一种可自检的正仲氢转换装置的制作方法

本发明涉及一种可自检的氢气的正仲转换装置。

背景技术：

氢气是一种极易燃烧，无色透明、无臭无味的气体。氢气在氢气生物学效应、工业、医学、燃料应用等诸多行业都有着重要的应用。氢具有固液气三态，其中液氢具有便于储存、气化膨胀倍率大的优点，是氢能储存的重要方式之一。液氢通常可作为运载火箭推进剂，近年来，还被应用于超导磁储能技术。

氢分子有正氢和仲氢两种形态，其中氢原子自旋方向相同的两个氢原子叫做正氢，自旋方向相反的两个氢原子被称为仲氢。仲氢由于其独特的偏振特性所产生的仲氢诱导极化技术(phip)已经被应用于化学、医学和生物等各个领域。比如，仲氢作为催化加氢反应的诊断工具，可以检测出催化加氢反应中的极少量催化中间体。仲氢还是激光拉曼转换的介质，以仲氢为介质产生的受激转动拉曼散射可产生16um波段的可调谐激光，在激光化学和光谱科学中有重要应用。仲氢也是液氢制备过程中的重要环节，制备液氢的原料要求其中仲氢含量为95％以上。

在自然条件下，氢分子是由仲氢分子和正氢分子两部分组成的，其比例为1:3。仲氢具有反对称的核自旋结构，只对应转动量子数为偶数的能级；正氢具有对称的核自旋结构，只对应转动量子数为奇数的能级。根据选择定则，正氢和仲氢之间的跃迁是禁阻的。但是由于核自旋和电子之间有弱相互作用，分子间碰撞可导致仲氢与正氢之间的跃迁，但是这个过程往往需要几个月的时间，而且要在持续的低温条件下转化才能发生。

正仲氢的催化转化技术有三种方式：单级液相转换、多级转换和连续转换。进行正仲氢转换的反应器，一般有绝热型、等温型和连续型三种类型。绝热型反应器不用外部冷源冷却，过程简单，产生的转化热，靠升高反应气流的温度带走。等温型反应器有装有催化剂的习惯，通过液氮或液氢保证反应过程。连续型反应器又称恒推动力反应器，实际上是一个装有催化剂的换热器。原料与冷气流进行热交换来冷却。传统的正仲氢转换技术需要消耗昂贵的液氮或者液氦作为冷却物质，转换过程也不能随时检测纯度。氢气的检测也通常采用色谱分析仪进行检测分析，或者拉曼激光手段做为检测工具，需要复杂的设备和成本。热导率法是气体分析的有效方法，但是常规的气体分析仪器很难测量在175k温度下热导率敏感的正仲氢分子。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种氢气的正仲转换装置。

一种可自检的正仲氢转换装置，包括第一至第十二阀门、冷泵、催化剂、机械泵、压力表、纯度检验装置、气瓶，

催化剂置于一二端开口的金属管中，金属管外壁面与冷泵的冷头相贴接；

金属管和冷泵的冷头均处于一密闭腔室内，金属管的二开口端分别穿过腔室壁面伸出至腔室外部，金属管的一开口端依次经第二阀门和第一阀门通过管路与普通氢气气源相连，金属管的另一开口端依次经第三阀门和第六阀门通过管路与气瓶相连；

密闭腔室的壁面上设有抽气通孔，抽气通孔经第十二阀门通过管路与机械泵的进气口相连；机械泵的进气口依次经第九阀门和第十阀门与第二阀门和第一阀门之间的连接管路相连通；

机械泵的进气口依次经第四阀门、第五阀门、第八阀门和第十一阀门通过管路与纯度检验装置的样品气进口相连；

第九阀门和第十阀门之间的连接管路与第五阀门和第八阀门之间的连接管路上分别接压力表；

第三阀门和第六阀门之间的连接管路与第四阀门和第五阀门之间的连接管路相连通。

使用机械泵对气路系统、冷泵、存储气瓶进行抽真空，使用冷泵冷头降低催化剂温度，使用阀门系统和流量计，让目标气体以一定流速通过催化剂，转换过的仲氢存入储气瓶中；使用阀门系统实现分流出的普通氢气和制备的仲氢进入纯度检验装置，实现纯度测量。

颗粒状催化剂置于一二端开口的铜管之中，铜管缠绕于冷泵的柱状冷头外壁面上，可实现冷泵直接给催化剂降温。

冷头与催化剂管路均处于真空环境中，使用温度监控其降低温度至21k以下。

纯度检验装置由外置稳压直流电源、液氮冷桶和置于液氮冷桶中的密闭储气真空桶组成；储气真空桶内设有灯丝，灯丝的二端分别通过导线与直流电源的正负极相连；储气真空桶上设有样品气进口，样品气进口通过导管分别与待测气气源和真空泵相连，使用热导率法测量仲氢纯度。

