CN116216635A - 一种金属氢化物水解产氢系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种金属氢化物水解产氢系统，涉及产氢设备领域；包括反应模块、冷凝与干燥模块、循环过滤模块；所述反应模块包括反应器和稳压水箱，所述反应器内部设有筛板，所述筛板上方用于放置金属氢化物，所述反应器底部与所述稳压水箱连通，所述稳压水箱内用于放置反应溶液，稳压水箱液面上部通入惰性气体，调控反应器内部气体压力及液面高度；所述冷凝与干燥模块与所述反应模块顶部连通，所述冷凝与干燥模块能够对反应产生的氢进行除水干燥后输送至外部装置；所述循环过滤模块分别与所述反应器和稳压水箱底部连通，所述循环过滤模块能够对反应溶液进行过滤。本发明能够降低产氢系统内副产物对连续反应的阻碍，反应速率均一，提高了制氢效率。
Description
技术领域
本发明涉及产氢设备技术领域，特别是涉及一种金属氢化物水解产氢系统。
背景技术
氢能是二十一世纪备受关注的清洁能源之一，其燃烧产物只有水，燃烧热值高，来源广泛，可持续获得，从20世纪70年代以来，许多国家及地区就开始对氢能进行广泛研究。虽然目前已有一些关键技术出现，金属氢化物水解制氢在应急供能方面已取得一些进展，但仅限于小批量使用，无法规模化，仍然限制着产业的发展。
金属氢化物水解本身存在反应副产物干扰反应进行的问题，另外，大批量连续水解还会出现水解速率急剧下降，出口氢气纯度、压力、流量不稳定等问题。例如现有专利(一种氢化镁水解制氢装置，CN202221165281.2)由反应系统、加料系统、加液系统以及储氢装置构成，其反应系统不具备稳压、pH控制和洗气等功能，从而降低了制氢的效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属氢化物水解产氢系统，以解决上述现有技术存在的问题，降低了副产物对连续反应的阻碍，反应速率均一，提高了制氢效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种金属氢化物水解产氢系统，包括反应模块、冷凝与干燥模块、循环过滤模块；所述反应模块包括反应器和稳压水箱，所述反应器内部设有筛板，所述筛板上方用于放置金属氢化物，所述反应器底部与所述稳压水箱连通，所述稳压水箱内用于放置反应溶液，稳压水箱液面上部通入惰性气体，能够调控反应器内部气体压力及液面高度；所述冷凝与干燥模块与所述反应模块顶部连通，所述冷凝与干燥模块能够对反应产生的氢进行除水干燥后输送至外部装置，冷凝与干燥模块能够将产物中携带的水蒸气冷凝下来，并输送出去，进而实现产物的除水功能；所述循环过滤模块分别与所述反应器和稳压水箱底部连通，所述循环过滤模块能够对反应溶液进行过滤。
可选的，还包括取样模块，所述取样模块与所述冷凝与干燥模块和所述外部装置之间的管路连通，所述取样模块用于提取氢气并离线检测氢气纯度。
可选的，还包括真空泵，所述真空泵通过真空管路分别与所述反应器、冷凝与干燥模块和取样模块连接，真空管路上均设有阀门。
可选的，所述稳压水箱顶部分别设有加压口、补液口和补料口，所述加压口、补液口和补料口处均设有阀门，加压口在反应过程中能够通过连通器原理控制反应器内部；反应终止后，排出反应液后，能够从加压口加高压气体吹扫去除残余液体；所述反应器顶部设有进样仓，所述进样仓与所述反应器之间设有进样仓阀门，所述进样仓阀门和所述进样仓之间的管路上连接有真空支管，所述真空支管与所述真空泵连通；所述反应器上开设有清洗口，清洗口处设有阀门，反应终止后，排出反应液后，能够从清洗口加高压气体吹扫去除残余液体；所述反应器底部与所述稳压水箱连通的管路上设有阀门。