一种氢气提纯的设备及其工作方法

技术领域

本发明属于氢气提纯技术领域，涉及氢气提纯设备，具体是一种氢气提纯的设备及其工作方法。

背景技术

氢气在常温常压下，是一种极易燃烧。无色透明、无臭无味且难溶于水的气体。氢气是世界上已知的密度最小的气体，氢气的密度只有空气的1/14，即在1标准大气压和0℃，氢气的密度为0.089g/L。所以氢气可作为飞艇、氢气球的填充气体氢气是相对分子质量最小的物质，还原性较强，常作为还原剂参与化学反应。在实际使用中，常常会对氢气进行提纯，氢气提纯是变压吸附分离技术在氢气提纯装置中的应用。

熟知的氢气提纯技术有旋风分离、催化处理、变压吸附等技术，当前的氢气提纯方案多采用单一的技术，多种氢气提纯工艺没有组合搭配使用，导致氢气提纯的纯度欠佳；而且在氢气进行提纯时，无法对氢气提纯数据进行有效分析，导致氢气提纯纯度欠佳，也无法在氢气提纯过程中对提纯安全性进行评估，容易引发安全隐患，为此，我们提出一种氢气提纯的设备及其工作方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种氢气提纯的设备及其工作方法。

本发明所要解决的技术问题为：

(1)当前的氢气提纯方案多采用单一的技术，多种氢气提纯工艺没有组合搭配使用，导致氢气提纯的纯度欠佳；

(2)在氢气进行提纯时，无法对氢气提纯数据进行有效分析，导致氢气提纯纯度欠佳，也无法在氢气提纯过程中对提纯安全性进行评估，容易引发安全隐患。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种氢气提纯的设备，包括空气压缩机，所述空气压缩机一侧连接有进气管，所述空气压缩机的另一侧连接有第一连接管，所述第一连接管远离空气压缩机的一端连接有气体缓冲罐，所述气体缓冲罐一侧连接有第三连接管，所述第三连接管远离气体缓冲罐的一侧连接有旋风分离器，所述旋风分离器上侧连接有第二连接管，所述第二连接管远离旋风分离器的一侧设置有管式处理组件，所述管式处理组件的一侧连接有氢气管道，所述氢气管道上安装有质量流量计，所述氢气管道上且位于质量流量计的一侧安装有第一控制阀门；

所述管式处理组件包括处理管、催化剂放置盒、隔板、出气口、透气孔、过气孔、安装槽、安装杆以及进气口，所述第二连接管的上端与处理管的一端相连接，所述处理管的另一端与氢气管道的一端相连接，所述处理管内部安装有多个催化剂放置盒，多个所述催化剂放置盒内部均安装有隔板，所述隔板内部开设有若干个透气孔，多个所述催化剂放置盒连接部开设有过气孔，所述处理管内部两侧壁均对称开设有安装槽，所述催化剂放置盒的两端对称安装有安装杆，所述安装杆嵌入至安装槽内部，所述催化剂放置盒内部开设有进气口，所述催化剂放置盒内部且位于进气口的另一侧开设有出气口，所述氢气管道远离管式处理组件的一侧设置有变压吸附组件。

进一步地，所述变压吸附组件包括密封门、变压吸附箱、逆向压力管、第一吸附过滤层、阻隔连接块、氢气出管、顺向压力管和第二吸附过滤层，所述氢气管道连接有变压吸附箱，所述变压吸附箱上侧连接有逆向压力管，所述变压吸附箱下侧连接有顺向压力管，所述变压吸附箱一侧安装有氢气出管，所述变压吸附箱上且位于氢气出管的另一侧连接有回收管，所述变压吸附箱通过回收管与旋风分离器相连接，所述回收管上安装有第二控制阀门，所述变压吸附箱内部安装有第一吸附过滤层，所述变压吸附箱内部且位于第一吸附过滤层下侧安装有阻隔连接块，所述阻隔连接块内侧安装有第二吸附过滤层，顺向压力管、逆向压力管和氢气出管上均安装有电磁阀，所述变压吸附箱一侧且位于氢气出管的上方安装有控制器，所述变压吸附箱内部上下两侧对称安装有氢气纯度测量仪，氢气纯度测量仪为型号TD-HP200Q的在线氢气纯度分析仪。

