用於氫分離的多層模塊的製作方法
2023-10-06 19:45:54 4
用於氫分離的多層模塊的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種使用抗壓室的用於氫分離的多層模塊，以使得使用只允許氫選擇性通過的金屬分離膜的單位元件被層疊以改善分離效率，混合氣體被均勻地供入每個單位元件中。在所述多層模塊中，所述單位元件互相層疊，所述混合氣體被供入腔室內。另外，每一個混合氣體輸入埠都被設置在所述單位元件的側面中以提供所述混合氣體。
【專利說明】用於氫分離的多層模塊
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於氫分離的多層模塊，更具體地涉及使用壓力室的用於氫分離的多層模塊，包含用於使氫選擇性通過的金屬分離膜的單位元件被層壓於所述壓力室內，從而以改善的分離效率向每個單位元件均勻地提供混合氣體。
【背景技術】
[0002]作為用於從氫混合氣體中分離氫的技術，可以使用不同的方法例如PSA、深度冷凍、化學吸附和分離膜。
[0003]上述技術中，就能源效率而言，使用分離膜的分離方法已知是最好的。最近，正在開發一種使用氫膜以商業化超大型精煉部分(例如預熱CCS(碳捕捉和儲存))的分離方法。
[0004]為完成上述方法，一種模塊構型技術是關鍵，通過所述模塊構型技術可以提供高效率和耐久性，從而，首先分離膜自身的氫滲透速度和耐久性得以保證，其次分離膜的性能可以很好地表現出來。
[0005]已經有很多對於使用分離膜的氫精煉模塊構型的研究，而且，這種研究是從保證獲得已滲透過分離膜的高濃度氫的角度來進行的。
[0006]但是，在應用分離膜的方法中，該方法需要在預熱CCS中同時滿足氫精煉和CO2濃度，除非保持高的氫回收率，否則不能得到一定水平或更高水平的殘留氣體濃度。也就是說，當從混合氣體中移除氫時，對於分離膜的氫移除效率而言，分離膜上方的物質的擴散充當著主導因素，原因是沒有滲透過分離膜的殘留氣體中的氫濃度逐漸下降。因此，分離膜的構型施加著絕對的影響。
[0007]單元模塊需要最小化混合氣體流動空間，從而可以根據上述構型最小化傳質阻力，並且伴隨具有這樣構型的單位元件而言，需要一種提高具有多階段構型的模塊的處理量的方法，從而可以向每個單位元件均勻地提供混合氣體。
[0008]美國專利第6，319, 305號和第5，997, 594號公開了一種單兀模塊擴展方法。在上述發明專利中，因為氣體供應單元與排放單元通過一個連通孔相連，所以，隨著將被層壓的單位元件的數量的增加，被傳送的氣體供應壓力中可能存在差異。因此，隨著距離供應孔越來越遠，供應到單位元件的混合氣體的進料速率逐漸降低。當然，可以通過無限地增大連通孔的尺寸來最小化這樣問題的影響，但是，隨著單元模塊橫截面積的增加，精煉設備的成本和尺寸將極大地增加而導致競爭力下降一半。
[0009]另外，可以通過各組件板的擴散聯接或在模塊的上方和下方加裝蓋子而後通過多個螺栓緊固來密封上述多層模塊。但是，上述構型難以保證耐久性，原因是隨著高壓混合氣體被供應到模塊，膨脹壓力被施加於單位元件的連接部件。尤其在預熱CCS的情況中，分離工藝的壓力以68bar作為開發目標。因此，開發能夠承受高壓的模塊是必不可少的。
[0010]另外，最近，一種方法越來越受歡迎，在所述方法中，來自氫混合氣體的氫和混合於其中的氣體需要被富集至一定濃度。典型地，在預熱CCS領域中，大家都在為解決一個技術難題而努力，即在分離氫的同時，將CO2(其為不可滲透氣體)富集到令人滿意的程度。
【發明內容】
[0011][本發明將解決的問題]
[0012]因此，考慮到上述情形，本發明的目的是提供一種使用壓力室的用於氫分離的多層模塊，包含用於使氫選擇性滲透的金屬分離膜的單位元件被層壓於所述壓力室內，從而以改善的分離效率向每個單位元件均勻地提供混合氣體。
[0013]本發明的另一個目的是提供一種用於氫分離的多層模塊，通過將所述模塊以如下方式構造而使所述模塊易於組裝和密封:在分離工藝操作中，膨脹壓力不被施加於單位元件的聯接件或密封件中。
[0014]尤其，作為用於商業化大處理量工藝而言必不可少的一項，需要模塊放大技術。因此，本發明提供一種通過層壓單位元件的放大技術。
[0015][解決問題的途徑]
[0016]本發明的主要特徵是單位元件被層壓於壓力室內，並且，將混合氣體供入所述壓力室中。另外，每個單位元件都包括混合氣體輸入埠，從而將所述混合氣體供應到所述單位元件的側面。因此，壓力室的內部空間的壓力通過供應到所述壓力室中的所述混合氣體而提高，並藉此起到抵消所述壓力室中要向外界膨脹的壓力的作用。
