一种氢气机的制作方法

本实用新型涉及一种制取氢气的设备，具体涉及一种供升空气球充气的氢气机及气体制备方法。

背景技术：

目前，随着升空气球使用越来越广泛，市场上出现了几种制取氢气的机器。这些机器普遍在容器里使用金属铝或硅铁粉和碱水化学反应，产生氢气。经统计分析，可以把目前充装升空气球的氢气机分为两类，这些氢气机不同程度存在一些缺点。

第一类，无冷却生产氢气型。在容器里投放原料，经化学反应，产出氢气，刚产出的氢气有110℃-120℃的高温，含有丰富的泡沫，因为高温氢气粗品充到气球里，氢气粗品热胀冷缩，泡沫破裂成碱水残液和氢气，充的气球短时间就瘪了，所以氢气在机内要长时间储存至自然冷却与大气温度相接近时，才能充球。这类氢气机比较节省火碱但也有以下缺点： 1)机内储存高压，有安全隐患。2)生产过程，长时间等待氢气自然冷却，浪费生产者人力。第二类，用混合式换热器生产氢气型，也就是氢气粗品直接接触冷却水型。在容器里投放原料，经化学反应，产出氢气粗品与流动的冷却水直接接触混合冷却，用氢气不溶于水的特点使用排水法收集氢气充球。这类氢气机充球效果好，却把含有泡沫的氢气粗品混合在当做冷却水的自来水或井水里，把自来水和井水污染了。现实是，生产者把污染的水排放了大自然。其实，流入冷却水的氢气粗品泡沫是碱水残液，只发挥了10％-20％的功能。因碱水的流失，必须频繁添加碱水保证反应。这类氢气机的缺点是：1)污染环境。2)浪费生产原料火碱。3) 频繁的添加碱水浪费人力。如专利申请号：201410839321.0一种无压氢气机和201520607536X 一种低压多功能氢气机。本申请人2016年4月22日申请的一种防烫、安全、低压、环保氢气机，专利申请号201620343555.0的氢气机使用碱水器和反应器压力连通，设置净化器，设置碱污水沉淀容器，虽然在防污染方面克服了缺点，但构造复杂，生产操作必须频繁添加碱水，并没得到市场的认可。如今，我们的环境污染严重，生产原料短缺，生产安全隐患和劳动资源浪费已成为影响社会持续健康发展的主要因素，发明一种氢气机从源头防止污染，既节省原料火碱，又节省人力，还保证生产安全，并且充球效果好，虽然只是进步一点点，但运用到数万计的生产者手中，仍对社会具有现实意义。

技术实现要素：

针对上述类氢气机的生产安全隐患，浪费人力，环境污染和浪费原料火碱技术问题，本实用新型提供了一种氢气机及气体制备方法，本实用新型的氢气机制备的氢气纯度高，温度适宜，充球饱满，同时使整个生产过程零污染，原料火碱零浪费，并且操作简单，节省入力，还保证了安全生产。

为实现上述目标，本实用新型采用以下技术方案：

一种氢气机，包括反应器、间壁式换热器、碱水器、碱水管；反应器上部设置带顶盖的进料口，顶盖和进料口采用可拆卸方式连接；反应器上部设置氢气粗品出气口；氢气粗品出气口连接间壁式换热器的氢气粗品腔室进口，间壁式换热器的氢气粗品腔室出口连接碱水器上部的气水进口管；碱水器底部设置碱水管连接反应器；所述的碱水器的上部设置碱水器加水管；碱水器加水管上设置碱水器加水阀；所述的碱水器顶部设置充球管；所述的间壁式换热器设置冷却介质腔室，冷却介质腔室设有冷却介质进口和冷却介质出口。

