一種具有強化傳熱的氣?固相連續反應裝置的制作方法

本發明涉及一種伴有強化傳熱的氣固相反應裝置，特別適用于金屬氫化物氫化/脫氫等氣-固相化學反應及應用方案，旨在解決當前涉及反應熱量輸入/移出場合的氣-固相化學反應無法實現連續式自動化控制的實際難題。

背景技術：

目前國內外涉及反應過程強化傳熱的氣固相反應器主要有管式反應器（Int. J Hydrogen. Energ., 2010, 35(1) :321–328）、U型氣固相反應器(Int. J Hydrogen. Energ.,2003, 28 (3): 329-333)、多管束耦合型反應器(Appl. Therm. Eng., 1998, 18 (6): 457-480)、弓形板式反應器(中國發明專利 201010510847.6, 200510042823.1)、環盤式反應器、微通道反應器(上海:2008年化工機械年會. 2008, 58-62; 中國, ZL 200710018259.9)及其它類氣固相反應器。這些反應器均主要由氣相通道、反應床層和反應器殼體構成，均屬間歇操作。生產過程不連續，設備利用率低，生產能力小，不易實現自動化操作，工藝參數不穩定，產品質量得不到較好的保證，且反應過程可能存在的危險難以避免。此外，在進行強化傳熱氣固相反應實驗過程中，氣液相流體流動控制的實際操作非常繁瑣且無法避免，反應過程中不同閥門啟閉的操作及順序繁雜，不僅耗費人力且容易出現操作錯誤，影響反應進程。因此，各類反應器繁瑣的實際操作使其難以推廣應用。

技術實現要素：

本發明的目的在于為了克服上述現有技術無法實現連續式操作的不足而提出一種新結構，該裝置利用氣液相流通通道的有序開啟與閉合實現氣固相反應的自動化控制。

本發明實現過程如下：

一種具有強化傳熱的氣固相連續反應裝置，包括旋轉盤(Ⅰ)、固定盤（Ⅱ）及反應器（Ⅲ）。本發明涉及兩種具有不同結構的旋轉盤與固定盤方案。其一為四孔方案：旋轉盤(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）分別相對應；各氣相和流體進出口槽（24,25,26,27）為上下貫通結構，其距盤中心的距離與旋轉盤上對應孔距盤中心的距離相等，槽寬與對應孔的直徑相等，各槽的長度取決于該段反應時長，通過旋轉盤(Ⅰ)的繞心轉動實現各通道的有序開啟和閉合。

其二為六孔方案：旋轉盤(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）分別相對應；各氣相和流體進出口槽（24,25,26,27,30,31）為上下貫通結構，其距盤中心的距離與旋轉盤上對應孔距盤中心的距離相等，槽寬與對應孔的直徑相等，各槽的長度取決于該段反應時長，通過旋轉盤(Ⅰ)的繞心轉動實現各通道的有序開啟和閉合。

本發明的反應器(Ⅲ)可為釜式反應器、固定盤式反應器、直管式反應器等各類氣固相反應器，由于螺旋管式微通道反應器具備擁有較大換熱面積、可消除熱應力和機械擠壓應力、增大湍動程度等優點，表現出較好的反應器性能，故本發明反應器(Ⅲ)優選采用螺旋管式微通道反應器，其結構構造如下：圓柱形殼體（15）兩端分別固定設置有上端管板（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（5）壁開有多個孔，其外壁包裹有濾網管（4），不銹鋼固定支撐網（5）下端與氣相進出口通道（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）側壁設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）當量直徑的2～5倍。反應器殼體（15）底部由支座（8）支撐。可根據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）。反應器通過法蘭（11）上的法蘭密封圈密封。法蘭（11）可根據使用壓力、溫度等使用條件選擇標準法蘭以及密封圈。

氣固相反應器中，在殼體的一側設置有裝填固相反應物的側蓋（3）。管板與殼體通過法蘭連接，為可拆卸結構；同時為增強傳熱質的效果、防止反應物受到污染，流體通道與氣體通道、固體反應物床層接觸部分為密封結構。

