CN105289440B - 一种翅片与螺旋盘管式热交换器耦合的储氢反应器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种翅片与螺旋盘管式热交换器耦合的储氢反应器及系统，属于化工反应器设计技术领域。反应器整体结构为圆柱形壳体，经几何结构优化后的翅片与螺旋盘管式热交换器集成耦合在壳体内，壳体顶端和底端分别固定换热流体和氢气的进出口管道；换热流体从顶端正中心位置进入螺旋盘管式热交换器，底端正中心位置流出，氢气则从均匀分布在顶端的多个孔通道进入，与金属氢化物发生反应。本发明的优点在于操作简单，结构紧凑，氢气能快速扩散进入床层，传热传质效果优良，适用于氢化/脱氢反应过程中热效应较大的储氢场合。

Description

一种翅片与螺旋盘管式热交换器耦合的储氢反应器及系统

技术领域

本发明属于化工反应器设计技术领域，涉及一种储氢反应器，具体涉及一种翅片与螺旋盘管式热交换器耦合的储氢反应器及系统。

背景技术

目前，国内外针对氢化/脱氢反应过程中热效应较大的金属氢化物储氢反应器主要有以下几种分类：

1、热交换管外绕式储氢反应器——热交换管围绕在环状圆柱形反应器的外围，换热流体从反应器上端侧面进入，一直到下端另一侧面流出，氢气通过壳体轴中心管道上的小孔经过滤网进入氢化物床层，以径向方向逐步与床层发生反应，直至接近热交换管的壳体边缘处。该反应器具有结构简单、换热效果较好，氢化/脱氢反应速率较快等特点，但由于氢气经过滤网从中心开始扩散到热交换管处的床层所需的时间较长，壳体径向方向存有一定的内部温度梯度，分布不均匀，整体的效率不高。(International Journal of HydrogenEnergy,2013,38(22):9570-9577)。

2、直管式热交换器耦合的储氢反应器——金属氢化物固体物料放置在圆柱形壳体的反应区内，壳体上端和下端分别固定滤网，氢气通过滤网后快速扩散到氢化物床层内，并与之反应，氢化/脱氢过程产生或需要的热量通过分布在壳体轴中心位置的直管式热交换管内的换热流体带走或输入。该反应器具有结构简单紧凑，气相阻力较小等特点，但由于直管式换热管的换热面积有限，换热效率较一般，不太适用于反应过程中热效应较大的储氢场合(Applied Energy,2013,112:1181-1189)。

3、多束小管式热交换器耦合的储氢反应器——在反应器壳体的上端和底端之间固定多个较小直径的管束作为换热流体的通道，氢气从壳体的侧面经过滤网进入反应器内与多束小管式热交换管之间的金属氢化物发生反应。该反应器具有结构简单和良好的传热传质效果，但由于热交换器多为较小直径的管束，处理量较小，且氢气扩散进入反应床层内部的阻力较大，因而限制了其规模化应用(Applied Thermal Engineering,1998,18(6):457-480)。

4、微通道式热交换器耦合的储氢反应器——为了增加换热面积，达到强化换热效果的目的，将热交换管微通道化，即使用内径在1mm以下的直管作为换热流体通道。该反应器虽然具有反应速度快、换热效果好、结构也较紧凑的优点，但由于微通道加工复杂，成本较高，且热交换器厚度较薄，而氢化/脱氢过程中产生热应力，易损坏微通道式热交换器(International Journal of Hydrogen Energy,2013,38(35):15242-15253)。

5、螺旋管式微通道热交换器耦合的储氢反应器——为了改善上述微通道式热交换器在氢化/脱氢反应过程中易破裂损坏的缺点，该反应器将管式微通道设计成螺旋形，避免了换热过程中因热胀冷缩产生的热应力对管式微通道的损害。但同样增加了制造工艺难度和造价成本，且由于热交换器管径较小，换热流体一旦有污垢易造成堵塞现象(中国，CN.201310189618.2)。

6、U型管式、弓形板式热交换器耦合的其他类储氢反应器——这些反应器虽然具有易操作，结构紧凑、反应速率较快等特点，但其传热效果较一般，且加工过程困难，替换性较差，目前还无法应用到实际储氢产业中。