[0017]為實現上述目的，本發明提供一種用於氫分離的多層模塊，其包括:壓力室，具有設置在其側面上的混合氣體供應管以與所述壓力室連通；和安裝在所述壓力室內的分離單元，其中，所述分離單元包括:至少兩個層壓的單位元件，所述單位元件被構造成從混合氣體中分離氫；上部板，被置於所述層壓的單位元件的最上面；和下部板，被置於所述層壓的單位元件的最下面，所述上部板和所述下部板中的至少一個包括設置在其上的氫氣排放管以排放自所述分離單元分離出的氫，所述上部板和所述下部板中的至少一個包括設置在其上的滯留氣體排放管以排放殘留的滯留氣體，通過所述分離單元已從所述殘留的滯留氣體中分離出氫，每個所述單位元件都與所述壓力室的內部空間連通。
[0018]優選地,所述單位元件包括:元件體,構成所述單位元件的主體；支撐突起物，形成於所述元件體的上部嵌入部分；氫分離板，設置在所述支撐突起物上以僅讓氫通過所述氫分離板；混合氣體連通孔、滯留氣體連通孔和氫氣連通孔，它們在所述元件體中環繞所述氫分離板形成，從而互相間隔開；混合氣體輸入埠，形成於所述元件體的環狀表面中以與所述混合氣體連通孔連通，並暴露於所述壓力室的內部空間以與所述壓力室連通；混合氣體排出孔，通過混合氣體通道與所述混合氣體連通孔連通，並形成於所述元件體的底部以暴露於與所述混合氣體排出孔相鄰的單位元件的氫分離板；滯留氣體輸入孔，通過滯留氣體通道與滯留氣體連通孔相通，並形成於所述元件體的底部以暴露於與所述滯留氣體輸入孔相鄰的單位元件的氫分離板；氫氣進入孔，形成於所述支撐突起和所述氫分離板的下部之間，並通過氫氣通道與氫氣連通孔連通，所述氫氣排放管與所述氫氣連通孔相通，所述滯留氣體排放管與滯留氣體連通孔連通，並且在上部的單位元件的下表面和相鄰的單位元件中的氫分離板之間形成空隙，從而通過所述空隙使所述混合氣體排出孔和所述滯留氣體輸入孔連通。
[0019]可選地，當所述上部板或所述下部板中的一個具有與所述單位元件相同的構型時，與此同時合適地封閉所述氣體連通孔時，可以提高所述下部板的使用。為此，所述上部板或所述下部板中的一個具有與所述單位元件相同的構型，所述混合氣體連通孔被封閉，其中沒有插入所述氫氣排放管的所述氫氣連通孔被封閉，並且，其中沒有插入所述滯留氣體排放管的所述滯留氣體排放孔被封閉。
[0020]另外，可以在所述下部板的上表面和所述單位元件的下表面之間設置墊片。鑑於此，可以防止所述混合氣體在所述下部板的上表面和所述單位元件的下表面之間形成流動。
[0021]優選地，所述滯留氣體輸入孔的直徑小於所述混合氣體排出孔的直徑。因此，通過提高施加於來自所述滯留氣體輸入孔的滯留氣體上的壓力，通過提高壓力可以使氫容易地穿過所述氫分離板移動。
[0022]優選地，所述混合氣體供應管的直徑大於所述滯留氣體排放孔的直徑。由於在滯留氣體排放側的壓力差的生成度高於滯留氣體供應側，所以，總是可以將混合氣體均勻地供應到具有改善的穩定性的氫分離板的表面。
[0023]根據具有上述構型的本發明，用經由所述壓力室供應的混合氣體對所述單位元件加壓，並將混合氣體經由混合氣體輸入埠供入每個單位元件中，所述混合氣體輸入埠在所述單位元件的環狀表面中形成。因此，膨脹壓力不會施加到模塊中的聯接和密封區域，並且，以相同的壓力將混合物輸送到每個單位元件中。鑑於此，可以提供具有改善的耐久性的高效大尺寸模塊。
[0024][本發明的效果]
[0025]根據本發明，可以解決氫分離膜的性能降低和壽命縮短的問題，這個問題是由傳統氫分離膜和單位元件之間的擴散聯接引起的，通過使用內部密封和外部密封來防止由於高溫運行過程中外部氧氣的流入和伴隨內部氫外流的危險因素而引起的對分離膜的傷害。
[0026]另外，通過採用上部法蘭和下部法蘭代替外罩室，具有可以將氫精煉分離膜模塊構造成具有簡單且緊湊的結構的優勢。通過此方式，可以降低系統構型的成本並易於組裝和拆分所述系統。
[0027]特別地，因為可以自由地選擇氫氣排放管和滯留氣體排放管的安裝位置，所以，可以提高所述系統設計的自由度。
[0028]由於本發明的模塊擴展技術，使得構造一個如在氫精煉和CCS中那樣能夠富集未穿過分離膜的氣體的大尺寸模塊成為可能。因此，氫精煉，尤其是，使用於富集不可滲透氣體CCS領域的實現變得可能。因此，可以向用於收集使全球變暖氣體(例如CO2)同時生產氫能源的方法提供一種核心技術。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1是根據本發明的一個實施方案用於氫分離的多層模塊的立體圖。
[0030]圖2是如從上部看到的圖1的用於氫分離的多層模塊的分離單元的分解立體圖。
[0031]圖3是如從上部看到的圖1的用於氫分離的多層模塊的單位元件的立體圖。
[0032]圖4是如從下部看到的圖1的用於氫分離的多層模塊的分離單元的分解立體圖。
