一種含有換熱通道的鈀膜氫氣分離組件的製作方法

2023-08-02 08:56:41

專利名稱：一種含有換熱通道的鈀膜氫氣分離組件的製作方法
技術領域：
本文發明涉及從合成氣中提純高純度氫氣的技術，特別是涉及一種應用換熱通道預熱 及維持操作溫度的鈀膜組件。
背景技術：
目前世界上90%的氫氣來自於碳氫化合物(天然氣，煤，生物質等)的重整，氣化或 裂解等化學過程後經過純化得到，合成氣的提純是其中一個關鍵的工藝過程。可用的提純
技術有變壓吸附，高分子膜分離，鈀膜分離，低溫分離等。與其他分離技術相比，鈀膜
分離可以生產只含ppb級別雜質的高純度氫氣，尤其適應燃料電池的要求；另外鈀膜分離 裝置佔地小，在小型化方面也較其他幾種分離方法容易。
氫氣在鈀膜中的傳遞服從所謂的"溶解一擴散"(Solution-difftision)機理,它包含以下 幾個過程氫氣從邊界層中擴散到鈀膜表面；氫氣在膜表面分解成氫原子；氫原子被鈀膜 溶解；氫原子在鈀膜中從高壓側擴散到低壓側；氫原子在鈀膜低壓側重新合成為氫分子； 氫氣擴散離開膜表面。根據上述理論，氫氣在鈀膜中的穿透率與膜的溫度，厚度，合金成 分，以及氫氣在膜兩側的分壓有關，並可用Sievert'sLaw來表達
式中
i :氣體常數；r:溫度;A膜面積；丄膜厚度；及活化能；A:氫氣高壓側分壓；A:氫 氣低壓側分壓;《:壓力指數;k指數函數前係數；透過率。
氫氣在鈀膜組件中的分離需要達到一定的溫度(45(TC—60(TC)才有比較高的滲透效 率。如果採用普通的不鏽鋼支撐體(不帶內部通道傳熱)，鈀合金組件在室溫升溫到工作溫 度所需的時間太長(超過3個小時)，不利於在需要頻繁啟動的小規模分布式氫氣生產中應 用。
申請人申請的中國發明專利"一種利用小尺度通道傳熱的快速啟動鈀膜組件"(申請 號200710031743.5)公開了一種鈀膜組件，該組件包括膜支撐框架、多孔金屬支撐體及鈀 合金膜，兩多孔金屬支撐體及鈀合金膜分別依次位於含膜支撐框架的兩側，膜支撐框架內含被淨化氫氣氣流通道和小尺度通道，所述小尺度通道為穿行於膜支撐框架內部的一個加 熱用的氣體的流通通道，其截面為矩形，截面尺寸0.2-1.0毫米X 0.2-1.0毫米，連接小
尺度通道的通道入口和出口設在含膜支撐框架上；支撐體上氫氣氣流通道為矩形齒狀，氣 體導出口設置在支撐框架上端。該組件利用熱流體在小尺度通道內的流動傳熱可以快速使 鈀合金膜組件升溫至所需要的工作溫度，降低了鈀合金膜組件的金屬含量，進一步減少了 升溫時間。該專利利用小尺度通道換熱來快速啟動鈀膜組件，但該小尺度通道加工困難， 加工費用高。

發明內容
本發明目的在於克服現有技術"利用小尺度通道傳熱的快速啟動鈀膜組件"的加工困 難、加工費用高的技術缺點，提供一種易於加工、利用內部換熱通道的換熱的鈀膜組件。
本發明目的通過如下技術方案實現
一種含有換熱通道的鈀膜氫氣分離組件，包括支撐框架、多孔金屬支撐體及鈀合金模， 兩多孔金屬支撐體及鈀合金膜分別依次位於含膜支撐框架的兩側，所述支撐框架兩側設有 換熱通道，支撐框架中部設有被淨化氫氣氣流通道，所述換熱通道為穿行於支撐框架兩側
的一個加熱用的氣體的流通通道，其截面為矩形，截面尺寸3 5毫米x3 5毫米，或者 圓形，截面直徑3 5毫米，換熱通道內設有鋼絲填充物，換熱通道的入口和出口設在支撐 框架上。
為進一步是實現本發明目的，所述支撐框架上氫氣氣流通道為左右對稱矩形齒狀，通 道寬度為3 5毫米，通道之間的膜支撐框架寬度為3 5毫米，氣體導出口設置在支撐框 架上下端，與氣流通道連通。
