一種基於高溫預熱的鈀膜氫氣分離裝置的製作方法
2023-05-03 11:58:26
專利名稱：一種基於高溫預熱的鈀膜氫氣分離裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於從含氫的合成氣中分離、生產高純度氫氣的膜分離裝置，特別是涉及採用高溫氣體預熱、恆溫、易於加熱、溫控效果較好的膜分離裝置。該裝置能從含氫混合氣中生產高純度的氫氣。
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-diffusion)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Sieverts'Law來表達
m = a-/,;-屍/)
丄
式中
i :氣體常數；r:溫度；A膜面積；膜厚度；活化能；/V氫氣高壓側分壓;P/:氫氣低壓側分壓；w:壓力指數；)t:指數函數前係數；M:透過率。
應用鈀膜分離生產氫氣需要在鈀膜的工作溫度下進行，對鈀膜分離器進行升溫的方法有以下幾種方式，如可以通過在鈀膜組件上加工一些微尺度通道，通過這些微尺度通道採用電加熱或者熱流體加熱，該方法升溫速率較快，且可以進行很好的溫度控制，但是在鈀膜組件上加工微尺度通道有一定的難度。另外為防止鈀膜組件的溫度散失可以在鈀膜組件的外側放置絕熱材料，如陶瓷等。對膜分離器則可以通過其輔助組件進行加熱，該加熱方式加工相對簡單，應用比較方便。
中國發明專利申請"一種生產高純度氫氣的膜分離裝置"(申請號200810199114.8) 公開了一種生產高純度氫氣的膜分離裝置，包括鈀膜組件、合成氣流通框架、盲板法蘭、 石墨墊片、連接螺栓及螺母；在兩盲板法蘭之間設有多個鈀膜組件，盲板法蘭與鈀膜組件 之間及鈀膜組件與鈀膜組件之間設有合成氣流通框架，盲板法蘭與合成氣流通框架之間及 合成氣流通框架與鈀膜組件之間安裝石墨墊片；合成氣流通框架為方形框架，中間為空腔； 方形框架與盲板法蘭或鈀膜組件形成封閉的空間，在合成氣流通框架設有含氫合成氣導入 和導出管，導入和導出管與鈀膜組件的氣體流通空間連通；在合成氣流通框架四周設有凸 臺。但是該裝置的預熱或恆溫需要靠流過合成氣流通框架的高溫惰性氣體或高溫含氫合成 氣本身的熱量來實現。
中國發明專利申請"一種電預熱與恆溫的生產高純度氫氣的膜分離裝置"(申請號 200810218798.1)公開了一種採用電加熱生產高純度氫氣的膜分離裝置，該裝置在兩盲板 法蘭之間設有多個鈀膜組件，盲板法蘭與鈀膜組件之間及鈀膜組件與鈀膜組件之間設有合 成器流通框架，盲板法蘭與合成氣流通框架之間及合成氣流通框架與盲板法蘭之間安裝石 墨墊片；合成氣流通框架為方形框架，中間為空腔；方形框架與盲板法蘭或鈀膜組件形成 封閉的空間，在合成氣流通框架設有含氫合成氣導入和導出管；在合成氣流通框架四周設 有凸臺，四壁設有凹槽，凹槽內設有電加熱絲，電加熱絲的外面設有絕緣保溫材料。該裝 置通過電加熱來預熱或恆溫膜分離器，適合實驗室規模實用。對於大規模工業化使用，利 用最高品質的電能來加熱或恆溫膜分離器比較浪費高品質能源。工業規模製氫工藝一般有 高溫煙氣產生，利用高溫煙氣來預熱或恆溫膜分離器是一個可行的選擇。
實用新型內容
本實用新型針對化工生產中製得的含氫合成氣，以鈀膜組件為主要部件，以高溫氣體 加熱為主要加熱方式，提供了一種適合有高溫煙氣預熱並保持恆溫的鈀膜分離裝置，提高 能源利用效率。
本實用新型的主要實施方案如下