[0033]圖5是如從下部看到的圖1的用於氫分離的多層模塊的單位元件的立體圖。
[0034]圖6是取自圖1的線A-A的分離單元的垂直剖面視圖。[0035]圖7是取自圖1的線B-B的分離單元的垂直剖面視圖。
[0036]圖8是圖1中所示分離單元的改造實例的垂直剖面視圖。
[0037]圖9是取自垂直方向的圖8的分離單元的垂直剖面視圖。
[0038]圖10是圖1中所示分離單元的另一個改造實例的垂直剖面視圖。
[0039]圖11是取自垂直方向的圖10的分離單元的垂直剖面視圖。
[0040]附圖標記的說明
[0041]100:用於氫分離的多層模塊，102:壓力室
[0042]104:混合氣體供應管，106:緊固件
[0043]107、108:分離單元，110:上部板
[0044]112:上部連通孔，114,204,214:滯留氣體排放孔
[0045]115,215:滯留氣體排放管，116:上部輸入埠
[0046]118:上部固定孔，120、130、140、150、190:單位元件
[0047]121、123、131、133、141、143、151、153、191、193、211、213:氫氣連通孔
[0048]122、132、142、152:混合氣體連通孔，124、134、154、164:滯留氣體連通孔
[0049]125、135、145、155、195:支撐突起物，126、136、146、156:混合氣體輸入埠
[0050]128、138、148、158:單位元件固定孔，161、163、191、193:氫氣排放孔
[0051]167、169、197、199、217、219:氫氣排放管
[0052]168:下部固定孔，171、172、173、174、176:氫分離板
[0053]175:墊片，1101:上部板體
[0054]1111、1121、1131、1141、1211、1221、1231、1241、1311、1321、1331、1341、1411、
1421、1431、1441、1511、1521、1531、1541、1611、1621、1631、1641:上部外環座
[0055]1112、1122、1132、1142、1212、1222、1232、1242、1312、1322、1332、1342、1412、
1422、1432、1442、1512、1522、1532、1542、1612、1622、1632、1642:下部外環座
[0056]1162:上部進入通道，1164:上部排出通道
[0057]1172:上部排出孔，1174:上部進入孔
[0058]1201、1301、1401、1501:元件體
[0059]1261、1263、1361、1363、1461、1463、1561、1563、1961、1963:氫氣通道
[0060]1262、1362、1462、1562:混合氣體通道，1264、1364、1464、1564:滯留氣體通道
[0061]1271、1273、1371、1373、1471、1473、1571、1573:氫氣進入孔
[0062]1272、1372、1472、1572:混合氣體排出孔
[0063]1274、1374、1574、1674:滯留氣體輸入孔
[0064]1291、1391、1491、1591、1691:上部徑向內環座
[0065]1292、1392、1492、1592、1692:上部徑向外環座
[0066]1193、1293、1393、1493、1593:下部徑向內環座
[0067]1194、1294、1394、1494、1594:下部徑向外環座
[0068]1601:下部板體
[0069]1811、1821、1831、1841、1851:徑向內環
[0070]1812、1822、1832、1842、1852:徑向外環
[0071]1813、1823、1833、1843、1853:外環【具體實施方式】
[0072]本下文中，將結合示出本發明的示例性實施方案的結構和運行的附圖詳細地描述本發明的示例性實施方案。
[0073]圖1不出根據本發明的一個實施方案的用於氫分離的多層模塊100。
[0074]用於氫分離的多層模塊100大體上包括壓力室102和安裝於壓力室102中的分離單元107。
[0075]壓力室102具有安裝在其側面上的混合氣體供應管104以向所述壓力室中供應混合氣體。混合氣體供應管104與混合氣體供應源(未示出)相連，而且，從混合氣體供應管104供應的混合氣體應該有使氫足以地通過氫分離板171、172、173和174的壓力。
[0076]壓力室102可以具有本領域公知的壓力容器的結構形狀，並且，應該具有足夠的空間以將分離單元107安裝在所述壓力室中。