所述的支撐框架為不鏽鋼製成。
所述的支撐框架與燒結金屬支撐體採用焊接連接。
所述的鈀合金膜採用鈀銀合金膜，膜的厚度為10-50微米。
所述的合金膜與金屬支撐框架及燒結金屬支撐體之間採取金屬擴散的方法密封連接在 一起；或者是所述的合金膜與金屬支撐框架及燒結金屬支撐體之間採用法蘭將鈀合金膜的 邊緣與金屬支撐框架通過壓力密封在一起。
相對於現有技術，本發明具有的優點
與現有技術"利用小尺度通道傳熱的快速啟動鈀膜組件"相比，本發明中的換熱通道 較小尺度換熱通道在技術上容易實現，而且加工費用低。

圖1為本發明含有換熱通道的鈀膜氫氣分離組件的結構示意圖2為圖1中A-A向剖視圖3為圖1中B-B向剖視圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實例對本發明做進一步說明。需要說明的是，所舉的實例，其 作用只是進一步說明本發明的技術特徵，而不是限定本發明。
如圖l-3所示， 一種利用換熱通道傳熱的快速啟動鈀膜組件，包括支撐框架l、多孔金 屬支撐體IO及鈀合金膜11，兩多孔金屬支撐體IO及鈀合金膜11分別依次位於支撐框架1 的兩側，支撐框架l內含被淨化氫氣氣流通道2、左換熱通道4和右換熱通道3，換左換熱 通道3和右換熱通道4為穿行於膜支撐框架1內部的一個加熱用的氣體的流通通道，其截 面為矩形，截面尺寸4毫米X4毫米，內有鋼絲填充物。連接左換熱通道4的出口分別設 有左上短管6和左下短管7作為高溫氣體進出口，連接右換熱通道3的出口分別設有右上 短管5和右下短管8作為高溫氣體進出口 。左換熱通道4和右換熱通道3可以在串聯狀態 工作，即左下短管7和右下短管8連通；左換熱通道4和右換熱通道3也可以在並聯狀態 下工作。支撐框架l內設有氫氣氣流通道2，為兩個對稱的矩形齒狀組合，通道寬度為3-5 毫米，通道之間的膜支撐框架寬度為3-5毫米，氣體導出口9設置在支撐框架1上下兩端， 與氣流通道2連通。支撐框架l採用不鏽鋼，多孔金屬支撐體10採用燒結金屬不鏽鋼。支 撐框架1與燒結金屬支撐體10採用焊接連接。鈀合金膜11採用鈀銀合金膜，膜的厚度為 10-50微米。鈀合金膜11與金屬支撐框架1及燒結金屬支撐體10之間可以釆取金屬擴散的 方法密封連接在一起，該方法是將該組件置於高溫高壓環境下，使得鈀膜合金的分子與金 屬支撐框架的分子互相擴散，從而使鈀合金膜與支撐框架緊密貼附在一起，也可以用法蘭 將鈀合金膜的邊緣與金屬支撐框架通過壓力密封在一起。
換熱通道並聯工作時，通過換熱通道右上短管5和左上短管6分別在左換熱通道4和 右換熱通道3內通入高溫氣體，利用高溫氣體在左換熱通道4和右換熱通道3內的流動向 支撐框架1傳熱，使其升溫，高溫氣體傳熱完畢後，分別通過左下短管7和右下短管8流 出左換熱通道4和右換熱通道3 。
換熱通道串聯工作時，左下短管7和右下短管8連通，通過右上短管5在換熱通道3 和4內通入高溫氣體，利用高溫氣體在右換熱通道3和左換熱通道4內的流動向支撐框架 1傳熱，使其升溫，高溫氣體傳熱完畢後，通過左上短管6流出換熱通道。當溫度上升到鈀膜可以工作的溫度(一般為450-600。C)時，將該鈀膜組件置於含氫氣 的合成氣的高壓氣氛中，合成氣中的氫氣就會通過擴散穿透鈀合金膜11，進而穿過燒結 多孔金屬10進入被淨化氣體氣流通道2，最終通過氣體導出口 9流出鈀膜組件，成為高純 度的產品氫氣。
