CN112557577A - 一种正仲氢催化转化动态性能测试的*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种正仲氢催化转化动态性能测试的***，工质压缩过程将低压常温工质通过压缩机和冷却器获取高压常温工质，制冷循环过程将高压常温工质通过液氮预冷、膨胀制冷以及工质混合器获取不同温区的低温工质，正仲氢催化转化过程将氢气预冷至所需工况后通过催化剂进行正仲氢转化，并通过测量控制***实现正仲氢催化转化性能的测试分析；本发明利用逆布雷顿制冷机的常温氦气，80K、30K和20K等温区的低温氦气，以及带加热器的混合器提供不同工况的低温工质。本发明具有适用于大规模氢气液化过程中不同压力、温度和流速下正仲氢催化转化的全工况及工况转换下的动态性能测试的功能。
Description
技术领域
本发明属于氢气液化技术领域，具体涉及一种正仲氢催化转化动态性能测试的***。
背景技术
氢可以作为多途径能源的理想载体，是化石能源向可再生能源过渡的重要桥梁。氢作为二次能源，具有来源多样、清洁低碳、灵活高效、应用场景丰富等优点，是构建现代能源体系的重要方向。
氢能产业基础设施是发展氢能产业的前提条件，氢储存和运输是氢能产业基础设施重要环节。采用液氢储存方式，具有储氢密度高、储氢量大、储氢占地小等优点。对于长距离、大运量场合，液氢输运具有低成本等经济优点。
在常温状态下，氢气以75％正氢和25％仲氢的混合物形式存在，称为平衡氢。氢气液化过程中将常温氢气直接液化后得到的液氢处于非平衡状态，正氢会自发向仲氢转化。正仲氢转化放出的热量大于液氢汽化潜热，导致储存的液氢蒸发。24小时内，液氢蒸发损失约18％。为了延长液氢无损储存时间，必须在氢气液化时采用催化剂加快正仲氢转化速率。
在氢气液化过程中，必须进行多级连续的正仲氢催化转化，达到氢气液化后仲氢含量大于95％的要求。现有的正仲氢催化转化性能测试采用将转化器浸泡在80K温区液氮槽或20K温区液氢槽的方式，只能测试正仲氢在特定温度下静态过程中的催化转化性能，不能满足大规模氢气液化过程中具有温度梯度的连续型正仲氢催化转化性能测试的需求。
用于大型氢液化装置的正仲氢催化转化器，在氢气液化过程中具有大流量、高流速、变工况等运行特点。设计符合大规模氢气液化过程复杂工况的正仲氢催化转化动态性能测试的***，对正仲氢催化剂的性能研究、转化器的结构设计、催化转化的运行分析等具有重要作用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种适用大型氢液化装置的正仲氢催化转化动态性能测试的***，解决氢气液化过程中正仲氢连续催化转化效率和稳定性的测试难题，不仅可以实现氢气液化过程中不同温度、压力、流速等工况下的正仲氢催化转化动态性能测试，也能探索氢气液化过程中正仲氢催化转化运行模式。
一种正仲氢催化转化动态性能测试的***，包括工质压缩***、制冷循环***、待测氢气源、正仲氢催化转化***和测量控制***；
所述工质压缩***用于将低压工质压缩至高压工质，并通过冷却获取300温区的高压常温工质；
所述制冷循环***用于对工质压缩***输出的高压工质依次降温至80K温区、30K温区和20K温区；并对80K温区、30K温区、20K温区从工质压缩***输出的300K温区工质根据需求进行混合，得到需求工况的低温工质后送入正仲氢催化转化***；
所述正仲氢催化转化***用于在制冷循环***提供的低温工况下对待测氢气源提供的氢气进行正仲氢催化转化；
所述测量控制***用于对正仲氢催化转化***的转化性能进行测试。
较佳的，所述制冷循环***包括预冷换热器HX1、前级换热器HX2、工质混合器MIX及其加热器H；所述预冷换热器HX1用于将工质压缩***输出的300K温区高压工质降温至80K温区工质；所述前级换热器HX2用于将80K温区工质降温至30K温度工质；所述膨胀机T用于对30K温区工质进行膨胀制冷，得到20K温区工质；所述工质混合器MIX收集80K温区、30K温区、20K温区工质以及工质压缩***输出的300K温区高压工质，并在加热器H的辅助下，得到需求工况的工质。