[0077]分離單元107包括單位元件120、130、140和150，所述單位元件被層壓於兩層或更多層之中以將氫從混合氣體中分離；上部板110，被置於單位元件120、130、140和150的最上面，並在所述上部板的上表面上設有滯留氣體排放管115 ;以及，下部板160，被置於單位元件120、130、140和150的最下面，並在所述下部板的下表面上設有氫氣排放管167和169。
[0078]滯留氣體排放管115的一端和氫氣排放管167和169各自的一端都穿過壓力室102的壁體以暴露於所述壁體的外部。
[0079]具體而言，單位元件120、130、140和150各自都與壓力室102的內部空間連通。本文中，優選上部板110與壓力室102的內部空間連通，從而在單位元件120、130、140和150最上面的單位元件120中進行氫滲透反應。
[0080]單位元件120、130、140和150具有元件體1201、1301、1401和1501，並且，元件體1201、1301、1401和1501各自都是具有多邊形、圓形或橢圓形橫截面的板。
[0081]單位元件120、130、140和150包括:支撐突起物125、135、145和155，形成於元件體1201、1301、1401和1501的上部嵌入部分；氫分離板171、172、173和174，設置在支撐突起物125、135、145和155上以僅讓氫通過所述氫分離板；以及，混合氣體連通孔122、132、142和152、滯留氣體連通孔124、134、144和154與氫氣連通孔121、123、131、133、141、143、151和153，它們在元件體1201、1301、1401和1501中環繞氫分離板171、172、173和174形成，從而互相間隔開。
[0082]單位元件120、130、140和150包括:混合氣體輸入埠 126、136、146和156，形成於元件體1201、1301、1401和1501的環狀表面上以與混合氣體連通孔122、132、142和152連通，並暴露於壓力室102的內部空間以與所述壓力室連通；混合氣體排出孔1272、1372、1472和1572，通過混合氣體通道1262、1362、1462和1562與混合氣體連通孔122、132、142和152連通，並形成於元件體1201、1301、1401和1501的底部以暴露於下面；滯留氣體輸入孔1274、1374、1474和1574，通過滯留氣體通道1264、1364、1464和1564與滯留氣體連通孔124、134、144和154連通，並形成於元件體1201、1301、1401和1501的底部以暴露於下面；以及，氫氣進入孔1271、1273、1371、1373、1471、1473、1571和1573，形成於支撐突起物125、135、145和155和氫分離板171、172、173和174的下部之間，並通過氫氣通道1261、1263、1361、1363、1461、1463、1561 和 1563 與氫氣連通孔連通 121、123、131、133、141、143、151 和153連通。
[0083]單位元件120、130、140和150以相同的方向設置，也就是說，以使得相鄰的單位元件120、130、140和150的混合氣體連通孔122、132、142和152與單位元件120、130、140和150的滯留氣體連通孔124、134、144和154 —致的方式設置。
[0084]因為形成了多個支撐突起物125、135、145和155，甚至當氫分離板171、172、173和174的上部被封閉時，氣體也可以流過由支撐突起物125、135、145和155提供的空間。在本發明的實施方案中，所述支撐突起物形成多個同心圓弧中，每個圓弧以一定的間隔具有完全不同的曲率。另外，氫氣進入孔1271、1273、1371、1373、1471、1473、1571和1573暴露於支撐突起物125、135、145和155之間。
[0085]氫分離板171、172、173和174具有公知的構型，並使氫選擇性地穿過所述氫分離板。可以將氫分離板171、172、173和174製成薄膜的形式，或可以通過例如噴濺塗覆法塗覆、非電解鍍層、電解鍍層、噴塗、電子束等塗覆方法塗覆在由多孔金屬或多孔陶瓷製成的多孔載體上。
[0086]氫分離板171、172、173和174被置於支撐突起物125、135、145和155上，所述支撐突起物形成於元件體1201、1301、1401和1501的上部嵌入部分，並且，元件體1201、1301、1401和1501以使其中心部分向下突出的方式構造，從而在氫分離板171、172、173和174的上面提供預設的空隙。當然，可以將元件體1201、1301、1401和1501的下部製成平面的形式，並且，氫分離板171、172、173和174的上表面可以設置在比元件體1201、1301、1401和1501的上表面更靠下的位置。但是，為提供有效的封閉效果，優選元件體1201、1301、1401和1501具有如本實施方案中所圖示的方式那樣的其中心部分向下突出的構型。
