本發(fā)明涉及一種伴有強(qiáng)化傳熱的氣固相反應(yīng)裝置,特別適用于金屬氫化物氫化/脫氫等氣-固相化學(xué)反應(yīng)及應(yīng)用方案,旨在解決當(dāng)前涉及反應(yīng)熱量輸入/移出場(chǎng)合的氣-固相化學(xué)反應(yīng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)式自動(dòng)化控制的實(shí)際難題。
背景技術(shù):
目前國(guó)內(nèi)外涉及反應(yīng)過程強(qiáng)化傳熱的氣固相反應(yīng)器主要有管式反應(yīng)器(Int. J Hydrogen. Energ., 2010, 35(1) :321–328)、U型氣固相反應(yīng)器(Int. J Hydrogen. Energ.,2003, 28 (3): 329-333)、多管束耦合型反應(yīng)器(Appl. Therm. Eng., 1998, 18 (6): 457-480)、弓形板式反應(yīng)器(中國(guó)發(fā)明專利 201010510847.6, 200510042823.1)、環(huán)盤式反應(yīng)器、微通道反應(yīng)器(上海:2008年化工機(jī)械年會(huì). 2008, 58-62; 中國(guó), ZL 200710018259.9)及其它類氣固相反應(yīng)器。這些反應(yīng)器均主要由氣相通道、反應(yīng)床層和反應(yīng)器殼體構(gòu)成,均屬間歇操作。生產(chǎn)過程不連續(xù),設(shè)備利用率低,生產(chǎn)能力小,不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作,工藝參數(shù)不穩(wěn)定,產(chǎn)品質(zhì)量得不到較好的保證,且反應(yīng)過程可能存在的危險(xiǎn)難以避免。此外,在進(jìn)行強(qiáng)化傳熱氣固相反應(yīng)實(shí)驗(yàn)過程中,氣液相流體流動(dòng)控制的實(shí)際操作非常繁瑣且無(wú)法避免,反應(yīng)過程中不同閥門啟閉的操作及順序繁雜,不僅耗費(fèi)人力且容易出現(xiàn)操作錯(cuò)誤,影響反應(yīng)進(jìn)程。因此,各類反應(yīng)器繁瑣的實(shí)際操作使其難以推廣應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)式操作的不足而提出一種新結(jié)構(gòu),該裝置利用氣液相流通通道的有序開啟與閉合實(shí)現(xiàn)氣固相反應(yīng)的自動(dòng)化控制。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)過程如下:
一種具有強(qiáng)化傳熱的氣固相連續(xù)反應(yīng)裝置,包括旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)、固定盤(Ⅱ)及反應(yīng)器(Ⅲ)。本發(fā)明涉及兩種具有不同結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)盤與固定盤方案。其一為四孔方案:旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)上沿徑向分布有氣相入口(21)、氣相出口(22)、冷流體入口(20)和熱流體入口(23),固定盤(Ⅱ)上分布有氣相入口槽(27)、氣相出口槽(26)、冷流體入口槽(25)及熱流體入口槽(24);氣相入口(21)與氣相入口槽(27),氣相出口(22)與氣相出口槽(26),冷流體入口(20)與冷流體入口槽(25),熱流體入口(23)與熱流體入口槽(24)分別相對(duì)應(yīng);各氣相和流體進(jìn)出口槽(24,25,26,27)為上下貫通結(jié)構(gòu),其距盤中心的距離與旋轉(zhuǎn)盤上對(duì)應(yīng)孔距盤中心的距離相等,槽寬與對(duì)應(yīng)孔的直徑相等,各槽的長(zhǎng)度取決于該段反應(yīng)時(shí)長(zhǎng),通過旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)的繞心轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)各通道的有序開啟和閉合。
