CN221007460U - 一种用于含氢有机液体放氢测试及纯化系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及有机液体储氢领域，具体涉及一种用于含氢有机液体放氢测试及纯化系统。包括：放氢反应器、氢气纯化系统和多媒体控制系统；所述放氢反应器还包括冷凝器、催化剂反应层、储油换热层；所述氢气纯化系统还包括储氢罐、冷却器和真空泵；所述储氢罐的进气管道与所述放氢反应器的出气管道连通；所述储氢罐的出气管道与冷却器的进气管道连通；所述冷却器的出气管道与所述真空泵的进气管道连通。本实用新型的一种用于含氢有机液体放氢测试及纯化系统，结构紧凑、操作便利，可自由拆卸，使用灵活可变，且有效利用了产物的废热，降低系统的能耗和成本，提高放氢测试流程的效率。

Description

一种用于含氢有机液体放氢测试及纯化系统

技术领域

本实用新型属于有机液体储氢领域，特别涉及一种用于含氢有机液体放氢测试及纯化系统。

背景技术

氢能作为一种清洁能源，已经成为碳中和路线的关键技术，并在全球达成共识。为了实现双碳目标，加快改变现有的能源结构，氢能作为传统化石燃料的优良替代品被推上了历史舞台。中国西北地区的可再生能源丰富，是未来氢气制取的主要产地，但由于人口分布、地理地貌及经济政策等因素，目前的能源消费主体还是遍布在东部沿海的地方，这种能源供需关系的不匹配严重阻碍未来氢能的规模化和商业化的应用。由此可见，氢能的储运端是当前和未来影响氢能市场竞争力的关键环节。

氢气主要通过气、液、固三种形式进行储运，其中高压气态的储运方式是中国目前技术最为成熟、应用较为广泛的氢储运方式，但其重量和体积储氢密度都不是很高，而且涉及高压领域，安全性问题和技术难点使其在大规模运输方面尽显颓势。液氢运输有液化过程耗能大，运输过程面临泄露和绝热技术问题，目前仍是军事上应用为主，短时间内难以民用。金属固态储氢虽然可以实现在室温下储放氢，但其重量储氢密度较低，吸放氢循环产生的膨胀应力对储罐有较大影响，同时对氢气气源纯度要求较高，导致其在固定场景下的应用更为合适，也不太适合氢的大规模储运。另外，甲醇、氨等作为氢的原料运输也被提上日程，但这种形式储存的氢通常需要通过强的吸热反应才能使其脱出，而且反应后气体也需要复杂的分离工艺，增加了能耗和使用成本。液态有机氢原料（Liquid Organic HydrogenCarrier, LOHC）通过液体有机物的可逆加氢放氢实现储氢，其液体形态使其具有热管理方便、与现有油气基础设施兼容的优势，同时其具有储氢密度高，毒性低，不易燃等特点，在大规模、长距离氢储运领域的应用备受重视。尽管如此，LOHC目前面临的主要问题仍包括：放氢温度较高、吸放氢动力学较慢，以及吸放氢过程通常需要贵金属催化剂等。

北京大学李星国团队在LOHC储氢领域的多年深耕，发展了国内外独有的高性能非贵金属基有机液体吸放氢双向催化剂，并通过自研的催化剂解决了LOHC的低温放氢和循环寿命等问题。为了能够高效测试LOHC和催化剂的放氢性能，保证气液分离效果、出口氢气纯度和提高放氢过程热能的利用效率，亟需提出一种结构紧凑、便于催化剂拆卸填装和数据集成度高的放氢测试装置，这对催化剂的快速研发和高效储氢性能测试具有重要意义。

实用新型内容

基于此，本实用新型提供一种用于含氢有机液体放氢测试及纯化系统，旨在通过集成快速拆卸技术、气液分离方法、热交换系统和氢气纯化装置，构造出结构紧凑、可高效测试催化剂和储氢性能的反应器系统。

本实用新型采用的技术方案为：

在本实用新型中，一种用于含氢有机液体放氢测试及纯化系统，包括：

放氢反应器、氢气纯化系统和多媒体控制系统；

其中，所述放氢反应器工作腔与氢气纯化系统的气体流道连接，用于放氢过程中氢气产物的纯化，所述多媒体控制系统安装在所述氢气纯化系统一侧，用于监控和设定所述放氢反应器的温度、压力和液位等参数，以及监测所述氢气纯化系统的温度和压力等参数。

进一步地，放氢反应器还包括冷凝器、催化剂反应层和储油换热层；

所述冷凝器包括冷凝列管、冷却水进出口、压力表接口、气体出口、安全阀接口和原料进液口；所述冷凝列管与所述冷却水进出口相连，冷却水采用由下至上循环方式；所述压力表接口、气体出口和安全阀接口均设置在所述冷凝器的顶部；所述原料进液口安装在冷凝器底部的一侧；

所述催化剂反应层安装在所述冷凝器下方，用于装填待测试的催化剂；所述催化剂反应层还设有导热油加样口；所述催化剂反应层还设有温度计接口和电阻丝接口；所述催化剂反应层工作腔与所述冷凝器工作腔连通；

