CN115337870B - 一种适用有机液态储氢的锥形旋转填充床脱氢反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用有机液态储氢的锥形旋转填充床脱氢反应器，涉及有机液态储氢设备技术领域。其包括反应器本体，在反应器本体内设置锥形旋转填充床，锥形旋转填充床包括支撑体和填料，填料整体形状为下窄上宽的锥形体，填料位于支撑体的内壁上，且填料与支撑体的内壁紧密贴合在一起，通过支撑体对填料的形状进行限制；本发明脱氢反应器，通过调节转轴的转速可对支撑体的旋转速度进行控制，即通过调整支撑体的转速来达到调节反应速率的目的，通过增加填料与反应物的相对速度，从而使得反应表面快速更新，避免了由于氢气聚集并长时间停留在床层阻碍传热，并进一步导致催化剂表面干燥、甚至是结焦失活的情况的发生。

Description

一种适用有机液态储氢的锥形旋转填充床脱氢反应器

技术领域

本发明涉及有机液态储氢设备技术领域，具体涉及一种适用于有机液态储氢的锥形旋转填充床脱氢反应器。

背景技术

氢能作为能量密度高、便于储运、清洁高效的二次能源，是未来能源技术的发展方向之一。其中有机液体储氢技术具有储氢量大、压力低、安全可靠性好等优点，同时有机液体储氢材料便于储运因此成为研究热点之一。但是有机储氢液体脱氢过程中存在一定问题：首先，脱氢反应是放热过程，但反应原料需要预热，需要合理的热设计；其次，脱氢过程放出大量氢气，在反应器热设计不当的情况下，氢气聚集并长时间停留在床层造成压力陡增、反应停滞同时过量气体阻碍传热过程，外部持续提供热量会进一步引起床层温度过高，最后导致催化剂表面干燥，甚至是结焦失活。因此，对脱氢反应器的总体设计提出了苛刻要求。

综上所述，现有技术中的脱氢反应器还需进一步改进，对脱氢反应器进行重新设计尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用有机液态储氢的锥形旋转填充床脱氢反应器，其通过增加填料与反应物的相对速度，从而使得反应表面快速更新，提高了反应效率，避免了由于氢气聚集并长时间停留在床层阻碍传热，并进一步导致催化剂表面干燥、甚至是结焦失活的情况的发生。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种适用有机液态储氢的锥形旋转填充床脱氢反应器，其包括反应器本体，所述的反应器本体设置有进液口和排气口，在所述的反应器本体内设置锥形旋转填充床，所述的锥形旋转填充床包括支撑体和填料，所述的填料整体形状为锥形体，且所述的锥形体为下窄上宽设计，在所述的支撑体的内壁设置所述填料，且所述的填料与支撑体的内壁紧密贴合在一起，通过所述的支撑体对填料的形状进行限制；

在所述的支撑体的中心贯穿设置有转轴，所述的转轴的两端贯穿分别贯穿所述的反应器本体的顶面和底面，位于反应器本体下方的转轴的端部设置有皮带轮，通过所述的转轴带动支撑体转动；

在所述的支撑体的底部设置有冷却液折板，所述的冷却液折板的下方设置有冷却液托盘，所述的冷却液托盘设置在所述的反应器本体的底部；

所述的支撑体的两侧的顶端设置有反应产物折板，所述的反应产物折板的下方设置有反应产物托盘，所述的反应产物托盘连接有排液口；

在所述的反应器本体的侧方设置有冷却液进液口，在所述的反应器本体的底部设置有冷却液排液口。

作为本发明的一个优选方案，所述的支撑体的两侧相对转轴呈左右对称。

作为本发明的另一个优选方案，所述的冷却液进液口处连接有冷却液喷嘴，所述的冷却液进液口设置有1～3个，冷却液喷嘴的数量与冷却液进液口的数量相同，不同的冷却液喷嘴的朝向不同。

