一种集成规整结构催化剂层的低温氢气换热器制造技术

本发明专利技术公开了一种集成规整结构催化剂层的低温氢气换热器，相邻两块隔板间放置传热翅片与导流翅片、封条组成冷流体通道夹层；相邻两块隔板间放置规整结构催化剂层与导流翅片、封条组成热流体通道夹层；冷流体通道夹层和热流体通道夹层交替叠置，焊接成换热器芯体；低温氢气换热器上的冷流体入口通过冷流体通道夹层与冷流体出口连接，低温氢气换热器上的热流体入口通过热流体通道夹层与热流体出口连接；规整结构催化剂层包括由多层金属平板叠置而成的结构基体，每层金属平板上均匀设有热流体通道；热流体通道的内壁面依次涂覆有分散载体和催化剂涂层。利用本发明专利技术，可以解决氢液化过程中催化与换热集成式低温氢气换热器压降大、整体效率低的问题。整体效率低的问题。整体效率低的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种集成规整结构催化剂层的低温氢气换热器


[0001]本专利技术涉及氢液化换热器
，尤其是涉及一种集成规整结构催化剂层的低温氢气换热器。

技术介绍

[0002]氢能是目前全球脱碳能源系统最有前途的能源载体之一。液氢是一种非常优秀的能源，具有高能量密度、清洁环保、可再生、安全性高等优点，适合用于大规模储运与应用。液氢的使用可以减少对传统石油、天然气等有限资源的依赖，减少环境污染，是未来发展能源的一个重要方向。
[0003]氢分子可根据氢原子核自旋状态的不同，分为正氢和仲氢两种。在常温下，氢气由75％的正氢和25％的仲氢组成。当温度降低到20K时，仲氢的比例逐渐增加，直到液氢温度下，仲氢的平衡浓度接近100％。由于正仲氢自发转化速率极慢，正常氢在直接液化后仍含有大量的正氢。由于正仲氢转化放热高于液氢的气化潜热，若液氢中的正氢转化为仲氢，将会导致液氢蒸发损失。因此，在液化过程中，采用高效的正仲氢转化催化剂可以加速转化速率，使正仲转化可以在氢液化过程中同步完成，从而降低液氢蒸发损失，提高液氢的贮存稳定性。
[0004]催化与换热集成式低温氢气换热器是大型氢液化技术的关键设备。与传统的催化器和换热器分开布置的方案相比，其特点是：一体化设计，结构紧凑，占用空间小，安装和维护成本低；可以同时降温和转化氢气，大大提高液化效率，降低能量损失和设备成本；可以将氢气液化后直接送入贮槽中，大大降低液化过程中氢气的蒸发损失，减少氢气的蒸发和泄漏，提高氢气的储存和运输效率。
[0005]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。
[0006]但目前所公开的是由众多具有一定粒径及形状的催化剂颗粒随机堆积而填充于换热器内，其最大特征是催化剂颗粒的不均匀分布，导致反应流体的不均匀流动、通过催化剂的压降过大、整体效率低和由于压降大带来的操作成本高等问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种集成规整结构催化剂层的低温氢气换热器，可以解决氢液化过程中催化与换热集成式低温氢气换热器压降大、整体效率低的问题。
[0008]一种集成规整结构催化剂层的低温氢气换热器，所述的低温氢气换热器内包含导流翅片、封条、规整结构催化剂层、隔板和传热翅片；
[0009]相邻两块隔板间放置传热翅片与导流翅片、封条组成冷流体通道夹层；相邻两块隔板间放置规整结构催化剂层与导流翅片、封条组成热流体通道夹层；
[0010]冷流体通道夹层和热流体通道夹层交替叠置，焊接成换热器芯体并集成在低温氢气换热器中；低温氢气换热器上的冷流体入口封头接管通过冷流体通道夹层与冷流体出口封头接管连接，低温氢气换热器上的热流体入口封头接管通过热流体通道夹层与热流体出口封头接管连接；
[0011]所述的规整结构催化剂层包括由多层金属平板叠置而成的结构基体，每层金属平板上均匀设有开槽构成热流体通道；所述热流体通道的内壁面依次涂覆有分散载体和催化剂涂层。
[0012]进一步地，所述低温氢气换热器的制作工艺如下：
[0013]S1，将金属平板开槽，叠置多层金属平板制作规整结构的结构基体；每层金属平板之间在910～1012℃范围内采用瞬时液相扩散焊技术使得多层平板为一个整体；
[0014]S2，制作热流体通道夹层和冷流体通道夹层，将冷流体通道夹层和热流体通道夹层交替叠置，在600～750℃范围内钎焊成换热器芯体并集成在换热器中，形成带有结构基体的集成换热器；
[0015]S3，换热器初步集成后，使用浸渍提拉法或循环泵入方法对热流体通道的内壁面涂覆分散载体的涂覆液，然后在100～150℃充分干燥，干燥后放入温度为450～650℃的炉中烧结；进行多次涂覆步骤，直到分散载体的负载量达到要求；
[0016]S4，分散载体负载后，通过循环泵入的方法对热流体通道的分散载体表面涂覆催化剂涂层的涂覆液，充分干燥；进行多次涂覆步骤，直到催化剂负载量达到要求；催化剂在100～200℃活化后即得到集成规整结构催化剂层的低温氢气换热器。