进一步的，还包括吸附器，用于去除预冷换热器HX1输出工质中的杂质气体。
较佳的，所述正仲氢催化转化***包括预冷换热器HX3和正仲氢催化转化器O-P；
所述预冷换热器HX3用于将待测氢气源提供的氢气降温至测试温度；
所述正仲氢催化转化器O-P接收制冷循环***输出的低温工质，实现正仲氢转化功能。
较佳的，所述正仲氢催化转化器O-P设有氢气过滤层、催化剂填料口和抽空口。
较佳的，所述测量控制***用于：
测试制冷循环***输出的低温工质的温度、压力测量和流量测量；
测试正仲氢催化转化***循环回来的低温工质的温度和压力；
测试输送给正仲氢催化转化***的氢气的温度、压力、流量以及组分；
测试正仲氢催化转化***转化过程中不同位置以及输出的转化后气体的温度和成分；
以及测试正仲氢催化转化***的压差。
本发明具有如下有益效果：
采用的逆布雷顿循环制冷技术成熟，设计的正仲氢催化转化性能测试***功能全面，满足实际大型氢气液化过程各种工况下的测试需求，能够用于大型氢气液化复杂过程的正仲氢催化转化效果的评估和分析，对大型氢气液化装置使用的正仲氢催化转化器的研制、试验和运行具有重要作用。本发明方便更换待测正仲氢催化转化器，具有通用性。
附图说明
图1为本发明的***示意图。
图中V0～V9：调节阀，FV1～FV4：带法兰的阀门，HX1～HX3：换热器，H：加热器，FL1～FL4：法兰连接，11～14、21～28、31～36：工质管路，N2in、N2out：氮管路，41～47：氢气管路，F1、F2：流量计，P1～P3：压力计，dP:压差计，T1～T7：温度计，A3～A7：正仲氢成分分析仪。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
一种正仲氢催化转化动态性能测试的***，其特征在于：包括工质压缩***、制冷循环***、待测氢气源、正仲氢催化转化***和测量控制***；
所述工质压缩***包括：
工质由低压状态至高压状态的压缩过程，压缩后的高压高温工质冷却至高压常温的冷却过程，高压压力和低压压力之间的压力调节过程，高压常温工质供给和低压常温工质回收过程；
所述制冷循环***包括：
由液氮提供的80K温区冷量，由膨胀机提供的低至20K温区冷量，以及由换热器降温实现的30K温区冷量，通过调节阀和混合器提供不同工况的低温工质，并实现高压常温工质供给和低压常温工质回收过程；
所述待测氢气源包括高纯氢气源，氢气供给过程和氢气回收过程；
所述正仲氢催化转化***包括：
由换热器实现的降温过程，由正仲氢催化转化器实现的转化过程，氢气供给过程和氢气回收过程，所述正仲氢催化转化器的低温工质和氢气可采用快接插头连接，所述正仲氢催化转化器包括过滤层、填料口和抽空口。
所述测量控制***包括：
常温工质压缩及冷却过程的温度、压力等过程参数的测量和控制，低温工质进出口的压力、温度和流量等过程参数的测量和控制，待测氢气进出口的压力/压差、温度、流量等过程参数的测量和控制，正仲氢催化转化器不同位置的温度及其正仲氢组分的测量和分析。
其工作原理是：采用逆布雷顿循环制冷机，将压缩机和冷却器获取的高压常温工质，经液氮预冷和膨胀制冷获取低至20K温区的冷工质。不同温区的工质通过混合器为正仲氢催化转化器测试提供不同温度、压力和流量等多种复杂工况的低温工质。高纯待测氢气经过换热器预冷至待测工况，通过调节待测氢气的温度、压力和流量，测试并分析正仲氢催化转化的性能。
下面对本发明所提供的一种正仲氢催化转化动态性能测试的***进行详细描述。
如图1所示，一种正仲氢催化转化动态性能测试的***，其具体组成包括：工质压缩***1、制冷循环***2、待测氢气源3，正仲氢催化转化***4，以及测量控制***。