反应时金属氢化物通过进样仓进入反应器，金属氢化物落入反应器中部设置的筛板，酸性反应液置于稳压水箱中，整体进行抽空后，反应液通过开启相连管路阀门进入反应器中，此设计可保证系统内气压稳定，反应过快会造成反应器内气压过高，将一部分反应液压回稳压水箱，此时金属氢化物固体处于筛板上方，固液分离，反应中止，气压过低后，反应液再度进入反应器，固液接触，反应继续进行。产生的产物通过管路向后端输送，若反应液使用具有挥发性的酸，则产生的氢气通过洗气水箱，否则通过支路直接通入冷凝与干燥模块。设置进样仓是为了实现连续进样，反应进行中，若需要补充金属氢化物，先通过进样仓装样并对其抽空，再打开与反应器相连的气动阀，可避免加样时空气混入反应器中。稳压水箱上方气体与反应产物隔绝，故若需要补充反应液可直接加入，无需在稳压水箱上设置过渡装置，但需注意的是，如果末端需要高压气体输出，则稳压水箱上端也应保持高压，此时，需加设与反应器相同的过渡装置。
可选的，所述循环过滤模块包括循环泵和第一过滤器，所述循环泵一端通过带有阀门的管路与所述第一过滤器连通，另一端通过带有阀门的管路与所述稳压水箱底部连通，所述第一过滤器通过带有阀门的过滤支路分别与稳压水箱底部和反应器底部连通；连续反应中会产生副产物堆积，阻碍反应正常进行，另外，稳压水箱和反应器两个罐体内反应液的浓度会因循环不及时而产生差异，因此设置循环过滤模块对罐体内液体进行循环，一方面用第一过滤器滤除反应残渣，另一方面均衡溶液浓度。
可选的，还包括洗气水箱，所述洗气水箱位于所述反应器和所述冷凝与干燥模块之间，所述洗气水箱上分别设有带阀门的清洗口和补液口；稳压水箱、反应器和洗气水箱底部分别设有带阀门的排液口。
可选的，所述冷凝与干燥模块包括冷凝器、冷水机和干燥塔，所述反应器的冷却夹层及冷凝器通过循环水管与同一冷水机连通，也可分别设置冷水机；所述冷凝器内部通过氢气冷凝气管与反应器内部连通；所述反应器顶部设有出气总管，出气总管上设有第二过滤器，出气总管末端通过两个带阀门的出气支管分别与洗气水箱内部和冷凝器内部连通，所述洗气水箱顶部通过带阀门的洗气支管与冷凝器内底部连通；所述冷凝器一侧通过两个带阀门的干燥进气管分别与干燥塔及备用干燥塔顶部连通，干燥塔内装有碱性干燥剂，两个干燥塔底部分别通过带阀门的干燥出气管与排气总管连通，排气总管末端与外部装置连接；所述取样装置包括取样瓶，所述取样瓶通过带阀门的取样管与所述排气总管连接，所述排气总管上位于所述取样管与排气总管连接位置处的两端分别设有阀门；所述排气总管上安装有第二过滤器；冷凝器作用为将产生的氢气中带有的水分经过冷凝后通过管路注回反应器中，干燥塔内装有碱性干燥剂，进一步干燥与纯化产生的氢气。干燥塔为一用一备，当露点仪示数高于设定，则启用备用，更换已使用的干燥塔内的干燥剂。此处需要说明，冷却水经由冷水机进行制冷循环后，先通过冷凝器，再通过循环水管通过反应器夹层，最后通过循环水管回到冷水机，冷凝器与反应器夹层共用循环冷却水，并非冷却水回到冷凝器中。
可选的，还包括监控模块，所述监控模块包括各个管路上的阀门和分别设置于反应模块、冷凝与干燥模块、循环过滤模块上的传感器，所述传感器包括温度传感器、压力传感器、露点传感器、液位传感器、气体质量流量控制器。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明设计的金属氢化物水解产氢装置，采用金属氢化物固化成型的方式，确保稳压装置可通过控制固液接触与分离的方式进行稳压；采用控制pH值与定期循环过滤的方式保持反应环境稳定，避免副产物积累对反应的影响；设计了洗气和冷凝模块，此模块为使用挥发性酸的路线预留，可脱除产生的氢气中的酸性气体，提高后端氢气纯度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明金属氢化物水解产氢系统连接布置示意图；
