正仲氢催化转化性能测试

正仲氢催化转化性能测试平台中的低温杜瓦系统是平台的核心，主要设备为氢气冷却的换热器和正仲氢催化转化反应的反应器，气、液管路等。通过流程改进，实现温度可控，入口原料氢组分比例可调节，可选择等温反应、绝热反应模式，并可实现两级的连续转化反应模式，如图：

低温杜瓦内氢气流程为:

1)氢气预冷和 77K正仲氢催化转化反应

两路进气管道分别与氢气源连接，且设有流量控制器。1号进气管路连接预冷换热器、仲氢生成反应器，Ⅱ号进气管路连通预冷换热器。预冷换热器和仲氢生成反应器均置于液氮槽中液氮浴，由液氮中液氮等冷媒充当冷源。1路氢气经冷却后，经仲氢生成反应器后完全反应为液氨温区(77K)平衡(仲氢含量 51%)，Ⅱ路氢气冷却后，通入混合室(仲含量25%)。

仲氢生成反应器采用可装卸设计，且催化剂种类可更换。如果号进气管路关闭，则可作为77K正仲氢催化剂性能测试装置，填充不同种类、数量的催化剂，或改变填充方式，测量其生成仲氢组分以评估催化性能。

2)预反应氢气混合

两路氢气在混合室中充分混合，通过调节两路氢气进气比例，可实现预反应原料氢 25-51%的仲氢组分控制，由此可作为连续反应的实现方式。为检测77K预反应是否充分，引出一路取样通路至仲氢组分分析仪。

3)预反应氢气进一步预冷

混合后的待反应原料氢，进入回热换热器，同20K反应后高浓度仲氢换热，以减小 GM制冷机热负荷。

4)20K正仲氢催化转化反应测试

回热换热完成后，待反应氢气作为原料气体，通入和GM制冷机冷头充分换热的热沉流道中，对其进行进一步冷却。冷却至20K左右进入待测反应器，待测反应器采取可拆卸设计，根据选择反应模式的不同(等温反应或绝热反应)，选择待测反应器形式(热沉填充催化剂或独立绝热反应器)。

此处开展的测试温度可控，且催化剂同样可更换。通过改变进气氢气质量流量改变空速，从而获得如图1.10 所示的反应后仲含量-空速数据曲线，在更广的空速、温度、压力范围内综合测评催化转化性能。

5)仲氢组分分析和安全排放

经过 20K温区反应后的仲氢，再次进入回热换热器回收冷量，经回热处理温度上升至可分析温度，进入仲氢组分分析仪，经仲组分分析后，安全排放至室外。

图：真空杜瓦与液氮槽内流程

预冷换热器功能

液氮槽中的预冷换热器 HX1和 HX2是浸泡在液氮浴中两根螺管，作用是将氢气冷却至液氮温度(77K)，其尺寸规格、材质和低温杜瓦中气管路尺寸规格、材质保持一致，即为1/4x0.035in316L不锈钢管绕制而成。预冷换热器HX1连接1号进气管路，经预冷后气通入仲氢生成反应器中，完成液氨温区正仲氢催化转化反应，反应后仲氢组分约为51%。预冷换热器HX2连接Ⅱ号进气管路，经过冷却后的原料氢(仲组分25%)直接同混合室相连接两股预反应氢气在混合室中充分混合。

换热器管路在液氨液面以上部分由蒸发的冷氨气冷却，在液氨液面以下部分由沸腾的液氮冷却。出于设计方便的考虑，设计液氨液面以下的部分具有足够的换热能力确保氢气可完成预冷，待确定液氨液面以下的部分管路尺寸后，适当延长管路长度作为暴露在液氨液面以上部分。

表：预冷换热器尺寸参数

图：预冷换热器三维建模

回热换热器设计

回热换热器 HX3 拟采用套管式对流换热器，利用第二级反应后的气(20 K)冷却第一级反应后氢气(77K)，以回收冷量，减小GM制冷机热负荷。

为减小焊接过程中的变径，回热换热器内管管径和氢气管道选择相同尺寸(内管1/4x0.035in，外管1/2x0.083in，换算为毫米尺寸如表3.8所示)，为了换热充分，令经过第二级反应后温度较低仲氢走内管，第一级反应后温度较高待反应氢气走外管。