其二為六孔方案:旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)上沿徑向分布有氣相入口(21)、氣相出口(22)、冷流體入口(20)、熱流體入口(23)、真空接口(29)和安全閥接口(28),固定盤(Ⅱ)上分布有氣相入口槽(27)、氣相出口槽(26)、冷流體入口槽(25)、熱流體入口槽(24)、真空槽(30)和安全閥接口槽(31);氣相入口(21)與氣相入口槽(27),氣相出口(22)與氣相出口槽(26),冷流體入口(20)與冷流體入口槽(25),熱流體入口(23)與熱流體入口槽(24),真空接口(29)與真空槽(30),安全閥接口(28)與安全閥接口槽(31)分別相對(duì)應(yīng);各氣相和流體進(jìn)出口槽(24,25,26,27,30,31)為上下貫通結(jié)構(gòu),其距盤中心的距離與旋轉(zhuǎn)盤上對(duì)應(yīng)孔距盤中心的距離相等,槽寬與對(duì)應(yīng)孔的直徑相等,各槽的長(zhǎng)度取決于該段反應(yīng)時(shí)長(zhǎng),通過旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)的繞心轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)各通道的有序開啟和閉合。
本發(fā)明的反應(yīng)器(Ⅲ)可為釜式反應(yīng)器、固定盤式反應(yīng)器、直管式反應(yīng)器等各類氣固相反應(yīng)器,由于螺旋管式微通道反應(yīng)器具備擁有較大換熱面積、可消除熱應(yīng)力和機(jī)械擠壓應(yīng)力、增大湍動(dòng)程度等優(yōu)點(diǎn),表現(xiàn)出較好的反應(yīng)器性能,故本發(fā)明反應(yīng)器(Ⅲ)優(yōu)選采用螺旋管式微通道反應(yīng)器,其結(jié)構(gòu)構(gòu)造如下:圓柱形殼體(15)兩端分別固定設(shè)置有上端管板(16)和下端管板(10),上端管板(16)和下端管板(10)之間連接有多根截面為橢圓形的微通道螺旋管(12);位于上端管板(16)和下端管板(10)軸向間的不銹鋼固定支撐網(wǎng)(5)壁開有多個(gè)孔,其外壁包裹有濾網(wǎng)管(4),不銹鋼固定支撐網(wǎng)(5)下端與氣相進(jìn)出口通道(7)相連通;殼體(15)的上端面與上端管板(16)間形成換熱流體出口緩沖槽(18),設(shè)置有換熱流體出口(19),固定盤(Ⅱ)與下端管板(10)間形成換熱流體入口緩沖槽(9),換熱流體出口緩沖槽(18)上部設(shè)置有換熱流體出口緩沖槽排氣口(17),換熱流體入口緩沖槽(9)側(cè)壁設(shè)置有換熱流體入口緩沖槽排氣口(6);微通道螺旋管(12)的排列方式為正三角形排布,管間距為微通道螺旋管(12)當(dāng)量直徑的2~5倍。反應(yīng)器殼體(15)底部由支座(8)支撐??筛鶕?jù)使用要求選用裙式支座、支承式支座、腿式支座。
換熱流體出口緩沖槽(18)通過法蘭(11)用螺栓(1)與螺母(2)與上端管板(16)連接,以方便更換上端管板(16)。反應(yīng)器通過法蘭(11)上的法蘭密封圈密封。法蘭(11)可根據(jù)使用壓力、溫度等使用條件選擇標(biāo)準(zhǔn)法蘭以及密封圈。
氣固相反應(yīng)器中,在殼體的一側(cè)設(shè)置有裝填固相反應(yīng)物的側(cè)蓋(3)。管板與殼體通過法蘭連接,為可拆卸結(jié)構(gòu);同時(shí)為增強(qiáng)傳熱質(zhì)的效果、防止反應(yīng)物受到污染,流體通道與氣體通道、固體反應(yīng)物床層接觸部分為密封結(jié)構(gòu)。
裝置采用的氣-固相反應(yīng)器中的濾網(wǎng)管(4)采用不銹鋼或非金屬材質(zhì),孔徑為100~500目。
該裝置中的旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)以反應(yīng)器軸中心為中心轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)與固定盤(Ⅱ)之間采用機(jī)械或填料密封。
氣相入口(21)、氣相出口(22)、真空接口(29)和安全閥接口(28)距盤中心的距離小于氣相進(jìn)出口通道(7)的半徑,冷流體入口(20)、熱流體入口(23)距盤中心的距離大于氣相進(jìn)出口通道(7)的半徑。
旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)上的冷流體入口(20)和固定盤(Ⅱ)上的冷流體入口槽(25)聯(lián)通時(shí),向反應(yīng)器(Ⅲ)內(nèi)通入冷流體,及時(shí)帶走反應(yīng)熱;熱流體入口(23)和熱流體入口槽(24)聯(lián)通時(shí),將通入熱流體,及時(shí)供給反應(yīng)所需熱;氣相入口(21)與氣相入口槽(27)聯(lián)通時(shí),向反應(yīng)器(Ⅲ)內(nèi)通入反應(yīng)原料氣,發(fā)生吸收、吸附過程;氣相出口(22)與氣相出口槽(26)聯(lián)通時(shí),反應(yīng)器(Ⅲ)內(nèi)的氣相物質(zhì)因壓差或擴(kuò)散從氣相出口(22)流出。
對(duì)于有抽真空需求的過程,可在旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)上增設(shè)真空接口(29),外接真空泵,當(dāng)真空接口(29)與固定盤(Ⅱ)的真空槽(30)聯(lián)通時(shí),將對(duì)反應(yīng)器(Ⅲ)抽真空,可實(shí)現(xiàn)真空條件下的氣相解吸或脫附,還可在初次反應(yīng)前抽出裝置內(nèi)的殘余氣體。
對(duì)于有保障壓力安全需求的過程,可在旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)上增設(shè)安全閥接口(28),外接安全閥和壓力表,當(dāng)安全閥接口(28)與固定盤(Ⅱ)的安全閥接口槽(31)聯(lián)通時(shí),將對(duì)整個(gè)反應(yīng)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,一旦體系壓力超過允許壓力,安全閥將打開卸壓,以確保實(shí)驗(yàn)過程安全。
本發(fā)明可通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)的轉(zhuǎn)速及固定盤(Ⅱ)上槽的尺寸控制反應(yīng)時(shí)間,以進(jìn)一步控制反應(yīng)進(jìn)程。
反應(yīng)氣體從氣相入口(21)進(jìn)入,依次通過氣相入口槽(27)、氣相進(jìn)出口通道(7),經(jīng)不銹鋼固定支撐網(wǎng)(5)壁開孔進(jìn)入反應(yīng)物床層(13),與固相反應(yīng)物接觸發(fā)生吸收或吸附反應(yīng)。反應(yīng)吸收/釋放的熱量通過換熱管(12)的換熱流體供給/移出。
換熱流體從旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)上的冷流體入口(20)或熱流體入口(23)流入,當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)轉(zhuǎn)動(dòng)到冷流體入口(20)或熱流體入口(23)與固定盤(Ⅱ)上對(duì)應(yīng)的冷流體入口槽(25)或熱流體入口槽(24)聯(lián)通時(shí),流體經(jīng)冷流體入口槽(25)或熱流體入口槽(24)流入換熱流體入口緩沖槽(9),進(jìn)而通過換熱管(12)到達(dá)換熱流體出口緩沖槽(18),最終由換熱流體出口(19)流出。
本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明利用旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)和固定盤(Ⅱ)上氣液相流通通道的有序啟閉,實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的連續(xù)性操作,避免了間歇操作帶來的問題,提高了設(shè)備利用率,增大了設(shè)備生產(chǎn)能力,保證工藝參數(shù)穩(wěn)定,且避免了繁復(fù)的人工操作,降低操作成本;同時(shí)自動(dòng)控制降低了實(shí)驗(yàn)與生產(chǎn)的危險(xiǎn)性,且該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,設(shè)備費(fèi)用少。此外,通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)的轉(zhuǎn)速即可調(diào)節(jié)反應(yīng)進(jìn)程的快慢,調(diào)整槽尺寸可控制反應(yīng)時(shí)間及反應(yīng)物濃度,使得反應(yīng)進(jìn)程更加易于調(diào)控。
附圖說明
