一种生产不同组分正氢和仲氢的装置
阅读说明：本技术 一种生产不同组分正氢和仲氢的装置 (Device for producing orthohydrogen and parahydrogen with different components ) 是由 陆小飞 张启勇 周芷伟 成安义 吴克平 李姗姗 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种生产不同组分正氢和仲氢的装置,室温状态的正常氢气分为常温平衡氢流路、一级平衡氢流路、二级平衡氢流路。常温平衡氢流路提供一路室温正常氢,通过一级制冷工质降温后提供一级正常氢,通过二级制冷工质降温后提供二级正常氢；一级平衡氢流路通过一级制冷工质降温和正仲氢催化转化提供一级平衡氢,通过二级制冷工质降温后提供二级温度的一级平衡氢；二级平衡氢流路通过一级制冷工质降温和正仲氢催化转化生产一级平衡氢,再通过二级制冷工质降温和正仲氢催化转化提供二级平衡氢。本发明通过调节三路室温正常氢气供给的压力和流量,能够提供不同压力、温度、流速和组分比的正仲氢流体,本装置结构紧凑、接口清晰。(The invention discloses a device for producing orthohydrogen and parahydrogen with different components. The normal temperature hydrogen balancing flow path provides one path of normal hydrogen at room temperature, the first-level normal hydrogen is provided after the temperature of the first-level refrigeration working medium is reduced, and the second-level normal hydrogen is provided after the temperature of the second-level refrigeration working medium is reduced; the primary balance hydrogen flow path provides primary balance hydrogen through the cooling of a primary refrigeration working medium and the catalytic conversion of the ortho-para hydrogen, and provides primary balance hydrogen at a secondary temperature after the cooling of a secondary refrigeration working medium; the secondary balanced hydrogen flow path produces primary balanced hydrogen through the cooling of the primary refrigerant and the catalytic conversion of the ortho-para hydrogen, and then provides secondary balanced hydrogen through the cooling of the secondary refrigerant and the catalytic conversion of the ortho-para hydrogen. The device can provide the parahydrogen fluid with different pressures, temperatures, flow rates and component ratios by adjusting the pressure and flow of the three paths of room-temperature normal hydrogen supply, and has compact structure and clear interface.)
