换热壳4内腔中的氢纯化/储存反应器5，氢纯化/储存反应器5包括反应器壳体以及设置在反应器壳体内部的氢气管路9，氢气管路9的管壁上分布有多个渗气孔，反应器壳体与氢气管路9之间填充有储氢合金材料层11，氢气管路9通过渗气孔与储氢合金材料层11连通。具体的，氢纯化/储存反应器5的数量可以是3个、4个、5个、6个，甚至更多个，其具体数量根据氢纯化储存装置的设计容量具体设定；反应器壳体与氢气管路9同轴设置；氢气管路9的管壁上的渗气孔可以是均匀分布的，也可以是非均匀分布的；储氢合金材料层11中所填充的储氢合金材料是镧镍系AB5及其衍生物(镧镍系储氢合金)、钛铁系AB及其衍生物(钛铁系储氢合金)等；氢纯化/储存反应器5沿着外部换热壳4的高度方向设置，即氢纯化/储存反应器5的轴向与外部换热壳4的轴向平行，优选的，多个氢纯化/储存反应器5在外部换热壳4内均布。
优选的，参见图3，本实施例中渗气孔的孔径大于等于氢气管路9中含氢气体的粒径且小于储氢合金材料层11中储氢合金材料的粒径。使得含氢气体能够从管内部向管外渗透，而管外的储氢合金材料粉末不能进入氢气管路9。
实施例2
本实施例一种氢纯化储存装置，其是在实施例1的基础上形成的，其在外部换热壳4内腔中相邻氢纯化/储存反应器5之间的空腔以及外部换热壳4与氢纯化/储存反应器5之间的空腔均为换热腔，换热腔内填充有换热介质层12。具体的，在吸氢过程中，换热介质层12中填充的冷介质；在放氢过程中，换热介质层12中填充的是热介质。具体的，换热介质可以是冷却水、热水、冷却油或热油等介质。
外部换热壳4上设置有换热介质进口13和换热介质出口14，换热介质进口13和换热介质出口14均与换热腔连通。具体的，换热介质从换热介质进口13流入换热腔内，在换热腔内进行热交换后从换热介质出口14流出，实现换热介质的循环。优选的，换热介质进口13设置在外部换热壳4的顶部，换热介质出口14设置在外部换热壳4的底部。
氢纯化储存装置还包括含氢气体进口管路1、进口阀门2、出口阀门7和残留气体出口管路8，含氢气体进口管路1通过进口阀门2与每个氢纯化/储存反应器5的氢气管路9均连通，残留气体出口管路8通过出口阀门7与每个氢纯化/储存反应器5的储氢合金材料层11均连通。具体的，含氢气体进口管路1的出口端与进口阀门2的入口端连通，进口阀门2的出口端与每个氢纯化/储存反应器5的氢气管路9的入口端均连通；出口阀门7的入口端与每个氢纯化/储存反应器5的储氢合金材料层11的出口端均连通，出口阀门7的出口端与残留气体出口管路8的入口端连通。
优选的，本实施例的含氢气体进口管路1设置在氢纯化/储存反应器5的顶部，残留气体出口管路8设置在氢纯化/储存反应器5的底部。
参见图2，本实施例氢纯化储存装置还包括进口密封法兰3和出口密封法兰6，氢纯化/储存反应器5的顶部通过进口密封法兰3与外部换热壳4的顶部固定连接；氢纯化/储存反应器5的底部通过出口密封法兰6与外部换热壳4的底部固定连接；氢气管路9的顶部与进口密封法兰3固定连接，氢气管路9的底部与出口密封法兰6连接。具体的，在进口密封法兰3上和出口密封法兰6上均设置有用于安装氢气管路9的多个安装孔，安装孔的数量与氢气管路9的数量对应，即进口密封法兰3上的一个安装孔对应一个氢气管路9，出口密封法兰6上的一个安装孔对应一个氢气管路9，氢气管路9的顶部延伸至进口密封法兰3上的安装孔内并与进口密封法兰3固定连接(焊接)，氢气管路9的底部延伸至出口密封法兰6上的安装孔内并与出口密封法兰6固定连接(焊接)；其中氢纯化/储存反应器5的顶部以及外部换热壳4的顶部顶部均与进口密封法兰3固定连接(焊接)，氢纯化/储存反应器5的底部以及外部换热壳4的底部均与出口密封法兰6固定连接(焊接)。
氢气管路9上与进口密封法兰3的连接部位以及氢气管路9上与出口密封法兰6的连接部位均为实心管，即氢气管路9的顶部和氢气管路9的底部均为实现管，这样设置能够防止进入氢气管路9内的含氢气体从顶部和底部泄露，确保氢气管路9的密封性；氢气管路9上的渗气孔设置在氢气管路9与储氢合金材料层11接触的部位，方便氢气管路9内的含氢气体向储氢合金材料层11中渗透；进口阀门2的出口端贯穿氢气管路9与进口密封法兰3连接部位的实心管，并与氢气管路9上的渗气孔连通，即进口阀门2的出口端贯穿氢气管路9顶部的实心管与氢气管路9上的渗气孔连通。
本实施例氢纯化储存装置还包括滤网10，滤网10设置在出口密封法兰6与储氢合金材料层11之间，出口阀门7通过滤网10与储氢合金材料层11连通，防止储氢合金材料层11中的储氢合金材料粉末泄漏至出口阀门7中，将出口阀门7堵塞。