图2为本发明冷凝器内部结构示意图；
附图标记说明：1-稳压水箱，2-反应器，3-加压口，4-补液口，5-补料口，6-进样仓，7-真空泵，8-清洗口，9-循环泵，10-第一过滤器，11-外部装置，12-取样瓶，13-洗气水箱，14-排液口，15-冷凝器，1501-氢气冷凝气管，1502-盘管，1503-循环进水管，1504-循环出水管，1505-冷凝水管，16-干燥塔，17-出气总管，18-第二过滤器，19-洗气支管，20-排气总管，21-真空支管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种金属氢化物水解产氢系统，以解决上述现有技术存在的问题，降低了副产物对连续反应的阻碍，反应速率均一，提高了制氢效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种金属氢化物水解产氢系统，可自动根据出口流量与压力调节进料速率、加热温度、釜内压力等，包括反应模块、冷凝与干燥模块、循环过滤模块；参考图1所示，反应模块包括反应器2和稳压水箱1，反应器2内部设有网状的筛板，筛板上方用于放置金属氢化物，反应器2底部与稳压水箱1连通，稳压水箱1内用于放置反应溶液，反应溶液通过稳压水箱1注入反应器2，可根据反应器2内气压进行稳压。气压过大时，气体将反应溶液压至筛板以下，实现固液分离，反应终止，气压变小后，反应溶液回到筛板以上，继续反应；冷凝与干燥模块与反应模块顶部连通，冷凝与干燥模块能够对反应产生的氢进行除水干燥后输送至外部装置；循环过滤模块分别与反应器和稳压水箱底部连通，循环过滤模块能够定时过滤，排出反应副产物与残渣，并将反应液输送回水箱。
具体的，稳压水箱1顶部分别设有加压口3、补液口4和补料口5，第一加压口3、补液口4和补料口5处均设有阀门；反应器2顶部设有进样仓6，进样仓6与反应器2之间设有进样仓阀门；反应器2上开设有清洗口8，第二加压口8处设有阀门；反应器2底部与稳压水箱1连通的管路上设有阀门。循环过滤模块包括循环泵9和第一过滤器10，循环泵9一端通过带有阀门的管路与第一过滤器10连通，另一端通过带有阀门的管路与稳压水箱1底部连通，第一过滤器10通过带有阀门的过滤支路分别与稳压水箱1底部和反应器2底部连通。
本发明能够降低反应副产物的影响，使得反应速率均一，对于反应副产物的问题，本发明采取控制pH值与定时循环过滤的方法降低其影响。第一，反应物金属氢化物制成体积较大的块状，放置在反应装置内部的筛板上；第二，反应助剂采用柠檬酸，令整体溶液始终处于弱酸性；第三，稳压水箱与反应器底部连接过滤循环装置，定期将副产物与残渣排出，反应液重新循环回水箱内。
对于反应速率不均一的问题，本发明采取稳压设计，在反应过快时，气压增加使得固液分离，降低速率。反应速率慢导致后端气体压力与流量不足时，监测模块自动反馈至前端反应装置，加快进样速率，增加反应温度。
进一步优选的，还包括取样模块和真空泵7，进样仓阀门和进样仓之间的管路上连接有真空支管21，真空支管21与真空泵7连通，取样模块与冷凝与干燥模块和用于存储氢气的外部装置11之间的管路连通，取样模块为取样瓶12，通过取样方式离线监测氢气纯度，同时带有流量监测装置，可根据出口变化，自动调节前端反应的各项参数。反应器2设有温度传感器监测液体温度，冷凝器后端的管路上的温度传感器监测换热之后的气体温度。所有罐体均设有压力传感器，监测整体压力。真空泵7通过真空管路分别与反应器2、冷凝与干燥模块和取样模块连接，真空管路上均设有阀门。
