專利名稱：一種橢圓螺旋管式微通道氣-固相反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱壓縮機(jī)、化學(xué)熱泵、蓄熱、換熱的非均相氣固反應(yīng)器，特別適應(yīng)于金屬氫化物與氫氣的氫化/脫氫氣固相反應(yīng)，屬于化工反應(yīng)器設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前國內(nèi)外涉及反應(yīng)過程換熱的氣固相反應(yīng)器主要有以下幾個(gè)分類:
管式反應(yīng)器——原料固體放置于帶有濾網(wǎng)的反應(yīng)管內(nèi)，以置于反應(yīng)器的濾管作為通氣管道，氣相通過濾管向四周的固體相擴(kuò)散，反應(yīng)過程中的吸熱/放熱由反應(yīng)器外部的換熱流體帶走/輸入。該種管式反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、換熱效率較高、反應(yīng)比較均勻等特點(diǎn)，但由于填充量較小且造價(jià)成本將對較高，而限制了它的大規(guī)模應(yīng)用(Int.J Hydrogen.Energ., 2010, 35(1):321 - 328)。U—型氣固相反應(yīng)器一該反應(yīng)器進(jìn)氣管道置于反應(yīng)器一側(cè)，以置于反應(yīng)器內(nèi)部U型管作為換熱流體管道，固體反應(yīng)物裝填在反應(yīng)器內(nèi)部的剩余空間。該種反應(yīng)器綜合了導(dǎo)熱強(qiáng)化技術(shù)和流體床層內(nèi)部換熱強(qiáng)化技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、換熱效果好，反應(yīng)速度快等特點(diǎn)。但只有單個(gè)U型管氣固相反應(yīng)器，不能有效降低反應(yīng)器內(nèi)部溫度梯度，溫度分布不均勻，整體反應(yīng)速率不高，放置多個(gè)U型管會(huì)提高反應(yīng)器成本價(jià)及構(gòu)造難度(Int.JHydrogen.Energ., 2003, 28 (3): 329-333)。多管束耦合型反應(yīng)器一多個(gè)較小的管束均勻布置于反應(yīng)器內(nèi)，利用管束內(nèi)換熱流體來實(shí)現(xiàn)換熱，固體反應(yīng)物放置于管束之間，氫氣經(jīng)濾網(wǎng)從四周進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)部。該反應(yīng)器具有較高換熱效率和反應(yīng)速率，但由于氣相滲透整個(gè)反應(yīng)器的時(shí)間較長，其反應(yīng)速率受到一定的影響，而且氣相需高壓才能通過濾網(wǎng)進(jìn)入反應(yīng)床層內(nèi)部(Appl.Therm.Eng.,1998， 18 (6): 457-480)。

弓形板式反應(yīng)器、環(huán)盤式反應(yīng)器——具有結(jié)構(gòu)緊湊，裝填量大，操作簡單的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，固體相及結(jié)構(gòu)部件不易更換，安裝維修困難，其規(guī)模化應(yīng)用仍有待深入開展研究(中國發(fā)明專利 201010510847.6，200510042823.1)。微通道反應(yīng)器——采用微通道作為換熱流體管道，換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、反應(yīng)速率快，但由于氣固相反應(yīng)吸收/放出熱量產(chǎn)生一定的熱引力，使換熱流體管道會(huì)發(fā)生伸長和縮短現(xiàn)象，在長期利用該反應(yīng)器過程中，有可能導(dǎo)致?lián)Q熱流體管道破裂，并且氣相滲透整個(gè)反應(yīng)床層時(shí)間較長(上海:2008年化工機(jī)械年會(huì).2008，58-62;中國，ZL200710018259.9)。