具体地，一种正仲氢催化转化动态性能测试的***包括以下实施方案：
所述工质压缩***1设有低压回气路11、压缩机C、高压排气路12、冷却器W、高压供气路13、气体管理等，所述低压一般为0.1MPa～0.2MPa，所述高压一般为1Mpa～1.5MPa；
所述压缩机C的吸气端和排气端分别连接至低压回气路11和高压排气路12，所述压缩机C实现将低压工质压缩至高压工质的功能；
所述冷却器W的热流进出口分别连接至高压排气路12和高压供气路13，所述冷却器W实现将压缩升温后的高压工质冷却至300K常温状态的功能；
所述气体管理通过压缩机C和旁通阀V0实现低压压力PL和高压压力PH控制的功能，并通过带法兰的供气阀FV1和回气阀FV2分别连接至制冷循环***2的高压供气路21和低压回气路31。
所述制冷循环***2设有预冷换热器HX1、吸附器A、前级换热器HX2、膨胀机T、工质混合器MIX及其加热器H、不同温区的工质调节阀等；
所述预冷换热器HX1的工质热流路进出口分别连接至高压供气路21和80K预冷路22，所述预冷换热器HX1的液氮冷流路进出口分别连接至液氮供给路N2in和氮气排空路N2out，所述预冷换热器HX1的工质冷流路进出口分别连接至低压回气路32和低压回气路31，所述预冷换热器HX1通过液氮和工质回气实现将高压常温工质预冷至80K温区的功能；
所述吸附器A进出口分别连接至80K预冷路22和80K温区路23，所述吸附器A通过低温吸附原理实现去除氮、氧等不纯气体的功能；
所述前级换热器HX2的工质热流路进出口分别连接至80K温区路23和30温区路24，所述前级换热器HX2的工质冷流路进出口分别连接至30K温区路33和低压回气路32，所述前级换热器HX2通过工质回气实现80K温区工质降温至30K温区工质的功能；
所述膨胀机T进出口分别连接至30K温区路25和20K温区路26，所述膨胀机T通过膨胀制冷实现30K温区工质降温至20K温区工质的功能；
所述混合器MIX进口连接至300K温区路14、80K温区路27、30K温区路28、20K温区路26，所述混合器MIX出口连接至低温工质路36，所述混合器MIX内设有加热器H，所述混合器MIX通过不同温区工质和加热器H提供不同工况低温工质；
所述不同温区的工质调节阀包括300K温区路14的调节阀V1、80K温区路27的调节阀V2、30K温区路28的调节阀V3、30K温区路25的调节阀V4、低温工质供给路35的调节阀V5、低温工质回气路34的调节阀V6。
所述待测氢气源3设有高纯氢气供气路41和氢气回气路47，并通过带法兰的供气阀FV3和回气阀FV4分别连接至正仲氢催化转化***4的常温氢气供给路42和氢气回气路46。
所述正仲氢催化转化***4设有预冷换热器HX3、正仲氢催化转化器O-P、正仲氢催化转化工况调节阀V8和V9；
所述预冷换热器HX3的热流路进出口分别连接至常温氢气供给路42和低温氢气路43,所述预冷换热器HX3的冷流路进出口分别连接至低温氢气回气路45和氢气回气路46,所述预冷换热器HX3实现待测氢气降温至测试温度的功能；
所述正仲氢催化转化器O-P通过法兰FL1和FL2分别连接至低温工质供给路35和低温工质回气路34、通过法兰FL3和FL4分别连接至低温氢气路44和低温氢气回气路45，所述正仲氢催化转化器O-P设有氢气过滤层、催化剂填料口和抽空口，所述正仲氢催化转化器O-P实现正仲氢转化功能；
所述正仲氢催化转化工况调节阀V8连接低温氢气路43和低温氢气路44，所述正仲氢催化转化工况调节阀V9连接低温氢气路44和氢气回气路45，所述正仲氢催化转化工况调节阀V8和V9实现待测氢气压力和流量的调节功能。
所述测量控制***设有低温工质供给路35的温度测量T1、压力测量P1和流量测量F1，设有低温工质回气路34的温度测量T2和压力测量P2；