技术领域
本发明属于工业气体技术领域，具体涉及一种生产不同组分正氢和仲氢的装置。
背景技术
氢分子由两个氢原子组成，由于两个原子核自旋方向不同，存在着正氢和仲氢两种状态。这两种氢的自旋异构体区别在于正氢的两个原子核自旋方向相同，仲氢的两个原子核自旋方向相反。当室温下正常氢气被冷却至更低温度时，其中的正氢会缓慢转变为仲氢，导致正氢组分比例下降而仲氢组分比例增加并释放出热量，最终氢气的正氢和仲氢的组分达到新的平衡状态。
正常氢以室温状态下的平衡氢为参考，正常氢在无催化转化作用下的快速降温或回温过程中正氢和仲氢组分基本保持不变，即正氢和仲氢组分比为75％和25％。平衡氢的组分与温度相关，是正氢和仲氢相互转化稳定后的平衡态。典型的常温下平衡氢为75％正氢+25％仲氢，77K温度下平衡氢为50％正氢+50％仲氢，液氢标准沸点(20.4K)下平衡氢为0.2％正氢+99.8％仲氢。
当平衡态氢气的温度发生变化时，正氢和仲氢之间的自然转化过程是极其缓慢的。研究结果表明正氢和仲氢之间的转化是磁性机理，磁性中心和两个自旋的氢原子核之间存在非零磁矩的相互作用，从而加快了氢分子的自旋转化。因此，在氢气降温或升温过程中必须采用催化剂加速正氢和仲氢之间的催化转化，达到新稳定状态的平衡氢。
正氢和仲氢具有不同的热力学性质和特性，正氢和仲氢之间的转化能产生制热或制冷效应，不同组分的正氢和仲氢在工程技术和科学研究上具有广泛应用，工业上广泛采用的常温氢气或低温液氢不能提供不同工况任意组分比例的正仲氢。现有的正仲氢研究集中在正仲氢的催化转化装置(如专利CN 203162532 U、CN 203490203 U、CN 108562112 A、CN 109028755 A)、正仲氢催化剂性能和正仲氢含量测量(如专利CN 104730141 A)，其工艺难以提供不同压力、温度、流速和组分比例的正仲氢，不能满足工程技术和科学研究的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明目的是针对不同正氢和仲氢组分比例的氢气或液氢需求，提供一种生产不同组分正氢和仲氢的装置，通过不同正仲氢组分比的氢流体优化混合的方式，实现不同正氢和仲氢组分比例的氢气或液氢生产，并结合氢气供气压力、流量以及温度调节提供不同压力、温度、流速和组分比例的正仲氢流体。
为达到上述目的，本发明的一种生产不同组分正氢和仲氢的装置，包括有常温平衡氢流路、一级平衡氢流路、二级平衡氢流路、一级制冷工质流路、二级制冷工质流路、正仲氢输出氢流路、以及真空绝热冷箱。
进一步地，所述常温平衡氢流路实现常温正常氢、一级正常氢和二级正常氢的功能。所述常温平衡氢流路入口端与氢气源连接，并设有控制常温平衡氢流路流速的调节阀和流量计。所述常温平衡氢流路出口端设有三条支路及其调节阀和温度计，第一路提供常温正常氢，第二路提供经一级制冷工质降温实现的一级正常氢，第三路提供经二级制冷工质降温实现的二级正常氢。
进一步地，所述一级平衡氢流路实现一级平衡氢和二级温度的一级平衡氢的功能。所述一级平衡氢流路入口端与氢气源连接，并设有控制一级平衡氢流路流速的调节阀和流量计；一级平衡氢流路出口端设有二条支路及其调节阀和温度计，第一路提供经一级制冷工质降温和正仲氢催化转化器实现的一级平衡氢并设有正仲氢组分测量计，第二路提供经二级制冷工质降温实现的二级温度的一级平衡氢。
进一步地，所述二级平衡氢流路实现二级平衡氢的功能。所述二级平衡氢流路入口端与氢气源连接，并设有控制二级平衡氢流路流速的调节阀和流量计，所述的二级温度平衡氢流路出口端设有温度计和正仲氢组分测量计。所述二级平衡氢流路是将一级制冷工质降温和正仲氢催化转化器实现的一级平衡氢进一步由二级制冷工质降温和正仲氢催化转化器实现二级平衡氢。
进一步地，所述一级制冷工质流路实现将氢流路降温至一级温度的功能。所述一级制冷工质流路入口端设有一级制冷工质输入接口和调节阀，所述一级制冷工质流路出口端设有一级制冷工质输出调节阀和接口。所述的一级制冷工质流路由低温制冷机提供冷量，或者由低温工质提供冷量。
进一步地，所述二级制冷工质流路实现将氢流路降温至二级温度的功能。所述二级制冷工质流路入口端设有二级制冷工质输入接口和调节阀，所述二级制冷工质流路出口端设有二级制冷工质输出调节阀和接口。所述的二级制冷工质流路由低温制冷机提供冷量，或者由低温工质提供冷量。