由此可见，上述现有的各类储氢反应器都存在一些缺陷，在实际产业应用中存在限制。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种翅片与螺旋盘管式热交换器耦合的储氢反应器及系统，该储氢反应器操作简单、处理量大、易更换维修、使用寿命长、传热传质效果优良。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种翅片与螺旋盘管式热交换器耦合的储氢反应器，包括壳体及设置在壳体上、下两端的上封头和下封头，上封头、下封头与壳体的连接处分别设有顶端管板和底端管板，上封头与顶端管板之间的空腔构成气相缓冲槽，下封头与底端管板之间的空腔构成换热流体缓冲槽，顶端管板和底端管板之间的空腔构成反应床层区；在反应床层区的侧壁上开设有物料进出口，在上封头顶壁上开设有气相入口及与反应床层区相通的换热流体出口，在下封头的底壁上开设换热流体入口；在反应床层区中设置有用于通过换热流体的螺旋盘管式热交换通道，且在该螺旋盘管式热交换通道的外表面并列布置若干排翅片。

在顶端管板的上端面设有仅供氢气进出的滤网，滤网由不锈钢制成，滤网厚度为0.5～1mm，孔径为400～500目。

螺旋盘管式热交换通道的螺旋节距与螺旋直径的比值为0.333，若干排翅片间隔均匀地分布在螺旋盘管式热交换通道的外表面上。

上封头侧壁开设有气相缓冲槽排气口。

顶端管板上密布若干气相孔道，气相孔道以同轴环状形式绕顶端管板轴中心分布，孔径为3～5mm。

在与物料进出口相对一侧的反应床层区侧壁上设有若干用于测量金属氢化物床层反应温度的测温管。

测温管相互之间间隔45mm。

上封头和下封头与壳体之间均采用法兰进行连接，并以法兰密封圈进行密封。

在下封头底部还设有支撑式支座。

本发明还公开了由储氢反应器构成的储氢介质的反应器系统，包括储氢反应器、氢源气瓶和恒温油浴槽，恒温油浴槽与储氢反应器相连的管路上依次设有输送泵、流量控制阀、流量计；氢源气瓶与储氢反应器相连的管路上依次设有减压阀、三通阀、压力表及压力控制阀；真空泵通过管路与三通阀相连。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

由于金属氢化物储氢过程中氢化/脱氢反应的热效应较大，因此，强化反应器内部的传热效果更有利于促进氢化/脱氢反应，从而提高反应器的整体储氢性能。因此本发明公开的储氢反应器，在反应床层区中设置有用于通过换热流体的螺旋盘管式热交换通道，且在该螺旋盘管式热交换通道的外表面并列布置若干排翅片，利用螺旋盘管的二次环流特性和翅片较大的传热面积，强化换热流体与金属氢化物之间的传热效果，从而促进反应的进行，并对含有翅片的螺旋盘管式热交换器几何结构进行优化，通过控制换热流体的温度和流速来调节反应器适用于不同种类的金属氢化物储氢过程(不同的反应热效应)。同时，本发明用易拆卸的上、下封头与壳体进行连接，方便螺旋盘管式热交换通道的维修和更换。与目前已有的热交换器外置式、直管式、多束小管式、微通道式、U型管式热交换器等耦合的储氢反应器相比，本发明具有操作简单、处理量大、易更换、使用寿命长、传热传质效果优良及气相扩散阻力小等特点，可满足氢化/脱氢过程中热效应较大的金属氢化物储氢技术的应用。

进一步地，过滤器设置于顶端管板的上表面，有两个目的：一是为了避免杂质进入反应床层内和氢化物进入气相缓冲槽内；二是为了避免滤网在使用过程中因氢化/脱氢反应产生的热效应而导致变形甚至损坏，将滤网设置在远离反应区域的顶端管板上表面位置处，尽量降低反应过程中温度变化对滤网的影响。滤网为不锈钢材质，其孔径在400～500目范围内，以防止金属氢化物粉末进入封头区域和其他杂质混入氢化物粉末中。

进一步地，经过几何结构优化后，螺旋盘管的螺旋节距与螺旋直径的比值为0.333，翅片每隔35mm间隙均匀地分布在螺旋盘管上。

进一步地，鉴于氢气的易燃易爆等高危险性特征，在上封头侧面设置有气相缓冲槽排气口，与室外环境相连通，供紧急情况下使用。

进一步地，壳体上设置用于测量金属氢化物床层反应温度的测温管，为了监测反应器床层内部的反应温度，分别在反应器的上、中、下三段，每隔45mm均匀分布测温管，根据监测的反应温度，预估氢化/脱氢过程的反应热，根据反应热的大小，对初始进口氢压、换热流体流速和温度进行控制调节。