所述测量控制***设有低温氢气路44的温度测量T3、压力测量P3、流量测量F3和组分测量A3，设有正仲氢转化器内部不同位置的温度测量T4～T6和组分测量A4～A6，设有氢气回气路45的温度测量T7和组分测量A7，设有正仲氢催化转化器O-P的压差测量dP；
本***的工作过程如下：
***预处理后首先启动压缩机C，通过压缩机C和旁通阀V0控制高压压力PH和低压压力PL。待工质压缩机***1稳定运行后，缓慢打开阀门FV2、V6、V5、FV1，通过调节阀V2和液氮阀V7实现制冷循环***2按设定速率降温至80K温区。此阶段可以通过调节阀V1和V2提供300K～80K温区任意温度的测试条件。为获取更低测试温度，逐步打开调节阀V4和启动膨胀机T实现***降温至20K温区。此阶段可以通过调节阀V2、V3和V4为***提供80K～20K温区任意温度的测试条件。缓慢打开阀门FV4和FV3，启动正仲氢催化转化性能测试，通过调节阀V8和V9控制正仲氢催化转化的压力和流量，并通过调节阀V5和V6控制正仲氢催化转化的温度。根据实验要求，调节正仲氢催化转化的温度、压力和流量，可以开展不同工况及其转换过程中正仲氢催化转化的动态性能测试。
综上可见，本发明实施例能够灵活地调节低温工质和待测氢气的温度、压力和流量，可以满足正仲氢催化转化过程的全工况测试需求，适用大规模氢液化过程中正仲氢催化转化动态性能测试和分析。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种正仲氢催化转化动态性能测试的***，其特征在于，包括工质压缩***、制冷循环***、待测氢气源、正仲氢催化转化***和测量控制***；
所述工质压缩***用于将低压工质压缩至高压工质，并通过冷却获取300温区的高压常温工质；
所述制冷循环***用于对工质压缩***输出的高压工质依次降温至80K温区、30K温区和20K温区；并对80K温区、30K温区、20K温区从工质压缩***输出的300K温区工质根据需求进行混合，得到需求工况的低温工质后送入正仲氢催化转化***；
所述正仲氢催化转化***用于在制冷循环***提供的低温工况下对待测氢气源提供的氢气进行正仲氢催化转化；
所述测量控制***用于对正仲氢催化转化***的转化性能进行测试。
2.如权利要求1所述的一种正仲氢催化转化动态性能测试的***，其特征在于，所述制冷循环***包括预冷换热器HX1、前级换热器HX2、工质混合器MIX及其加热器H；所述预冷换热器HX1用于将工质压缩***输出的300K温区高压工质降温至80K温区工质；所述前级换热器HX2用于将80K温区工质降温至30K温度工质；所述膨胀机T用于对30K温区工质进行膨胀制冷，得到20K温区工质；所述工质混合器MIX收集80K温区、30K温区、20K温区工质以及工质压缩***输出的300K温区高压工质，并在加热器H的辅助下，得到需求工况的工质。
3.如权利要求2所述的一种正仲氢催化转化动态性能测试的***，其特征在于，还包括吸附器，用于去除预冷换热器HX1输出工质中的杂质气体。
4.如权利要求1所述的一种正仲氢催化转化动态性能测试的***，其特征在于，所述正仲氢催化转化***包括预冷换热器HX3和正仲氢催化转化器O-P；
所述预冷换热器HX3用于将待测氢气源提供的氢气降温至测试温度；
所述正仲氢催化转化器O-P接收制冷循环***输出的低温工质，实现正仲氢转化功能。
5.如权利要求4所述的一种正仲氢催化转化动态性能测试的***，其特征在于，所述正仲氢催化转化器O-P设有氢气过滤层、催化剂填料口和抽空口。
6.如权利要求1所述的一种正仲氢催化转化动态性能测试的***，其特征在于，所述测量控制***用于：
测试制冷循环***输出的低温工质的温度、压力测量和流量测量；
测试正仲氢催化转化***循环回来的低温工质的温度和压力；
测试输送给正仲氢催化转化***的氢气的温度、压力、流量以及组分；
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