进一步地，所述催化剂放置盒装填有催化剂，所述催化剂为铜基催化剂、沸石和钼化合物催化剂、镍铝锡催化剂和固体酸催化剂中一种或者多种。

进一步地，所述第一吸附过滤层和第二吸附过滤层由以下重量份组成：硅胶2-5份，氧化铝5-10份，活性炭10-20份，聚丙烯酰胺15-20份和碳分子筛2-4份。

进一步地，所述控制器包括数据采集模块、安全评估模块、数据分析模块、数据库和生成打印模块；

所述控制器无线连接有显示模块，所述显示模块具体为氢气提纯设备上的显示屏，显示模块用于显示数据分析模块的分析结果和安全评估模块的评估结果；所述数据采集模块用于采集氢气提纯数据，并将氢气提纯数据发送至控制器；所述安全评估模块用于对氢气提纯设备的安全性能进行评估，并将评估结果发送至控制器；所述数据库用于存储氢气提纯的预设数据和存储氢气提纯设备的实时数据；所述数据分析模块用于对氢气提纯数据进行分析，具体分析过程如下：

S1：设定多个时间点t，t＝1，……，n；获取多个时间点时顺向压力管的压力值SYt，得到顺向压力管的压力最大值SYmax和压力最小值SYmin，相加取平均值得到顺向压力管的压力均值SYp；

S2：获取多个时间点时逆向压力管的压力值NYt，得到逆向压力管的压力最大值NYmax和压力最小值NYmin，相加取平均值得到逆向压力管的压力均值NYp；

S3：获取变压吸附箱内部上侧的氢气纯度，并将变压吸附箱内部上侧的氢气纯度标记为Cs；

S4：获取变压吸附箱内部下侧的氢气纯度，并将变压吸附箱内部下侧的氢气纯度标记为Cx；

S5：利用公式计算得出氢气纯度正常值Q，具体公式如下：

S6：氢气纯度正常值Q与设定范围阈值进行比对，若氢气纯度正常值Q在设定范围阈值内，则生成氢气纯度正常信号，若氢气纯度正常值Q不在设定范围阈值内，则生成氢气纯度不正常信号；

S7：氢气纯度正常信号和氢气纯度不正常信号发送至显示模块；

所述生成打印模块用于将数据分析结果和安全评估结果生成报表并打印。

进一步地，所述安全评估模块的具体评估步骤为：

SS1：分别获取空气压缩机、气体缓冲罐、处理管、变压吸附箱和旋风分离器的压力上限值和压力下限值，依次标记为Ysk、Yxk、Ysq、Yxq、Ysc、Yxc、Ysb、Yxb、Ysx和Yxx；

SS2：获取多个时间点时空气压缩机、气体缓冲罐、处理管、变压吸附箱和旋风分离器的压力值，依次标记为Ykt、Yqt、Yct、Yb和Yxt；

SS3：利用公式

SS4：依次为空气压缩机、气体缓冲罐、处理管、变压吸附箱和旋风分离器的压力偏差值分配预设比例系数固定数值X1、X2、X3、X4和X5，利用公式YP＝YKP×X1+YQP×X2+YCP×X3+YBP×X4+YXP×X5得到压力偏差总值YP；

SS4：设定预设压力偏值阈值Yg，g＝1，2，3，且Y1＜Y2＜Y3；

SS5：将威胁值YP与预设威胁值阈值进行比较，判断威胁等级；

若YP＞Y3，则生成一级威胁指令，并将一级威胁指令发送至显示模块；

若Y2＜YP≤Y3，则生成二级威胁指令，并将二级威胁指令发送至显示模块；

若Y1＜YP≤Y2，则生成三级威胁指令，并将三级威胁指令发送至显示模块；

若YP≤Y1，则生成安全指令，并将安全指令发送至显示模块，其中一级威胁指令＞二级威胁指令＞三级威胁指令＞安全指令。

一种氢气提纯的工作方法，工作方法包括以下步骤：

步骤一，空气压缩机工作，氢气经进气管和第一连接管进入气体缓冲罐中，并经第三连接管进入旋风分离器，氢气在旋风分离器中进行气固分离，气固分离后的氢气经第二连接管进入处理管中；

