CN212632631U - 一种用于正仲氢等温转化反应的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于正仲氢等温转化反应的装置，包括：储罐和转化器；所述储罐内装有低温介质，用于为正仲氢转化过程提供恒温的低温环境；所述储罐的顶部分别设有加注管、排气管、氢气进管及氢气出管；所述转化器通过氢气进管及氢气出管吊装在储罐的底部，并浸入到储罐内的液态的低温介质中；本实用新型应用在液氮温区以及其它需要正仲氢等温转化的温区，使流动氢气或液氢能够发生正仲氢等温转化反应，达到或接近该温度下平衡氢状态，同时能够满足流动氢气或液氢在正、仲态转化过程产生的热量交换传递需求。

Description

一种用于正仲氢等温转化反应的装置

技术领域

本实用新型属于氢能应用技术领域，具体涉及一种用于正仲氢等温转化反应的装置。

背景技术

在氢能应用领域，氢液化技术及相关设备研制一直是氢能产业化发展的关键核心技术之一，而在氢液化领域众多核心技术中，氢的正仲态转化技术一直以来是氢液化技术的重点研究方向。

由双原子构成的氢分子H₂内，由于两个氢原子核自旋方向的不同，存在着正、仲两种状态。正氢(o-H₂)的原子核自旋方向相同，仲氢(p-H₂)的原子核自旋方向相反。正、仲态的平衡氢组成与温度有关，不同温度下平衡氢的正、仲态浓度比例不同。在常温时，平衡氢是含75％正氢和25％仲氢的混合物，称为正常氢(或标准氢)，高于常温时，正-仲态的平衡组成不变；低于常温时，正-仲态的平衡组成发生变化。温度降低，仲氢所占的百分率增加。如在液氢的标准沸点时，氢的平衡组成为2％正氢和98％仲氢。

正氢和仲氢之间存在着能量差别，在任一温度下仲氢总是处于较低的能态，因此，当仲氢的含量小于平衡值时，正氢会自发地转化为仲氢，并放出转化热。在没有催化剂作用的情况下，氢正-仲态转化的速率是缓慢的，研究表明，无催化的转化不发生在液化装置内，而发生在液氢贮存容器中。为了避免转化热引起液氢产品的气化，减少再液化的能耗，通常在生产液氢的过程中就采用催化转化来加快转化速率，即，在氢的液化过程中，使氢气体或液体通过固体催化剂的床层来实现催化转化过程。

用来进行正-仲氢催化转化的设备称为转化反应器。根据转化反应期间，反应器内外热量的流动方式不同，转化器分为三种：绝热转化反应器、等温转化反应器以及连续转化反应器。这三种转化反应器大多应用在氢液化冷箱内，由于目前国内氢液化冷箱的研制技术还不成熟，三种转化器的应用也还处于研发阶段，其内部结构均没有公开。通过合理设计转化器内部结构和流道特征，带走转化热保持转化过程温度恒定，来有效提高转化器的转化效率，是目前等温转化器研制需要考虑的核心问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种用于正仲氢等温转化反应的装置，应用在液氮温区以及其它需要正仲氢等温转化的温区，使流动氢气或液氢能够发生正仲氢等温转化反应，达到或接近该温度下平衡氢状态，同时能够满足流动氢气或液氢在正、仲态转化过程产生的热量交换传递需求。

本实用新型是通过下述技术方案实现的：

一种用于正仲氢等温转化反应的装置，包括：储罐和转化器；

所述储罐内装有低温介质，用于为正仲氢转化过程提供恒温的低温环境；

所述储罐的顶部分别设有加注管、排气管、氢气进管及氢气出管；

所述转化器通过氢气进管及氢气出管吊装在储罐的底部，并浸入到储罐内的液态的低温介质中；所述转化器包括：上封板、上过滤层、外壁、内壁、下过滤层、下封板及进出气管；

所述上封板、下封板、上过滤层及下过滤层均加工有两个以上相同的安装孔，所述上封板、下封板、上过滤层及下过滤层上的安装孔位置一一相对；所述上封板上加工有第一氢气分进口和第二氢气分进口；所述下封板上加工有第一氢气分出口和第二氢气分出口；