其它類氣固相反應(yīng)器——如疊堆式反應(yīng)器、U型管反應(yīng)器、內(nèi)置環(huán)形換熱管道式系列反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡單，但反應(yīng)床層換熱效率低，在實(shí)際應(yīng)用過程中存在困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種傳熱效率高、反應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊、操作彈性大、裝填量大、使用周期長、操作簡單的微通道螺旋管氣-固相反應(yīng)器，以滿足具有熱效應(yīng)的氣一固相反應(yīng)器對設(shè)備使用周期性及換熱效率的整體性能要求。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)過程如下:
一種氣_固相反應(yīng)器，包括氣相進(jìn)出口、換熱流體進(jìn)出口、管板以及殼體，圓柱形殼體
(5)兩端分別固定設(shè)置有上端管板(16)和下端管板(11)，上端管板(16)和下端管板(11)之間連接有多根截面為橢圓形的微通道螺旋管(3);位于上端管板(16)和下端管板(11)軸向間的不銹鋼固定支撐網(wǎng)(22)壁開有多個(gè)孔或槽，其外壁包裹有濾網(wǎng)管(12)，不銹鋼固定支撐網(wǎng)(22)上端與氣相進(jìn)出口通道(19)相連通，所述的濾網(wǎng)管(12)采用不銹鋼或非金屬材質(zhì)，孔徑為100 500目。本發(fā)明將微通道螺旋管(3)設(shè)置成螺旋形，截面為橢圓形，微通道螺旋管(3)的排列方式為正三角形排布，管間距為微通道螺旋管(3)當(dāng)量直徑的2 5倍?，F(xiàn)有技術(shù)中，通常采用直管式微通道，其無法消除換熱過程中的熱應(yīng)力，常常導(dǎo)致管式微通道扭曲變形、管板脫焊，密封不嚴(yán)等不足。本發(fā)明將管式微通道設(shè)置成螺旋形，螺旋形的設(shè)計(jì)一是避免了換熱過程中因熱脹冷縮產(chǎn)生的熱應(yīng)力對管式微通道的損害，二是有利于提高換熱流體的湍動(dòng)程度，提高傳熱過程速率。管式微通道的截面為橢圓形，有利于增大換熱流體流動(dòng)時(shí)的湍動(dòng)程度，減少層流底層的 厚度，降低傳熱過程的阻力，增加反應(yīng)傳熱速率。本發(fā)明殼體(5)的上端面與上端管板(16)間形成換熱流體出口緩沖槽(2)，殼體
(5)的下端面與下端管板(11)間形成換熱流體入口緩沖槽(7)。殼體(5)的上下端面設(shè)置有換熱流體出口(I)和換熱流體入口(9)，換熱流體出口緩沖槽(2)側(cè)壁設(shè)置有換熱流體出口緩沖槽排氣口(18)，換熱流體入口緩沖槽(7)側(cè)壁設(shè)置有換熱流體入口緩沖槽排氣口(8)。氣相進(jìn)出口通道(19)與上端管板(16)間用密封圈(21)密封。圓柱形殼體(5)側(cè)面設(shè)置有裝填固相反應(yīng)物的側(cè)蓋(13)。圓柱形殼體(5)的側(cè)壁設(shè)置有測定氣固相反應(yīng)溫度的測溫管(6)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與積極效果:本發(fā)明采用微通道螺旋管結(jié)構(gòu)作為強(qiáng)化反應(yīng)床層傳熱的核心，同時(shí)借鑒了傳統(tǒng)微通道反應(yīng)器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，將多根微通道螺旋管置于反應(yīng)器內(nèi)，氣體經(jīng)軸向中央的不銹鋼固定支撐網(wǎng)與濾網(wǎng)管進(jìn)入固體反應(yīng)物層，進(jìn)行氣固相吸放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱由微通道螺旋管內(nèi)流動(dòng)的流體供給/移除。根據(jù)反應(yīng)熱的大小，通過調(diào)節(jié)微通道螺旋管流速和初始溫度來控制供給/移除的熱量。