步骤二，处理管中通过安装杆安装有催化剂放置盒，催化剂放置盒内部安装有隔板，并在隔板上开设若干个透气孔，氢气经进气口进入催化剂放置盒中，氢气与催化剂放置盒中的催化剂充分接触出现化学反应，氢气经若干个透气孔和过气孔流动，最后经出气口流出催化剂放置盒；

步骤三，开启第一控制阀门后，氢气经氢气管道进入变压吸附箱中，变压吸附箱内部安装有逆向压力管、顺向压力管、第一吸附过滤层和第二吸附过滤层，顺向压力管与外界压力设备相连通后顺向放压，氢气经第一吸附过滤层和第二吸附过滤层进行吸附过滤，过滤后的高纯度氢气经氢气出管流出，当第一吸附过滤层和第二吸附过滤层长久使用后，逆向压力管与外界压力设备相连通后逆向放压，吸附在第一过滤层和第二过滤层上的杂质被解吸排出变压吸附箱；

步骤四，变压吸附箱一侧且位于氢气出管的上方安装有控制器，控制器对氢气提纯数据进行分析和氢气提纯设备的安全性能进行评估，氢气纯度未达标准时，开启第二控制阀们，变压吸附箱内的氢气经回收管回到旋风分离器中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过旋风分离器、催化剂处理管和变压吸附箱的配合使用，实现多种氢气提纯工艺的组合搭配使用，大大提升了氢气提纯的纯度；

2、本发明在氢气进行提纯时，通过数据分析模块对氢气提纯的纯度进行有效分析和检测，大大提升了氢气提纯的纯度，通过安全评估模块对氢气提纯设备的安全性能进行评估，杜绝在氢气提纯过程发生安全事故。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明中处理管的正视剖面图；

图3为本发明中变压吸附箱的正视剖面图；

图4为本发明的系统框图。

图中：1、进气管；2、空气压缩机；3、第一连接管；4、气体缓冲罐；5、第二连接管；6、管式处理组件；7、质量流量计；8、第一控制阀门；9、变压吸附组件；10、氢气管道；11、旋风分离器；12、第三连接管；13、密封门；14、第二控制阀门；15、回收管；16、控制器；61、处理管；62、催化剂放置盒；63、隔板；64、出气口；65、透气孔；66、过气孔；67、安装槽；68、安装杆；69、进气口；91、变压吸附箱；92、逆向压力管；93、第一吸附过滤层；94、阻隔连接块；95、氢气出管；96、顺向压力管；97、第二吸附过滤层。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参阅图1-图4所示，一种氢气提纯的设备，包括空气压缩机2，所述空气压缩机2一侧连接有进气管1，所述空气压缩机2的另一侧连接有第一连接管3，所述第一连接管3远离空气压缩机2的一端连接有气体缓冲罐4，所述气体缓冲罐4一侧连接有第三连接管12，所述第三连接管12远离气体缓冲罐4的一侧连接有旋风分离器11，所述旋风分离器11上侧连接有第二连接管5，所述第二连接管5远离旋风分离器11的一侧设置有管式处理组件6，所述管式处理组件6的一侧连接有氢气管道10，所述氢气管道10上安装有质量流量计7，所述氢气管道10上且位于质量流量计7的一侧安装有第一控制阀门8。

其中，所述管式处理组件6包括处理管61、催化剂放置盒62、隔板63、出气口64、透气孔65、过气孔66、安装槽67、安装杆68以及进气口69，所述第二连接管5的上端与处理管61的一端相连接，所述处理管61的另一端与氢气管道10的一端相连接，所述处理管61内部安装有多个催化剂放置盒62，多个所述催化剂放置盒62内部均安装有隔板63，所述隔板63内部开设有若干个透气孔65，多个所述催化剂放置盒62连接部开设有过气孔66，所述处理管61内部两侧壁均对称开设有安装槽67，所述催化剂放置盒62的两端对称安装有安装杆68，所述安装杆68嵌入至安装槽67内部，所述催化剂放置盒62内部开设有进气口69，所述催化剂放置盒62内部且位于进气口69的另一侧开设有出气口64，所述氢气管道10远离管式处理组件6的一侧设置有变压吸附组件9。