圖1是本發(fā)明四孔方案的裝置結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2是本發(fā)明四孔方案的旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)示意圖;
圖3是本發(fā)明四孔方案的固定盤(Ⅱ)示意圖;
圖4是本發(fā)明四孔方案轉(zhuǎn)動(dòng)盤與固定盤連接示意圖;
圖5是本發(fā)明六孔方案的裝置結(jié)構(gòu)示意圖;
圖6是本發(fā)明六孔方案的旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)示意圖;
圖7是本發(fā)明六孔方案的固定盤(Ⅱ)示意圖;
圖8是本發(fā)明六孔方案轉(zhuǎn)動(dòng)盤與固定盤連接示意圖;
圖9是吸、放氫時(shí)間數(shù)值模擬曲線圖;
圖10是循環(huán)時(shí)間數(shù)值模擬曲線圖。
圖中標(biāo)號(hào)說明:
1——螺栓 2——螺母 3——側(cè)蓋 4——濾網(wǎng)管
5——不銹鋼固定支撐網(wǎng) 6——換熱流體入口緩沖槽排氣口
7——?dú)庀噙M(jìn)出口通道 8——支座 9——換熱流體入口緩沖槽
10——下端管板 11——法蘭 12——換熱管
13——反應(yīng)物床層 14——測(cè)溫管 15——?dú)んw 16——上端管板
17——換熱流體出口緩沖槽排氣口 18——換熱流體出口緩沖槽
19——換熱流體出口 20——冷流體入口 21——?dú)庀嗳肟?/p>
22——?dú)庀喑隹? 23——熱流體入口 24——熱流體入口槽
25——冷流體入口槽 26——?dú)庀喑隹诓? 27——?dú)庀嗳肟诓?/p>
28——安全閥接口 29——真空接口 30——真空槽
31——安全閥接口槽。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明通過旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)和固定盤(Ⅱ)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中開孔與槽的相對(duì)位置控制各路的開啟與關(guān)閉情況。旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)和固定盤(Ⅱ)上的開孔與槽的相對(duì)位置可以實(shí)現(xiàn)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中氣相入口一路接通時(shí)恰好冷流體換熱通道同時(shí)開啟,而在開啟的期間氣相出口一路和熱流體換熱通道均始終關(guān)閉。該對(duì)應(yīng)反應(yīng)階段結(jié)束后將進(jìn)入逆反應(yīng)階段。此時(shí),氣相出口一路接通且恰好熱流體換熱通道同時(shí)開啟,而此時(shí)剛處于開啟狀態(tài)的氣相入口一路和冷流體換熱通道關(guān)閉。故裝置即通過兩盤上孔與槽在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的自主重合與錯(cuò)開實(shí)現(xiàn)吸收和解吸兩個(gè)過程的有序控制。
實(shí)施例1
針對(duì)金屬氫化物儲(chǔ)氫反應(yīng)的吸、放氫過程,本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖如附圖1-4所示。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
附圖1-3所示,旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)上沿徑向設(shè)置冷流體入口(20)、熱流體入口(23)、氣相入口(21)和氣相出口(22),固定盤(Ⅱ)上按一定規(guī)則設(shè)置冷流體入口槽(25)、熱流體入口槽(24)、氣相入口槽(27)及氣相出口槽(26),各氣相和流體進(jìn)出口槽(24,25,26,27)距盤中心的距離與旋轉(zhuǎn)盤上對(duì)應(yīng)孔距盤中心的距離相等,槽寬與對(duì)應(yīng)孔的直徑相等,開槽的圓心角大小取決于該段反應(yīng)時(shí)長(zhǎng),即θ=360o*t/t總。