本發(fā)明與目前國內(nèi)外現(xiàn)有的管式反應(yīng)器、U-型氣固相反應(yīng)器、多管束耦合型反應(yīng)器、微通道反應(yīng)器、弓形板式反應(yīng)器、橢圓型反應(yīng)器等氣-固相反應(yīng)器相比，具有傳熱效果優(yōu)良、設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、氣相阻力小、反應(yīng)物裝填量大、傳熱速度快、操作方便等特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意 圖2為本發(fā)明上管板徑向示意 圖3為本發(fā)明上管板三維示意 圖4為本發(fā)明上管板連接示意 圖5為本發(fā)明法蘭裝配示意 圖6為本發(fā)明下管板徑向示意 圖7為本發(fā)明支座示意圖；圖8為本發(fā)明微通道螺旋管橫截面 圖9為本發(fā)明微通道螺旋管結(jié)構(gòu) 圖10為本發(fā)明微通道螺旋管進(jìn)出口通道示意 圖11為本發(fā)明循環(huán)流程 圖中標(biāo)號(hào)說明
I一換熱流體出口 2 —換熱流體出口緩沖槽 3 —微通道螺旋管 4 一反應(yīng)物床層
5 一殼體6 —測溫管
7 一換熱流體入口緩沖槽 8 —換熱流體入口緩沖槽排氣口 9 一換熱流體入口 10 —支座
II一下端管板12 —濾網(wǎng)管 13 一側(cè)蓋 14 一螺母
15 一法蘭16 —上端管板
17 —螺栓18 —換熱流體出口緩沖槽排氣口
19一氣相進(jìn)出口通道 20 —?dú)庀噙M(jìn)出口
21 一密封圈22 —不銹鋼固定支撐網(wǎng)
23 一橢圓管24 —法蘭密封圈。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖1-10對本發(fā)明結(jié)構(gòu)和工作原理作進(jìn)一步說明。本發(fā)明采用立式放置，圓柱形殼體(5)兩端分別固定設(shè)置有上端管板(16)和下端管板(11)，位于上端管板(16)和下端管板(11)軸向間的不銹鋼固定支撐網(wǎng)(22)壁開有多個(gè)孔或槽，其外壁包裹有濾網(wǎng)管(12)，不銹鋼固定支撐網(wǎng)(22)上端與氣相進(jìn)出口通道(19)相連通；上端管板(16)與圓柱形空心結(jié)構(gòu)換熱流體出口緩沖槽(2)密封連接，下端管板
(11)與圓柱形空心結(jié)構(gòu)換熱流體入口緩沖槽(7)密封連接。殼體內(nèi)以正三角形方式布置多根微通道螺旋管(3)，并通過上端管板(16)和下端管板(11)上的橢圓孔進(jìn)行固定，管內(nèi)為換熱流體通路，在微通道螺旋管(3)之間填充固相反應(yīng)物。為防止雜質(zhì)進(jìn)入反應(yīng)器，氣相進(jìn)出口(20)處設(shè)有過濾器。反應(yīng)器殼體(5)底部由支座(10)支撐?？筛鶕?jù)使用要求選用裙式支座、支承式支座、腿式支座。本發(fā)明氣-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(13)。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)。氣體經(jīng)氣相進(jìn)出口(20)和氣相進(jìn)出口通道(19)進(jìn)入，通過不銹鋼固定支撐網(wǎng)
(22)和濾網(wǎng)管(12)擴(kuò)散進(jìn)入反應(yīng)物床層(4)，反應(yīng)物床層(4)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(4)充分接觸，需采用0.2^1MPa的初始壓力進(jìn)行反應(yīng)；反應(yīng)物床層(4)釋放氣體的過程為吸熱反應(yīng)，需采用8(Tl50°C加熱反應(yīng)物床層(4)發(fā)生反應(yīng)，可通過測溫管(6)測得殼體(5)內(nèi)反應(yīng)物的溫度，產(chǎn)生氣體依次經(jīng)濾網(wǎng)管(12)、不銹鋼固定支撐網(wǎng)(22)、氣相進(jìn)出口通道(19)、氣相進(jìn)出口(20)排出反應(yīng)器；氣體與固體反應(yīng)熱由布置于殼體(5)內(nèi)的微通道螺旋管(3)中流動(dòng)的流體通過導(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，由于微通道螺旋管(3)與反應(yīng)物床層(4 )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。