[0017]步骤S1中，所述结构基体(111)的材料为不锈钢或FeCrAl合金；采用瞬时液相扩散焊技术时，使用金属间化合物Ni
‑
Ti、金属间化合物Cu
‑
Zn或者金属玻璃Ni
‑
14B
‑
7Si作为中间夹层填充材料。
[0018]扩散焊接采用比结构基体材料熔点低的材料作中间夹层，在加热到连接温度时，中间层熔化，在结合面上形成瞬间液膜，在保温过程中，随着低熔点组元向母材的扩散，液膜厚度随之减小直至消失，再经一定时间的保温而使成分均匀化。
[0019]优选地，采用经过特殊处理的FeCrAl合金作为结构基体，因为其表面发生铝富集(主要以α
‑
Al2O3的形式存在)能够改善与分散载体Al2O3层的黏结性。
[0020]优选地，所述分散载体的材料为氧化铝，在涂覆前需要用酸、碱或丙酮对热流体通道的内壁面进行处理，以除去表面的杂质。
[0021]进一步地，步骤S3中，进行分散载体涂覆的具体步骤为：
[0022]S301，先进行AlOOH溶胶的配比，采用硝酸和拟薄水铝石按照摩尔比[H
+
]/[Al
3+
]在0.08
‑
0.09之间进行配比，搅拌均匀后，陈化24～48小时，使其充分反应；
[0023]其中，所述AlOOH溶胶制备的原料可以为有机醇铝、无机铝盐和金属铝、纳米氧化铝、拟薄水铝石、氢氧化铝乳胶单体等；
[0024]S302，扩孔剂和粘接剂采用PVA溶液，把陈化好的浆液和质量分数2
‑
4％的PVA配
合，搅拌后制成涂覆液；使用浸渍提拉法或循环泵入方法对热流体通道的内壁面涂覆分散载体的涂覆液；
[0025]涂覆完成后，充分干燥，先在室温下干燥，后在100～150℃真空干燥200～500分钟；
[0026]S303，把干燥好的集成换热器，放入管式炉中烧结，烧结温度为450～650℃，烧结120～480分钟后取出，制备完成。
[0027]所述的催化剂涂层的涂覆液由催化活性成分、催化助剂以及粘结剂经过混合得到；所述催化活性成分包含水合氧化铁、Fe(OH)3和Fe3O4中的至少一种，所述催化助剂包括铝氧化物，所述粘结剂包括SiO2溶胶和/或Al2O3溶胶。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成规整结构催化剂层的低温氢气换热器，其特征在于，所述的低温氢气换热器内包含导流翅片(103)、封条(104)、规整结构催化剂层(105)、隔板(106)和传热翅片(107)；相邻两块隔板(106)间放置传热翅片(107)与导流翅片(103)、封条(104)组成冷流体通道夹层；相邻两块隔板(106)间放置规整结构催化剂层(105)与导流翅片(103)、封条(104)组成热流体通道夹层；冷流体通道夹层和热流体通道夹层交替叠置，焊接成换热器芯体并集成在低温氢气换热器中；低温氢气换热器上的冷流体入口封头接管(101)通过冷流体通道夹层与冷流体出口封头接管(110)连接，低温氢气换热器上的热流体入口封头接管(109)通过热流体通道夹层与热流体出口封头接管(102)连接；所述的规整结构催化剂层(105)包括由多层金属平板叠置而成的结构基体(111)，每层金属平板上均匀设有开槽构成热流体通道；所述热流体通道的内壁面依次涂覆有分散载体(112)和催化剂涂层(113)。2.根据权利要求1所述的集成规整结构催化剂层的低温氢气换热器，其特征在于，所述低温氢气换热器的制作工艺如下：S1，将金属平板开槽，叠置多层金属平板制作规整结构的结构基体(111)；每层金属平板之间在910～1012℃范围内采用瞬时液相扩散焊技术使得多层平板为一个整体；S2，制作热流体通道夹层和冷流体通道夹层，将冷流体通道夹层和热流体通道夹层交替叠置，在600～750℃范围内钎焊成换热器芯体并集成在换热器中，形成带有结构基体(111)的集成换热器；S3，换热器初步集成后，使用浸渍提拉法或循环泵入方法对热流体通道的内壁面涂覆分散载体(112)的涂覆液，然后在100～150℃充分干燥，干燥后放入温度为450～650℃的炉中烧结；进行多次涂覆步骤，直到分散载体(112)的负载量达到要求；S4，分散载体(112)负载后，通过循环泵入的方法对热流体通道的分散载体(112)表面涂覆催化剂涂层(113)的涂覆液，充分干燥；进行多次涂覆步骤，直到催化剂负载量达到要求；催化剂在100～200℃活化后即得到集成规整结构催化剂层的低温氢气换热器。3.根据权利要求2所述的集成规整结构催化剂层的低温氢气换热器，其特征在于，步骤S1中，所述结构基体(111)的材料为不锈钢或FeCrAl合金；采用瞬时液相扩散焊技术时，使用金属间化合物Ni
‑
Ti、金属间化合物Cu
‑
Zn...

【专利技术属性】
技术研发人员：王凯，魏欣宇，方松，朱少龙，滕钧杰，植晓琴，包士然，张小斌，邱利民，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：