裝置采用的氣-固相反應器中的濾網管（4）采用不銹鋼或非金屬材質，孔徑為100～500目。

該裝置中的旋轉盤(Ⅰ)以反應器軸中心為中心轉動。旋轉盤(Ⅰ)與固定盤（Ⅱ）之間采用機械或填料密封。

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出口通道（7）的半徑。

旋轉盤(Ⅰ)上的冷流體入口（20）和固定盤（Ⅱ）上的冷流體入口槽（25）聯通時，向反應器（Ⅲ）內通入冷流體，及時帶走反應熱；熱流體入口（23）和熱流體入口槽（24）聯通時，將通入熱流體，及時供給反應所需熱；氣相入口（21）與氣相入口槽（27）聯通時，向反應器（Ⅲ）內通入反應原料氣，發生吸收、吸附過程；氣相出口（22）與氣相出口槽（26）聯通時，反應器（Ⅲ）內的氣相物質因壓差或擴散從氣相出口（22）流出。

對于有抽真空需求的過程，可在旋轉盤(Ⅰ)上增設真空接口（29），外接真空泵，當真空接口（29）與固定盤（Ⅱ）的真空槽（30）聯通時，將對反應器（Ⅲ）抽真空，可實現真空條件下的氣相解吸或脫附，還可在初次反應前抽出裝置內的殘余氣體。

對于有保障壓力安全需求的過程，可在旋轉盤(Ⅰ)上增設安全閥接口（28），外接安全閥和壓力表，當安全閥接口（28）與固定盤（Ⅱ）的安全閥接口槽（31）聯通時，將對整個反應過程進行實時監控，一旦體系壓力超過允許壓力，安全閥將打開卸壓，以確保實驗過程安全。

本發明可通過調節旋轉盤（Ⅰ）的轉速及固定盤（Ⅱ）上槽的尺寸控制反應時間，以進一步控制反應進程。

反應氣體從氣相入口（21）進入，依次通過氣相入口槽（27）、氣相進出口通道（7），經不銹鋼固定支撐網（5）壁開孔進入反應物床層（13），與固相反應物接觸發生吸收或吸附反應。反應吸收/釋放的熱量通過換熱管（12）的換熱流體供給/移出。

換熱流體從旋轉盤(Ⅰ)上的冷流體入口（20）或熱流體入口（23）流入，當旋轉盤（Ⅰ）轉動到冷流體入口（20）或熱流體入口（23）與固定盤（Ⅱ）上對應的冷流體入口槽（25）或熱流體入口槽（24）聯通時，流體經冷流體入口槽（25）或熱流體入口槽（24）流入換熱流體入口緩沖槽（9），進而通過換熱管（12）到達換熱流體出口緩沖槽（18），最終由換熱流體出口（19）流出。

本發明的有益效果：本發明利用旋轉盤（Ⅰ）和固定盤（Ⅱ）上氣液相流通通道的有序啟閉，實現反應的連續性操作，避免了間歇操作帶來的問題，提高了設備利用率，增大了設備生產能力，保證工藝參數穩定，且避免了繁復的人工操作，降低操作成本；同時自動控制降低了實驗與生產的危險性，且該裝置結構簡單，設備費用少。此外，通過調節旋轉盤（Ⅰ）的轉速即可調節反應進程的快慢，調整槽尺寸可控制反應時間及反應物濃度，使得反應進程更加易于調控。

附圖說明

圖1是本發明四孔方案的裝置結構示意圖；

圖2是本發明四孔方案的旋轉盤（Ⅰ）示意圖；

圖3是本發明四孔方案的固定盤（Ⅱ）示意圖；

圖4是本發明四孔方案轉動盤與固定盤連接示意圖；

圖5是本發明六孔方案的裝置結構示意圖；

圖6是本發明六孔方案的旋轉盤（Ⅰ）示意圖；

圖7是本發明六孔方案的固定盤（Ⅱ）示意圖；

圖8是本發明六孔方案轉動盤與固定盤連接示意圖；

圖9是吸、放氫時間數值模擬曲線圖；

圖10是循環時間數值模擬曲線圖。

圖中標號說明：

1——螺栓 2——螺母 3——側蓋 4——濾網管

5——不銹鋼固定支撐網 6——換熱流體入口緩沖槽排氣口

7——氣相進出口通道 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——反應物床層 14——測溫管 15——殼體 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——氣相入口

