[发明专利]一种利用低温氦气作为冷源的氢气流动传热与催化转化测试平台

说明书

本发明公开了一种利用低温氦气作为冷源的氢气流动传热与催化转化测试平台，常温高压氢气经过回热器和液氮浴预转化器达到近液氮温度后进入换热测试单元；回热器分别布置在液氮浴预转化器上游和下游，与经过换热测试单元换热后回流的低温氢气换热，分别回收液氮温区以上及以下的冷量；液氮浴预转化器使原料氢发生预冷及预转化；氦气制冷单元提供冷量，并通过温控及流量控制设备使经冷面冷却后的氦气达到特定温度；通过一系列旁通阀可调节换热测试单元入口的温度、流量、正仲氢浓度获得多种工况数据。本发明的测试平台可达到液氮温区以下，并对不同工况、不同结构换热单元的性能进行测试，获得液氮温区和液氢温区之间的氢换热、流动、转化数据。

技术领域

本发明属于低温氢换热流动及转化领域，尤其是涉及一种利用低温氦气作为冷源的氢气流动传热与催化转化测试平台。

背景技术

氢具有两种自旋异构体，即正氢和仲氢，在常温下，平衡态的氢气中正仲氢浓度比为3：1，随着温度降低，对应平衡的仲氢浓度会逐渐升高，正氢会自发缓慢地向仲氢转化，并伴随着释放热量。若不提前进行正仲氢转化，则液化产品中的正氢会自发缓慢地向仲氢转化并放热，从而导致蒸发损失。因此正仲氢转化是氢液化中不可或缺的重要环节。

正仲氢的自发转化非常缓慢，在氢液化工艺中常采用催化剂加速正仲氢反应。根据转化条件，目前常见的反应方法包括绝热转化、等温转化和连续转化，其中连续转化被认为是最为高效，为实现正仲氢连续转化，常用的方法是将催化剂置于氢液化换热器内，将氢气的换热流动过程和转化过程相结合，使转化在降温过程中连续发生。

如公开号为CN114353563A的中国专利文献公开了一种分温区组合式正仲氢连续转化低温氢气板翅式换热器，包括组合连接的多个换热器，每个换热器均包括多层均匀排布的换热翅片及隔板组成的换热器主体；所述换热器主体一端的换热器封头上设有热流体进口和冷流体出口，另一端换热器封头上设有热流体出口和冷流体进口；所述的热流体进口通过换热器主体内的热流体通道与热流体出口连通，所述的冷流体出口通过换热器主体内的冷流体通道与冷流体进口连通；随温度梯度方向，每个换热器对应一个换热温区；每个换热器的热流体通道内至少设有一个填装区间，在不同的填装区间内设置不同的高活性正仲氢转化催化剂。

公开号为CN103836333A的中国专利文献公开了一种仲氢绝热转化制冷装置，主要包括液氢储罐、转化器、催化剂、节流孔、氢气引导管、冷凝换热器、放空引出管和阀门组成。液氢储罐内部顶端安装有转化器、节流孔、氢气引导管和冷凝换热器，转化器内装有仲氢转化催化剂，节流孔一端接转化器，另一端接氢气引导管，冷凝换热器两端分别与氢气引导管和放空引出管相接，放空引出管伸到液氢储罐外，并与阀门相连。

将换热流动过程与正仲氢转化过程相结合的换热器，换热器的流道内需要填充催化剂，结构相比于寻常换热器更为复杂，同时由于影响因素众多，其内部的换热流动过程也更为难以预测。因此，连续转化的实验数据十分有限，尤其是液氮温度(78K)以下，相关数据的匮乏也限制了该方法在工业上的应用。亟需低温下准确可靠的换热流动及转化数据，为氢液化流程中的正仲氢转化设计提供参考，促进连续转化在氢液化工业中的应用。

发明内容

本发明提供了一种利用低温氦气作为冷源的氢气流动传热与催化转化测试平台，可获得不同工况下的温度分布、压降、催化剂用量、正仲氢浓度等一系列基础数据。

一种利用低温氦气作为冷源的氢气流动传热与催化转化测试平台，用于对换热测试单元进行测试，包括：配气系统、一级回热器、液氮浴预转化器、二级回热器、氦气制冷单元、复温器及气相色谱仪；

其中，所述的配气系统包括高压氢气瓶、高压氮气瓶和真空泵，高压氮气瓶位于高压氢气瓶输出管路的旁通支路上，并连接真空泵；

高压氢气瓶顺次串接氢流量计、氢气流量调节阀后分为两条支路，其中一条支路顺次流经复温器的热流体侧、一级回热器的热流体侧、液氮浴预转化器中的正仲氢催化盘管；另一条支路流经浓度旁通阀后进入液氮浴预转化器，并与流经正仲氢催化盘管的氢气汇合；