还包括洗气水箱13，洗气水箱13位于反应器2和冷凝与干燥模块之间，洗气水箱13上分别设有带阀门的清洗口和补液口；装置生成的氢气通过洗气水箱13将带出的酸性气体洗脱(若反应液内为非挥发性酸，则直接通过支路进入冷凝器)，通过冷凝器将带出的水冷凝回流至反应器，气体经过碱性干燥塔进行进一步干燥与纯化后输出；稳压水箱1、反应器2和洗气水箱13底部分别设有带阀门的排液口14。
冷凝与干燥模块包括冷凝器15、冷水机和干燥塔16，反应器2的冷却夹层及冷凝器15通过循环水管与同一冷水机连通；如图2所示，冷凝器15内部通过氢气冷凝气管1501与反应器2内部连通，氢气冷凝气管1501与冷凝器15内部的盘管1502连通，盘管1502顶部设有出气管，该出气管通过干燥进气管与干燥塔16连通，冷凝器15内分别通过循环进水管1503和循环出水管1504与反应器2的冷却夹层连通，用于冷却水的循环流动，盘管1502的底部连通有冷凝水管1505，氢气在盘管1502内流通，冷凝器15内的冷却水与盘管1502外壁接触，盘管1502内氢气中的水分被冷凝后经由该冷凝水管1505回流至反应器2内；反应器2顶部设有出气总管17，出气总管17上设有第二过滤器18，出气总管17末端通过两个带阀门的出气支管分别与洗气水箱13内部和冷凝器15内部连通，洗气水箱13顶部通过带阀门的洗气支管19与冷凝器15内底部连通；冷凝器15一侧通过两个带阀门的干燥进气管分别与干燥塔16及备用干燥塔顶部连通，干燥塔16内装有碱性干燥剂，两个干燥塔16底部分别通过带阀门和第二过滤器的干燥出气管与排气总管20连通，排气总管20末端与外部装置11连接；取样瓶12通过带阀门的取样管与排气总管20连接，排气总管20上位于取样管与排气总管20连接位置处的两端分别设有阀门；排气总管20上安装有第二过滤器18。
本发明工作过程为：
1)关闭所有阀门，将金属氢化物样品通过进样仓放入反应器2，将配置好反应溶液注入至稳压水箱1约3/4的体积，打开真空泵管路上所有阀门将真空度抽至设定值以下；
2)关闭真空泵管路上所有阀门，打开稳压水箱1和反应器2连通的管路上的阀门，使液体从稳压水箱1中注入反应器2中注液，此时金属氢化物开始反应放出氢，开启冷水机进行换热；
3)打开出气总管17与冷凝器15连通的支路上的阀门、冷凝器15与其中一个干燥塔16上的阀门、该干燥塔16底部与排气总管20相连管路上的阀门以及排气总管20上的所有阀门，根据反应器2内氢气压力，通过稳压水箱1上端加压口注入氩气，动态调整内部压力，使其与反应器一致，至最终需要压力后，稳压水箱1不再变压，此时通过稳压装置动态调整反应器内液体液面高度，实现压力稳定；
4)反应可通过取样瓶12取样，离线检测出口氢气纯度；
5)反应可通过后端气体质量流量控制器控制输出流量；
6)反应定期开启循环过滤模块的管路，去除反应器内副产物，均衡整体的溶液浓度；
7)若长时间不再进行实验，通过稳压水箱1及反应器2下端排液口14将溶液排出，通过上端加压口或清洗口通氩气将残余液体吹出后，关闭排液口、加压口或清洗口。
本发明采用金属氢化物固化成型的方式，确保稳压装置可通过控制固液接触与分离的方式进行稳压。采用控制pH值与定期循环过滤的方式保持反应环境稳定，避免副产物积累对反应的影响。设计了洗气模块，此模块为使用挥发性酸的路线预留，可脱除产生的氢气中的酸性气体，提高后端氢气纯度。使用冷凝模块对前置模块中被带出的水汽进行冷凝，使用干燥塔中的碱性干燥剂对氢气进行进一步纯化。装置后端设置取样罐、流量监测模块，可离线检测氢气纯度，实时监测出口压力与流量，反馈前置模块实验参数，调节反应速率。反应器和冷凝器后端设有温度传感器分别监测反应液及产物气体的温度。各个罐体设有压力传感器，监测整体压力。