附圖4是圖2中的旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)和圖3中的固定盤(Ⅱ)分別在A、B位置處的剖開圖,位置在下的是旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ),可清晰看到盤上依次分布冷流體入口(20)、熱流體入口(23)、氣相入口(21)和氣相出口(22);在上的是固定盤(Ⅱ),該剖開位置處只露出熱流體入口槽(24)和氣相出口槽(26)。
在附圖4所示的轉(zhuǎn)動(dòng)位置時(shí)刻,熱流體入口(23)和氣相出口(22)分別與熱流體入口槽(24)和氣相出口槽(26)接通,其余通道不接通。此時(shí)系統(tǒng)通熱流體并打開氣相導(dǎo)出通道,對(duì)應(yīng)階段為放氫階段。該位置為旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中放氫階段范圍內(nèi)的一位置,隨著旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)的轉(zhuǎn)動(dòng),各開孔與對(duì)應(yīng)槽將實(shí)現(xiàn)及時(shí)的開啟與閉合。
反應(yīng)器開始工作,旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)至冷流體入口槽(25)與冷流體入口(20)接通時(shí),氣相入口槽(27)與氣相入口(21)同時(shí)接通,此時(shí)熱流體入口槽(24)與氣相出口槽(26)分別與熱流體入口(23)及氣相出口(22)斷開,致使系統(tǒng)通入冷流體并輸入氫氣,反應(yīng)產(chǎn)生的熱量由冷流體移走,以防止溫度過高反應(yīng)不完全。直到冷流體入口槽(25)、氣相入口槽(27)與冷流體入口(20)、氣相入口(21)錯(cuò)開,吸氫反應(yīng)階段結(jié)束;旋轉(zhuǎn)盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)熱流體入口槽(24)與熱流體入口(23)接通時(shí),氣相出口槽(26)與氣相出口(22)接通,而此時(shí)冷流體入口槽(25)、氣相入口槽(27)分別與冷流體入口(20)、氣相入口(21)錯(cuò)開,系統(tǒng)氣相出口通道打開并通入熱流體,當(dāng)溫度達(dá)到脫氫反應(yīng)的要求溫度時(shí),系統(tǒng)開始向外放出氫氣。直到熱流體入口槽(24)、氣相出口槽(26)與熱流體入口(23)、氣相出口(22)錯(cuò)開,放氫反應(yīng)階段結(jié)束。隨后,隨著旋轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng),冷流體入口槽(25)和氣相入口槽(27)將再次與冷流體入口(20)和氣相入口(21)接通,進(jìn)而自主發(fā)生下一輪循環(huán)。
儲(chǔ)氫時(shí),反應(yīng)氣體從氣相入口(21)通入,通過固定盤(Ⅱ)上的氣相入口槽(27),進(jìn)入氣相進(jìn)出口通道(7),并通過置于殼體軸向中央的不銹鋼固定支撐網(wǎng)(5),經(jīng)濾網(wǎng)管(4)擴(kuò)散進(jìn)入反應(yīng)物床層(13)中,反應(yīng)物床層(13)為多孔結(jié)構(gòu),氣體擴(kuò)散具有一定的阻力,為保證氣體與固體反應(yīng)物床層(13)充分接觸,需采用0.2~1MPa的初始?jí)毫M(jìn)行反應(yīng);反應(yīng)物床層(13)釋放氣體的過程為吸熱反應(yīng),需采用80~150℃加熱反應(yīng)物床層(13)發(fā)生反應(yīng),可通過測(cè)溫管(14)測(cè)得殼體(15)內(nèi)反應(yīng)物的溫度;放氫時(shí),床層(5)釋放出的氣體依次通過濾網(wǎng)管(4)、不銹鋼固定支撐網(wǎng)(5)、氣相進(jìn)出口通道(7)、氣相出口槽(26)和氣相出口(22)排出裝置。
氣相與固相的反應(yīng)熱由布置于殼體(15)內(nèi)的換熱管(12)中的換熱流體通過導(dǎo)熱方式進(jìn)行供給/移走,根據(jù)放出/吸收的熱量大小,調(diào)節(jié)流體流速來控制傳遞熱量的大小。儲(chǔ)氫時(shí),換熱流體從冷流體入口(20)、冷流體入口槽(25)流入,經(jīng)換熱流體入口緩沖槽(9)通過換熱管(12),隨后流至換熱流體出口緩沖槽(18),最后從換熱流體出口(19)流出反應(yīng)器;放氫時(shí),換熱流體由熱流體入口(23)、熱流體入口槽(24)流入反應(yīng)器,同樣通過換熱流體入口緩沖槽(9)、換熱管(12)、換熱流體出口緩沖槽(18)及換熱流體出口(19)流出裝置。由于微通道螺旋管(3)與反應(yīng)物床層(13)接觸面較大,并且在管空腔內(nèi)流體以湍流形式流動(dòng),其整個(gè)反應(yīng)床層溫度基本趨于一致,床層平均反應(yīng)速率較快。