所述外壁和内壁均为筒状结构；

所述上封板和下封板分别安装在外壁的两端，上过滤层和下过滤层分别安装在外壁内；上封板、上过滤层、下过滤层及下封板从外壁的顶部到底部顺序排布，且上封板、上过滤层、下过滤层及下封板上的安装孔分别一一对应，同轴的四个安装孔组成一个安装通道；

两个以上内壁分别一一对应安装在两个以上安装通道内；使得上封板和上过滤层之间的封闭空腔形成上集气腔，上过滤层和下过滤层之间的封闭空腔形成转化腔，所述转化腔是发生正仲氢等温转化的场所，转化腔内填装有正仲氢转化所需的催化剂；下过滤层和下封板之间的封闭空腔形成下集气腔；

所述进出气管具有两个进口和一个出口；所述出口位于两个进口之间；所述进出气管的两个进口分别对应穿过并固定在下封板的第一氢气分出口和第二氢气分出口内，且进出气管的两个进口分别与所述下集气腔相通；所述进出气管的一个出口穿过位于中心的内壁后，与氢气出管的端部对接固连，且进出气管的出口与氢气出管相通；

所述氢气进管的位于储罐内的端部分为两个接口，两个接口分别对应穿过并固定在所述上封板的第一氢气分进口和第二氢气分进口内，且氢气进管的两个接口分别与所述上集气腔相通。

进一步的，所述储罐包括：上封头、下封头及直筒段；上封头和下封头分别与直筒段的两端对接，组成立式圆筒型真空多层绝热储罐。

进一步的，所述储罐内的低温介质为77.4K的液氮或20.4K的液氢。

进一步的，所述储罐采用不锈钢材质。

进一步的，所述储罐的顶部设有低温介质液态加注口、低温介质冷气排气口、氢气总进口、氢气总出口及竖直向上的上液位引压管；储罐的下封头设有L型的下液位引压管，所述L型的下液位引压管的竖直部分竖直向下设置；

其中，所述加注管通过焊接固定在所述低温介质液态加注口内，所述排气管通过焊接固定在低温介质冷气排气口内，所述氢气进管通过焊接固定在氢气总进口内，所述氢气出管通过焊接固定在氢气总出口内；所述加注管、排气管、氢气进管及氢气出管的一端均位于储罐的内部，另一端均伸出于储罐；且排气管不与液态的低温介质相接触。

进一步的，所述内壁采用不锈钢材料。

进一步的，所述进出气管的两个进口的位于下集气腔内的端部均加工有两圈以上沿圆周方向均匀分布的进气孔；

所述氢气进管的两个接口的位于上集气腔内的端部均加工有两圈以上沿圆周方向均匀分布的出气孔。

有益效果：(1)由于在同一温度下平衡氢的正、仲氢浓度比例是恒定的，因此，本实用新型能够使得非平衡态的流动氢气(或液氢)在流经本实用新型的装置时，发生等温正仲氢转化，达到或接近在所需温度下的平衡氢，正仲氢等温转化至平衡氢的程度达到98％以上，使用效果显著。

(2)本实用新型根据氢气流量的大小不同，可通过增大或减小转化器的直径或内壁的个数来满足不同氢气流量下正仲氢转化率的需求。

附图说明

图1为本实用新型的结构组成图；

图2为转化器的结构组成图；

图3为图1的俯视图；

图4为图1的A-A剖面图；

图5为图1的仰视图；

图6为图2的B-B剖面图；

其中，1-储罐，2-转化器，3-上封板，4-上集气腔，5-上过滤层，6-外壁，7-内壁，8-转化腔，9-下过滤层，10-下集气腔，11-下封板，12-进出气管，13-氢气进管，14-氢气出管。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。