一種基於高溫預熱的鈀膜氫氣分離裝置，在兩盲板法蘭之間設有多個鈀膜組件，盲板 法蘭與鈀膜組件之間及鈀膜組件與鈀膜組件之間設有合成氣流通框架，盲板法蘭與合成氣 流通框架之間及合成氣流通框架與鈀膜組件之間安裝石墨墊片；所述盲板法蘭為方形板； 在盲板法蘭和鈀膜組件與合成氣流通框架連接的一面四周分別設有凹槽，凹槽內設有石墨 墊圈，合成氣流通框架的凸臺與盲板法蘭和鈀膜組件上的凹槽密封連接；所述合成氣流通框架為方形框架，中間為空腔；方形框架與盲板法蘭或鈀膜組件形成封閉的空間，在合成 氣流通框架設有含氫合成氣導入和導出管，導入和導出管與鈀膜組件的合成氣流通框架中 的空腔連通；在合成氣流通框架四周設有凸臺、高溫氣體導入管、導出管和高溫氣體流通 通道；所述高溫氣體流通通道的通道橫截面為圓形，其直徑為3-5毫米，或者所述高溫氣 體流通通道的通道橫截面為矩形，邊長為3-5毫米。
為進一步實現本實用新型目的，所述鈀膜組件的膜支撐框架兩側分別有多孔燒結金屬 支撐體和鈀合金膜，膜支撐框架內含有被淨化氫氣氣流流通通道，該通道為兩對稱的矩形 齒狀組合，通道寬度為3-5毫米，通道之間的支撐框架為3-5毫米，氣體導出口設置在支撐 框架上下兩端，與氣流通道連通；所述的膜支撐框架的四周加工一用於與合成氣流通框架 密封的長方形凹槽，所述凹槽寬3-7毫米、深l-3毫米。
所述盲板法蘭的四周上開圓孔，用於組裝時螺栓固定。
所述盲板法蘭和鈀膜組件與合成氣流通框架連接的一面四周分別設有凹槽為長方形凹 槽，所述凹槽寬度為3-7毫米、深度為l-3毫米。
所述合成氣流通框架的凸臺寬度比盲板法蘭和鈀膜組件的凹槽的寬度窄0.3-0.7毫米， 高度與盲板法蘭和鈀膜組件的凹槽深度相同。
所述石墨墊圈為由耐高溫的石墨製成的長方形墊圈，寬度與盲板法蘭和鈀膜組件的凹 槽的寬度相同，厚0.3-0.5毫米。
鈀膜分離器組裝完畢後，外面包覆保溫材料以減少散熱損失。保溫材料選用耐高溫陶 瓷纖維或其他材料，材料厚度以保證保溫材料外表面溫度不高於環境溫度10。C計算確定。
本實用新型中對分離器採用高溫氣體加熱，升溫速率較快，溫度易於控制，特別適用 於有高溫尾氣排放的應用場合。
圖1為生產高純度氫氣的膜分離裝置組裝圖。
圖2為圖1的局部放大圖。
圖3為鈀膜組件半剖圖。
圖4為圖3中鈀膜組件A-A剖面圖。
圖5為圖3中鈀膜組件B-B剖面圖。
圖6-1為合成氣流通框架右視圖。
圖6-2為圖6-1合成氣流通框架D-D剖面圖。
圖6-3為圖6-2合成氣流通框架C-C剖面圖。圖7-l為盲板法蘭結構示意圖。 圖7-2.為圖7-1盲板法蘭結構E-E剖面圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實例對本實用新型做進一步說明。需要說明的是，所舉的實例， 其作用只是進一步說明本實用新型的技術特徵，而不是限定本實用新型。
如圖l、 2所示， 一種基於高溫預熱的鈀膜氫氣分離裝置，包括鈀膜組件l、合成氣流 通框架2、盲板法蘭3、石墨墊圈4、螺栓及螺母5、高溫氣體流通通道204。在兩盲板法 蘭3之間設有多個鈀膜組件1，盲板法蘭3與鈀膜組件1之間及鈀膜組件與鈀膜組件之間 設有合成氣流通框架2，用合成氣流通框架2將兩者分隔，為保持密封，盲板法蘭與合成 氣流通框架之間及合成氣流通框架與鈀膜組件之間安裝石墨墊片。鈀膜組件的數量可根據 所需的氫氣產量、分離器的操作條件(溫度、壓力等)、鈀膜的面積、厚度等幾何尺寸來決 定。若整個裝置所需要的鈀膜組件的數量為N，則所需要的合成氣流通框架的數量為N+1， 石墨墊片的數量為2N+2，盲板法蘭數量為2。為給膜分離器加熱，在合成氣流通框架四周 的高溫氣體流通通道204內通入高溫氣體。合成氣流通框架、鈀膜組件、盲板法蘭通過連 接螺栓和螺母5固定。