所述储油换热层安装在所述放氢反应器的底层；所述储油换热层工作腔与所述催化剂反应层工作腔连通；所述储油换热层设有高低液位计接口；所述储油换热层设有温度计接口；所述储油层还设有原料进出口；

进一步地，所述储油层还包括螺旋管换热器；所述螺旋管换热器用于放氢产物与原料进行热量交换；

进一步地，所述氢气纯化系统包括储氢罐、冷却器和真空泵；

所述储氢罐包括加热炉和储氢材料装填罐；所述加热炉包裹着所述储氢材料装填罐；

所述储氢罐进气管道与所述放氢反应器出气管道连通；所述储氢罐出气管道与冷却器进气管道连通；所述冷却器出气管道与所述真空泵进气管道连通；

进一步地，所述多媒体控制系统还包括笔记本电脑、加热炉控制箱、电缆盒、流量计显示仪；

所述笔记本电脑通过所述电缆盒的线路与所述放氢反应器连接，用于监测和设定所述放氢反应器的温度、压力等数据；

所述加热炉控制箱通过所述电缆盒的线路与所述加热炉连接，用于监控和设定所述加热炉的温度；

进一步地，所述笔记本电脑通过所述电缆盒的线路与所述加热炉控制箱连接，用于设定加热炉控制箱的温度和收集相关数据；

所述流量计显示仪通过所述电缆盒的线路分别与所述放氢反应器和所述氢气纯化系统的出口连接，用于监测氢气出口的流量。

进一步地，所述笔记本电脑通过所述电缆盒的线路与所述量计显示仪连接，用于收集氢气流量等相关数据；

本实用新型具有的有益效果为：

1）本实用新型提供的一种用于含氢有机液体放氢测试及纯化系统具有结构紧凑，集成度高和易于实现的特点；

2）本实用新型提供的一种用于含氢有机液体放氢测试及纯化系统，催化剂反应层可随意拆卸和组装，便于实际测试操作和工艺调整；

3）本实用新型提供的一种用于含氢有机液体放氢测试及纯化系统，放氢反应器中产物与原料进行充分的热交换，提高了能量的利用效率；

4）本实用新型提供的一种用于含氢有机液体放氢测试及纯化系统，出口氢气纯度极高，可满足燃料电池的氢气纯度要求；

5）本实用新型提供的一种用于含氢有机液体放氢测试及纯化系统，多媒体控制系统集成了系统的控制、数据监控和收集功能，为催化剂和储氢性能测试提供便捷、高效的测试流程，同时方便测试数据的收集和整理。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种用于含氢有机液体放氢测试及纯化系统的放氢反应器总装图；

图2是本实用新型冷凝器管板的主视示意图；

图3是本实用新型冷凝器的管口方位图；

图4是本实用新型提供的一种用于含氢有机液体放氢测试及纯化系统的整体布置示意图；

图5是本实用新型冷却器的主视示意图；

图6是本实用新型冷却器的管口示意图；

图7是本实用新型加热炉的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“设有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

含氢有机液体是一种在常温常压下呈现液态的储氢材料，通过一定的加热温度和在放氢催化剂的作用下，生成不含氢的有机液体原料，并释放出氢气。

图1是本实用新型提供的一种用于含氢有机液体放氢测试及纯化系统的放氢反应器总装图。

图1-3展示了放氢反应器的内部构造。放氢反应器的顶部安装有冷凝器R1，冷凝器R1的顶部设置有压力表接口p1和p2、气体出口n1、温度计接口f1和安全阀A1。冷凝器R1中间均匀分布着冷凝列管，冷却水从图示n2进液口流入，从n10出液口流出。冷凝器R1底部的一侧设有不含氢的有机液体原料进液口n3。

进一步地，催化剂反应层R2位于冷凝器R1的下方，催化剂反应层R2工作腔与冷凝器R1工作腔连通，两者通过法兰盘进行固定和密封。催化剂反应层R2底部为导热油加热层，导热油由n4进液口流入，通过电阻丝D1进行加热，导热油在催化剂反应层R2底部和侧壁进行循环。同时，放氢催化剂置于导热油加热层的上方，装填的催化剂中心区域还设有一圆柱空心直通管，直通管上方管口高于催化剂的装填高度，管口与催化剂反应层R2的上方空腔区域连通。该直通管还穿过整个导热油加热层的中心区域，直通管下方管口与催化剂反应层R2的下方空腔区域连通。催化剂反应层R2可通过串联进行多个催化剂反应层的叠加，提高含氢的有机液体的反应程度和转化效率。多个催化剂反应层的叠加是通过上下法兰盘进行固定和密封，可根据催化剂的实际装填需求，自定义催化剂反应层的叠加数量。催化剂反应层R2还设有温度计接口t4，用于监控含氢有机液体和催化剂的实际反应温度。