本实施例提供了一种用于正仲氢等温转化反应的装置，参见附图1，包括：储罐1和转化器2；

所述储罐1包括：上封头、下封头及直筒段；上封头和下封头分别与直筒段的两端对接，组成立式圆筒型真空多层绝热储罐，所述储罐1内装有低温介质，如77.4K的液氮或液氮温区以下低温介质(如20.4K的液氢)，本实施例选用77.4K的液氮；所述储罐1用于为正仲氢转化过程提供恒温(77.4K)的低温环境；所述储罐1的上封头与直筒段之间可根据使用需求，设置为法兰连接结构或其他连接结构形式，储罐1的外形可根据转化器的外形结构进行适应性改变，功能上只需要满足在正仲氢等温反应过程中保持恒温即可；所述储罐1的材质需要满足能够在液氮及液氮温区以下使用，且与液氮不发生反应即可，在本实施例中，储罐1采用316L不锈钢材质；

参见附图3-5，所述储罐1的上封头设有低温介质液态加注口a、低温介质冷气排气口b、氢气总进口d、氢气总出口e及竖直向上的上液位引压管f；储罐1的下封头设有L型的下液位引压管g，所述L型的下液位引压管g的竖直部分竖直向下设置；

其中，所述低温介质液态加注口a内通过焊接固定有加注管，低温介质冷气排气口b内通过焊接固定有排气管，氢气总进口d内通过焊接固定有氢气进管13，氢气总出口e内通过焊接固定有氢气出管14；所述加注管、排气管、氢气进管13及氢气出管14的一端均位于储罐1的内部，另一端均伸出于储罐1；且排气管不与液态的低温介质相接触；

所述转化器2通过氢气进管13及氢气出管14吊装在储罐1的底部，并浸入到储罐1内的液态的低温介质中；参见附图2，所述转化器2包括：上封板3、上过滤层5、外壁6、内壁7、下过滤层9、下封板11及进出气管12；

所述上封板3、下封板11、上过滤层5及下过滤层9均为圆板，且圆板上均加工有9个呈3×3阵列排布的安装圆孔，所有安装圆孔的直径相同；所述上封板3上加工有第一氢气分进口d1和第二氢气分进口d2；所述下封板11上加工有第一氢气分出口e1和第二氢气分出口e2；

所述外壁6和内壁7均为圆筒，且外壁6的内径与上过滤层5及下过滤层9的外径相同，内壁7的外径与所述安装圆孔的直径相同；所述内壁7采用不锈钢材料；

所述上封板3和下封板11分别同轴安装在外壁6的两端，上过滤层5和下过滤层9分别同轴安装在外壁6内；上封板3、上过滤层5、下过滤层9及下封板11从外壁6的顶部到底部顺序排布，且上封板3、上过滤层5、下过滤层9及下封板11上的安装圆孔分别一一对应，同轴的四个安装圆孔组成一个安装通道，因此，所有安装圆孔共组成9个呈3×3阵列排布的安装通道；

9个内壁7分别对应安装在9个安装通道内；使得上封板3和上过滤层5之间的封闭空腔形成上集气腔4，上过滤层5和下过滤层9之间的封闭空腔形成转化腔8，所述转化腔8是发生正仲氢等温转化的核心场所，转化腔8内填装有正仲氢转化所需的催化剂；下过滤层9和下封板11之间的封闭空腔形成下集气腔10；

参见附图6，所述进出气管12具有两个进口和一个出口；所述出口位于两个进口之间；所述进出气管12的两个进口分别对应穿过并固定在下封板11的第一氢气分出口e1和第二氢气分出口e2内，且进出气管12的两个进口分别与所述下集气腔10相通，两个进口的位于下集气腔10内的端部均加工有两圈以上沿圆周方向均匀分布的进气孔，所述气孔用于均匀分布气流；所述进出气管12的一个出口穿过位于中心的内壁7后，与氢气出管14的位于储罐1内的端部对接固连，且进出气管12的出口与氢气出管14相通；所述进出气管12和氢气进管13实现转化器2在储罐1内的吊装；

