一种正仲氢转化装置的制作方法

1.本实用新型属于氢能应用技术领域，尤其涉及一种正仲氢转化装置。


背景技术：

2.液氢是发展航空航天、氢能源产业的重要战略资源，随着我国航天事业发展，作为重载火箭液氢-液氧发动机最佳能量来源的液氢需求量不断增加。氢分子是由两个氢原子构成，由于两个氢原子核自旋方向的不同，存在着正、仲两种状态的氢，正氢的原子核自旋方向相同，仲氢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；温度降低，仲氢所占的百分率增加。如在液氮的标准沸点时，仲氢含量约47％，在液氢的标准沸点时，仲氢含量可达99.8％。
3.氢气的正仲态的自发转化非常缓慢，因此在氢的降温、液化过程中，如不进行氢的正-仲催化转化，则生产出的液氢为正常氢，液态正常氢会自发地发生仲态转化，最终达到相应温度下的平衡氢，氢的正-仲转化是一放热反应，液态正常氢转化时放出的热量超过气化潜热(447kj/kg)。由于这一原因，即使将液态正常氢贮存在一个理想绝热的容器中，液氢同样会发生气化，因此为了获得标准沸点下的平衡氢，即仲氢浓度为99.8％的液氢，在氢的液化过程中，必需进行数级正-仲催化转化。
4.如cn212632631u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，储罐和转化器设置于同一容器内，转化器的转化腔内的氢气在催化剂的作用下进行正仲氢转化，与转化器内壁内的低温介质进行热交换。
5.该装置将存储大量低温介质的储罐与转化材料设置在一个容器内，导致转化器整体体积庞大，不利于正仲氢催化转化的具体实施过程；并且，该转化器将氢气置于腔体内而将低温介质置于管道内，导致换热面积不足，换热不充分，不能实现真正的正仲氢催化转化。
6.因此，设计一种紧凑、方便布置实施且换热充分的正仲氢转化装置是本领域亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

7.针对上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种正仲氢转化装置，可以保证氢与低温介质之间换热充分，并且方便布置实施。
8.本实用新型提供一种正仲氢转化装置，包括低温液体储罐、换热转化一体化换热器、气相管道和液相管道；所述换热转化一体化换热器包括互相不连通的氢气通道和低温介质腔，所述氢气通道中填充催化材料，对所述氢气通道内的氢气进行催化转化；所述气相管道连通所述低温液体储罐和所述换热转化一体化换热器的上部气体空间；所述液相管道连通所述低温液体储罐和所述换热转化一体化换热器的底部液体空间。
9.其中，所述正仲氢转化装置还包括低温氢气入口和低温氢气排气口，所述氢气通
道一端与所述低温氢气入口连接，并在所述换热转化一体化换热器内发散成数个均匀分布的竖直管道，所述氢气通道发散成的竖直管道在另一端收束并与所述低温氢气排气口连接。
10.其中，所述正仲氢转化装置还包括设置于所述低温液体储罐顶部的低温介质液体补液管，设置于所述低温液体储罐底部的储罐底部出液口，所述低温介质液体补液管上设有低温介质液体补充阀门。
11.其中，所述低温液体储罐还包括储罐液位和储罐液位计，所述储罐液位计用于测量所述储罐液位。
12.其中，所述正仲氢转化装置还包括设置于所述换热转化一体化换热器底部的低温介质液体入口，设置于所述换热转化一体化换热器顶部的低温介质排气口；所述低温氢气入口上设有低温氢气入口过滤器；所述低温氢气排气口上设有低温氢气排气过滤器；所述气相管道的一端连接低温介质排气口，另一端连接所述低温液体储罐上部；所述液相管道的一端连接所述低温介质液体入口，另一端连接所述储罐底部出液口。
13.其中，所述正仲氢转化装置还包括设置于所述换热转化一体化换热器顶部的催化材料加注管和设置于所述换热转化一体化换热器底部的催化材料排放管；所述催化材料加注管用于填入催化材料，所述催化材料加注管上设有催化材料加注管堵头；所述催化材料排放管上连接有催化材料排放管堵头。
14.其中，所述正仲氢转化装置还包括储罐排气管，所述储罐排气管用于排出所述换热转化一体化换热器中低温介质液体气化后的气体。