通过上述技术方案，本实用新型的氢气机包括反应器、间壁式换热器、碱水器、碱水管。通过反应器进料口放入金属铝，封闭进料口顶盖；通过碱水器的加水管注入碱水，碱水器加水阀控制碱水的进与停；碱水由碱水器底部的碱水管进入反应器；碱水与金属铝发生化学反应，产出含有丰富泡沫的氢气粗品由反应器氢气粗品出气口进入间壁式换热器的氢气粗品腔室与冷却介质腔室的冷却水间壁逆流冷却，冷却后的氢气粗品泡沫破裂成碱水残液和温度适宜的氢气进入碱水器上部，碱水残液向下继续循环与金属铝化学反应，温度适宜的氢气向上由碱水器顶部的充球管连接充装气球。

优选的，反应器顶部进料口与顶盖沟槽管件连接，所述的顶盖上端设置氢气粗品出气口，氢气粗品出气口下方设置带有多个过滤孔的过滤网。沟槽管件拆装方便，密封性好，对于频繁拆装进料口，生产者更容易操作；氢气粗品出气口下方设置带有多个过滤孔的过滤板，是防止反应过程中残渣进入间壁式换热器，堵塞换热器。

优选的，碱水管上设置碱水阀。碱水阀是截止类型的阀门，碱水阀的设置是控制碱水进入反应器的流速来控制产氢气的速度，碱水阀关闭，反应慢慢停止，也作慢关机阀使用。

优选的，反应器底部设置排污管；排污管上设置排污阀；排污阀是截止类型的阀门，排污管口上方设置带有多个过滤孔的过滤板；所述的过滤板对称设有两个把手；所述的过滤板外圆直径小于反应器进料口的内径。排污管的设置，取出残液更方便，反应结束，开启排污阀把反应器内的碱水残液排净，过滤板的外径小于反应器进料口的内径，并且对称有两个把手，生产者取出残渣更容易。排污阀还有一个作用，氢气机工作时打开排污阀，排除碱水残液，反应立即停止，也作快关机阀使用。

优选的，碱水器上部设置气水分离腔；所述的气水分离腔与碱水器设置连通管。设置气水分离腔是为了减少碱水器内热碱水对冷却完的氢气温度传导，设有连通管是为了冷却后的碱水残液向下循环，在充球管连接气球时，整个氢气机压力相连通，压力相等，循环运行；气水分离腔的设置，产生效果只在刚开机的短时间内，随着热碱水用完，补充进来的是冷却完的碱水残液，气水分离腔减少温度传导功能则不起作用了。

优选的，碱水管设置碱水吸热盘管；所述的吸热盘管螺旋由上而下设置在反应器内腔壁上或反应器氢气粗品出气口与间壁式换热器之间的管路里面。所述的吸热盘管材质为金属中的不锈钢或铜，壁厚在0.2-0.4毫米的波纹管。碱水与金属铝化学反应，碱水温度对氢气产量，产气速度有直接关系，碱水温度高，则氢气产量高，产速快；设置吸热盘管，使进入反应器的碱水和碱水残液在输送过程中，经过反应器反应热110℃-120℃温度传导，最终流入反应器的碱水和碱水残液温度更利于化学反应。

优选的，间壁式换热器使用套管式换热器。套管式换热器的定义为：由直径不同的两支金属管子制成的同心套管，外管与内管中间有夹层空腔，外管的管端与内管连接并且密封，使外管和内管中间的夹层成为密封的冷却介质腔室，冷却介质腔室设有冷却介质进口和冷却介质出口。内管的管内腔作为氢气粗品腔室；氢气粗品与冷却介质逆流间壁换热。外管的管端与内管连接方式优选采用带螺纹的管件连接，也可以选用焊接；密封方式可以采用径向密封方式或轴向密封方式。

优选的，间壁式换热器还可以使用沉浸式蛇管换热器。沉浸式蛇管换热器的定义为：由金属管子弯绕而成，制成适合并沉浸在盛有流动的冷却介质容器里，氢气粗品在金属管腔壁内与容器里的冷却介质间壁换热。