22——氣相出口 23——熱流體入口 24——熱流體入口槽

25——冷流體入口槽 26——氣相出口槽 27——氣相入口槽

28——安全閥接口 29——真空接口 30——真空槽

31——安全閥接口槽。

具體實施方式

本發明通過旋轉盤(Ⅰ)和固定盤（Ⅱ）在轉動過程中開孔與槽的相對位置控制各路的開啟與關閉情況。旋轉盤(Ⅰ)和固定盤（Ⅱ）上的開孔與槽的相對位置可以實現在轉動過程中氣相入口一路接通時恰好冷流體換熱通道同時開啟，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閉。該對應反應階段結束后將進入逆反應階段。此時，氣相出口一路接通且恰好熱流體換熱通道同時開啟，而此時剛處于開啟狀態的氣相入口一路和冷流體換熱通道關閉。故裝置即通過兩盤上孔與槽在轉動過程中的自主重合與錯開實現吸收和解吸兩個過程的有序控制。

實施例1

針對金屬氫化物儲氫反應的吸、放氫過程，本發明的結構示意圖如附圖1-4所示。下面結合附圖對本發明作進一步的說明。

附圖1-3所示，旋轉盤(Ⅰ)上沿徑向設置冷流體入口（20）、熱流體入口（23）、氣相入口（21）和氣相出口（22），固定盤（Ⅱ）上按一定規則設置冷流體入口槽（25）、熱流體入口槽（24）、氣相入口槽（27）及氣相出口槽（26），各氣相和流體進出口槽（24,25,26,27）距盤中心的距離與旋轉盤上對應孔距盤中心的距離相等，槽寬與對應孔的直徑相等，開槽的圓心角大小取決于該段反應時長，即θ=360^o*t/t_總。

附圖4是圖2中的旋轉盤（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所示的轉動位置時刻，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。此時系統通熱流體并打開氣相導出通道，對應階段為放氫階段。該位置為旋轉盤（Ⅰ）轉動過程中放氫階段范圍內的一位置，隨著旋轉盤（Ⅰ）的轉動，各開孔與對應槽將實現及時的開啟與閉合。

反應器開始工作，旋轉盤（Ⅰ）轉動，當旋轉盤轉動至冷流體入口槽（25）與冷流體入口（20）接通時，氣相入口槽（27）與氣相入口（21）同時接通，此時熱流體入口槽（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，致使系統通入冷流體并輸入氫氣，反應產生的熱量由冷流體移走，以防止溫度過高反應不完全。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）錯開，吸氫反應階段結束；旋轉盤繼續轉動，當熱流體入口槽（24）與熱流體入口（23）接通時，氣相出口槽（26）與氣相出口（22）接通，而此時冷流體入口槽（25）、氣相入口槽（27）分別與冷流體入口（20）、氣相入口（21）錯開，系統氣相出口通道打開并通入熱流體，當溫度達到脫氫反應的要求溫度時，系統開始向外放出氫氣。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）錯開，放氫反應階段結束。隨后，隨著旋轉盤的轉動，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，進而自主發生下一輪循環。

儲氫時，反應氣體從氣相入口（21）通入，通過固定盤（Ⅱ）上的氣相入口槽（27），進入氣相進出口通道（7），并通過置于殼體軸向中央的不銹鋼固定支撐網（5），經濾網管（4）擴散進入反應物床層（13）中，反應物床層（13）為多孔結構，氣體擴散具有一定的阻力，為保證氣體與固體反應物床層（13）充分接觸，需采用0.2~1MPa的初始壓力進行反應；反應物床層（13）釋放氣體的過程為吸熱反應，需采用80~150℃加熱反應物床層（13）發生反應，可通過測溫管（14）測得殼體（15）內反應物的溫度；放氫時，床層（5）釋放出的氣體依次通過濾網管（4）、不銹鋼固定支撐網（5）、氣相進出口通道（7）、氣相出口槽（26）和氣相出口（22）排出裝置。

氣相與固相的反應熱由布置于殼體（15）內的換熱管（12）中的換熱流體通過導熱方式進行供給/移走，根據放出/吸收的熱量大小，調節流體流速來控制傳遞熱量的大小。儲氫時，換熱流體從冷流體入口（20）、冷流體入口槽（25）流入，經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）流出反應器；放氫時，換熱流體由熱流體入口（23）、熱流體入口槽（24）流入反應器，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）與反應物床層（13）接觸面較大，并且在管空腔內流體以湍流形式流動，其整個反應床層溫度基本趨于一致，床層平均反應速率較快。