其中，所述变压吸附组件9包括密封门13、变压吸附箱91、逆向压力管92、第一吸附过滤层93、阻隔连接块94、氢气出管95、顺向压力管96和第二吸附过滤层97，所述氢气管道10连接有变压吸附箱91，所述变压吸附箱91上侧连接有逆向压力管92，所述变压吸附箱91下侧连接有顺向压力管96，所述变压吸附箱91一侧安装有氢气出管95，所述变压吸附箱91上且位于氢气出管95的另一侧连接有回收管15，所述变压吸附箱91通过回收管15与旋风分离器11相连接，所述回收管15上安装有第二控制阀门14，所述变压吸附箱91内部安装有第一吸附过滤层93，所述变压吸附箱91内部且位于第一吸附过滤层93下侧安装有阻隔连接块94，所述阻隔连接块94内侧安装有第二吸附过滤层97，顺向压力管96、逆向压力管92和氢气出管95上均安装有电磁阀，所述变压吸附箱91一侧且位于氢气出管95的上方安装有控制器16，所述变压吸附箱91内部上下两侧对称安装有氢气纯度测量仪，氢气纯度测量仪为型号TD-HP200Q的在线氢气纯度分析仪。

其中，所述催化剂放置盒62装填有催化剂，所述催化剂为铜基催化剂、沸石和钼化合物催化剂、镍铝锡催化剂和固体酸催化剂中一种或者多种。

其中，所述第一吸附过滤层93和第二吸附过滤层97由以下重量份组成：硅胶2份，氧化铝5份，活性炭10份，聚丙烯酰胺15份和碳分子筛2份。

其中，所述控制器16包括数据采集模块、安全评估模块、数据分析模块、数据库和生成打印模块；

所述控制器16无线连接有显示模块，所述显示模块具体为氢气提纯设备上的显示屏，显示模块用于显示数据分析模块的分析结果和安全评估模块的评估结果，显示模块的具体显示步骤为：

K1：显示模块接收到一级威胁指令时，显示屏显示“一级威胁指令”字眼，字体加粗且倾斜，并将背景颜色设置成红色；

K2：显示模块接收到二级威胁指令时，显示屏显示“二级威胁指令”字眼，字体加粗，并将背景颜色设置成橙色；

K3：显示模块接收到三级威胁指令时，显示屏显示“三级威胁指令”字眼，标准字体，并将背景颜色设置成黄色；

K4：显示模块接收到安全指令时，显示屏显示“安全指令”字眼，标准字体，并将背景颜色设置成绿色。

所述数据采集模块用于采集氢气提纯数据，并将氢气提纯数据发送至控制器16；所述安全评估模块用于对氢气提纯设备的安全性能进行评估，并将评估结果发送至控制器16，安全评估模块的具体评估步骤为：

SS1：分别获取空气压缩机2、气体缓冲罐4、处理管61、变压吸附箱91和旋风分离器11的压力上限值和压力下限值，依次标记为Ysk、Yxk、Ysq、Yxq、Ysc、Yxc、Ysb、Yxb、Ysx和Yxx；

SS2：获取多个时间点时空气压缩机2、气体缓冲罐4、处理管61、变压吸附箱91和旋风分离器11的压力值，依次标记为Ykt、Yqt、Yct、Yb和Yxt；

SS3：利用公式

SS4：依次为空气压缩机2、气体缓冲罐4、处理管61、变压吸附箱91和旋风分离器11的压力偏差值分配预设比例系数固定数值X1、X2、X3、X4和X5，利用公式YP＝YKP×X1+YQP×X2+YCP×X3+YBP×X4+YXP×X5得到压力偏差总值YP；

SS4：设定预设压力偏值阈值Yg，g＝1，2，3，且Y1＜Y2＜Y3；

SS5：将威胁值YP与预设威胁值阈值进行比较，判断威胁等级；

若YP＞Y3，则生成一级威胁指令，并将一级威胁指令发送至显示模块；

若Y2＜YP≤Y3，则生成二级威胁指令，并将二级威胁指令发送至显示模块；

若Y1＜YP≤Y2，则生成三级威胁指令，并将三级威胁指令发送至显示模块；

若YP≤Y1，则生成安全指令，并将安全指令发送至显示模块，其中一级威胁指令＞二级威胁指令＞三级威胁指令＞安全指令。

所述数据库用于存储氢气提纯的预设数据和存储氢气提纯设备的实时数据；所述数据分析模块用于对氢气提纯数据进行分析，具体分析过程如下：

S1：设定多个时间点t，t＝1，……，n；获取多个时间点时顺向压力管96的压力值SYt，得到顺向压力管96的压力最大值SYmax和压力最小值SYmin，相加取平均值得到顺向压力管96的压力均值SYp；