第九阀门和第十阀门之间的连接管路与第五阀门和第八阀门之间的连接管路分别经第七阀门接压力表。

冷泵的冷头处设有温度监控元件，如测温热电偶。

于第三阀门和第六阀门之间的连接管路上设置有流量计。

所述气瓶为存储铝气瓶。

本装置的制备原理类似于等温反应器，通过使用冷泵(又称之低温泵、低温真空泵、冷凝泵)来进行冷却，无需消耗液氮和液氦，只需电能即可实现正仲氢的转化。同时本装置可以实现连续的制备纯度高达97％的仲氢分子，单次制备背景压力在200psi的存储气瓶下，通过简单的开关调节阀门，更换存储气瓶就可以实现连续制备仲氢气体，由此制备的仲氢可以维持两周以上的纯度几乎不变。同时通过真空气路的设计实现制备过程中，可以随时进行气体纯度的检验，保证气体纯度，是一种方便快捷的检测手段，是一套可以实现自检的正仲氢持续转化装置。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.具备连续快速制备仲氢的能力。

2.通过流量控制，可以实现自动化制备气体。

3.具备检验纯度功能，可以随时实现纯度检测，操作方便。

附图中：

1为第一阀门，2为第二阀门，3为第三阀门，4为第四阀门，5为第五阀门，6为第六阀门，7为第七阀门，8为第八阀门，9为第九阀门，10为第十阀门，11为第十一阀门，12为第十二阀门，13为冷泵，14为催化剂，15为温度监控元件，16为流量计，17为机械泵，18为压力表，19为气体检验装置，20为气瓶，21为普通氢气，22为仲氢，23为直流稳压电源，24为灯丝，25为液氮。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的冷泵催化剂配合结构图。

图3为本发明的气体检验装置结构图。

图4位本发明的灯丝对应仲氢热导率曲线。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

冷泵催化剂详细结构如图2所示，将装有催化剂的铜管缠绕在冷泵的冷头，通过与工作中的冷头接触来实现催化剂的低温工作环境。催化剂需要在25k温度以下才能有效的实现催化功能，其中冷头和管路位于冷泵的真空环境中。管路中的催化剂处于独立的真空管路环境中。其中冷泵为austinscientific型号m600，催化剂为fe3o4,其大小为1mm左右的粉末。

氢气的检验装置设计如图3所示，其测温原理为在低温下(100～200k)下，para-h2和normal-h2的热导率有着显著的变化。该系统具体如图，将一不透钢罐子抽真空后浸没在液氮中，罐子里面装有可加热钨丝，测量时将80torr左右的待测气体充入液氮冷却的罐子内。随后用直流稳压电源给钨丝加热，灯丝的温度由加电压高低和环境散热能力决定。当给灯丝加同样的电压时，灯丝的温度将完全由灯丝周围环境散热能力决定，也就是所充入气体的热导率决定，因为灯丝的温度与灯丝的电阻线性相关，所以可以通过测量灯丝的电阻变化来测量出所充气体的纯度。

正仲氢转换操作方法：

打开机械泵17，同时打开所有第一至第十二阀门(1-12)，抽管路和冷泵13真空至10^-2torr以后，关闭其他所有阀门，打开第十二阀门12，打开冷泵13，直到冷泵温度降低到20-21k。之后打开第一和第二阀门(1,2)，将氢气放入催化剂中，此时冷泵会升温，待温度降至20～21k后，打开第三和第六阀门3,6，调节流量计控制流速，使仲氢缓慢进入储气瓶。提高背压并注意控制流速，使温度监测元件15的温度示数保持在25k以下，即可将普通氢气持续转换为仲氢进入储存气瓶。此时，可以随时执行气体检验操作。

气体检验操作方法：

将液氮倒入气体检验装置，关闭第一、第二、第三、第六、第十二阀门(1,2,3,6，12)，打开第七、第八、第十一阀门(7,8,11)，缓慢打开第五阀门5，放入80torr仲氢至气体检验装置，使用万用表测量其电阻r检测。关闭第五阀门5，打开第九阀门9，使用机械泵17将纯度检验装置19(储气真空桶内)抽真空，关闭第九阀门9。缓慢打开第十阀门10充入气体检测装置80torr普通氢气，测量电阻r普通。则电阻差为rd＝r检测-r普通，利用标定好的图4的热导率公式，待测气体纯度p-h2(％)＝11.25*rd+28.05，由此得出仲氢纯度。

关闭所有第一至第十二阀门(1-12)，打开第一、第二、第三、第六、第十二阀门(1,2,3,6,12)，可继续进行氢气的正仲转换。

装置关闭步骤：

制备足量气体后，关闭冷泵，纯度检验电源。关闭第一、第六、第十二阀门(1，6，12)，打开所有其他阀门，使用机械泵17对管路抽真空，关闭所有第一至第十二阀门(1-12)。等待冷泵升温后，打开第十二阀门12，对冷泵抽真空，关闭第十二阀门12。关闭机械泵。装置关闭结束。