如圖3~5所示，鈀膜組件1包括膜支撐框架101、多孔燒結金屬支撐體105、鈀合金膜 106及氫氣導出管104。膜支撐框架101兩側分別有多孔燒結金屬支撐體105和鈀合金膜 106，膜支撐框架101內含有被淨化氫氣氣流流通通道102，該通道為兩對稱的矩形齒狀組 合，通道寬度為3-5毫米，優選4毫米，通道之間的支撐框架為3-5毫米，優選4毫米，氣 體導出口 104設置在支撐框架101上下兩端，與氣流通道102連通。支撐框架101採用不 鏽鋼，多孔燒結金屬支撐體105採用燒結不鏽鋼。支撐框架與燒結金屬之間採用焊接連接。 鈀合金膜106採用鈀銀合金膜，膜的厚度為10-50微米，此處採用25微米的鈀銀合金膜。 鈀合金膜106與金屬支撐框架101和多孔燒結金屬支撐體105之間採用金屬擴散的方法密 封連接在一起，該方法是將該組件至於高溫高壓環境下，使得鈀合金膜106的分子與金屬 支撐框架101的分子相互擴散，從而達到密封的效果。膜支撐框架101四周加工凹槽103， 寬為3-7毫米，優選5毫米，深為l-3毫米，優選l毫米；組裝時，凹槽103內加厚度0.4 毫米寬度為5毫米的石墨墊片4，與合成氣流通框架2的凸臺203對接(圖2)。
如圖6-l、 6-2、 6-3所示，合成氣流通框架2為一不鏽鋼方形框架，中間為空腔、四壁 為一長方形凹槽。安裝後，與其兩側的盲板法蘭及鈀膜組件形成封閉的空間201，合成氣 可在此空間流動。在合成氣流通框架2兩端焊接含氫合成氣導入和導出管202，導入和導出管202與氣體流通空間201連通。在框架兩側加工一寬4.5毫米、高1毫米的凸臺203， 用於合成氣流通框架2與鈀膜組件1或盲板法蘭3安裝組合時密封(圖2)。在合成氣流通 框架2的四周加工橫截面為圓形的高溫氣體流通通道204用來對膜分離器的預熱以及恆溫， 其直徑為3-5毫米，優選5毫米。該高溫氣體流通通道204的通道橫截面還可為矩形，邊 長可為3-5毫米。高溫氣體流通通道204的設置有利於採用高溫氣體加熱，升溫速率較快， 溫度易於控制，特別適用於有高溫尾氣排放的應用場合。
如圖7-l、 7-2所示，盲板法蘭3為一方形不鏽鋼板301，厚度為15毫米。在盲板法蘭 的四周上開圓孔303，用於組裝時螺栓5固定(圖1)。在盲板法蘭3與合成氣流通框架2 連接的一面加工寬為5毫米，深為1毫米的長方形凹槽302;在組裝時(圖1)，凹槽302 內加厚度0.4毫米寬度為5毫米的石墨墊圈4，再與合成氣流通框架2的凸臺203密封。
石墨墊圈4為一長方形墊圈，由耐高溫的石墨製成。該墊圈寬5毫米，厚0.3-0.5毫米， 優選0.4毫米。
鈀膜的適宜工作溫度是450—60(TC，鈀膜分離器組裝完畢後，外面包覆保溫材料以減 少散熱損失。保溫材料可選用耐高溫的陶瓷纖維或其他材料，材料厚度以保證保溫材料外 表面溫度不高於環境溫度io"c計算確定。
如圖1 2所示，含有2個鈀膜組件的鈀膜分離裝置的組裝順序為盲板法蘭、石墨墊 片、合成氣流通框架，石墨墊片、鈀膜組件、石墨墊片、合成氣流通框架，石墨墊片、鈀 膜組件、石墨墊片、合成氣流通框架，石墨墊片、盲板法蘭；整個裝置的部件通過連接螺 栓及螺母固定。當需要增加鈀膜組件數量時，可在盲板法蘭內依次添加石墨墊片、合成氣 流通框架，鈀膜組件即可。
工作時，首先利用高溫氣體通道204對膜分離器進行預熱，當溫度升高至鈀膜的工作 溫度(一般在450-60(fC)時，將高壓的含氫混合氣體由合成氣流通框架2的導入管202引 入，在含氫氣體流通通道中，混合氣體中的氫氣與鈀膜106接觸，通過鈀膜106、燒結金 屬105傳遞到氫氣流通通道102，再由氫氣引出管104引出鈀膜分離裝置，成為高純度的 產品氫氣。在膜分離器的恆溫階段，通過降低高溫氣體的流量或者混入常溫空氣實現。