附图说明

图1为本发明翅片与螺旋盘管式热交换器耦合的储氢反应器结构示意图；

图2为本发明封头与壳体法兰连接示意图；

图3为本发明顶端管板孔径分布示意图；

图4为本发明管道与管板之间密封垫圈示意图；

图5为本发明支撑式支座示意图；

图6为本发明实施系统流程框图。

其中，1为壳体；2为上封头；3为气相入口；4为气象缓冲槽；5为换热流体出口；6为管板与管道之间的垫圈；7为滤网；8为气相缓冲槽排气口；9为法兰连接；10为顶端管板；11为物料进出口；12为螺旋盘管式热交换通道；13为翅片；14为换热流体缓冲槽；15为支撑式支座；16为换热流体入口；17为下封头；18为底端管板；19为测温管；20为反应床层区；21为螺母；22为法兰；23为螺栓；24为法兰密封圈；25为气相孔道；26为氢源气瓶；27为真空泵；28为压力表；29为流量计；30为输送泵；31为恒温油浴槽。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，本发明公开的翅片与螺旋盘管式热交换器耦合的储氢反应器，包括圆柱形的壳体1及设置在壳体1上、下两端的上封头2和下封头17，上封头2、下封头17与壳体1的连接处分别设有顶端管板10和底端管板18，上封头2与顶端管板10之间的空腔构成气相缓冲槽4，下封头17与底端管板18之间的空腔构成换热流体缓冲槽14，顶端管板10和底端管板18之间的空腔构成反应床层区20；在反应床层区20的侧壁上开设有物料进出口11，在上封头2顶壁上开设有气相入口3及与反应床层区20相通的换热流体出口5，在下封头17的底壁上开设换热流体入口16；在反应床层区20中设置有用于通过换热流体的螺旋盘管式热交换通道12，且在该螺旋盘管式热交换通道12的外表面并列布置若干排翅片13。氢化物固相反应物则填充在螺旋盘管式热交换通道12与壳体1之间，其与氢气发生的氢化/脱氢反应过程中释放/吸收的热量可通过换热流体带走或供给。

上、下封头与壳体之间用法兰22进行密封连接，方便使用过程中的维修和拆卸，管板与管道之间用O型圈6(如图4所示)进行机械密封。在顶端管板10的上端面设有仅供氢气进出的滤网7，滤网7位于顶端管板上表面，有两个目的：一是为了避免杂质进入反应床层区20内和氢化物进入气相缓冲槽4内；二是为了避免滤网7在使用过程中因氢化/脱氢反应产生的热效应而导致变形甚至损坏，将滤网7设置在远离反应区域的顶端管板上表面位置处，尽量降低反应过程中温度变化对滤网7的影响。滤网材质为不锈钢，其具体尺寸为：直径95mm，厚度0.5～1mm，网中孔径尺寸为400～500目。

本发明中的换热流体是从下封头17处的换热流体入口16经过换热流体缓冲槽14，然后进入到翅片与螺旋盘管集成的螺旋盘管式热交换通道12中，与金属氢化物床层进行热量交换，最后从上封头处的换热流体出口5流出。气相则是从上封头2的气相(氢气)入口3处依次经过气相缓冲槽4、滤网7和顶端管板10的多孔结构25，然后进入到孔隙率约为0.5左右的多孔金属氢化物床层，并扩散到床层内部，与氢化物发生氢化/脱氢反应。鉴于氢气的易燃易爆等高危险性特征，在上封头2侧面设置有气相缓冲槽排气口8，与室外环境相连通，供紧急情况下使用。将氢气和换热流体的进出方式分别设置成从上到下和从下到上的方式，主要是为了降低气相的扩散阻力和增强换热流体的换热效果。至于固相反应物——金属氢化物，通过壳体侧面的物料进出口11进行填充或取出，填充量较大，在1～5Kg之间，为了方便物料的填充和取出，物料的进出口设计为直径为50mm的大通道。