间壁式换热器还可以使用管壳式换热器或者板式换热器中的一种。管壳式换热器的定义为：封闭在壳体中有两支或两支以上的管子作为换热管，氢气粗品在换热管腔壁内与壳体中的冷却介质间壁换热。

使用本实用新型所述的氢气机制备氢气方法包括以下步骤：

1)通过反应器进料口放入金属铝，封闭顶盖；

2)间壁式换热器冷却介质腔室的进口接到供有冷却水的水龙头上，冷却水使用自来水或井水，压力在0.1-0.3MPa；

3)通过碱水器加水管加注碱水A，碱水A由纯度99％的火碱和温度在40℃-50℃的水配比而成，火碱与水的质量比为1∶4一1∶4.5，加注完碱水关闭碱水器加水阀；

4)打开碱水阀；

5)碱水A流入反应器与金属铝发生化学反应，产出含丰富泡沫的氢气粗品，由反应器氢气粗品出气口进入间壁式换热器的氢气粗品腔室与冷却介质腔室的冷却水间壁逆流冷却，冷却后的氢气粗品泡沫破裂成碱水残液和温度适宜的氢气进入碱水器上部的气水分离腔，碱水残液向下继续循环经碱水吸热盘管输送，经反应器反应热110℃-120℃的温度传导后，最终流入反应器的碱水和碱水残液更利于反应；温度适宜的氢气向上由充球管连接充装气球，充球结束，关闭碱水阀，碱水停止进入反应器，反应慢慢停止；

6)充球结束，打开反应器底部的排污阀，排出反应器内的残液，放置在容器里自然沉淀48 小时后残液明显分为3层，易分离；上层为碱水残液，清澈，用pH值试纸测试，pH值在13-14之间，此残液仍是浓度较高的碱液；中间层是偏铝酸钠，白色，片状，为化工原料；下层是残渣泥，脱离碱水和偏铝酸钠后易干燥，自然干燥后集中利用；

7)收集沉淀后的pH值在13-14之间的碱水残液，向其加入火碱重新制成碱水B，其中火碱与碱水残液质量比1∶8-1∶9，将新碱水B加注碱水器里，作为碱水A的替代液完成制备反应，使用新碱水B制备氢气过程如步骤1-4。

本实用新型的有益效果在于：1.本实用新型的氢气机通过使用间壁式换热器，使碱水与金属铝化学反应所产生的氢气粗品与冷却水间壁换热，冷却水零污染；2.通过间壁式换热器连接反应器和碱水器，又通过碱水管连接碱水器和反应器使碱水在生产过程中，自动循环生产氢气，不用频繁添加碱水，节省人力，操作更简单；3.碱水残液沉淀后重新利用，使原料火碱零浪费；4.机内氢气压力在0MPa-0.02MPa之间，随产随充球，无高压，生产安全保证；5.生产氢气纯度高，温度适宜，充球饱满。使整个过程和生产工艺更加环境友好，从小事做起，对实现人类社会可持续发展具有重大现实意义。

附图说明

图1是本实用新型氢气机使用间壁式换热器中的套管式换热器结构示意图；

图2是本实用新型氢气机使用间壁式换热器中的沉浸式蛇管换热器结构示意图；

图3是本实用新型氢气机使用间壁式换热器中的管壳式换热器结构示意图；

图4是本实用新型氢气机使用间壁式换热器中的板式换热器结构示意图；

图5是本实用新型氢气机的碱水吸热盘管设置在反应器氢气粗品气出口与间壁式换热器之间的管路里的示意图。

图中：反应器1、进料口11、沟槽管件接头12、顶盖13、氢气粗品出气口过滤板14、氢气粗品出气口15、排污管过滤板16、排污管17、排污阀18；间壁式换热器2、氢气粗品腔室进口21、氢气粗品腔室出口22、冷却介质腔室进口23、冷却介质腔室出口24；碱水器3、碱水器气水进口管31、碱水器加水管32、碱水器加水阀33、充球管34；碱水管4、碱水阀41、碱水吸热盘管42。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述：