优选的，位于反应器本体上方的转轴的端部设置有旋转接头。

优选的，所述的转轴与反应器本体之间通过轴承连接。

优选的，所述的进液口连接有进液管，所述的进液管垂直伸入所述的反应器本体内，且进液管的底端位于转轴与支撑体贯穿处的上方。

优选的，所述反应产物托盘的一侧安装在反应器本体的内壁上，与反应产物托盘连接的排液口位于反应器本体的外侧壁上。

优选的，所述的反应产物折板的剖视图为倒L形，其包括水平段和垂直段，所述的垂直段朝下。

优选的，所述的冷却液托盘的半径小于所述的冷却液折板的半径，所述的冷却液折板的下缘低于所述的冷却液托盘的上缘。

本发明的另一目的在于提供上述的适用有机液态储氢的锥形旋转填充床脱氢反应器的使用方法，依次包括以下步骤：

a、确保转轴处于工作状态，物料从进液口进入，转轴带动支撑体转动；

b、物料经过进液口、进液管落入填料上，当填料保持恒定转速时，流经填料的物料液面与支撑体的壁面平行，在离心力和重力影响下沿着锥形旋转填充床的内壁面向上流，同时流过填料进行脱氢反应；

c、经过脱氢反应产生的氢气在离心力和重力的作用下快速脱离填料，进入锥形旋转填充床中心，由排气口脱出，未反应物料迅速填补空隙，可降低催化剂表面温度；

d、填料下部设置有导热油喷射口，通过导热油喷射口将导热油喷射向支撑体外壁对支撑体及填料进行控温，并通过冷却液进液口向支撑体及填料喷射冷却液对其进一步控温。

与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：

(1)锥形旋转填充床保证了放出的大量氢气有充分的输运空间，降低了高压对反应器壁面厚度的要求，提高了安全性；

(2)旋转产生的离心力使得反应产生的氢气快速脱离填料，提高了储氢液体与催化剂的接触面积，进一步提高了反应速率；

(3)氢气快速脱离填料，未反应原料液体能够迅速填补空隙，可以降低催化剂表面温度，防止催化剂结焦失活；

(4)支撑体高速旋转提高了液体与催化剂床层的相对速度，提高反应速率；同时调节支撑体转速可以快速调节反应速率；

(5)利用多喷射口喷射，在预热反应物料的同时，精确调节催化剂填料温度，既能减少外置换热器的换热损失，又能高效调节脱氢反应器温度，提高反应效率。

综上所述，本发明脱氢反应器通过高速旋转形成离心力环境，物料液体流动过程中被填料剪切，增加了填料与反应物相对速度，使得反应表面快速更新，提高了反应效率；而且由于极好的微观混合，提高了反应的选择性和可控性。

脱氢反应器利用特殊的填料构造，在旋转条件下实现脱氢反应器超重力环境，利用浮升力和离心力作用，实现氢气的快速脱出、反应物和催化剂颗粒的高效混合，降低催化剂结焦风险，平衡反应器内氢气压力，达到降低安全风险、提高脱氢效率的目的。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明脱氢反应器的结构示意图；

图中：

1-旋转接头，2-轴承，3-排气口，4-进液口，5-反应产物折板，6-填料，7-排液口，8-反应产物托盘，9-支撑体，10-冷却液折板，11-转轴，12-皮带轮，13-冷却液托盘，14-冷却液排液口，15-冷却液进液口，16-冷却液喷嘴。

具体实施方式

本发明提出了一种适用有机液态储氢的锥形旋转填充床脱氢反应器，为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明一种适用有机液态储氢的锥形旋转填充床脱氢反应器，包括反应器本体，反应器本体优选为罐状设计，反应器本体的顶面上设置开口。

在开口处设置转轴11，转轴11贯穿位于开口处的轴承2，并且伸入反应器本体内，经过反应器本体的底部伸出，伸出反应器本体的端部设置皮带轮12，转轴的顶端设置旋转接头1，通过设置皮带轮和皮带方便其与动力源进行连接，如电机等，通过开启动力源，即可带动转轴进行旋转。通过控制电机的转速，可以实现对放氢速率和反应器放氢速率的控制。

为了便于反应原料的添加，在反应器本体的顶部设置有进液口4，通过该进液口4向反应器本体内添加原料液，在进液口附近的反应器本体的顶部还设置有排气口3，脱氢反应产生的气体从该排气口3排出，该排气口3与气体收集装置连接，将反应产生的气体进行收集。

作为本发明的一个主要改进点，在反应器本体内设置有锥形旋转填充床，锥形旋转填充床包括支撑体9和填料6，支撑体9的作用是对填料的形状进行限制，并且支撑体的中心处连接在转轴上，通过转轴的旋转来带动支撑体旋转，进一步带动填料进行旋转。

通过对填料的形状做进一步改进，将填料6整体形状设计为锥形体，且所述的锥形体为下窄上宽设计，填料的垂直截面形状为下窄上宽的抛物线形，与填料6配合的支撑体9的内壁面为下窄上宽的抛物线形设计，且开口朝上，这样的设计方式目的在于，当支撑体在转轴的作用下保持恒定转速时，流经填料6的有机液体液面与壁面处处平行，抛物线参数曲线为：