15.其中，所述正仲氢转化装置还包括设置在低温液体储罐中的预冷器，所述预冷器设置于所述低温氢气入口和所述低温氢气入口过滤器之间，用于将氢气温度降至所述低温液体储罐中低温介质的温度。
16.其中，所述换热转化一体化换热器采用板翅式换热器。
17.其中，所述催化材料是颗粒度均匀的球状材料，所述低温氢气排气过滤器和所述低温氢气入口过滤器的孔径为所述催化材料平均直径的30％～50％。
18.与现有技术相比，本实用新型提供的正仲氢转化装置具有以下有益效果：
19.1.本装置将低温液体储罐和换热转化一体化换热器分离设置，并通过气相管道和液相管道连接，避免了转化器整体体积庞大的问题，从而方便布置和具体实施。
20.2.本装置将数个均匀分布的氢气通道布置在低温介质腔内，保证氢气和低温介质拥有了大量的一次和二次换热面积，确保氢气通道中的氢气始终能被低温介质通道中的流体充分冷却，有助于实现真正的正仲氢催化转化。
附图说明
21.通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
22.图1是本实用新型第一实施例正仲氢转化装置的结构示意图；
23.图2是本实用新型第二实施例正仲氢转化装置的结构示意图；
24.附图标记：1-低温介质液体补充阀门，2-低温介质液体补液管，3-低温液体储罐，
4-储罐液位，5-储罐液位计，6-储罐底部出液口，7-储罐排气管，8-气相管道，9-低温介质排气口，10-催化材料加注管，11-催化材料加注管堵头，12-低温氢气排气过滤器，13-低温氢气排气口，14-换热器液位，15-换热转化一体化换热器，16-氢气通道，17-低温介质液体入口，18-催化材料排放管堵头，19-催化材料排放管，20-低温氢气入口过滤器，21-低温氢气入口，22-液相管道，23-预冷器。
具体实施方式
25.为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
26.在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
27.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
28.下面结合具体实施例对本实用新型进行详细阐述。
29.如图1所示，本实用新型提供一种正仲氢转化装置，包括低温液体储罐3、换热转化一体化换热器15、气相管道8和液相管道22。换热转化一体化换热器15包括互相不连通的氢气通道16和低温介质腔，氢气通道16中填充催化材料，对氢气通道16内的氢气进行催化转化。气相管道8连通低温液体储罐3和换热转化一体化换热器15的上部气体空间；液相管道22连通低温液体储罐3和换热转化一体化换热器15的底部液体空间。
30.正仲氢转化装置还包括低温氢气入口21和低温氢气排气口13，氢气通道16一端与低温氢气入口21连接，并在换热转化一体化换热器15内发散成数个均匀分布的竖直管道，氢气通道16发散成的竖直管道在另一端收束并与低温氢气排气口13连接。低温氢气入口21上设有低温氢气入口过滤器20，低温氢气排气口13上设有低温氢气排气过滤器12。正仲氢转化装置还包括设置于低温液体储罐3顶部的低温介质液体补液管2，设置于低温液体储罐3底部的储罐底部出液口6，低温介质液体补液管2上设有低温介质液体补充阀门1。低温液体储罐3还包括储罐液位4和储罐液位计5，储罐液位计5用于测量所述储罐液位4。
31.换热转化一体化换热器15底部设有低温介质液体入口17、催化材料排放管19，顶部设有低温介质排气口9、催化材料加注管10，催化材料加注管10上设有催化材料加注管堵头11，催化材料排放管19上连接有催化材料排放管堵头18。气相管道8的一端连接低温介质排气口9，另一端连接低温液体储罐3上部；液相管道22的一端连接低温介质液体入口17，另一端连接储罐底部出液口6。
32.正仲氢转化装置还包括储罐排气管7，储罐排气管7用于排出换热转化一体化换热
器15中低温介质液体气化后的气体。储罐排气管7可以设置在低温液体储罐3、换热转化一体化换热器15或气相管道8上。