实施例1：如图1所示，一种氢气机，使用间壁式换热器中的套管式换热器，包括反应器1、套管式换热器2、碱水器3、碱水管4；反应器1上部设置带顶盖13的进料口11，顶盖13与进料口11采用沟槽管件接头12连接，顶盖13上方设有氢气粗品出气口15，氢气粗品出气口15下方设有过滤板14，氢气粗品出气口15与套管式换热器2的氢气粗品腔室的进口21采用螺纹连接，氢气粗品腔室的出口22采用螺纹连接碱水器气水进口管31；所述的套管式换热器2优选的是用不锈钢或铜材质波纹管制作的，管壁厚在0.2-0.4毫米之间，具体结构特征：由直径不同的两支金属波纹管制成的同心套管，内管的两端通过外管的管端，并且预留一段，外管和内管中间有夹层，外管的两端的管端各设置正三通管件，正三通管件直通的两端设有与内管和外管相配合的密封套，密封套采用螺纹方式连接正三通，外管的管端和内管的管外壁分别连接在正三通管件上的密封套里，密封套与波纹管密封方式是采用在波谷设置一个或多个O型密封圈，密封套的另一端设置管帽和嵌在密封套与管帽之间的圆形卡环，圆形卡环的内圆卡在波纹管的波谷限制密封套的位置；用三通管件、密封套、O型密封圈连接和密封使外管和内管中间的夹层成为密封的冷却介质腔室，两个三通管件的支管作为冷却介质腔室的冷却介质进口23和冷却介质出口24。内管的管内腔作为氢气粗品腔室；内管两端预留的管段设置螺纹接头。氢气粗品与冷却介质逆流间壁换热。碱水器气水进口管 31设置在碱水器3的上方的气水分离腔上，气水分离腔和碱水器设有连通管，气水分离腔上方还设置充球管34，充球管是橡胶材质，耐压力0.04MPa，碱水器3底部设置碱水管4，碱水管4上设有碱水阀41，碱水管4连接反应器1，碱水管4进入反应器1内，还设有碱水吸热盘管42，所述的碱水吸热盘管42还可以设置在反应器上方氢气粗品出气口15与间壁式换热器2之间的管路里，如图5所示；所述的碱水管4优选的是用不锈钢或者铜材质的波纹管，壁厚在0.2-0.4毫米，碱水管采用螺纹连接碱水器3和反应器1；碱水器3上部设置碱水器加水管32，碱水器加水管32上设置碱水器加水阀33，碱水器加水阀可以用截止类型的阀，也可用止回类型的阀；反应器底部设置有排污管17、排污管过滤板16、排污阀18。

实施例2：如图2所示，一种氢气机，使用间壁式换热器中的沉浸式蛇管换热器，包括反应器1、沉浸式蛇管换热器2、碱水器3、碱水管4；反应器1上部设置带顶盖13的进料口11，顶盖13与进料口11采用沟槽管件接头12连接，顶盖13上方设有氢气粗品出气口 15，氢气粗品出气口15下方设有过滤板14，氢气粗品出气口15与沉浸式蛇管间壁换热器2 的氢气粗品腔室的进口21采用螺纹连接，氢气粗品腔室的出口22采用螺纹连接碱水器气水进口管31；所述的沉浸式蛇管换热器2由金属管子弯绕而成，制成适合并沉浸在盛有流动的冷却介质容器里，金属管优选的使用不锈钢或者铜材质的波纹管，壁厚在0.2-0.4毫米之间。氢气粗品在金属管腔壁内与容器里的冷却介质间壁换热，所述的冷却介质腔室设置冷却介质进口23和冷却介质出口氢气粗品24。碱水器气水进口管31设置在碱水器3的上方的气水分离腔上，气水分离腔和碱水器设有连通管，气水分离腔上方还设置充球管34，充球管是橡胶材质，耐压力0.04MPa，碱水器3底部设置碱水管4，碱水管4上设有碱水阀41，碱水管4连接反应器1，碱水管4进入反应器1内，还设有碱水吸热盘管42，所述的碱水吸热盘管42还可以设置在反应器上方氢气粗品出气口15与间壁式换热器2之间的管路里，如图5所示；所述的碱水管4优选的是用不锈钢或者铜材质的波纹管，壁厚在0.2-0.4毫米，碱水管4采用螺纹连接碱水器3和反应器1；碱水器3上部设置碱水器加水管32，碱水器加水管32上设置碱水器加水阀33，碱水器加水阀可以用截止类型的阀，也可用止回类型的阀；反应器底部设置有排污管17、排污管过滤板16、排污阀18。