进一步地，所述正仲氢输出氢流路入口端设有六路接口，所述正仲氢输出氢流路设有调节阀、加热器以及压力、温度和正仲氢组分测量计；所述的正仲氢输出氢流路出口端提供不同压力、温度、流速和正仲氢组分比的氢流体出口端的输出接口。
进一步地，所述六路接口分别连接至常温正常氢、一级正常氢、二级正常氢、一级平衡氢、二级温度的一级平衡氢以及二级平衡氢的出口端。根据用户需求的温度和正仲氢组分要求选择优化组合方式以降低装置能耗和减少过程操作。
进一步地，不同组分正仲氢的氢流路实现不同压力、温度、流速和正仲氢组分比的氢流体的功能。所述不同组分正仲氢的氢流路设有常温平衡氢流路、一级平衡氢流路和二级平衡氢流路出口端的接口，所述不同组分正仲氢的氢流路设有加热器和调节阀，所述不同组分正仲氢的氢流路设有压力、温度和组分测量计，所述不同正氢和仲氢组分比的氢流路设有输出接口。进一步地，所述真空绝热冷箱是实现氢流路降温到指定温度和正仲氢催化转化的功能。所述真空绝热冷箱设有一级制冷工质预冷换热器、一级制冷工质热交换模块以及正仲氢催化转化器，所述真空绝热冷箱设有二级制冷工质预冷换热器、二级制冷工质热交换模块以及正仲氢催化转化器，所述真空绝热冷箱设有真空接口。
其工作原理是：一种生产不同组分正氢和仲氢的装置将室温状态下的正常氢气源分为三路，第一路正常氢气源首先提供一路常温正常氢(75％正氢+25％仲氢)，并通过一级制冷工质降温至一级温度后分为两路，一路提供一级正常氢(75％正氢+25％仲氢)，另一路再通过二级制冷工质降温至二级温度后提供二级正常氢(75％正氢+25％仲氢)；第二路正常氢气源通过一级制冷工质降温至一级温度并通过正仲氢催化转化器生产一级平衡氢，随后分为两路，一路提供一级平衡氢(以一级温度77K为例，50％正氢+50％仲氢)，另一路通过二级制冷工质降温至二级温度后提供二级温度的一级平衡氢(以一级温度77K为例，50％正氢+50％仲氢)；第三路正常氢气源通过一级制冷工质降温至一级温度并通过正仲氢催化转化器生产一级平衡氢，再通过二级制冷工质降温至二级温度并通过正仲氢催化转化器生产二级平衡氢(以二级温度20K为例，0.02％正氢+99.8％仲氢)。本发明通过调节三路室温正常氢气的供给压力和流速，并通过常温正常氢、一级正常氢、一级平衡氢、二级正常氢、二级温度的一级平衡氢、二级平衡氢共六路优化组合的方式，实现不同组分正仲氢的氢气或液氢生产。
本发明具有如下有益效果：
本发明采用的制冷工质和正仲氢催化转化器成熟，设计的工艺流程能够根据需求灵活操作实现不同正氢和仲氢组分比例的氢气或液氢的高效率生产。本发明公开的生产不同组分正氢和仲氢的装置，能够提供不同压力、温度、流速和组分比例的正仲氢流体，满足工程应用和科学研究对不同工况正仲氢的需求，装置功能全面、适用性强。
附图说明
图1为本发明的工艺图。
图中，J1、J4～J8-装置接口，J9-真空泵接口，CB-真空绝热冷箱，OP1～OP3-正仲氢催化转化器，HX1-一级换热器、HX2-二级换热器，H1～H6-换热器，R1-一级制冷工质热交换单元、R2-二级制冷工质热交换单元，VH2、VR1、VR2、V10、V11、V12、V13、V20、V22、V23、V30、V40、V60、V80-调节阀，P0～P2、P4-压力计，T1、T2、T4、T11、T13、T21、T23、T31、T33-温度计，Q-加热器，F1～F3-流量计，A1～A4-正仲氢组分测量计，1、10～12、20～22、30、31、40～46、48、50、60、70、80-管道，L1、L2-液位计。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合本发明实施例及其附图，对本发明的技术方案进行进一步详细描述，但是所描述的实施例是本发明的部分实施例，不是全部。基于本发明的实施例，本领域的技术人员非创造性劳动的其他实施例都属于本发明保护的范围。
如图1所示，公开一种生产不同组分正氢和仲氢的装置，其具体组成包括：常温平衡氢流路、一级平衡氢流路、二级平衡氢流路、一级制冷工质流路、二级制冷工质流路、正仲氢输出氢流路、以及真空绝热冷箱。
具体地，一种生产不同组分正氢和仲氢比的装置包括以下实施方案(以一级温度77K，二级温度20K为例)：