热沉设计

热沉是经铸造加工而成的带通孔金属块，选用导热能力良好的紫铜材质，其中间空心，中间开洞尺寸根据标准GM制冷机冷头尺寸设计。为了同GM制冷机冷头实现良好配合安装，空隙处使用特氟龙填充，以保障其良好导热能力。外部包裹多层隔热材料，以减小冷量损失。热沉和GM制冷机连接方式如图所示。

热沉作用

热沉的作用是同GM 制冷机冷头充分换热。通过真空绝热、包裹多层绝热材料实现近似等温反应，充当换热器 HX4和等温反应器，根据换热需求设置内部流道，流道直径同氢气管路等径，其内部构造如图所示:

图：热沉及内部流道

热沉的密封

热沉为了实现氢气换热与催化剂的填充，需要设计可拆卸安装两端封盖。热沉封盖采用螺栓固定，工作温度为20K，考虑到低温工况下不可采用常规的橡胶密封，为了防止氢气泄漏，需要采用特殊材质的密封垫。

在进行低温密封研究时对比了几种密封材料的性能，发现铟丝和金属O圈在低温下的密封效果都较好。热沉安装封盖时在连接位置采用铟丝密封，并在安装完成后在缝隙处填涂低温密封胶，以实现良好密封。安装位置如图所示。

液氮槽设计

液氨槽是实现氢气预冷、液氨温区正仲氢预反应、预反应氢气混合的场所，其结构是圆柱体真空压力容器。顶部法兰盖有供液氨进入、气进出、气回气的数组开口。并利用吊杆悬吊在低温杜瓦法兰盖上以方便安装。液氨槽顶部开口有:两个原料气入口、一个预反应气出口、一个液真空管接口、一个氮气回气接口、一组为测量液位的预留分析接口。

3.7.2 液氮槽壳体尺寸计算

液氨槽壳体由法兰盘和简体组成，主要材质是 304不锈钢，为了减小液氨加注时温度骤降产生应力集中，采用外压椭圆形封头。

液氮槽法兰盖是外径为335mm，厚10mm的盖板。上有各类开口，为了减小钻孔数量，尽量采用大通孔焊接顶盖的开口设计方式。液氨槽筒壁的外径尺寸为280mm，高度700mm，安装后距离低温杜瓦底部约120mm。法兰盖同简体的连接方式为螺栓接，采用M10x12螺栓。

通过查阅真空设计手册中压力容器圆简壁厚参考，外压p-0.1Mpa，在公称直径小于 400mm，压力容器长径比小于3时，可选圆简壁厚为4mm，取液氮槽壳体壁厚为4mm。给出液氮槽外壳主要参数，如表所示。

表：液氮槽主要尺寸参数

低温杜瓦设计

低温杜瓦作用是提供氢气预冷和正仲氢催化转化反应的必要冷量，并作为部件安装的支撑框架。除氢气进出管路、液氨真空管、气回气管、预冷换热器、正仲氢转化器等，还需预留GM制冷机安装接口，外部测量接口、真空抽口等，以实现氢气反应监控和运行状况测量。

低温杜瓦为圆柱形真空压力容器。综合考虑内部部件尺寸，部件安装尺寸加工成本和经济性，大部分开口置于杜瓦法兰盖:包括六个气体进出口、一个GM制冷机接口、一组航空插头、一个真空抽口、两组预留分析口。低温杜瓦内部包含一个液氮槽(内含液氮温区仲生成反应器、预冷换热器、混合室)、一个回热换热器、一个20K待测正仲氢反应器(根据反应方式选择有不同)。根据流程需要将不同部件连接，其中活动部件采用VCR径向密封，其余非活动部件均采用氙弧焊。为采集运行过程中温度、压力、流量等数据，在测量位置安装压力变送器、温度传感器等，电流信号通过航空插头输送至分析系统。

图：低温杜瓦三维结构示意图

江苏航烨能源公司一直致力于制冷设备的研发和制冷技术的创新，如果您有需求，欢迎来电咨询。