式中：h为支撑体9壁面高度，r为支撑体9壁面半径，ω为支撑体9旋转角速度，g为当地重力加速度，h₀为转子9壁面最低处高度。同时，为了保证液相流速，可以在同半径的情况下设置略低的壁面高度，即调高支撑体9开口的张角。

将填料的整体形状设计为上宽下窄的锥形体，当液体物料有进液口4在支撑体中心通入后，在离心力和重力影响下沿着支撑体壁面上流，同时流过填料进行脱氢反应，并由支撑体的外缘排出支撑体，最终由排液口排出。

液体物料脱氢反应产生的氢气在离心力和浮升力的作用下快速脱离填料6，进入锥形反应器中心，由支撑体9上部脱出。氢气流动过程中锥形反应器内部空间逐渐扩大，降低氢气压力。

优选，在填料下部可以设置有导热油喷射口，喷射口将导热油喷射向支撑体外壁对支撑体及填料进行升温。或者，可以利用电加热装置，在转子末端向脱氢反应器提供稳定热量。

上述的方案中，也可以选择预热过的有机液体原料作为加热用导热油通入，预热完成后的液体由托盘收集，泵入进料装置。

进一步优选，在反应器本体的侧方设置有冷却液进液口15，在反应器本体的底部设置有冷却液排液口14。冷却液进液口处连接有冷却液喷嘴16，冷却液进液口设置有1～3个，冷却液喷嘴的数量与冷却液进液口的数量相同，不同的冷却液喷嘴的朝向不同。

优选多个冷却液喷嘴的高度也不相同，可以实现对支撑体外壁的不同高度的喷射，通过不同冷却液喷嘴的流量区别，对支撑体不同位置处进行控温，实现更高反应效率。

支撑体9和反应器本体的主腔室之间设置有密封结构；同时支撑体9两侧顶端的外壁上均设置反应产物折板5，反应产物折板的下方设置有反应产物托盘8，反应产物托盘连接有排液口7；反应产物折板5的设计保证脱氢完成后的有机液体不沿外壁流入冷却剂，冷却剂不沿外壁流到转轴11处；通过反应产物托盘8分别承接反应产物和冷却剂，优选反应产物托盘半径小于反应产物折板半径，同时保证反应产物折板下缘低于反应产物托盘上缘。在支撑体的底部设置有冷却液折板10，冷却液折板的下方设置有冷却液托盘13，冷却液托盘13设置在反应器本体的底部；

上述的呈抛物线形的支撑体的两侧相对转轴呈左右对称，以对填料的形状进行更好的限定。

优选的，转轴与反应器本体之间通过轴承连接，通过轴承连接使得转轴实现360度旋转。

优选的，所述反应产物托盘的一侧安装在反应器本体的内壁上，与反应产物托盘连接的排液口位于反应器本体的外侧壁上。

上述的的反应产物折板的剖视图为倒L形，其包括水平段和垂直段，垂直段朝下。相当于反应产物折板的外缘先水平延伸，再垂直向下，这样的设计方式便于反应产物落入反应产物托盘中。

在支撑体和反应器本体的主腔室之间设置有密封结构，通过密封结构的设置，可以保证氢气由支撑体上部单向的流入反应器本体的主腔室，并由排气口3排出。

下面对本发明适用有机液态储氢的锥形旋转填充床脱氢反应器的工作原理做如下说明。

第一步、通过皮带和皮带轮连接电机，开启电机，带动转动轴进行旋转，将称量好的液态物料从进液口加入，随着进液管物料向下进入反应器本体内；转轴带动支撑体转动，并带动填料转动；

第二步、物料经过进液口、进液管落入支撑体中心，并随着支撑体的转动向上进入填料，当支撑体和填料保持恒定转速时，流经填料的物料液面与支撑体的壁面平行，在离心力和重力影响下沿着锥形旋转填充床的内壁面向上流，同时流过填料进行脱氢反应；

第三步、经过脱氢反应产生的氢气在离心力和重力的作用下快速脱离填料，进入锥形旋转填充床中心，由排气口脱出，未反应物料迅速填补空隙，可降低催化剂表面温度，并防止催化剂结焦失活；