所述装置中所用设备如下，参考图1。室温状态正常氢气通过装置接口J1和调节阀VH2连接至管道1，管道1设有压力计P0并通过调节阀VH2控制装置供气压力。管道1出口分为三路，第一路设有流量计F1并通过调节阀V10连接至常温平衡氢流路管道10，第二路设有流量计F2并通过调节阀V20连接至一级平衡氢流路管道20，第三路设有流量计F3并通过调节阀V30连接至二级平衡氢流路管道30。
所述常温平衡氢流路管道10实现提供常温正常氢、一级正常氢和二级正常氢的功能；所述常温平衡氢流路管道10进入真空绝热冷箱CB后分为两路，一路通过调节阀V11连接至管道41提供常温正常氢(75％正氢+25％仲氢)，另一路经过一级换热器HX1预冷和一级制冷工质热交换单元R1降温后连接至管道11。管道11设有温度计T11和正仲氢组分测量计A1。管道11出口分为两路，一路通过调节阀V12连接至管道42提供一级正常氢(75％正氢+25％仲氢)，另一路通过调节阀V13连接至管道12。管道12经过二级换热器HX2降温和二级制冷工质热交换单元降温后连接至管道44。管道44设有温度计T13，并提供二级正常氢(75％正氢+25％仲氢)。管道41、管道42和管道44的出口连接至正仲氢输出氢流路管道40。
所述一级平衡氢流路管道20实现提供一级平衡氢和二级温度的一级平衡氢的功能；所述一级平衡氢流路管道20进入真空绝热冷箱CB后经过一级换热器HX1预冷和一级制冷工质热交换R1降温以及正仲氢催化转化器OP1连接至管道21。管道21设有温度计T21和正仲氢组分测量计A2。管道21出口分为两路，一路通过调节阀V22连接至管道43提供一级平衡氢(50％正氢+50％仲氢)，另一路通过调节阀V23连接至管道22。管道22经二级换热器HX2预冷和二级制冷工质热交换单元R2连接至管道45。管道45设有温度计T23，并提供二级温度的一级平衡氢(50％正氢+50％仲氢)。管道43和管道45的出口连接至正仲氢输出氢流路管道40
所述二级平衡氢流路管道30实现提供二级平衡氢的功能；所述二级平衡氢流路管道30进入真空绝热冷箱CB后经过一级换热器HX1预冷和一级制冷工质热交换单元R1降温以及正仲氢催化转化器OP2连接至管道31。管道31设有温度计T31，并通过二级换热器HX2预冷和二级制冷工质热交换单元R2降温以及正仲氢催化转化器OP3连接至管道46。管道46设有温度计T33和正仲氢组分测量计A3，并提供二级平衡氢(0.02％正氢+99.8％仲氢)。管道46的出口连接至正仲氢输出氢流路管道40。
所述正仲氢输出氢流路管道40通过混合常温正常氢、一级正常氢、一级平衡氢、二级正常氢、二级温度的一级平衡氢、二级平衡氢的方式实现不同组分的正仲氢的氢气或液氢生产的功能；所述正仲氢输出氢流路管道40设有加热器Q和温度计T4实现正仲氢流体的温度调节；所述正仲氢输出氢流路管道40设有调节阀V40连接至管道48实现正仲氢的压力调节；所述管道48设有压力计P4和正仲氢组分测量计A4；所述正仲氢输出氢流路管道48的出口连接至装置接口J4，所述正仲氢输出氢流路管道48采用真空绝热管道。
所述一级制冷工质热交换单元R1为常温氢气降温至一级温度提供冷源的功能；所述一级制冷工质热交换单元R1设有一级制冷工质入口的管道50和出口的管道60，所述一级制冷工质热交换单元R1设有热流路的换热器H1、换热器H2和换热器H3，所述一级制冷工质热交换单元R1设有压力计P1、温度计T1和液位计L1。所述管道50入口端通过调节阀VR1连接至装置接口J5，所述管道50采用真空绝热管道。一级制冷工质出口的管道60的出口通过调节阀V60连接至装置接口J6。
所述二级制冷工质热交换单元R2为一级温度氢气降温至二级温度提供冷源的功能；所述二级制冷工质热交换单元R2设有二级制冷工质入口的管道70和出口的管道80，所述二级制冷工质热交换单元R2设有热流路的换热器H4、换热器H5和换热器H6，所述二级制冷工质热交换单元R2设有压力计P2、温度计T2和液位计L2。所述管道70入口端通过调节阀VR2连接至装置接口J7，所述管道70采用真空绝热管道。二级制冷工质出口的管道80的出口通过调节阀V80连接至装置接口J8。
所述真空绝热冷箱CB提供装置低温绝热环境的功能；所述真空绝热冷箱CB设有真空泵接口J9，正常工作时要求真空度不高于10-3Pa。