放氢反应器底部为储油换热层R3，该层包括了螺旋盘管换热器7，用于含氢有机液体反应完全后与不含氢的有机液体原料进行热交换。螺旋盘管换热器7的不含氢的有机液体原料进液口n7设置在靠近储油换热层R3的底部，而液体出口n6设置在靠近储油换热层R3的上部。由于不含氢的有机液体原料靠自身重力在储油换热层R3自下而上积聚，因此螺旋换热器7中的不含氢的有机液体原料在进液后能充分地与含氢有机液体反应后的产物进行热量的交换，提高了能量的利用效率。储油换热层R3还设有高低音叉液位计接口11和12、废液自动排液口n8和手动排液口n9，以及温度计接口t2。高低音叉液位计接口11和12用于监控储油换热层R3中反应后不含氢的有机液体原料的储液量，一旦超过高音叉液位接口11，废液自动排液口n8便会自定打开，将产物及时排出，该过程也可以通过人工手动打开排液口n9，将产物按不同的工艺要求进行排出。温度计接口t2则主要用于监控储油换热层R3中不含氢的有机液体原料的实际温度，方便后续换热量的计算。

本实施例中，测试开始前，利用多媒体控制系统，对催化剂反应层R2温度设置成反应所需的温度，并打开冷却水循环，冷凝器R1开始正常工作。测试开始时，含氢有机液体从储油换热层R3的进液口n7打入，由出液口n6排出，出液口n6与冷凝器R1的进液口n3相连，进而含氢有机液体流入催化剂反应层R2的侧壁，并逐渐与装填的放氢催化剂进行反应。随着含氢有机液体的不断流入和反应，催化剂层中的液位逐渐上升，当液位高于圆柱空心直通管上方开口时，反应后的液体从该直通管流入，并转移到下层催化剂反应层，再进行进一步的放氢反应，亦或是直接流入储油换热层R3，将产物与流入的含氢有机液体原料进行热交换。催化剂反应层R2中放氢过程产生的氢气和含氢有机液体的热蒸汽则通过冷凝器R1，含氢有机液体的热蒸汽经过冷却水冷却后变成液滴，并在重力影响下重新滴落回催化剂反应层R2中，而氢气则通过气体出口n1进行排出。

图4为本实用新型提供的一种用于含氢有机液体放氢测试及纯化系统的整体布置示意图。如图4-7所示，该系统包括储氢罐、冷却器、真空泵、多媒体控制系统以及图1介绍的放氢反应器。放氢反应器的气体管道依次与储氢罐、冷却器和真空泵相连。放氢反应器的气体出口n1接上流量计FIQ-01后便可通过多媒体控制系统，监测氢气的瞬时和累计流量等数据。气体流量计FIQ-01的气体出口与1#、2#储氢罐的气体管道进行相连。在该实施例当中，储氢罐中可选装有储氢金属或储氢合金。放氢反应器出口的产物氢气则通过气体管道，在储氢罐中被储氢金属或储氢合金在常温常压条件下吸收，而产物氢气中可能存在的杂质气体则不被储氢合金吸收，直接通过气体管路排到冷却器中，然后再通过气体管路分配到真空泵中，完成杂质气体的排出。当需要用到高纯氢时，只需分别将1#和2#储氢罐中的加热炉通过多媒体控制系统设定到所需的温度，高纯氢气便会从储氢金属或合金中放出，通过气体管道进入冷却器1和2，气体进一步被冷却后，通过气体管路分配到指定的排气口。为了能监测高纯气体排出的气体流量数据，还在排气口前端设置FIQ-02的气体流量计，通过集成的多媒体控制系统进行流量数据的收集和统计。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。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。

Claims (5)

1.一种用于含氢有机液体放氢测试及纯化系统，其特征在于，包括：放氢反应器、氢气纯化系统和多媒体控制系统；

所述放氢反应器还包括冷凝器、催化剂反应层、储油换热层；

所述氢气纯化系统还包括储氢罐、冷却器和真空泵；

所述储氢罐的进气管道与所述放氢反应器的出气管道连通；所述储氢罐的出气管道与冷却器的进气管道连通；所述冷却器的出气管道与所述真空泵的进气管道连通；

所述多媒体控制系统还包括笔记本电脑、加热炉控制箱、电缆盒、流量计显示仪；

所述笔记本电脑通过所述电缆盒与所述加热炉控制箱和所述流量计显示仪连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于含氢有机液体放氢测试及纯化系统，其特征在于，所述冷凝器为带冷却水的重力式气液分离器。

3.根据权利要求1所述的一种用于含氢有机液体放氢测试及纯化系统，其特征在于，所述催化剂反应层，可根据测试需求进行自由拆卸和多层任意组装。

4.根据权利要求1所述的一种用于含氢有机液体放氢测试及纯化系统，其特征在于，所述储油换热层包括螺旋管换热器。

5.根据权利要求1所述的一种用于含氢有机液体放氢测试及纯化系统，其特征在于，所述储氢罐包括加热炉和储氢材料装填罐，所述加热炉包裹着所述储氢材料装填罐。