由于气体扩散渗透到氢化物床层区域的过程中存在一定的阻力，且氢气与固相反应物之间的反应为可逆反应，具有一定的反应平衡压力。因此，为了让气相扩散渗透到整个床层，并与固相反应物充分发生反应，气相入口处的压力应高于一定温度下的反应平衡压力，故其初始进口氢压一般在0.3～5MPa范围内。对于类似于镧镍系氢化物等可在常温下与氢气发生氢化/脱氢反应的固相反应体系，可选择较低的初始进口氢压(0.3～1MPa)，且可采用水为换热流体，对反应进行加热或带走反应的热量；对于类似于镁基氢化物等需在高温(150℃以上)下与氢气发生氢化/脱氢反应的固相反应体系，鉴于其需要较高的反应平衡压力和反应温度，其初始进口氢压需采用较高的氢压(1～5MPa)，换热流体可选择硅油、空气等介质对反应床层进行热交换。为了监测反应器床层内部的反应温度，分别在反应器的上、中、下三段，每隔45mm均匀分布测温管19，测温管直径为3mm，插入氢化物床层的深度为15mm。根据监测的反应温度，预估氢化/脱氢过程的反应热，根据反应热的大小，对初始进口氢压、换热流体流速和温度进行控制调节。

为了让氢气快速扩散渗透到反应区域，在顶端管板10上密布若干气相孔道25，且将气相孔道25以环状形式围绕管板轴中心分布，如附图3所示。其孔径为3～5mm，共有73个孔通道，管板的直径和厚度分别为95mm和2～3mm。

采用翅片与螺旋盘管集成的热交换器作为换热流体的通道，将通道设计成螺旋形，可增加换热面积和增强管内换热流体的湍流程度，强化换热流体与金属氢化物床层之间的传热效果和提高金属氢化物的氢化/脱氢反应速率。此外，螺旋盘管式流体通道可避免金属氢化物氢化/脱氢反应产生的热应力和颗粒粉末在反应过程中因膨胀收缩循环而产生的挤压应力等导致的换热流体管路扭曲甚至破裂。翅片的功能则可保证热交换器与反应床层充分接触，使整个反应床层可快速与换热流体进行热量交换，整个反应床层温度分布较均匀。

所述的含翅片螺旋盘管式热交换器的几何结构经过优化后，其主要尺寸有：热交换器区域长度135mm；螺旋节距15mm；螺旋圈数9圈；螺旋直径45mm；螺旋节距与内径之比为0.333；热交换管管内径15mm；热交换管壁厚2.5mm；翅片内径、外径和厚度分别为20mm，35mm和1.5mm；翅片每隔35mm间隙均匀地分布在螺旋盘管上。

本发明中的底端管板18不需为气相提供通道，主要是为换热流体提供密闭缓冲槽，降低热交换器管路破损的可能性，增加反应器的可靠性和使用寿命。管板的直径和厚度与顶端管板一致，分别为95mm和2～3mm。

参见图2，本发明中的封头和壳体之间通过法兰22连接，用螺栓23、螺母21和法兰密封圈24进行密封，以方便反应器的维修和拆换。参见图5，本发明在下封头17底部还设有支撑式支座15。

下面通过具体的以Mg₂Ni储氢合金为介质的储氢反应器为例对含翅片螺旋盘管式热交换器耦合的储氢反应器进行说明。

Mg₂Ni储氢合金与氢气的氢化/脱氢反应如下式所示：

从上式可知，该储氢合金在氢化/脱氢反应中释放或需要的热量达到63.36kJ·mol^-1，具有较大的热效应，若不能及时地将热量与换热流体进行交换，将对储氢反应器的储氢特性产生极大的不利影响。以吸氢过程为例，吸氢反应属于放热反应，伴随着反应的进行产生大量的热量，导致反应器内反应床层的温度和反应平衡压力逐渐上升，而反应的推动力主要来自于初始氢压与平台氢压之间的压差，故一旦反应平台氢压高于初始氢压，吸氢反应将暂停。

基于Mg₂Ni储氢介质的反应器系统如图6所示，其由翅片与螺旋盘管式热交换器集成耦合的储氢反应器、氢源气瓶26、真空泵27、压力表28、流量计29、小型输送泵30、恒温油浴槽31、减压阀V1、三通阀V2、压力控制阀V3、流量控制阀V4和管线组成。将Mg₂Ni储氢介质装填进反应器后，关闭气瓶，打开阀门V2和V3，用真空泵对反应器系统进行抽真空30min，排尽系统中的杂质气体到外界环境中，关闭阀门V2、V3和真空泵。将恒温油浴槽加热到一定温度(150～200℃)，通过功率约为120W的小型输送泵将换热流体在反应器系统中循环流动，并通过阀门V4调节流量。打开气瓶和阀门V2，通过减压阀V1调节氢气进入反应器系统的初始氢压(1～5MPa)。等反应器之外的系统中的压力稳定后(通过观察压力表)，关闭阀门V2并打开阀门V3，将氢气充入螺旋盘管式热交换器耦合的反应器中，通过分布在测温管19中的热电偶监测Mg₂Ni储氢合金与氢气反应过程中的床层温度，直至反应全部完成。