第四步、填料下部设置有导热油喷射口，通过导热油喷射口将导热油喷射向支撑体外壁对支撑体及填料进行控温，并通过冷却液进液口向支撑体及填料喷射冷却液对其进一步控温。

综上所述，本发明脱氢反应器，特别适用于有机储氢液体脱氢过程的特点，通过对脱氢反应器进行改进，脱氢反应产生的气体更容易从填料中脱出，避免了在反应器中心聚集导致的催化剂失活、结焦等问题的发生。通过调节转轴的转速可对支撑体的旋转速度进行控制，即通过调整支撑体的转速来达到调节反应速率的目的，因此，本发明是一种高效脱氢反应器，且结构简单，值得推广应用。

本发明中未述及的部分借鉴现有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种适用有机液态储氢的锥形旋转填充床脱氢反应器，其包括反应器本体，所述的反应器本体设置有进液口和排气口，其特征在于：

在所述的反应器本体内设置锥形旋转填充床，所述的锥形旋转填充床包括支撑体和填料，所述的填料整体形状为锥形体，且所述的锥形体为下窄上宽设计，在所述的支撑体的内壁设置所述填料，且所述的填料与支撑体的内壁紧密贴合在一起，通过所述的支撑体对填料的形状进行限制；

在所述的支撑体的中心贯穿设置有转轴，所述的转轴的两端分别贯穿所述的反应器本体的顶面和底面，位于反应器本体下方的转轴的端部设置有皮带轮，通过所述的转轴带动支撑体转动；

在所述的支撑体的底部设置有冷却液折板，所述的冷却液折板的下方设置有冷却液托盘，所述的冷却液托盘设置在所述的反应器本体的底部；

所述的支撑体的两侧的顶端设置有反应产物折板，所述的反应产物折板的下方设置有反应产物托盘，所述的反应产物托盘连接有排液口；

在所述的反应器本体的侧方设置有冷却液进液口，在所述的反应器本体的底部设置有冷却液排液口；

所述填料的垂直截面形状为下窄上宽的抛物线形。

2.根据权利要求1所述的一种适用有机液态储氢的锥形旋转填充床脱氢反应器，其特征在于：所述的支撑体的两侧相对转轴呈左右对称。

3.根据权利要求1所述的一种适用有机液态储氢的锥形旋转填充床脱氢反应器，其特征在于：所述的冷却液进液口处连接有冷却液喷嘴，所述的冷却液进液口设置有1～3个，冷却液喷嘴的数量与冷却液进液口的数量相同，不同的冷却液喷嘴的朝向不同。

4.根据权利要求1所述的一种适用有机液态储氢的锥形旋转填充床脱氢反应器，其特征在于：位于反应器本体上方的转轴的端部设置有旋转接头。

5.根据权利要求4所述的一种适用有机液态储氢的锥形旋转填充床脱氢反应器，其特征在于：所述的转轴与反应器本体之间通过轴承连接。

6.根据权利要求1所述的一种适用有机液态储氢的锥形旋转填充床脱氢反应器，其特征在于：所述的进液口连接有进液管，所述的进液管垂直伸入所述的反应器本体内，且进液管的底端位于转轴与支撑体贯穿处的上方。

7.根据权利要求1所述的一种适用有机液态储氢的锥形旋转填充床脱氢反应器，其特征在于：所述反应产物托盘的一侧安装在反应器本体的内壁上，与反应产物托盘连接的排液口位于反应器本体的外侧壁上。

8.根据权利要求1所述的一种适用有机液态储氢的锥形旋转填充床脱氢反应器，其特征在于：所述的反应产物折板的剖视图为倒L形，其包括水平段和垂直段，所述的垂直段朝下。

9.根据权利要求1所述的一种适用有机液态储氢的锥形旋转填充床脱氢反应器，其特征在于：所述的冷却液托盘的半径小于所述的冷却液折板的半径，所述的冷却液折板的下缘低于所述的冷却液托盘的上缘。

10.根据权利要求1～9任一项所述的适用有机液态储氢的锥形旋转填充床脱氢反应器的使用方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

a、确保转轴处于工作状态，物料从进液口进入，转轴带动支撑体转动；

b、物料经过进液口、进液管落入填料上，当填料保持恒定转速时，流经填料的物料液面与支撑体的壁面平行，在离心力和重力影响下沿着锥形旋转填充床的内壁面向上流，同时流过填料进行脱氢反应；

c、经过脱氢反应产生的氢气在离心力和重力的作用下快速脱离填料，进入锥形旋转填充床中心，由排气口脱出，未反应物料迅速填补空隙，可降低催化剂表面温度；

d、填料下部设置有导热油喷射口，通过导热油喷射口将导热油喷射向支撑体外壁对支撑体及填料进行控温，并通过冷却液进液口向支撑体及填料喷射冷却液对其进一步控温。