CN1303379C - 一种环盘式化学热泵反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环盘式化学热泵反应器，包括一壳体，立式或卧式放置，在壳体的两端有气体入口和出口的封头管箱，两端的气体入口和出口与壳体连接为一体；在壳体的上下分别设置有换热流体的出口和流体入口，壳体内均匀布置有多根气管，在气管间隔一定距离布置有多组配对圆环与圆盘，用来填充固体反应物。圆环与圆盘与气管轴向的结合部位有多个开孔，孔外有滤网阻止固体粉末渗入氢管内；同时为增强传热传质效果，环盘内设有多组隔板。本发明用环盘式反应器内填充固体反应物，在热泵传热过程中替代传统列管换热器的折流板，反应物装填量大、传热效率高、传热传质效果良好，操作弹性大、结构紧凑、调控方便等特点。

Description

一种环盘式化学热泵反应器
                        技术领域
本发明涉及化学热泵、换热、制冷的一种气固相反应器，属于氢化/脱氢等气固反应的化学热泵用反应器的整体反应与换热方案，特别涉及一种环盘式化学热泵反应器。
                        背景技术
目前用于化学热泵的气固反应器主要有下面几类：
管式反应器——分管内装填与管外装填两种。管外型气固反应器将固体反应物装在换热管壳程，装填量大，但换热效率极低且大尺寸的外滤管现阶段无法加工，目前不能实现化学热泵的规模化应用，如文献1所述；管内型气固反应器将固体反应物装在换热管内，换热效果较管外型好，但滤管价格昂贵且反应物装填量较少，这使设备成本较高，如文献2中所述。
盘式反应器——采用薄金属盘装填固体反应物，换热效果很好，但反应物装填量太少使设备成本很高，且反应体系承压低、拆装复杂、不宜于化学热泵的工业调控，如文献3中所述。
高压釜反应器——耐高压、装填量大、设备成本低，但传热传质速率都很慢、输出功率低、整体用于化学热泵经济性很差，如文献4所述。
其它类气固化学热泵反应器——如叠堆式反应器等，结构紧凑，操作方便，但具有明显反应传热不均等缺陷，现阶段无法工业化应用，如文献5中所述。
以下是发明人给出的参考文献：
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3、G.Anevi，L.Jansson，D.Lewis.Dynamics of hydride heat pumps[J].Journal of the Less-Common Metals，1984，104：341-348。
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5、D.Shaltiel，N.Kaplan，A.Granyevsky，et al.High temperature hydridetank using MmMg12 compounds[J].Journal of the Less-Common Metals，1984，104：319-327。
                        发明内容
上述现有技术无法兼顾化学热泵用气固反应器对反应与换热的***性能要求，针对这一现状，本发明的目的在于，提供一种环盘式化学热泵反应器，以解决当前气固反应化学热泵反应器面临的实际难题，其开发和推广将具有重要的工程应用前景。
实现上述目的技术解决方案是，一种环盘式化学热泵反应器，包括一壳体，在壳体的两端有封头管箱，所述封头管箱分别设置有气体入口和气体出口，气体在管内流动，两端的反应气入口和气体出口与壳体连接为一体；其特征在于，壳体内以同心圆方式布置有多根气管，管程作为反应/生成气体的通路；在壳体的两侧分别设置有流体的出口和入口，壳程作为换热流体的通路；气管管程轴向间隔一定距离布置有多组配对圆环与圆盘，圆环与圆盘内部空间用来充填固体反应物，称为环盘式反应器。在这类气固相化学热泵反应器中，管程轴向与环盘板的结合部位气管上有开孔，孔外有滤网防止固相粉末渗入气管内；同时为增强传热传质效果，环盘内设置有多组隔板。
本发明采用改进的化学热泵气固反应器结构的技术构思，采用一种环盘式化学热泵反应器作为***反应传热的核心。用圆环、圆盘式反应器内填充固体反应物，管程通入反应气体，通过气管轴向在反应器位置的开孔与固体接触并反应。同时在热泵传热过程中，环盘可替代传统管壳式换热器的折流板，针对不同温位的热源可以采用多种流体流动与换热方式。本发明与目前国内外现有的管式反应器、盘式反应器、高压釜式等不同化学热泵用气固反应器相比，具有设备结构紧凑、反应物装填量大、传热效率高、操作弹性大、调控方便等特点。
                        附图说明
图1是本发明的环盘式化学热泵反应器结构示意图；
图2是本发明的环盘式化学热泵反应器圆环轴向剖面图(比例，1∶0.5)；
图3是本发明的环盘式化学热泵反应器圆环径向剖面图(比例，1∶0.5)；
图4是本发明的环盘式化学热泵反应器圆盘轴向剖面图(比例，1∶0.25)；
图5是本发明的环盘式化学热泵反应器圆盘径向剖面图(比例，1∶0.25)；
图6是本发明的环盘式化学热泵反应器的循环流程图。
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
                      具体实施方式
参见图1～5，本发明的环盘式化学热泵反应器，包括一壳体3，在壳体3的底部设有支撑壳体的基座11，在壳体3的两端有反应气体的入口1和气体出口7的封头管箱6，两端的反应气体入口1和气体出口7与壳体3连接为一体，封头管箱用多组螺栓14和螺母15与管板13和端盖16密封；在壳体3的上下方分别设置有换热流体出口2和流体入口8的接管，壳体3内以同心圆方式布置多根反应气管12在管板13上，经壳程10进行换热；在气管12轴向每间隔一定距离布置有多组配对圆环4与圆盘5，用于充填固体反应物9；圆环4或圆盘5的面积可取壳体横截面积的50～80％，厚度取10～50mm，圆环4与圆盘5的间距取壳体公称直径的0.1～0.3倍。管程12与圆环4和圆盘5的结合部位气管上有开孔17，孔径不超过气管12直径的20％，开孔率为10～30％，孔外有滤网18防止固相粉末9渗入气管12内；同时为增强传热传质效果，环盘内设置有4～16组隔板19。反应气体由管壁开孔17通过滤网18流入圆环4、圆盘5内与固体反应物9进行化学反应，所放出/吸收的热量由壳程10的换热流体通过强制对流方式移走，产生的热/冷量可供工业生产使用。对于特殊的氢气与金属氢化物合金固体进行氢化/脱氢的气固相化学热泵反应，产物无生成气体引出，因而反应器设计实施时可省去气体出口7及封头管箱6。
当该环盘式化学热泵反应器立式放置时，壳体的外壁设有悬挂支座替代基座11，其他均同于卧式。
实施例：
采用图6所示流程进行氢化/脱氢的化学热泵循环，用来完成西安某工厂60～100℃的低温工业废热的回收利用。流程使用两组配对的环盘式化学热泵反应器，其中的反应器R-11、R-21里充填金属氢化物(Metal hydride，简称MH)反应物MH1，反应器R-12和R-22里充填MH2。R-11和R-12，R-21和R-22分别用氢气管道连接。TH、TM、TL分别为高温、中温和低温热源，SH、SM、SL分别为高温、中温和低温条件下吸收/放出的热量。
以60～100℃的低温工业废热为热源，热输出功率为10kW的化学热泵为例，若采用配对的环盘式化学热泵反应器来完成该循环，应采用7组配对圆环与圆盘，环盘间距为20mm，氢气管选用Φ25×2.5的钢管9根，反应器壳体的公称直径为1m，长度为3m。圆环与圆盘的面积取壳体公称截面积的65％，环盘厚度取25mm。氢管轴向与环盘结合部位开孔的孔径为4mm，开孔率为10％，滤网采用400目金属丝网，隔板用8块厚度为2mm的铜板；反应器材料选用1Cr18Ni9Ti的不锈钢。该热泵反应器年收入可达9.3万元，正常年利润率达26.2％，在当前银行利率情况下的动态投资回收周期需要4年。