反应器设有安全阀，超压会自动排出气体。同时，反应器设有换热夹层，通过冷水机换热，避免反应放热带来的温度过热。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种金属氢化物水解产氢系统，其特征在于：包括反应模块、冷凝与干燥模块、循环过滤模块；所述反应模块包括反应器和稳压水箱，所述反应器内部设有筛板，所述筛板上方用于放置金属氢化物，所述反应器底部与所述稳压水箱连通，所述稳压水箱内用于放置反应溶液，稳压水箱液面上部通入惰性气体，能够调控反应器内部气体压力及液面高度；所述冷凝与干燥模块与所述反应模块顶部连通，所述冷凝与干燥模块能够对反应产生的氢进行除水干燥后输送至外部装置；所述循环过滤模块分别与所述反应器和稳压水箱底部连通，所述循环过滤模块能够对反应溶液进行过滤。
2.根据权利要求1所述的金属氢化物水解产氢系统，其特征在于：还包括取样模块，所述取样模块与所述冷凝与干燥模块和所述外部装置之间的管路连通，所述取样模块用于提取氢气并离线检测氢气纯度。
3.根据权利要求2所述的金属氢化物水解产氢系统，其特征在于：还包括真空泵，所述真空泵通过真空管路分别与所述反应器、冷凝与干燥模块和取样模块连接，真空管路上均设有阀门。
4.根据权利要求3所述的金属氢化物水解产氢系统，其特征在于：所述稳压水箱顶部分别设有加压口、补液口和补料口，所述加压口、补液口和补料口处均设有阀门；所述反应器顶部设有进样仓，所述进样仓与所述反应器之间设有进样仓阀门，所述进样仓阀门和所述进样仓之间的管路上连接有真空支管，所述真空支管与所述真空泵连通；所述反应器上开设有清洗口，清洗口处设有阀门；所述反应器底部与所述稳压水箱连通的管路上设有阀门。
5.根据权利要求3所述的金属氢化物水解产氢系统，其特征在于：所述循环过滤模块包括循环泵和第一过滤器，所述循环泵一端通过带有阀门的管路与所述第一过滤器连通，另一端通过带有阀门的管路与所述稳压水箱底部连通，所述第一过滤器通过带有阀门的过滤支路分别与稳压水箱底部和反应器底部连通。
6.根据权利要求3所述的金属氢化物水解产氢系统，其特征在于：还包括洗气水箱，所述洗气水箱位于所述反应器和所述冷凝与干燥模块之间，所述洗气水箱上分别设有带阀门的清洗口和补液口；稳压水箱、反应器和洗气水箱底部分别设有带阀门的排液口。
7.根据权利要求6所述的金属氢化物水解产氢系统，其特征在于：所述冷凝与干燥模块包括冷凝器、冷水机和干燥塔，所述反应器的冷却夹层及冷凝器通过循环水管与同一冷水机连通，所述冷凝器内部通过氢气冷凝气管与反应器内部连通；所述反应器顶部设有出气总管，出气总管上设有第二过滤器，出气总管末端通过两个带阀门的出气支管分别与洗气水箱内部和冷凝器内部连通，能够根据选择的反应物挥发性差异，选择是否通过洗气水箱支路，所述洗气水箱顶部通过带阀门的洗气支管与冷凝器内底部连通；所述冷凝器一侧通过两个带阀门的干燥进气管分别与干燥塔及备用干燥塔顶部连通，干燥塔内装有碱性干燥剂，两个干燥塔底部分别通过带阀门的干燥出气管与排气总管连通，排气总管末端与外部装置连接；所述取样装置包括取样瓶，所述取样瓶通过带阀门的取样管与所述排气总管连接，所述排气总管上位于所述取样管与排气总管连接位置处的两端分别设有阀门；所述排气总管上安装有第二过滤器。
8.根据权利要求6所述的金属氢化物水解产氢系统，其特征在于：还包括监控模块，所述监控模块包括各个管路上的阀门和分别设置于反应模块、冷凝与干燥模块、循环过滤模块上的传感器，所述传感器包括温度传感器、压力传感器、露点传感器、液位传感器、气体质量流量控制器。
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