本系统的工作过程如下：
以一级温度为77K、一级平衡氢组分比为50％正氢+50％仲氢，二级温度为20K、二级平衡氢组分比为0.02％正氢+99.8％仲氢为例，获取典型工况正仲氢流体的具体过程如下：
典型工况1、一级温度的25％～50％仲氢的生产操作：打开调节阀VH2并根据需要将压力计P0控制在设定值，打开一级制冷工质入口阀调节阀VR1和出口阀V60并将R1的温度T1、压力P1和液位L1(如适用)控制在设定值。打开调节阀V10和V12并关闭V11和V13通过管道42提供一级正常氢(含25％仲氢)，打开调节阀V20和V22并关闭V23通过管道43提供一级平衡氢(含50％仲氢)。根据正氢仲氢比例要求，通过调节阀V10调节常温平衡氢流路10的流量F1，通过调节阀V20调节一级平衡氢流路20的流量F2，并通过正仲氢组分测试计A4的结果进一步微调调节阀V12和V22，实现一级温度的25％～50％仲氢的生产。
典型工况2、一级温度的50％～99.8％仲氢的生产操作：打开调节阀VH2并根据需要将压力计P0控制在设定值，打开一级制冷工质入口阀调节阀VR1和出口阀V60并将R1的温度T1、压力P1和液位L1控制在设定值。打开二级制冷工质入口阀调节阀VR2和出口阀V80并控制R2的温度T2、压力P2和液位L2(如适用)在设定值。打开调节阀V20和V22并关闭V23通过管道43提供一级平衡氢(50％仲氢)，打开调节阀V30通过管道46提供二级平衡氢(含99.8％仲氢)。根据正氢仲氢比例要求，通过调节阀V20调节常温平衡氢流路20的流量F2，通过调节阀V30调节一级平衡氢流路30的流量F3，并通过正仲氢组分测试计A4的结果进一步微调调节阀V22，实现一级温度的50％～99.8％仲氢的生产。
典型工况3、二级温度的25％～50％仲氢的生产操作：打开调节阀VH2并根据需要将压力计P0控制在设定值，打开一级制冷工质入口阀调节阀VR1和出口阀V60并控制R1的温度T1、压力P1和液位L1在设定值，打开二级制冷工质入口阀调节阀VR2和出口阀V80并控制R2的温度T2、压力P2和液位L2(如适用)在设定值。打开调节阀V10和V13并关闭V11和V12通过管道44提供二级温度的一级正常氢(含25％仲氢)，打开调节阀V20和V23并关闭V22通过管道45提供二级温度的一级平衡氢(含50％仲氢)。根据正氢仲氢比例要求，通过调节阀V10调节常温平衡氢流路10的流量F1，通过调节阀V20调节一级平衡氢流路20的流量F2，并通过正仲氢组分测试计A4的结果进一步微调调节阀V13和V23，实现二级温度的25％～50％仲氢的生产。
典型工况4、二级温度的50％～99.8％仲氢的生产操作：打开调节阀VH2并根据需要将压力计P0控制在设定值，打开一级制冷工质入口阀调节阀VR1和出口阀V60并控制R1的温度T1、压力P1和液位L1在设定值，打开二级制冷工质入口阀调节阀VR2和出口阀V80并控制R2的温度T2、压力P2和液位L2(如适用)在设定值。打开调节阀V20和V23并关闭V22通过管道45提供二级温度的一级平衡氢(含50％仲氢)，打开调节阀V30通过管道46提供二级平衡氢(含99.8仲氢)。根据正氢仲氢比例要求，通过调节阀V20调节常温平衡氢流路20的流量F2，通过调节阀V30调节二级平衡氢流路30的流量F3，并通过正仲氢组分测试计A4的结果进一步微调调节阀V23，实现二级温度的50％～99.8％仲氢的生产。
典型工况外的正仲氢生产操作：典型工况1～4能够实现25％～99.8％连续仲氢组分的生产。此外，通过打开加热器Q控制T4温度能够实现典型工况外正仲氢流体的温度连续调节，通过调节阀V40控制P4压力能够实现正仲氢流体的压力连续调节。
以上具体实施方式中的给出的一级温度和二级温度可根据不同组分正氢和仲氢要求采用相应的制冷工质或低温制冷机实现。
综上可见，本发明实施例能够实现不同组分正氢和仲氢的生产，提供的六路典型温度和正仲氢组分比的流体能够根据需求选择合适的组合方式以降低装置能耗或减少流程操作，满足工程应用和科学研究对不同工况正仲氢的需求。
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。
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