Claims (2)

1.一种环盘式化学热泵反应器，包括一壳体(3)，在壳体(3)的两端有封头管箱(6)，所述封头管箱(6)分别设置有气体入口(1)和气体出口(7)，气体入口(1)和气体出口(7)通过封头管箱(6)与壳体(3)密封连接为一体；其特征在于，在壳体(3)的上下方分别设置有换热流体出口(2)和流体入口(8)的接管，流体经壳程(10)进行换热；壳体(3)内均匀布置有多根反应气管(12)在管板(13)上，在气管(12)轴向间隔一定距离布置有多组配对圆环(4)与圆盘(5)，圆环(4)与圆盘(5)内充填有固体反应物(9)；
所述气管(12)与圆环(4)和圆盘(5)的结合处布置有开孔(17)，开孔(17)外侧包有滤网(18)，圆环(4)和圆盘(5)内设置有均匀分布的隔板(19)。
2.如权利要求1所述的环盘式化学热泵反应器，其特征在于，所述的圆环(4)或圆盘(5)的面积为壳体(3)截面积的50％～80％，厚度为10mm～50mm，圆环(4)与圆盘(5)的间距为壳体(3)公称直径的0.1～0.3倍，气管(12)上的开孔(17)孔径不超过气管(12)直径的20％，开孔率为10％～30％，隔板(19)数目为4～16组。
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