[0087]混合氣體連通孔122、132、142和152，滯留氣體連通孔124、134、144和154以及氫氣連通孔121、123、131、133、141、143、151和153互相間隔開，並且環繞支撐突起物125、135、145和155設置。本發明中，為在從混合氣體中過濾氫氣的過程中增加氫氣與氫分離板171、172、173和174的接觸面積，將混合氣體連通孔122、132、142和152與滯留氣體連通孔124、134、144和154互相面對面地設置在所述元件體的徑向方向上，並且，將氫氣連通孔121、123、131、133、141、143、151和153以垂直於連接混合氣體連通孔122、132、142和152與滯留氣體連通孔124、134、144和154的假想直線的方向設置。
[0088]可能僅一個氫氣連通孔121、123、131、133、141、143、151或153就足以排放氫氣，但是，為了有效地排放被分離出的氫氣以及避免壓力的積聚，在每個單位元件120、130、140或150中都形成一對氫氣連通孔以彼此對稱。
[0089]如圖7中所示，氫氣連通孔121、123、131、133、141、143、151和153通過氫氣通道 1261、1263、1361、1363、1461、1463、1561 和 1563 與氫氣進入孔 1271、1273、1371、1373、1471、1473、1571 和 1573 連通。沒有特別限定氫氣通道 1261、1263、1361、1363、1461、1463、1561和1563的形狀，並且優選氫氣連通孔121、123、131、133、141、143、151和153與氫氣進入孔1271、1273、1371、1373、1471、1473、1571和1573以最短的距離連通，同時具有容易加工的形狀。
[0090]混合氣體從混合氣體排出孔1272、1372、1472和1572或上部進入孔1172流入氫分離板171、172、173和174的上表面和單位元件120、130和140或置於氫分離板171、172、173和174上的上部板110之間的空隙，所述混合氣體排出孔形成於單位元件120、130和140的下部，所述上部進入孔形成於上部板110的下表面。從混合氣體中分離且被供入氫分離板171、172、173和174的上表面和單位元件120、130和140或置於氫分離板171、172、173和174上的上部板110之間的空隙的殘留的滯留氣體經由滯留氣體輸入孔1274、1374、1474和1574或上部排出孔1174排放，所述滯留氣體輸入孔形成於單位元件120、130和140的下部，所述上部排出孔形成於上部板110的下表面。因此，混合氣體排出孔1272、1372、1472和1572通過形成於其中的空隙與滯留氣體輸入孔1274、1374、1474和1574連通。
[0091]因此，混合氣體排出孔1272、1372、1472和1572靠近混合氣體連通孔122、132、142和152設置，並且滯留氣體輸入孔1274、1374、1474和1574靠近滯留氣體連通孔124、134、144和154設置。混合氣體排出孔1272、1372、1472和1572通過混合氣通道1262、1362、1462和1562與混合氣體連通孔122、132、142和152連通，並且，滯留氣體輸入孔1274、1374、1474和1574通過滯留氣體通道1264、1364、1464和1564與滯留氣體連通孔124、134、144和154連通。
[0092]混合氣體輸入埠 126、136、146和156形成於單位元件120、130、140和150的元件體1201、1301、1401和1501的側壁上，從而暴露於壓力室102的內部空間，並且，混合氣體輸入埠 126、136、146和156與混合氣體連通孔122、132、142和152連通。因此，混合氣體可以通過混合氣體連通孔122、132、142和152流入壓力室102的內部。
[0093]上部板110包括滯留氣體排放孔114，滯留氣體排放孔114的一個端部與單位元件120、130、140和150的滯留氣體連通孔124、134、144和154連通，而滯留氣體排放孔114的另一個端部與滯留氣體排放管115連通。