吸氫過程中的換熱流體取溫度為20-40度的冷水,放氫過程中采用的換熱流體取溫度為50-80度的熱水,儲(chǔ)氫材料選用鑭鎳物。
實(shí)施例2
針對(duì)有抽真空及保障壓力安全需求的儲(chǔ)氫反應(yīng),發(fā)明人在實(shí)施例1四孔方案的基礎(chǔ)上增設(shè)了抽真空通路和安全閥通路,以進(jìn)一步確保反應(yīng)的徹底與安全性。下面結(jié)合附圖5-8以完整的儲(chǔ)氫反應(yīng)過程為例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)至真空接口(29)與固定盤(Ⅱ)的真空槽(30)接通時(shí),即可實(shí)現(xiàn)真空條件下的氣相解吸或脫附,還可在初次反應(yīng)前抽出裝置內(nèi)的殘余氣體。
如附圖6、7所示,旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)上增設(shè)安全閥接口(28),可外接安全閥和壓力表,當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)至安全閥接口(28)與固定盤(Ⅱ)的安全閥接口槽(31)接通時(shí),可對(duì)整個(gè)反應(yīng)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,一旦體系壓力超過允許壓力,安全閥將打開卸壓,以確保實(shí)驗(yàn)過程安全。
增設(shè)的真空接口(29)、安全閥接口(28)、真空槽(30)及安全閥接口槽(31)的分布遵循其余開孔與槽的設(shè)置規(guī)則。
附圖8是圖6中的旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)和圖7中的固定盤(Ⅱ)分別在A、B位置處的剖開圖,位置在下的是旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ),盤上依次分布冷流體入口(20)、真空接口(29)、氣相出口(22)、氣相入口(21)、安全閥接口(28)和熱流體入口(23);在上的是固定盤(Ⅱ),該剖開位置處只露出氣相出口槽(26)、安全閥接口槽(31)和熱流體入口槽(24)。
在附圖8位置下,熱流體入口(23)、氣相出口(22)及安全閥接口(28)分別與熱流體入口槽(24)、氣相出口槽(26)及安全閥接口槽(31)接通,同時(shí)其余通道不接通。此時(shí)系統(tǒng)通入熱流體并打開氣相導(dǎo)出通道,同時(shí)安全閥通道保持接通,保證室內(nèi)壓力安全,處于放氫反應(yīng)階段。隨著旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)的轉(zhuǎn)動(dòng),各通路實(shí)現(xiàn)及時(shí)的開啟與閉合。
如附圖5-8所示,反應(yīng)器開始工作,旋轉(zhuǎn)盤(Ⅰ)轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)真空槽(30)與真空接口(29)接通時(shí),真空系統(tǒng)對(duì)反應(yīng)體系抽真空,真空槽(30)與真空接口(29)錯(cuò)開時(shí),抽真空階段結(jié)束;隨后,當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)至冷流體入口槽(25)、氣相入口槽(27)分別與冷流體入口(20)、氣相入口(21)接通,同時(shí)熱流體入口槽(24)、氣相出口槽(26)分別與熱流體入口(23)、氣相出口(22)斷開時(shí),系統(tǒng)通入冷流體并輸入氫氣,反應(yīng)產(chǎn)生的熱量由冷流體移走。