在通常的膜分離器的加熱方式一般採用高溫的惰性氣體或者在鈀膜組件內部加工為尺 度孔道，由於製備高溫惰性氣體造價高，在鈀膜組件上加工微尺度通道在加工技術上還存 在一定的困難。本實用新型可望充分利用高溫尾氣中的大量熱量，在合成氣流通框架的四 周加工圓形或矩形流通通道對膜分離器預熱和保持恆溫，特別適用於與有高溫尾氣排放的 裝置聯合使用，提高能源利用效率。
權利要求1、一種基於高溫預熱的鈀膜氫氣分離裝置，在兩盲板法蘭之間設有多個鈀膜組件，盲板法蘭與鈀膜組件之間及鈀膜組件與鈀膜組件之間設有合成氣流通框架，盲板法蘭與合成氣流通框架之間及合成氣流通框架與鈀膜組件之間安裝石墨墊片；所述盲板法蘭為方形板；在盲板法蘭和鈀膜組件與合成氣流通框架連接的一面四周分別設有凹槽，凹槽內設有石墨墊圈，合成氣流通框架的凸臺與盲板法蘭和鈀膜組件上的凹槽密封連接；其特徵在於所述合成氣流通框架為方形框架，中間為空腔；方形框架與盲板法蘭或鈀膜組件形成封閉的空間，在合成氣流通框架設有含氫合成氣導入和導出管，導入和導出管與鈀膜組件的合成氣流通框架中的空腔連通；在合成氣流通框架四周設有凸臺、高溫氣體導入管、導出管和高溫氣體流通通道；所述高溫氣體流通通道的通道橫截面為圓形，其直徑為3-5毫米，或者所述高溫氣體流通通道的通道橫截面為矩形，邊長為3-5毫米。
2、 根據權利要求1所述的基於高溫預熱的鈀膜氫氣分離裝置，其特徵在於所述鈀膜 組件的膜支撐框架兩側分別有多孔燒結金屬支撐體和鈀合金膜，膜支撐框架內含有被淨化 氫氣氣流流通通道，該通道為兩對稱的矩形齒狀組合，通道寬度為3-5毫米，通道之間的 支撐框架為3-5毫米，氣體導出口設置在支撐框架上下兩端，與氣流通道連通；所述的膜 支撐框架的四周加工一用於與合成氣流通框架密封的長方形凹槽，所述凹槽寬3-7毫米、 深1-3毫米。
3、 根據權利要求1所述的基於高溫預熱的鈀膜氫氣分離裝置，其特徵在於所述盲板 法蘭的四周上開圓孔，用於組裝時螺栓固定。
4、 根據權利要求1所述的基於高溫預熱的鈀膜氫氣分離裝置，其特徵在於所述盲板 法蘭和鈀膜組件與合成氣流通框架連接的一面四周分別設有凹槽為長方形凹槽，所述凹槽 寬度為3-7毫米、深度為1-3毫米。
5、 根據權利要求1所述的基於高溫預熱的鈀膜氫氣分離裝置，其特徵在於所述合成 氣流通框架的凸臺寬度比盲板法蘭和鈀膜組件的凹槽的寬度窄0.3-0.7毫米，高度與盲板法 蘭和鈀膜組件的凹槽深度相同。
6、 根據權利要求1所述的基於高溫預熱的鈀膜氫氣分離裝置，其特徵在於所述石墨 墊圈為由耐高溫的石墨製成的長方形墊圈，寬度與盲板法蘭和鈀膜組件的凹槽的寬度相同， 厚0.3-0.5毫米。
專利摘要本實用新型公開了一種基於高溫預熱的鈀膜氫氣分離裝置，該裝置在兩盲板法蘭之間設有多個鈀膜組件，盲板法蘭與鈀膜組件之間及鈀膜組件與鈀膜組件之間設有合成氣流通框架，合成氣流通框架為方形框架，中間為空腔；方形框架與盲板法蘭或鈀膜組件形成封閉的空間，在合成氣流通框架四周設有凸臺、高溫氣體導入管、導出管和高溫氣體流通通道；高溫氣體流通通道的通道橫截面為圓形，其直徑為3-5毫米，或者所述高溫氣體流通通道的通道橫截面為矩形，邊長為3-5毫米。本實用新型將高溫煙氣引入到合成氣框架的氣體流通通道來預熱及恆溫膜分離器，升溫速率快、溫控效果好，特別適用於與有高溫尾氣排放的裝置聯合使用，提高能源利用效率。
文檔編號C01B3/56GK201400568SQ200920053349
公開日2010年2月10日 申請日期2009年3月25日 優先權日2009年3月25日
發明者寧 張, 解東來 申請人:華南理工大學