[0094]上部板110包括上部連通孔112，與單位元件120、130、140和150的混合氣體連通孔連通；上部輸入埠 116，與上部連通孔112連通並形成於上部板110的側面部分以暴露於壓力室102的內部空間從而與所述壓力室連通；上部排出孔1172，通過上部進入通道1162與上部連通孔112連通，並暴露於上部板110的下面；以及，上部進入孔1174，通過上部排出通道1164與滯留氣體排放孔114連通，並暴露於上部板110的下面。上部進入孔1174通過上部板110的下表面和氫分離板171的上表面之間的空隙與上部排出孔1172連通。
[0095]因此，上部板110具有向最上面的氫分離板171提供混合氣體的功能和排放殘留的滯留氣體的功能，其中已經從混合氣體中分離出氫。因此，上部排出孔1172具有與混合氣體排出孔1272、1372、1472和1572相同的位置和形狀，上部進入孔1174具有與滯留氣體輸入孔1274、1374、1474和1574相同的位置和形狀，並且，上部連通孔112和滯留氣體排放孔114具有與單位元件120、130和140的混合氣體連通孔122、132、142和152和滯留氣體連通孔124、134、144和154相同的位置和形狀。
[0096]下部板160包括氫氣排放孔161和163，氫氣排放孔161和163各自的一個端部與單位元件150的氫氣連通孔151和153連通，氫氣排放孔161和163各自的另一個端部分別與氫氣排放管167和169連通。
[0097]特別地，下部板160應該防止單位元件150的反應氣體輸入孔152和氫排出孔孔154之間的連通。為此，在本發明的實施方案中，在下部板160的上表面和單位元件150的下表面之間設置墊片175。也就是說，墊片175被設置對應於氫分離板171、172、173和174的位置，以防止單位元件150的混合氣體排出孔1572與滯留氣體輸入孔1574之間的連通。
[0098]優選滯留氣體輸入孔1274、1374、1474和1574與上部排出孔1172具有小於混合氣體排出孔1272、1372、1472和1572與上部進入孔1174的直徑。藉此，提高了從滯留氣體輸入孔1274、1374、1474和1574排放的滯留氣體的壓力，從而使氫可以容易地流過氫分離板 171、172、173、174 和 176。
[0099]為改善密封效果，在本發明的實施方案中，每個單位元件都包括一對徑向內環1811、1821、1831、1841 和 1851 與徑向外環 1812、1822、1832、1842 和 1852，它們環繞支撐突起物125、135、145和155設置。另外，每個單位元件都包括外環1813、1823、1833、1843和1853，它們被設置在混合氣體連通孔122、132、142和152、滯留氣體連通孔124、134、144和154 與氫氣連通孔 121、123、131、133、141、143、151 和 153 的外部。
[0100]為安裝徑向內環和徑向外環，每個單位元件都包括上部徑向內環座1291、1391、1491和1591與上部徑向外環座1292、1392、1492和1592，它們環繞支撐突起物125、135、145和155形成階梯形狀；以及，下部徑向內環座1293、1393、1493和1593與下部徑向外環座1294、1394、1494和1594，它們形成於單位元件120、130和140的下部。上部板110包括下部徑向內環座1193和下部徑向外環座1194，它們形成於上部板110的下表面上；以及，上部徑向內環座1691和上部徑向外環座1692，它們形成於下部板160的上表面上。
[0101]為安裝外環，下部板160與單位元件120、130、140和150包括上部外環座1111、I121、I131、I141、1211、1221、1231、1241、1311、1321、1331、1341、1411、1421、1431、1441、1511、1521、1531、1541、1611、1621、1631和1641，它們分別形成於下部板與單位元件120、
130、140和150的上表面上的各自的連通孔中。另外，上部板110與單位元件120、130、140和 150 包括下部外環座 1112、1122、1132、1142、1212、1222、1232、1242、1312、1322、1332、1342、1412、1422、1432、1442、1512、1522、1532、1542、1612、1622、1632 和 1642，它們分別形成於上部板與單位元件120、130、140和150的下表面上的各自的連通孔中。
[0102]優選地，徑向內環1811、1821、1831、1841 和 1851 與徑向外環 1812、1822、1832、1842和1852包括金屬環。通常地，金屬環指由金屬材料(例如鎳、鋼等)製成的密封件。為提高密封力，優選用金、銀、鎳等塗覆所述環的外表面。進一步優選地，徑向內環1811、1821、1831、1841和1851與徑向外環1812、1822、1832、1842和1852包括選自由金屬管制成並具有環形橫截面的金屬O形環、具有向氫分離板171、172、173和174的中心刺入的C形橫截面的金屬C形環和具有至少一個向具有環形截面的氫分離板171的中心刺入的孔的金屬O形環的任意一種。