S2：获取多个时间点时逆向压力管92的压力值NYt，得到逆向压力管92的压力最大值NYmax和压力最小值NYmin，相加取平均值得到逆向压力管92的压力均值NYp；

S3：获取变压吸附箱91内部上侧的氢气纯度，并将变压吸附箱91内部上侧的氢气纯度标记为Cs；

S4：获取变压吸附箱91内部下侧的氢气纯度，并将变压吸附箱91内部下侧的氢气纯度标记为Cx；

S5：利用公式计算得出氢气纯度正常值Q，具体公式如下：

S6：氢气纯度正常值Q与设定范围阈值进行比对，若氢气纯度正常值Q在设定范围阈值内，则生成氢气纯度正常信号，若氢气纯度正常值Q不在设定范围阈值内，则生成氢气纯度不正常信号；

S7：氢气纯度正常信号和氢气纯度不正常信号发送至显示模块；

所述生成打印模块用于将数据分析结果和安全评估结果生成报表并打印。

实施例二：

本实施例与实施例一的不同之处在于，所述第一吸附过滤层93和第二吸附过滤层97由以下重量份组成：硅胶5份，氧化铝10份，活性炭20份，聚丙烯酰胺20份和碳分子筛4份。

实施例三：

请参阅图1-图4所示，一种氢气提纯的工作方法，工作方法包括以下步骤：

步骤一，空气压缩机2工作，氢气经进气管1和第一连接管3进入气体缓冲罐4中，并经第三连接管12进入旋风分离器11，氢气在旋风分离器11中进行气固分离，气固分离后的氢气经第二连接管5进入处理管61中；

步骤二，处理管61中通过安装杆68安装有催化剂放置盒62，催化剂放置盒62内部安装有隔板63，并在隔板63上开设若干个透气孔65，氢气经进气口69进入催化剂放置盒62中，氢气与催化剂放置盒62中的催化剂充分接触出现化学反应，氢气经若干个透气孔65和过气孔66流动，最后经出气口64流出催化剂放置盒62；

步骤三，开启第一控制阀门后，氢气经氢气管道10进入变压吸附箱91中，变压吸附箱91内部安装有逆向压力管92、顺向压力管96、第一吸附过滤层93和第二吸附过滤层97，顺向压力管96与外界压力设备相连通后顺向放压，氢气经第一吸附过滤层93和第二吸附过滤层97进行吸附过滤，过滤后的高纯度氢气经氢气出管95流出，当第一吸附过滤层93和第二吸附过滤层97长久使用后，逆向压力管92与外界压力设备相连通后逆向放压，吸附在第一过滤层和第二过滤层上的杂质被解吸排出变压吸附箱91；

步骤四，变压吸附箱91一侧且位于氢气出管95的上方安装有控制器16，控制器16对氢气提纯数据进行分析和氢气提纯设备的安全性能进行评估，通过数据分析模块用于对氢气提纯数据进行分析，设定多个时间点t，获取多个时间点时顺向压力管96的压力值SYt，得到顺向压力管96的压力最大值SYmax和压力最小值SYmin，相加取平均值得到顺向压力管96的压力均值SYp，而后获取多个时间点时逆向压力管92的压力值NYt，得到逆向压力管92的压力最大值NYmax和压力最小值NYmin，相加取平均值得到逆向压力管92的压力均值NYp；获取变压吸附箱91内部上侧的氢气纯度Cs和变压吸附箱91内部下侧的氢气纯度Cx；利用公式

通过安全评估模块用于对氢气提纯设备的安全性能进行评估，首先获取空气压缩机2、气体缓冲罐4、处理管61、变压吸附箱91和旋风分离器11的压力上限值和压力下限值，获取多个时间点时空气压缩机2、气体缓冲罐4、处理管61、变压吸附箱91和旋风分离器11的压力值；利用公式

当氢气纯度未达标准，开启第二控制阀们14，变压吸附箱91内的氢气经回收管15回到旋风分离器11中。

上述公式均是去量化取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最近真实情况的一个公式，公式中的预设参数由本领域的技术人员根据实际情况进行设置。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。