5 t/d氢液化器流程设计及分析

超大型低温制冷系统是前沿科学装置和高新技术应用等领域的重大支撑装备。在国家重点研发计划课题的支持下,中国科学院理化技术研究所开展了5 t/d大型氢液化装置工艺流程设计工作,以制冷效率、各子系统的相互协调性为目标,通过分析,成功确定5 t/d液氢制取装备大型低温制冷系统各关键部件的基本规格以及进出口压力、温度、流量等参数,满足了设计需求。为未来大型氢液化器的落地实施和流程的进一步优化提供了指导。

仲-正氢转化对蒸气冷屏组合结构绝热性能提升研究

为探究蒸气冷屏-变密度多层绝热组合绝热结构中耦合不同仲-正氢转化类型对液氢储罐绝热性能的提升效果,建立了采用连续转化与绝热转化的组合绝热结构稳态传热模型,并分析了蒸气冷屏屏位与仲-正氢转化器位置对组合绝热结构性能的影响。研究表明:与绝热转化相比,采用连续转化时绝热结构的性能更优,其最小漏热热流密度为0.117 5 W·m^(-2),与不采用仲-正氢转化相比减少了13.48%;若采用绝热转化,当仲-正氢转化器到VCS盘管入口的距离与盘管总长度之比为30%~77.5%时,漏热热流密度达到最小值0.121 0 W·m^(-2),比不采用仲-正氢转化减少了10.30%;转化器安装在盘管中间附近位置,可提高绝热转化的起始温度与仲-正氢转化吸热量,对抵消外界热流、改善绝热性能有益。研究结果为液氢温区组合绝热结构的设计提供定量的理论依据和技术指导。

液氢储罐蒸气冷却屏多层绝热性能分析

针对液氢存储时由于与环境温差大而导致的漏热较大的问题,建立耦合蒸气冷却屏的多层绝热结构的传热模型,同时引入氢仲正转化进一步降低液氢储罐漏热,采用MATLAB自编程方法,分析多层绝热结构、仲正转化、蒸气冷却屏个数及排列方式对绝热结构性能的影响。研究结果表明:单个蒸气冷却屏的加入使多层绝热性能得到大幅提升,净热流密度最多下降61.3%,最佳屏位出现在绝热结构中心附近;氢仲正转化的加入能够使结构的绝热性能进一步提升,净热流密度最多下降11.1%;串联型蒸气冷却屏的绝热性能明显优于并联型蒸气冷却屏;当蒸气冷却屏数量由1增加至3时,净热流密度分别降低22.8%和10.9%。研究结果可为液氢储罐耦合蒸气冷却屏的多层绝热结构的设计和优化提供理论参考。

仲正氢催化转化对液氢无损储存的影响研究

在N-S方程组中添加了仲正氢转化模型,研究液氢储罐内的传热特性,从流动结构的角度分析了仲正氢催化转化对液氢无损存储的影响机理。通过改变催化区域在液氢储罐内的分布形式,研究了催化区域数量和纵向位置分别对平均温度和正氢浓度的影响规律。计算结果表明,储罐内的温度梯度沿竖直方向,上壁面温度最高;由于密度引起的自然对流出现在储罐底部至约80%高度位置之间,顶部自然对流不明显,流动与下方无交互;催化区域横向布置的数量对温度和正氢质量分数的影响较小;催化区域覆盖容器顶部弱自然对流区域时,液氢无损存储性能大幅提升。3小时内,储罐内液氢最大温升相比未覆盖时降低22%。

海上多孔介质通道内氢气换热与正仲氢转化的耦合特性

在我国“碳达峰、碳中和”的战略目标下,风电和化石能源制氢技术正不断发展,利用海上风电资源或天然气制备氢气,并通过储运技术送到氢能源市场,为解决海上风电并网和消纳的难题、促进深海天然气资源的低碳发展提供了可行的思路,因此研究应用于浮式氢气液化工艺系统的绕管式换热器海上适应性具有重要意义。本文基于多自由度的晃荡平台,搭建了浮式多孔介质通道内压降测试实验装置;基于多孔介质模型、正-仲氢转化和氢流动换热理论模型,建立了多孔介质通道内耦合正-仲氢转化的流动换热数值模型。通过实验与数值模拟相结合的方法,分析海况和水平条件下多孔介质换热通道的性能变化。研究结果表明,填充催化剂的绕管式换热器多孔介质通道内压降明显,温降不明显,管内仲氢含量增加;随着氢气流量的增加,传热系数逐渐增大,而出口仲氢的含量逐渐降低;海况对海上多孔介质换热通道的压降和传热特性影响较小。

仲氢绝热转化为正氢的制冷效应分析研究

进行了仲氢转化为正氢的制冷效应技术研究,建立数学物理模型,通过理论分析确定仲氢绝热转化过程和节流过程的制冷温度和制冷量,计算了制冷效应用于液氢储罐内低温氢气液化的系数。