所述氢气进管13的位于储罐1内的端部分为两个接口，两个接口分别对应穿过并固定在所述上封板3的第一氢气分进口d1和第二氢气分进口d2内，且氢气进管13的两个接口分别与所述上集气腔4相通；两个接口的位于上集气腔4内的端部均加工有两圈以上沿圆周方向均匀分布的出气孔，所述气孔用于均匀分布气流；

工作原理：低温介质液氮通过低温介质液态加注口a内的加注管通入到储罐1内，由于转化器2位于储罐1内，因此，转化器2的9个内壁7形成了液氮流通的通道；

待发生正仲氢等温转化的流动氢气(或液氢)通过氢气总进口d内的氢气进管13通入到上集气腔4内；上集气腔4内的氢气通过上过滤层5进入到转化腔8；转化腔8内的氢气在催化剂的作用下，发生77.4K温度下的正仲氢等温转化，且在氢气发生正仲氢转化过程中释放的热量通过不锈钢的内壁7导出，由内壁7内的液氮带走，液氮升温气化后形成的氮气通过低温介质冷气排气口b内的排气管排出；等温转化后的氢气通过下过滤层9进入到下集气腔10，再顺序通过进出气管12的两个进口、进出气管12的一个出口及氢气总出口e内的氢气出管14排出；其中，所述上过滤层5和下过滤层9用于过滤掉转化腔8内的催化剂的细小颗粒，防止催化剂进入到上集气腔4和下集气腔10。

针对待发生正仲氢等温转化的氢气的不同流量，转化器2的尺寸大小不同，氢气流量越大，转化器2的尺寸越大；而对于同一氢气流量，理论上，同一时刻氢气接触的催化剂面积越大，转化效果越好，即转化器2中含有催化剂的转化腔8的截面积越大，转化效果越好；另一方面，液氮流通的通道越多，即内壁7的个数越多，液氮与转化器2内的转化腔8的接触面积越大，换热效果越好；所以，针对如图2所示的同一个转化器，这两者是相互矛盾的，因此需要平衡转化腔8的截面积和内壁7的个数，选择内壁7的个数最优值，使得氢气的正仲氢等温转化效果最好；本实施例选择9个内壁7，内壁7的个数可根据氢气流量等条件的不同进行设计计算和选取。

理论上，含有25％仲氢的氢气在液氮温度77.4K下进行等温转化后，正仲氢平衡浓度约为：50.3％仲氢～49.7％正氢；经本实施例所示正仲氢等温转化器转化验证，含有25％仲氢的氢气，经过如图1所示装置进行液氮温度下等温转化后，氢气中的仲氢含量为49.4％，离平衡态下50.3％仲氢含量仅相差0.9％，接近平衡的程度达到了98.2％，效果非常好。

综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于正仲氢等温转化反应的装置，其特征在于，包括：储罐(1)和转化器(2)；

所述储罐(1)内装有低温介质，用于为正仲氢转化过程提供恒温的低温环境；

所述储罐(1)的顶部分别设有加注管、排气管、氢气进管(13)及氢气出管(14)；

所述转化器(2)通过氢气进管(13)及氢气出管(14)吊装在储罐(1)的底部，并浸入到储罐(1)内的液态的低温介质中；所述转化器(2)包括：上封板(3)、上过滤层(5)、外壁(6)、内壁(7)、下过滤层(9)、下封板(11)及进出气管(12)；

所述上封板(3)、下封板(11)、上过滤层(5)及下过滤层(9)均加工有两个以上相同的安装孔，所述上封板(3)、下封板(11)、上过滤层(5)及下过滤层(9)上的安装孔位置一一相对；所述上封板(3)上加工有第一氢气分进口(d1)和第二氢气分进口(d2)；所述下封板(11)上加工有第一氢气分出口(e1)和第二氢气分出口(e2)；