本發(fā)明為縮短氣體擴(kuò)散到整個(gè)反應(yīng)床層的時(shí)間，濾網(wǎng)管(12)置于殼體(5)內(nèi)部正中央位置，采用不銹鋼或非金屬材質(zhì)，濾網(wǎng)管(12)直徑為疒18mm，孔徑為100 500目。本發(fā)明為防止在反應(yīng)過程中濾網(wǎng)管(12)的變形破壞，在濾網(wǎng)管(12)內(nèi)部設(shè)有一個(gè)不銹鋼固定支撐網(wǎng)(22)，起到固定和支撐的作用，不銹鋼固定支撐網(wǎng)的直徑為5 15_。本發(fā)明微通道螺旋管(3)為換熱流體管道，以便換熱流體與反應(yīng)物充分接觸，提高換熱效率，并且傳統(tǒng)流體管道由于反應(yīng)熱而產(chǎn)生的熱應(yīng)力以及部分填充物在反應(yīng)時(shí)會(huì)有體脹等現(xiàn)象會(huì)有引起流體管道破裂的可能，微通道螺旋管(3)具有一定的緩沖作用，能有效降低流體管道破裂的可能性。所述的橢圓螺旋微通道內(nèi)長軸為0.5 1.5mm、內(nèi)短軸為0.3 1.1mm,長徑比為
0.5^0.7壁厚0.2^0.5mm，螺旋外徑為2 5mm，各管間排布間隙為5 10mm。上端管板(16)與下端管板(11)開有多個(gè)正三角形排列橢圓型小孔，兩板開孔位置相互對應(yīng)，以便微通道螺旋管(3)固定穩(wěn)定，并超出兩板0.r0.5_，其孔徑的長軸為
0.7 2mm、短軸 0.5 1.6mm。換熱流體由換熱流體入口(9)進(jìn)入換熱流體入口緩沖槽(7)，并通過固定在上端管板(16)和下端管板(11)上的微通道螺旋管(3)，經(jīng)換熱流體進(jìn)口緩沖槽(2)由換熱流體出口(I)流出。反應(yīng)氣體從氣相進(jìn)出口(20)進(jìn)入氣相進(jìn)出口通道(19)，并通過置于殼體(5)軸向中央的不銹鋼固定支撐 網(wǎng)與濾網(wǎng)管(12)，氣體經(jīng)濾網(wǎng)擴(kuò)散進(jìn)入反應(yīng)物床層(4)中，發(fā)生氣-固相反應(yīng)，反應(yīng)熱由橢圓形的微通道螺旋管(3)中流動(dòng)的流體供給/移出；反應(yīng)物床層
(4)釋放出的氣體依次通過濾網(wǎng)管(12)、不銹鋼固定支撐網(wǎng)(22)、氣相進(jìn)出口通道(19)、氣相進(jìn)出口(20)排除反應(yīng)器。換熱流體出口緩沖槽(2)通過法蘭(15)用螺栓(17)與螺母(14)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(15)上的法蘭密封圈(24)密封。法蘭
(15)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。如圖11所示，利用金屬氫化物的氫化/脫氫過程來進(jìn)行熱壓縮循環(huán)。壓縮機(jī)系統(tǒng)由高低壓儲(chǔ)槽、串聯(lián)的低、高壓橢圓螺旋微通道氣-固相反應(yīng)器、控制閥門和管線組成。該壓縮機(jī)系統(tǒng)控制閥門由3個(gè)截止閥(V1、V3、V5)，3個(gè)止逆閥(V2、V4、V6)，通過控制截止閥和止逆閥開啟和關(guān)閉，就可以完成氫氣從低壓到高壓的壓縮過程。橢圓螺旋微通道反應(yīng)器內(nèi)填充金屬氫化物，低壓反應(yīng)器一端與氫氣管道連接，吸氫前打開閥V1、V2，關(guān)閉閥V3、V4、V5、V6、V7、V8，吸氫時(shí)采用低溫?fù)Q熱流體(通常采用室溫冷水2(T40° )進(jìn)行冷卻，在初始壓力2 IObar下吸氫，飽和后關(guān)閉閥V1、V2 ;采用80-120° C熱流體加熱低壓反應(yīng)器至設(shè)定溫度，打開閥V3、V4，高壓反應(yīng)器開始吸收低壓反應(yīng)器放出的氫氣，并用2(T40° C低溫流體冷卻高壓反應(yīng)器，待低溫反應(yīng)器放氫結(jié)束，中溫反應(yīng)器吸氫達(dá)到飽和后，關(guān)閉閥V3、V4;以8(T120° C換熱流體加熱高壓反應(yīng)器，打開閥V5、V6，高壓反應(yīng)器開始放出氫氣并擴(kuò)散至高壓儲(chǔ)槽，放氫過程結(jié)束后，壓縮機(jī)即進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)過程。該壓縮機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無復(fù)雜部件，日常維護(hù)和更換部件方便，利用工業(yè)廢熱或地?zé)岬?低品質(zhì)熱量)作為低、高壓反應(yīng)器驅(qū)動(dòng)熱源，運(yùn)行過程成本較低；該橢圓螺旋微通道反應(yīng)器吸放氫性能明顯優(yōu)于其他反應(yīng)器、換熱效率高、金屬氫化 物填充量大，用于二級熱壓縮機(jī)就能達(dá)到較理想的高壓。