实施例3：如图3所示，一种氢气机，使用间壁式换热器中的管壳式换热器，包括反应器1、管壳式换热器2、碱水器3、碱水管4；反应器1上部设置带顶盖13的进料口11，顶盖13与进料口11采用沟槽管件接头12连接，顶盖13上方设有氢气粗品出气口15，氢气粗品出气口15下方设有过滤板14，氢气粗品出气口15与管壳式间壁换热器2的氢气粗品腔室的进口21采用螺纹连接，氢气粗品腔室的出口22采用螺纹连接碱水器气水进口管31；所述的管壳式换热器为封闭在壳体中有两支或两支以上的管子作为换热管，所述的冷却介质腔室设置冷却介质进口23和冷却介质出口24，氢气粗品在换热管腔壁内与壳体中的冷却介质间壁换热。碱水器气水进口管31设置在碱水器3的上方的气水分离腔上，气水分离腔和碱水器设有连通管，气水分离腔上方还设置充球管34，充球管是橡胶材质，耐压力0.04MPa，碱水器3底部设置碱水管4，碱水管4上设有碱水阀41，碱水管4连接反应器1，碱水管4 进入反应器1内，还设有碱水吸热盘管42，所述的碱水吸热盘管42还可以设置在反应器上方氢气粗品出气口15与间壁式换热器2之间的管路里，如图5所示；所述的碱水管4优选的是用不锈钢或者铜材质的波纹管，壁厚在0.2-0.4毫米，碱水管4采用螺纹连接碱水器3和反应器1；碱水器3上部设置碱水器加水管32，碱水器加水管32上设置碱水器加水阀33，碱水器加水阀可以用截止类型的阀，也可用止回类型的阀；反应器底部设置有排污管17、排污管过滤板16、排污阀18。

实施例4：如图4所示，一种氢气机，使用间壁式换热器中的板式换热器，包括反应器1、板式换热器2、碱水器3、碱水管4；反应器1上部设置带顶盖13的进料口11，顶盖13与进料口11采用沟槽管件接头12连接，顶盖13上方设有氢气粗品出气口15，氢气粗品出气口15下方设有过滤板14，氢气粗品出气口15与板式换热器2的氢气粗品腔室的进口 21采用螺纹连接，氢气粗品腔室的出口22采用螺纹连接碱水器气水进口管31；所述的冷却介质腔室设置冷却介质进口23和冷却介质出口氢气粗品24，氢气粗品在换热管腔壁内与壳体中的冷却介质间壁换热。碱水器气水进口管31设置在碱水器3的上方的气水分离腔上，气水分离腔和碱水器设有连通管，气水分离腔上方还设置充球管34，充球管是橡胶材质，耐压力0.04MPa，碱水器3底部设置碱水管4，碱水管4上设有碱水阀41，碱水管4连接反应器1，碱水管4进入反应器1内，还设有碱水吸热盘管42，所述的碱水吸热盘管42还可以设置在反应器上方氢气粗品出气口15与间壁式换热器2之间的管路里，如图5所示；所述的碱水管 4优选的是用不锈钢或者铜材质的波纹管，壁厚在0.2-0.4毫米，碱水管4采用螺纹连接碱水器3和反应器1；碱水器3上部设置碱水器加水管32，碱水器加水管32上设置碱水器加水阀33，碱水器加水阀可以用截止类型的阀，也可用止回类型的阀；反应器底部设置有排污管 17、排污管过滤板16、排污阀18。