本实施例氢纯化储存装置所形成的氢纯化储存方法，其具体包括以下步骤：
在吸氢过程中，换热腔中的换热介质层12为冷介质层，即在换热腔中填充的是冷介质(冷却水或冷却油)，打开进口阀门2和出口阀门7，使含氢气体进口管路1中的含氢气体穿过进口阀门2进入氢气管路9，含氢气体通过氢气管路9管壁上的多个渗气孔向四周渗透，渗透至储氢合金材料层11中，储氢合金材料层11中的储氢合金材料与含氢气体中的氢气发生放热反应，储氢合金材料层11中的储氢合金材料吸收含氢气体中的氢气，并将含氢气体中的氢气以固体的形式存储在储氢合金材料层11中，同时放热反应放出的热量被冷介质层吸收并带走散发，使得吸氢过程处在合适的温度范围内，确保吸氢良好的效率；含氢气体中未发生反应的残留气体穿过储氢合金材料层11，并通过出口阀门7流至残留气体出口管路8中，或通过进口阀门2流至含氢气体进口管路1中，通过残留气体出口管路8或含氢气体进口管路1排掉；具体的，在吸氢过程结束后，剩余的残留气体可以通过抽真空的方式或吹扫的方式去除，若采用抽真空的方式，需要关闭出口阀门7，打开进口阀门2，使得残留气体穿过储氢合金材料层11被抽至含氢气体进口管路1中，通过含氢气体进口管路1排掉；若采用吹扫的方式，需要打开出口阀门7和进口阀门2，使得残留气体穿过储氢合金材料层11被吹扫至残留气体出口管路8中，通过残留气体出口管路8排掉；
在放氢过程中，换热腔中的换热介质层12为热介质层，为储氢合金材料层11中储氢合金材料的放氢反应提供所需的热量，打开进口阀门2，关闭出口阀门7，使得放氢反应产生的氢气通过进口阀门2流至含氢气体进口管路1中，从含氢气体进口管路1排出。
Claims (9)
1.一种氢纯化储存装置，其特征在于，包括外部换热壳(4)以及多个并列设置在外部换热壳(4)内腔中的氢纯化/储存反应器(5)，所述氢纯化/储存反应器(5)包括反应器壳体以及设置在反应器壳体内部的氢气管路(9)，所述氢气管路(9)的管壁上分布有多个渗气孔，所述反应器壳体与氢气管路(9)之间填充有储氢合金材料层(11)。
2.如权利要求1所述的氢纯化储存装置，其特征在于，所述渗气孔的孔径大于等于氢气管路(9)中含氢气体的粒径且小于储氢合金材料层(11)中储氢合金材料的粒径。
3.如权利要求1所述的氢纯化储存装置，其特征在于，所述外部换热壳(4)内腔中相邻氢纯化/储存反应器(5)之间的空腔以及外部换热壳(4)与氢纯化/储存反应器(5)之间的空腔均为换热腔，所述换热腔内填充有换热介质层(12)。
4.如权利要求3所述的氢纯化储存装置，其特征在于，所述外部换热壳(4)上设置有换热介质进口(13)和换热介质出口(14)，所述换热介质进口(13)和换热介质出口(14)均与换热腔连通。
5.如权利要求3所述的氢纯化储存装置，其特征在于，所述氢纯化储存装置还包括含氢气体进口管路(1)、进口阀门(2)、出口阀门(7)和残留气体出口管路(8)，所述含氢气体进口管路(1)通过进口阀门(2)与每个氢纯化/储存反应器(5)的氢气管路(9)均连通，所述残留气体出口管路(8)通过出口阀门(7)与每个氢纯化/储存反应器(5)的储氢合金材料层(11)均连通。
6.如权利要求5所述的氢纯化储存装置，其特征在于，所述含氢气体进口管路(1)设置在氢纯化/储存反应器(5)的顶部，所述残留气体出口管路(8)设置在氢纯化/储存反应器(5)的底部。
7.如权利要求6所述的氢纯化储存装置，其特征在于，所述氢纯化储存装置还包括进口密封法兰(3)和出口密封法兰(6)，所述氢纯化/储存反应器(5)的顶部通过进口密封法兰(3)与外部换热壳(4)的顶部固定连接；所述氢纯化/储存反应器(5)的底部通过出口密封法兰(6)与外部换热壳(4)的底部固定连接；所述氢气管路(9)的顶部与进口密封法兰(3)固定连接，所述氢气管路(9)的底部与出口密封法兰(6)连接。
8.如权利要求7所述的氢纯化储存装置，其特征在于，所述氢气管路(9)上与进口密封法兰(3)的连接部位以及氢气管路(9)上与出口密封法兰(6)的连接部位均为实心管，所述氢气管路(9)上的渗气孔设置在氢气管路(9)与储氢合金材料层(11)接触的部位；所述进口阀门(2)的出口端贯穿氢气管路(9)与进口密封法兰(3)连接部位的实心管，并与氢气管路(9)上的渗气孔连通。
9.如权利要求7所述的氢纯化储存装置，其特征在于，所述氢纯化储存装置还包括滤网(10)，所述滤网(10)设置在出口密封法兰(6)与储氢合金材料层(11)之间，所述出口阀门(7)通过滤网(10)与储氢合金材料层(11)连通。
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