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，儲氫材料選用鑭鎳物。

實施例2

針對有抽真空及保障壓力安全需求的儲氫反應，發明人在實施例1四孔方案的基礎上增設了抽真空通路和安全閥通路，以進一步確保反應的徹底與安全性。下面結合附圖5-8以完整的儲氫反應過程為例對本發明作進一步的說明。

當旋轉盤轉動至真空接口（29）與固定盤（Ⅱ）的真空槽（30）接通時，即可實現真空條件下的氣相解吸或脫附，還可在初次反應前抽出裝置內的殘余氣體。

如附圖6、7所示，旋轉盤(Ⅰ)上增設安全閥接口（28），可外接安全閥和壓力表，當旋轉盤轉動至安全閥接口（28）與固定盤（Ⅱ）的安全閥接口槽（31）接通時，可對整個反應過程進行實時監控，一旦體系壓力超過允許壓力，安全閥將打開卸壓，以確保實驗過程安全。

增設的真空接口（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置規則。

附圖8是圖6中的旋轉盤（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，同時其余通道不接通。此時系統通入熱流體并打開氣相導出通道，同時安全閥通道保持接通，保證室內壓力安全，處于放氫反應階段。隨著旋轉盤（Ⅰ）的轉動，各通路實現及時的開啟與閉合。

如附圖5－8所示，反應器開始工作，旋轉盤（Ⅰ）轉動，當真空槽（30）與真空接口（29）接通時，真空系統對反應體系抽真空，真空槽（30）與真空接口（29）錯開時，抽真空階段結束；隨后，當旋轉盤旋轉至冷流體入口槽（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，系統通入冷流體并輸入氫氣，反應產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）錯開時，吸氫反應階段結束；旋轉盤繼續轉動，當熱流體入口槽（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，系統氣相出口通道打開并通入熱流體，當溫度達到脫氫反應的要求溫度時，系統向外放出氫氣。此時，安全閥接口槽（31）與安全閥接口（28）同時接通，以時刻保障生產安全。當熱流體入口槽（24）、氣相出口槽（26）與熱流體入口（23）、氣相出口（22）錯開時，放氫反應結束。隨后，旋轉盤再次轉動到真空槽（30）與真空接口（29）接通的位置，及時對體系抽真空，使儲氫材料在真空條件下進行完全的放氫，材料回到初始條件，為下一循環的吸放氫過程做好準備。此時熱流體入口槽（24）與熱流體入口（23）同時接通，通過補給熱量加速完全放氫過程。

同樣地，儲氫時，反應氣體從氣相入口（21）通入，通過固定盤（Ⅱ）上的氣相入口槽（27），進入氣相進出口通道（7），并通過置于殼體軸向中央的不銹鋼固定支撐網（5），經濾網管（4）擴散進入反應物床層（13）中，發生吸氫反應，反應熱由反應器內的換熱管（12）中的冷流體帶走；放氫時，床層（5）釋放出的氣體依次通過濾網管（4）、不銹鋼固定支撐網（5）、氣相進出口通道（7）、氣相出口槽（26）和氣相出口（22）排出裝置。

儲氫時，換熱流體從冷流體入口（20）、冷流體入口槽（25）流入，經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）流出反應器；放氫時，換熱流體由熱流體入口（23）、熱流體入口槽（24）流入反應器，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。

實施例3

發明人利用商業模擬軟件COMSOL對本發明建立了三維數學模型，并對其吸、放氫過程進行了詳細的數值計算，探究了不同初始反應分率對反應進程的影響，并得出最優初始反應分率下的吸放氫循環時長及固定盤上對應各階段的各通道槽長的最優方案。如下：

附圖9是裝置在不同初始反應分率下發生吸、放氫反應的耗時分布圖。控制反應程度一定，即△X=0.8。結果發現，受吸放氫反應機理的限制，吸氫初始反應分率越大，吸氫過程反應耗時越長，而放氫初始反應分率越大，放氫過程反應耗時越短。當初始反應分率X為0.08時，吸氫過程耗時與放氫過程耗時恰相等。

附圖10是裝置發生一個完整吸放氫循環的反應耗時圖。結果發現，當初始反應分率X為0.07時，裝置發生一個吸放氫循環的耗時周期最短。

模擬結果得出，最優初始反應分率下的四孔最優方案中，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）對應的圓心角角度分別為170^o、190^o、170^o及190^o。

模擬結果得出，最優初始反應分率下的六孔最優方案中，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138^o、222 ^o、138^o、154^o、68 ^o 及154 ^o。