權(quán)利要求
1.一種氣-固相反應(yīng)器，包括氣相進(jìn)出口、換熱流體進(jìn)出口、管板以及殼體，其特征在于:圓柱形殼體(5)兩端分別固定設(shè)置有上端管板(16)和下端管板(11)，上端管板(16)和下端管板(11)之間連接有多根截面為橢圓形的微通道螺旋管(3);位于上端管板(16)和下端管板(11)軸向間的不銹鋼固定支撐網(wǎng)(22)壁開有多個(gè)孔或槽，其外壁包裹有濾網(wǎng)管(12)，不銹鋼固定支撐網(wǎng)(22)上端與氣相進(jìn)出口通道(19)相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣-固相反應(yīng)器，其特征在于:微通道螺旋管(3)的排列方式為正三角形排布，管間距為微通道螺旋管(3)當(dāng)量直徑的2 5倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣-固相反應(yīng)器，其特征在于:所述的濾網(wǎng)管(12)采用不銹鋼或非金屬材質(zhì)，孔徑為100 500目。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣-固相反應(yīng)器，其特征在于:殼體(5)的上端面與上端管板(16)間形成換熱流體出口緩沖槽(2)，殼體(5)的下端面與下端管板(11)間形成換熱流體入口緩沖槽(7)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣-固相反應(yīng)器，其特征在于:殼體(5)的上下端面設(shè)置有換熱流體出口(I)和換熱流體入口(9)，換熱流體出口緩沖槽(2)側(cè)壁設(shè)置有換熱流體出口緩沖槽排氣口(18)，換熱流體入口緩沖槽(7)側(cè)壁設(shè)置有換熱流體入口緩沖槽排氣口(8)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣-固相反應(yīng)器，其特征在于:氣相進(jìn)出口通道(19)與上端管板(16)間用密封圈(21)密封。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣-固相反應(yīng)器，其特征在于:圓柱形殼體(5)側(cè)面設(shè)置有裝填固相反應(yīng)物的側(cè)蓋(13 )。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣-固相反應(yīng)器，其特征在于:圓柱形殼體(5)的側(cè)壁設(shè)置有測定氣固相反應(yīng)溫度的測溫管(6 )。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氣-固相反應(yīng)器，其圓柱形殼體兩端分別固定設(shè)置有上端管板和下端管板，上端管板和下端管板之間連接有多根截面為橢圓形的微通道螺旋管；位于上端管板和下端管板軸向間的不銹鋼固定支撐網(wǎng)壁開有多個(gè)孔或槽，其外壁包裹有濾網(wǎng)管，不銹鋼固定支撐網(wǎng)上端與氣相進(jìn)出口通道相連通。本發(fā)明具有傳熱效果優(yōu)良、設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、氣相阻力小、反應(yīng)物裝填量大、傳熱速度快、操作方便等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)B01J8/06GK103240037SQ201310189618
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月22日
發(fā)明者王玉琪, 馬進(jìn)成, 楊福勝, 張藍(lán), 孟翔宇, 張?jiān)缧?申請人:西北大學(xué)