[0103]當將徑向內環1811、1821、1831、1841和1851安裝在氫分離板171、172、173和174上時，優選徑向內環1811、1821、1831、1841和1851的直徑大於形成於氫分離板171、172、173和174上的預設空隙的高度。由此，可以形成徑向內環1811、1821、1831、1841和1851，並可以改善密封效果。
[0104]另外，優選外環1813、1823、1833、1843和1853包括可以在550°C或更高的溫度下操作的金屬環或石墨環。圖6和圖7中，外環1813、1823、1833、1843和1853具有矩形截面，但不局限於此。
[0105]另外，上部板110、下部板160和單位元件120、130、140和150包括分別形成於它們的外圍邊緣處的上部固定孔118、下部固定孔168和單位元件固定孔128、138、148和158，從而，通過插入上述孔中的緊固件106使分離單元107形成為一體。緊固件106可以使用公知的螺栓和螺母。另外，上部板110、下部板160和單位元件120、130、140和150可以通過擴散粘結或焊接進行結合。
[0106]基本按如上所述的那樣構造根據本發明的實施方案用於氫分離的多層模塊100。下面將描述用於氫分離的多層模塊100的操作方法。
[0107]如圖6和圖7所示，分離單元107具有四個垂直形成於其中的管狀體。也就是說，分離單元107具有由與滯留氣體排放管115和滯留氣體排放孔114連通的滯留氣體連通孔124、134、144和154形成的第二管狀體；由混合氣體連通孔122、132、142和152與上部連通孔112形成的第一管狀體；由分別與氫氣排放管167和169連通的氫氣連通孔121、123、
131、133、141、143、151、153、191和193與氫氣排放孔161和163形成的第三管狀體和第四管狀體。
[0108]首先，從混合氣體供應管104供應的混合氣體填充壓力室102的內部空間以提高內部壓力，並通過上部輸入埠 116與混合氣體輸入埠 126、136、146和156流入由混合氣體連通孔122、132、142和152與上部連通孔112形成的第一管狀體。
[0109]混合氣體均勻地分布在第一管狀體中，流入上部進入通道1162和混合氣體通道
1262、1362、1462和1562，並從混合氣體排出孔1272、1372、1472和1572與上部排出孔1172供入氫分離板171、172、173和174中的空隙。
[0110]進一步，被供入所述空隙的混合氣體通過氫分離板171、172、173和174朝支撐突起物125、135、145和155輸送。就此而言，被移除了氫的滯留氣體通過滯留氣體輸入孔1274、1374、1474和1574與上部進入孔1174流入滯留氣體通道1264、1364、1464和1564與上部排出通道1164，被供入第四管狀體，並通過滯留氣體排放管115被排放到外部。
[0111]另外，穿過氫分離板171、172、173和174朝支撐突起物125、135、145和155輸送的氫氣通過氫氣進入孔1271、1273、1371、1373、1471、1473、1571和1573流入氫氣通道1261、
1263、1361、1363、1461、1463、1561和1563中，供入第三管狀體和第四管狀體，並通過氫氣排放管167和169被排放到外部。
[0112]可以將氫氣排放管167和169併入壓力室102外部的一個管子中，或只有一個氫氣排放管可以被設置於分離單元107上。
[0113]根據上述構型和操作，用通過壓力室102供應的混合氣體將單位元件120、130、140和150加壓。本文中，混合氣體經由在單位元件120、130、140和150的環形表面上形成的混合氣體輸入埠 126、136、146和156被供入各個單位元件120、130、140和150。因此，膨脹壓未被施加於模塊的連接或密封區域，並且，以相同的壓力將混合物輸送至各個單位元件中。因此，可以提供具有改善的耐久性的高效大尺寸模塊。