本發明中的鈀膜組件利用熱流體在換熱通道內的流動傳熱可以快速使鈀合金膜組件升 溫至所需要的工作溫度450-600°C;而且換熱通道的存在降低了鈀合金膜組件的金屬含量， 進一步減少了升溫時間；鈀膜組件還利用厚度低至10微米的鈀合金膜，可提純分離高純度 氫氣，且氫氣透過率大。
"利用小尺度通道傳熱的快速啟動鈀膜組件"(專利申請號200710031743.5)的加工中， 為了實現穿行於膜支撐框架內部的加熱用的氣體的流通通道的加工，需採用現代微製造技 術，先將膜支撐框架剖成兩片，在其中一片上釆用刻蝕技術或超精密加工技術，加工出小 尺度通道，再將兩片支撐框架通過鍵合、高能束焊接、擴散焊接等技術將其結合在一起， 加工程序複雜，加工費用高。本專利技術由於氣流通道截面相對較大(3 5毫米x3 5毫 米)，且僅在膜反應器的邊緣穿行，可採用普通的雷射束加工，且不需要將支撐框架分成兩 片，省去了 "利用小尺度通道傳熱的快速啟動鈀膜組件"(專利申請號200710031743.5) 加工中的結合工序，故加工簡單，加工費用低。
權利要求
1、一種含有換熱通道的鈀膜氫氣分離組件，包括支撐框架、多孔金屬支撐體及鈀合金模，兩多孔金屬支撐體及鈀合金膜分別依次位於含膜支撐框架的兩側，所述支撐框架兩側設有換熱通道，支撐框架中部設有被淨化氫氣氣流通道，其特徵在於，所述換熱通道為穿行於支撐框架兩側的一個加熱用的氣體的流通通道，其截面為矩形，截面尺寸3～5毫米×3～5毫米，或者圓形，截面直徑3～5毫米，換熱通道內設有鋼絲填充物，換熱通道的入口和出口設在支撐框架上。
2、 根據權利要求1所述的含有換熱通道的鈀膜氫氣分離組件，其特徵在於，所述支撐 框架上氫氣氣流通道為左右對稱矩形齒狀，通道寬度為3 5毫米，通道之間的膜支撐框架 寬度為3 5毫米，氣體導出口設置在支撐框架上下端。
3、 根據權利要求1所述的含有換熱通道的鈀膜氫氣分離組件，其特徵在於，所述的支 撐框架為不鏽鋼製成。
4、 根據權利要求1所述的含有換熱通道的鈀膜氫氣分離組件，其特徵在於，所述的支 撐框架與燒結金屬支撐體採用焊接連接。
5、 根據權利要求1所述的含有換熱通道的鈀膜氫氣分離組件，其特徵在於，所述的鈀 合金膜採用鈀銀合金膜，膜的厚度為10-50微米。
6、 根據權利要求1所述的含有換熱通道的鈀膜氫氣分離組件，其特徵在於，所述的合 金膜與金屬支撐框架及燒結金屬支撐體之間採取金屬擴散的方法密封連接在一起；或者是 所述的合金膜與金屬支撐框架及燒結金屬支撐體之間採用法蘭將鈀合金膜的邊緣與金屬支 撐框架通過壓力密封在一起。
全文摘要
本發明公開了一種含有換熱通道的鈀膜氫氣分離組件，包括支撐框架、多孔金屬支撐體及鈀合金模，兩多孔金屬支撐體及鈀合金膜分別依次位於含膜支撐框架的兩側，支撐框架兩側設有換熱通道，支撐框架中部設有被淨化氫氣氣流通道，換熱通道為穿行於支撐框架兩側的一個加熱用的氣體的流通通道，其截面為矩形，截面尺寸3～5毫米×3～5毫米，或者圓形，截面直徑3～5毫米，換熱通道內設有鋼絲填充物，換熱通道的入口和出口設在支撐框架上。與現有技術相比，本發明中的換熱通道較小尺度換熱通道相對較大(3～5毫米×3～5毫米)，且僅在膜反應器的邊緣穿行，可採用普通的雷射束加工，不需要將支撐框架分成兩片，加工簡單，加工費用低。
文檔編號B01D53/22GK101444694SQ20081019911
公開日2009年6月3日 申請日期2008年10月14日 優先權日2008年10月14日
發明者喬偉豔, 解東來 申請人:華南理工大學