Ru-Fe/C催化剂上邻氯硝基苯原位液相加氢性能

采用浸渍法制备Ru/C催化剂,并用于原位液相催化邻氯硝基苯(o-CNB)加氢合成邻氯苯胺(o-CAN)反应中.考察了浸渍顺序、助剂、还原温度、载体和助剂含量等因素对催化剂稳定性的影响.采用透射电子显微镜、X射线光电子能谱、傅里叶红外光谱和N2吸附-脱附等手段表征催化剂.结果表明,以15%Fe为助剂,活性炭为载体,制备得到的0.5%Ru-Fe/C催化剂经过523K氢气还原后o-CNB的转化率为99.7%,o-CAN的选择性达到98.7%,反应140h未出现明显失活.催化剂表面吸附CO导致中毒是失活的主要原因,同时对催化剂再生方法进行了探究.

聚邻苯二胺修饰玻碳电极的制备及电催化性能

在磷酸盐缓冲溶液中研究了邻苯二胺在玻碳电极表面的聚合过程,探讨了各氧化还原峰的变化机理,用扫描电镜表征了聚邻苯二胺膜的形态结构。发现制备的聚邻苯二胺膜修饰电极对H2O2有显著的电催化还原特性,线性回归方程为：Δipa（μA）=-1.63＋1.07cH2O2（mmol.L^-1）（R=0.9947,n=19）,线性范围为：5.89×10^-2mmol.L^-1～44.4 mmol.L^-1,检出限为：0.02 mmol.L^-1（3S/k）,这对与产生H2O2的氧化酶相结合制备出响应各种底物的电化学生物传感器非常重要。考察了制备条件对膜电极电催化还原活性的影响,发现只有在弱酸条件下制备的膜电极才有较高的电催化活性。探讨了影响膜电极电催化还原灵敏度的因素,并考察了膜电极的稳定性。

氢的转动配分函数及其热力学性质

当正氢和仲氢处于完全平衡态时,分子的转动配分函数为Zrn=34Zro+14Zrp;当氢气为正氢和仲氢的非平衡混合物时,分子的转动配分函数为Zrn混=(Zro)No/N(Zrp)Np/N.因实际的氢气在长时间内处于室温下的平衡态,当温度改变而成为非平衡混合物时,NoN≈34,NpN≈14,因此Zrn混=(Zro)3/4(Zrp)1/4,由此求得的热容量与实验结果非常接近.

三氧化二铝PLOT柱气相色谱法分离氢同位素自旋异构体

氢同位素核自旋异构体正-仲态比例影响氢同位素的低温物性,有必要对其比例进行测定。本文利用活性三氧化二铝多孔层开管(Porous Layer Open Tubular,PLOT)柱实现了正-仲氢同位素(氕、氘)的基线分离,发展了一种可在液氮温度下测定同核分子正-仲态比例的色谱分析技术。研究结果表明,与传统三氧化二铝填充柱相比,高效PLOT柱实现了正、仲氕(o-H_2、p-H_2)以及正、仲氘(o-D2、p-D2)的基线分离(分离度R_s大于1.5),当流量为5 m L·min-1时,分离度R_s(p-H_2,o-H_2)=6.9,R_s(o-D2,p-D2)=1.8。正仲态分离度与进样量、流量均有关系。根据峰面积的积分结果,常温(298 K)下正、仲氕比例为2.77:1,正、仲氘比例为1.78:1,与理论测算值基本符合。HD与o-H_2实现了部分分离,R_s(o-H_2,HD)=0.5,根据理论预测,实现HD与o-H_2的基线分离(R_s达到1.5),理论塔板数需要达到3.9×105。

关于焦尔定律的独立性和氢的转动配分函数

分析了焦尔定律是否独立于理想气体的物态方程.讨论了室温条件下氢的转动配分函数应采用的形式.

木素及β-O-4型邻醌木素模型物与过氧化氢反应的初步研究

对二氧六环木素及β-O-4型邻醌木素模型物与过氧化氢的反应进行了初步研究。结果表明,二氧六环木素与过氧化氢反应后的降解产物中羰基明显增多,而且生成了醌型物质。二聚体β-O-4型邻醌木素模型物与过氧化氢反应的降解产物要比二氧六环木素与过氧化氢反应的降解产物简单得多,是较为理想的研究高得率浆木素邻醌发色基团与过氧化氢反应机理的简单模型化合物。

环烯并[b]吡咯衍生物的质谱研究

环烯并吡咯衍生物在ＥＩ和ＦＡＢ条件下，可以发生游离基引发的氢重排失去一个中性的烯酮型分子，生成３－羟基－２－甲酰乙酯环烯并吡咯，后者由于邻位效应，又失去一分子乙醇、ＣＯ及发生缩环和一系列吡咯环的裂解反应。

邻位效应对质子化学位移的影响

用邻氯苯甲醛、对氯苯甲醛、邻甲氧基苯甲醛、对甲氧基苯甲醛分别与环己酮缩二乙醇反应,合成了4种α,α′-双亚苄基环烷酮类化合物.运用1H核磁共振手段,通过对双键碳上H化学位移的分析,阐述了邻位效应对质子化学位移的影响,认为是电子效应和空间效应等综合作用的结果.