综上所述，本发明公开的翅片与螺旋盘管式热交换器集成耦合的储氢反应器，将传统的直管式热交换器设计成螺旋盘管式热交换器，经过几何结构优化后，螺旋盘管的螺旋节距与螺旋直径的比值为0.333，并在热交换器表面并列布置两排外翅片，其排列方式也为螺旋线式。含有翅片的螺旋盘管式热交换器的设计目的有两个：一是利用螺旋盘管内部的二次环流，增大换热流体在流经螺旋管道时的湍流程度，强化换热流体与金属氢化物床层之间的传热效果，外翅片的布置则可进一步提高换热流体与氢化物床层的传热过程速率，减小传热阻力，从而促进氢化/脱氢反应的进行；二是设置成螺旋盘管式，其抵抗氢化/脱氢反应过程中氢化物粉末的挤压应力和换热过程中因热胀冷缩产生的热应力的性能更好，不易损坏，使用周期更长，降低了成本。

Claims (7)

1.一种翅片与螺旋盘管式热交换器耦合的储氢反应器，其特征在于，包括壳体（1）及设置在壳体（1）上、下两端的上封头（2）和下封头（17），上封头（2）侧壁开设有气相缓冲槽排气口（8），上封头（2）、下封头（17）与壳体（1）的连接处分别设有顶端管板（10）和底端管板（18），上封头（2）与顶端管板（10）之间的空腔构成气相缓冲槽（4），下封头（17）与底端管板（18）之间的空腔构成换热流体缓冲槽（14），顶端管板（10）和底端管板（18）之间的空腔构成反应床层区（20）；顶端管板（10）上密布若干气相孔道（25），气相孔道（25）以同轴环状形式绕顶端管板轴中心分布，孔径为3~5 mm；

在反应床层区（20）的侧壁上开设有物料进出口（11），在上封头（2）顶壁上开设有气相入口（3）及与反应床层区（20）相通的换热流体出口（5），在下封头（17）的底壁上开设换热流体入口（16）；

在反应床层区（20）中设置有用于通过换热流体的螺旋盘管式热交换通道（12），且在该螺旋盘管式热交换通道（12）的外表面并列布置若干排翅片（13）；螺旋盘管式热交换通道（12）的螺旋节距与螺旋直径的比值为0.333；翅片（13）每隔35 mm间隙均匀地分布在螺旋盘管上。

2.根据权利要求1所述的一种翅片与螺旋盘管式热交换器耦合的储氢反应器，其特征在于，在顶端管板（10）的上端面设有仅供氢气进出的滤网（7），滤网（7）的厚度为0.5~1 mm，孔径为400~500目。

3.根据权利要求1所述的一种翅片与螺旋盘管式热交换器耦合的储氢反应器，其特征在于，在与物料进出口（11）相对一侧的反应床层区（20）侧壁上设有若干用于测量金属氢化物床层反应温度的测温管（19）。

4.根据权利要求3所述的一种翅片与螺旋盘管式热交换器耦合的储氢反应器，其特征在于，测温管（19）相互之间间隔45mm。

5.根据权利要求1所述的一种翅片与螺旋盘管式热交换器耦合的储氢反应器，其特征在于，上封头（2）和下封头（17）与壳体（1）之间均采用法兰（22）进行连接，并以法兰密封圈（24）进行密封。

6.根据权利要求1所述的一种翅片与螺旋盘管式热交换器耦合的储氢反应器，其特征在于，在下封头（17）底部还设有支撑式支座（15）。

7.由权利要求1~6中任意一项所述的储氢反应器构成的储氢介质的反应器系统，其特征在于，包括储氢反应器、氢源气瓶（26）和恒温油浴槽（31），恒温油浴槽（31）与储氢反应器相连的管路上依次设有输送泵（30）、流量控制阀（V4）、流量计（29）；氢源气瓶（26）与储氢反应器相连的管路上依次设有减压阀（V1）、三通阀（V2）、压力表（28）及压力控制阀（V3）；真空泵（27）通过管路与三通阀（V2）相连。