33.正仲氢转化装置中的换热转化一体化换热器15优选板翅式换热器。
34.低温介质液体优选液态的安全惰性气体，如：液氮、液氩、液氖，或回收冷量低温介质液体，如：lng、液氧等。
35.催化材料，优选颗粒度均匀的球状，过滤器的孔径一般选催化材料平均直径的30％～50％。
36.本实施例中正仲氢转化装置对氢气进行催化的具体工作原理如下：
37.工作开始前，需要保证换热器氢气通道16中填充足够量的催化材料，一般需要充满换热器氢气通道16。填充时，需要先安装好低温氢气入口过滤器20，并将催化材料排放管堵头18焊接在催化材料排放管19上，避免填充催化材料时漏出。催化材料可以从催化材料加注管10中填入，为了保证催化材料充满换热器氢气通道16，一般催化材料填至可从催化材料加注管10中观察到催化材料为止。
38.催化材料在填充前，需要做活化处理；完成填充后，应尽快完全密封通道，即：将催化材料加注管堵头11焊接在催化材料加注管10上，并将低温氢气排气过滤器12和低温氢气入口过滤器20的出口密封。
39.工作过程中，整个装置应当在保温较好的环境中，优选采用多层绝热包扎与真空环境。
40.工作时，将低温介质液体通过低温介质液体补液管2注入低温液体储罐3中，靠重力作用，低温介质液体将通过液相管道22流入换热转化一体化换热器15，根据连通器原理，储罐液位4与换热器液位14将保持一致。氢气通过低温氢气入口21流入换热器氢气通道16，在换热器氢气通道16中催化剂的间隙中流动，并在催化剂的作用下发生正仲氢转化并放出热量，热量被换热转化一体化换热器15中的低温介质液体吸收，低温介质液体发生相变气化，气化后的气体经过气相管道8流入低温液体储罐3并最终通过储罐排气管7排出系统，同时换热转化一体化换热器15的液位略微下降，低温液体储罐3中的低温介质液体持续不断的通过液相管道22补充进入换热转化一体化换热器15，保持液位平衡。
41.储罐液位4通过储罐液位计5测量，并通过调节低温介质液体补充阀门1调节。
42.储罐液位4要求低于低温介质排气口9和低温液体储罐3上部的连接口。
43.为保证足够量的催化材料浸泡在低温介质液体中，要求储罐液位4高于换热转化一体化换热器15相对应的位置。
44.该装置将换热器部分和液体储罐部分分离，采用气相管道和液相管道连接，使两个部分都更加轻便，方便催化转化过程的具体实施；将多个充满催化材料的氢气管道浸泡在低温介质液体中，从而增大了一次和二次换热面积，确保氢气通道中的氢气始终能被低温介质通道中的流体充分冷却。
45.如图2所示，本实用新型实施例提供了另外一种正仲氢转化装置，在低温液体储罐3内增设预冷器23，其他部分结构与第一实施例相同。预冷器23设置于低温氢气入口21和低温氢气入口过滤器20之间，用于将氢气温度降至低温液体储罐3中低温介质的温度。
46.本实施例中的低温介质采用液氮。
47.本实施例中储罐排气管7设置在低温液体储罐3的顶部。
48.本实施例中正仲氢转化装置对氢气进行催化的具体工作原理如下：
49.工作时，常温的氢气从低温氢气入口21进入本装置，随后进入设置在液氮低温液体储罐3中的预冷器23，经过预冷器23的预冷，达到液氮低温液体储罐3中液氮的温度，经过氢气入口过滤器20进入换热器氢气通道16，并在换热器氢气通道16中催化剂的作用下做转化，并最终达到液氮温度下的平衡态，并经低温氢气排气过滤器12排出，从而获得了液氮温度下的、达到平衡状态下的低温氢气。
50.在换热器氢气通道16中转化时发生的热量被换热转化一体化换热器15中的液氮低温介质带走，同时在换热转化一体化换热器15中蒸发的氮气经过气相管道8进入液氮低温液体储罐3顶部，并通过储罐排气管7排出。
51.期间，液氮一直通过低温介质液体补充阀门1向低温液体储罐3中补充，保持储罐液位4在合适的位置，保证气相管道8的回气通畅，同时有足够的催化剂浸泡在液氮中。
52.以上介绍了本实用新型的较佳实施方式，旨在使得本实用新型的精神更加清楚和便于理解，并不是为了限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的修改、替换、改进，均应包含在本实用新型所附的权利要求概括的保护范围之内。