氢仲-正转化释冷方案及冷量空间利用潜能分析

调研了氢仲-正转化释冷能力及研究现状,介绍了绝热、连续、等温三种转化方式的释冷潜能与工作特征。针对氢空间长期安全贮存,按照转化器布置位置与转化方式,提出四种冷量空间利用方案。研究发现:氢绝热转化在150 K时释冷量最大,为391 k J/kg;等温转化在110 K时释冷量最大,为394 k J/kg;连续转化在出口温度大于200 K后,释冷量稳定在491 k J/kg。所提四种方案中,由于空间排气温度偏低,造成氢仲-正转化潜能无法充分释放,对贮箱绝热性能提升有限。相较于一次绝热转化,在蒸气冷却盘管内连续转化可较充分利用转化冷能,在氢的空间贮存应优先考虑。

温控相转移纳米铑催化邻氯硝基苯选择性加氢反应(英文)

研究了水/1-戊醇两相体系中铑纳米催化剂在邻氯硝基苯选择性还原制邻氯苯胺反应中的催化性能.在优化的反应条件下,邻氯硝基苯的转化率和邻氯苯胺的选择性分别为100%和98%.铑纳米催化剂经简单分相后可循环使用8次,其催化活性和选择性基本保持不变.

蒸气冷却屏内仲-正氢转化释冷效应分析

氢分子有正氢和仲氢两种同分异构体,由于转动能级差异,仲氢向正氢的转化过程会伴随吸热效应。在液氢贮箱或槽罐的蒸气冷却屏内加装仲-正氢转化器,可在气体显热的基础上额外利用仲-正氢转换的冷量,从而进一步降低蒸发损失,延长液氢贮存时间。为定量研究蒸气冷却屏耦合仲-正氢释冷效应的绝热性能及影响因素,建立了包含蒸气冷却屏、真空多层材料以及仲-正氢转化释冷源在内的系统级液氢贮箱模型,研究了排气过程中的仲-正氢转化释冷效应和热量传递过程,考察了仲-正氢转化器位置、数量和热边界温度等因素对仲-正氢转化释冷量的影响,获得了蒸气冷却屏内仲-正氢转化释冷效应对蒸气冷却屏绝热性能的影响规律。

氢正仲转化耦合流动换热板翅式换热器研究

为了揭示在催化剂填料的微小通道内氢正仲转化反应与流动换热耦合机理,在对比分析已有的氢正仲转化动力学模型的基础上,研究了42~70 K温度区间内氢气在催化剂填料的平直翅片通道内正仲转化反应与流动换热的耦合过程。结果表明,Elovich计算模型的平均相对误差为1.8%,是与实验数据最吻合的计算模型;由于催化剂颗粒的作用,热侧Colburn传热因子是冷侧的8~10倍,并且热侧换热增强因子与冷侧接近,正仲转化与流动换热一体化设备能够保证流动换热性能同时实现正仲连续转化过程;出口仲氢体积分数与质量空流速有关,当质量空流速小于等于0.658 kg/(m^(3)·s)时,出口仲氢体积分数能达到要求。该研究可为大型氢液化装置的系统性能优化提供理论指导。

CSNS正仲氢转化及其组分测量的研究

本文分析了中子辐照环境下的仲氢向正氢转化的现象,结合CSNS低温系统的特点,开展了正仲氢转化反应器的方案设计,并在此基础上重点讨论了现有的正仲氢测量方案的特点.后续将根据项目现场的实际情况,开展正仲氢测量方案的选择和设计工作。正仲氢转化及其组分测量方案的研究,为后续CSNS低温系统的顺利建设提供理论基础。

正仲氢催化转化性能低温测试装置设计

液氢在新能源、工业生产等领域有重要的用途。结合液氢生产中正仲氢转化的特点,提出了一种可实现多种转化方式的正仲氢催化转化性能低温测试装置设计。通过液氮预冷和G-M制冷机实现正仲氢转化温度可控、通过设置正仲氢预反应实现入口原料仲氢组分可控,并采用更换可拆卸转化器和热沉方式实现多种正仲氢转化方式。实现不同工况下(等温绝热、连续型正仲氢转化、温度及待测仲氢含量可调)正仲氢催化转化性能测试,为正仲氢催化转化催化剂性能测试和正仲氢转化器的设计提供实验数据。