[0114]另外，如圖8和圖9(圖8和圖9為示出了根據改造實例的分離單元108的剖面視圖)所示，當使用具有與單位元件120、130、140和150相同的構型且同時防止混合氣體在所述單位元件之間流動的下部板190時，可以提高下部板190的使用。為此，在單位元件120、130、140和150中，下部板將滯留氣體連通孔、混合氣體連通孔、混合氣體排出孔、滯留氣體輸入孔和混合氣體輸入埠封閉，並包括設置在氫氣連通孔191和193下方的氫氣排放管197和199。另外,將氫分離板176設置於位於單位兀件150與下部板190之間的空隙中的下部板190的支撐突起物195上。通過這種構型，可以將在製造工廠中通過額外工藝同樣製造的單位元件製成下部板，而且氫分離反應也可以在下部板190中發生。
[0115]另外，如圖10和圖11 (圖10和圖11為示出了根據另一個改造實例的分離單元109的剖面視圖)所示，滯留氣體排放管和氫氣排放管被同時設置在上部板和下部板中的任意一個的相同側面上。就此而言，當一個壓力室中的分離單元109的數目增加時，可以容易地設計管道和增加設計者在設計中的自由度。在圖10和圖11中，將所有氫氣排放管217和219與滯留氣體排放管215都設置在下部板的下面，可以以同樣的方式將這些管設置在上部板的上面。
[0116]就此而言，上部板200包括上端未暴露於外部的滯留氣體排放孔204。另外，下部板210包括滯留氣體排放孔214，並且，滯留氣體排放管215的一端被插入滯留氣體排放孔214，從而使得氫排放管214與滯留氣體排放孔204和滯留氣體連通孔124、134、144和154連通。分離單元109的另一個構型與分離單元107的構型相同。
[0117]雖然已經結合優選的實施方案對本發明進行了描述，但本發明不局限於上述實施方案，而且相關技術人員可以理解，在不偏離所附的權利要求所限定的本發明範圍下可以對本發明進行各種改造和變化。
【權利要求】
1.一種用於氫分離的多層模塊，其包含: 壓力室，所述壓力室具有設置在其側面上的混合氣體供應管以與所述壓力室連通；以及 安裝在所述壓力室內的分離單元， 其中，所述分離單元包含:至少兩個層壓的單位元件，所述單位元件被構造成從混合氣體中分離氫；上部板，所述上部板被置於所述層壓的單位元件的最上面；和下部板，所述下部板被置於所述層壓的單位元件的最下面， 所述上部板和所述下部板中的至少一個包括設置在其上的氫氣排放管以排放自所述分離單元分離出的氫， 所述上部板和所述下部板中的至少一個包括設置在其上的滯留氣體排放管以排放殘留的滯留氣體，通過所述分離單元已從所述殘留的滯留氣體中分離出氫， 每個所述單位元件都與所述壓力室的內部空間連通。
2.根據權利要求1所述的用於氫分離的多層模塊，其中，所述單位元件包含: 元件體，所述元件體構成所述單位元件的主體； 支撐突起物，所述 支撐突起物形成於所述元件體的上部嵌入部分； 氫分離板，所述氫分離板設置在所述支撐突起物上以僅讓氫通過所述氫分離板； 混合氣體連通孔、滯留氣體連通孔和氫氣連通孔，它們在所述元件體中環繞所述氫分離板形成，從而互相間隔開；混合氣體輸入埠，所述混合氣體輸入埠形成於所述單位元件的元件體的環狀表面中以與所述混合氣體連通孔連通，並暴露於所述壓力室的內部空間以與所述壓力室連通；混合氣體排出孔，所述混合氣體排出孔通過混合氣體通道與所述混合氣體連通孔連通，並形成於所述元件體的底部以暴露於與所述混合氣體排出孔相鄰的單位元件的氫分離板； 滯留氣體輸入孔，所述滯留氣體輸入孔通過滯留氣體通道與所述滯留氣體連通孔連通，並形成於所述元件體的底部以暴露於與所述滯留氣體輸入孔相鄰的單位元件的氫分離板； 氫氣進入孔，所述氫氣進入孔形成於所述支撐突起物和所述氫分離板的下部之間，並通過氫氣通道與所述氫氣連通孔連通， 所述氫氣排放管與所述氫氣連通孔連通， 所述滯留氣體排放管與所述滯留氣體連通孔連通，並且 在上部的單位元件的下表面和相鄰的單位元件中的氫分離板之間形成空隙，從而通過所述空隙使所述混合氣體排出孔和所述滯留氣體輸入孔連通。
3.根據權利要求2所述的用於氫分離的多層模塊，其中，所述上部板或所述下部板中的一個具有與所述單位元件相同的構型， 所述混合氣體連通孔被封閉，其中沒有插入所述氫氣排放管的氫氣排放連通孔被封閉，並且，其中沒有插入所述滯留氣體排放管的滯留氣體排放孔被封閉。
4.根據權利要求2所述的用於氫分離的多層模塊，其中，在所述下部板的上表面和所述單位元件的下表面之間設置墊片。
5.根據權利要求2所述的用於氫分離的多層模塊，其中，所述滯留氣體輸入孔的直徑小於所述混合氣體排出孔的直徑。
6.根據權利要求1所述的用於氫分離的多層模塊，其中，所述混合氣體供應管的直徑大於滯留氣體排放孔的直徑。
【文檔編號】C01B3/50GK103958036SQ201280057404
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年8月8日 優先權日:2011年11月1日
【發明者】樸種洙, 黃敬蘭, 李信根, 李春枎, 李晟旭, 樸晉佑 申請人:韓國能源技術研究院