冷流體入口槽(25)、氣相入口槽(27)與冷流體入口(20)、氣相入口(21)錯(cuò)開時(shí),吸氫反應(yīng)階段結(jié)束;旋轉(zhuǎn)盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)熱流體入口槽(24)、氣相出口槽(26)分別與熱流體入口(23)、氣相出口(22)接通,同時(shí)冷流體入口槽(25)、氣相入口槽(27)分別與冷流體入口(20)、氣相入口(21)斷開時(shí),系統(tǒng)氣相出口通道打開并通入熱流體,當(dāng)溫度達(dá)到脫氫反應(yīng)的要求溫度時(shí),系統(tǒng)向外放出氫氣。此時(shí),安全閥接口槽(31)與安全閥接口(28)同時(shí)接通,以時(shí)刻保障生產(chǎn)安全。當(dāng)熱流體入口槽(24)、氣相出口槽(26)與熱流體入口(23)、氣相出口(22)錯(cuò)開時(shí),放氫反應(yīng)結(jié)束。隨后,旋轉(zhuǎn)盤再次轉(zhuǎn)動(dòng)到真空槽(30)與真空接口(29)接通的位置,及時(shí)對(duì)體系抽真空,使儲(chǔ)氫材料在真空條件下進(jìn)行完全的放氫,材料回到初始條件,為下一循環(huán)的吸放氫過程做好準(zhǔn)備。此時(shí)熱流體入口槽(24)與熱流體入口(23)同時(shí)接通,通過補(bǔ)給熱量加速完全放氫過程。
同樣地,儲(chǔ)氫時(shí),反應(yīng)氣體從氣相入口(21)通入,通過固定盤(Ⅱ)上的氣相入口槽(27),進(jìn)入氣相進(jìn)出口通道(7),并通過置于殼體軸向中央的不銹鋼固定支撐網(wǎng)(5),經(jīng)濾網(wǎng)管(4)擴(kuò)散進(jìn)入反應(yīng)物床層(13)中,發(fā)生吸氫反應(yīng),反應(yīng)熱由反應(yīng)器內(nèi)的換熱管(12)中的冷流體帶走;放氫時(shí),床層(5)釋放出的氣體依次通過濾網(wǎng)管(4)、不銹鋼固定支撐網(wǎng)(5)、氣相進(jìn)出口通道(7)、氣相出口槽(26)和氣相出口(22)排出裝置。
儲(chǔ)氫時(shí),換熱流體從冷流體入口(20)、冷流體入口槽(25)流入,經(jīng)換熱流體入口緩沖槽(9)通過換熱管(12),隨后流至換熱流體出口緩沖槽(18),最后從換熱流體出口(19)流出反應(yīng)器;放氫時(shí),換熱流體由熱流體入口(23)、熱流體入口槽(24)流入反應(yīng)器,同樣通過換熱流體入口緩沖槽(9)、換熱管(12)、換熱流體出口緩沖槽(18)及換熱流體出口(19)流出裝置。
實(shí)施例3
發(fā)明人利用商業(yè)模擬軟件COMSOL對(duì)本發(fā)明建立了三維數(shù)學(xué)模型,并對(duì)其吸、放氫過程進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值計(jì)算,探究了不同初始反應(yīng)分率對(duì)反應(yīng)進(jìn)程的影響,并得出最優(yōu)初始反應(yīng)分率下的吸放氫循環(huán)時(shí)長(zhǎng)及固定盤上對(duì)應(yīng)各階段的各通道槽長(zhǎng)的最優(yōu)方案。如下:
附圖9是裝置在不同初始反應(yīng)分率下發(fā)生吸、放氫反應(yīng)的耗時(shí)分布圖??刂品磻?yīng)程度一定,即△X=0.8。結(jié)果發(fā)現(xiàn),受吸放氫反應(yīng)機(jī)理的限制,吸氫初始反應(yīng)分率越大,吸氫過程反應(yīng)耗時(shí)越長(zhǎng),而放氫初始反應(yīng)分率越大,放氫過程反應(yīng)耗時(shí)越短。當(dāng)初始反應(yīng)分率X為0.08時(shí),吸氫過程耗時(shí)與放氫過程耗時(shí)恰相等。
附圖10是裝置發(fā)生一個(gè)完整吸放氫循環(huán)的反應(yīng)耗時(shí)圖。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)初始反應(yīng)分率X為0.07時(shí),裝置發(fā)生一個(gè)吸放氫循環(huán)的耗時(shí)周期最短。
模擬結(jié)果得出,最優(yōu)初始反應(yīng)分率下的四孔最優(yōu)方案中,冷流體入口槽(25)、熱流體入口槽(24)、氣相入口槽(27)及氣相出口槽(26)對(duì)應(yīng)的圓心角角度分別為170o、190o、170o及190o。
模擬結(jié)果得出,最優(yōu)初始反應(yīng)分率下的六孔最優(yōu)方案中,冷流體入口槽(25)、熱流體入口槽(24)、氣相入口槽(27)、氣相出口槽(26)、真空槽(30)及安全閥接口槽(31)的圓心角角度分別為138o、222 o、138o、154o、68 o 及154 o。