使用上述设备制备氢气的方法如下：

1)通过反应器进料口放入金属铝，封闭顶盖；

2)间壁式换热器冷却介质腔室的进口接到供有冷却水的水龙头上，冷却水使用自来水或井水，压力在0.1-0.3MPa；

3)通过碱水器加水管加注碱水A，碱水A由纯度99％的火碱和温度在40℃-50℃的水配比而成，火碱与水的质量比为1∶4一1∶4.5，加注完碱水关闭碱水阀；

4)打开碱水阀；

5)碱水A流入反应器与金属铝发生化学反应，产出含丰富泡沫的氢气粗品，由反应器氢气粗品出气口进入间壁式换热器的氢气粗品腔室与冷却介质腔室的冷却水间壁逆流冷却，冷却后的氢气粗品泡沫破裂成碱水残液和温度适宜的氢气进入碱水器上部的气水分离腔，碱水残液向下继续循环经碱水吸热盘管输送，与反应器反应热110℃-120℃的温度传导后，最终流入反应器的碱水和碱水残液更利于反应；温度适宜的氢气向上由充球管连接充装气球，充球结束，关闭碱水阀，碱水停止进入反应器，反应慢慢停止。

6)充球结束，打开反应器底部的排污阀，排出反应器内的残液，放置在容器里自然沉淀48 小时后残液明显分为3层，易分离；上层为碱水残液，清澈，用pH值试纸测试，pH值在 13一14之间，此残液仍是浓度较高的碱液；中间层是偏铝酸钠，白色，硬质片状，易碎，为化工原料；下层是残渣泥，脱离碱水和偏铝酸钠后易干燥，自然干燥后集中利用。

7)收集沉淀后的pH值在13-14之间的碱水残液，向其加入火碱重新制成碱水B，其中火碱与碱水残液质量比1∶8-1∶9，将新碱水B加注碱水器里，作为碱水A的替代液完成制备反应，使用新碱水B制备氢气过程如步骤1-4。

使用以上氢气机注意事项：1)在氢气机刚开机时，需排掉初始产出的部分气体，需排除相当于氢气机内的容量的气体才能得出纯净的气体。2)氢气是可燃性气体，禁止靠近火源。3)碱水有腐蚀性，注意防护。

结果与说明：1)经过对冷却水分析，冷却水的pH值在使用前和使用后无变化，本氢气机使用过的冷却水是没污染的；2)对火碱用量是连续多次使用本实用新型氢气机与混合冷却的氢气机比较分析的，相同质量火碱充球数量是使用混合冷却器型的氢气机的3-4倍；3) 机内压力测试是在碱水器顶部用0-0.16MPa量程的压力表测试的，充球管开放时，机内压力为0MPa，充球管充球时，压力逐渐升高并接近0.01MPa时气球就充的饱满了，压力接近 0.02MPa时，气球就冲破了，继续实验堵塞充球管，压力升高至0.04MPa橡胶材质的充球管破裂，机内压力重新为0MPa；4)氢气温度是在碱水器顶部用0-100℃量程的温度计测试的，本氢气机所产氢气能达到比大气温度还低的温度，完全能满足充球的要求；5)氢气纯度是通过点燃实验的，火焰燃烧稳定，无轻微爆炸现象；通过上述证明本氢气机生产过程对冷却水零污染，节约火碱，机内无高压生产安全保证，充球饱满，氢气温度适宜，氢气纯度高，并且节省人力，完全适用于日常充气球。