所述外壁(6)和内壁(7)均为筒状结构；

所述上封板(3)和下封板(11)分别安装在外壁(6)的两端，上过滤层(5)和下过滤层(9)分别安装在外壁(6)内；上封板(3)、上过滤层(5)、下过滤层(9)及下封板(11)从外壁(6)的顶部到底部顺序排布，且上封板(3)、上过滤层(5)、下过滤层(9)及下封板(11)上的安装孔分别一一对应，同轴的四个安装孔组成一个安装通道；

两个以上内壁(7)分别一一对应安装在两个以上安装通道内；使得上封板(3)和上过滤层(5)之间的封闭空腔形成上集气腔(4)，上过滤层(5)和下过滤层(9)之间的封闭空腔形成转化腔(8)，所述转化腔(8)是发生正仲氢等温转化的场所，转化腔(8)内填装有正仲氢转化所需的催化剂；下过滤层(9)和下封板(11)之间的封闭空腔形成下集气腔(10)；

所述进出气管(12)具有两个进口和一个出口；所述出口位于两个进口之间；所述进出气管(12)的两个进口分别对应穿过并固定在下封板(11)的第一氢气分出口(e1)和第二氢气分出口(e2)内，且进出气管(12)的两个进口分别与所述下集气腔(10)相通；所述进出气管(12)的一个出口穿过位于中心的内壁(7)后，与氢气出管(14)的端部对接固连，且进出气管(12)的出口与氢气出管(14)相通；

所述氢气进管(13)的位于储罐(1)内的端部分为两个接口，两个接口分别对应穿过并固定在所述上封板(3)的第一氢气分进口(d1)和第二氢气分进口(d2)内，且氢气进管(13)的两个接口分别与所述上集气腔(4)相通。

2.如权利要求1所述的一种用于正仲氢等温转化反应的装置，其特征在于，所述储罐(1)包括：上封头、下封头及直筒段；上封头和下封头分别与直筒段的两端对接，组成立式圆筒型真空多层绝热储罐。

3.如权利要求1所述的一种用于正仲氢等温转化反应的装置，其特征在于，所述储罐(1)内的低温介质为77.4K的液氮或20.4K的液氢。

4.如权利要求1所述的一种用于正仲氢等温转化反应的装置，其特征在于，所述储罐(1)采用不锈钢材质。

5.如权利要求1所述的一种用于正仲氢等温转化反应的装置，其特征在于，所述储罐(1)的顶部设有低温介质液态加注口(a)、低温介质冷气排气口(b)、氢气总进口(d)、氢气总出口(e)及竖直向上的上液位引压管(f)；储罐(1)的下封头设有L型的下液位引压管(g)，所述L型的下液位引压管(g)的竖直部分竖直向下设置；

其中，所述加注管通过焊接固定在所述低温介质液态加注口(a)内，所述排气管通过焊接固定在低温介质冷气排气口(b)内，所述氢气进管(13)通过焊接固定在氢气总进口(d)内，所述氢气出管(14)通过焊接固定在氢气总出口(e)内；所述加注管、排气管、氢气进管(13)及氢气出管(14)的一端均位于储罐(1)的内部，另一端均伸出于储罐(1)；且排气管不与液态的低温介质相接触。

6.如权利要求1所述的一种用于正仲氢等温转化反应的装置，其特征在于，所述内壁(7)采用不锈钢材料。

7.如权利要求1所述的一种用于正仲氢等温转化反应的装置，其特征在于，所述进出气管(12)的两个进口的位于下集气腔(10)内的端部均加工有两圈以上沿圆周方向均匀分布的进气孔；

所述氢气进管(13)的两个接口的位于上集气腔(4)内的端部均加工有两圈以上沿圆周方向均匀分布的出气孔。

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