CN101181975A

CN101181975A - 一种利用小尺度通道传热的快速启动钯膜组件

Info

Publication number: CN101181975A
Application number: CNA2007100317435A
Authority: CN
Inventors: 解东来; 王卫星
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2007-11-28
Filing date: 2007-11-28
Publication date: 2008-05-21

Abstract

本发明公开了一种利用小尺度通道传热的快速启动钯合金膜组件，该组件包括膜支撑框架、多孔金属支撑体及钯合金膜，两多孔金属支撑体及钯合金膜分别依次位于含膜支撑框架的两侧，膜支撑框架内含被净化氢气气流通道和小尺度通道，所述小尺度通道为穿行于膜支撑框架内部的一个加热用的气体的流通通道，其截面为矩形，截面尺寸0.2－1.0毫米×0.2－1.0毫米，连接小尺度通道的通道入口和出口设在含膜支撑框架上；支撑体上氢气气流通道为矩形齿状，气体导出口设置在支撑框架上端。该组件利用热流体在小尺度通道内的流动传热可以快速使钯合金膜组件升温至所需要的工作温度，降低了钯合金膜组件的金属含量，进一步减少了升温时间。

Description

一种利用小尺度通道传热的快速启动钯膜组件

技术领域

本发明涉及从合成气中提纯生产高纯度氢气的技术，特别是涉及一种利用小尺度通道传热的快速启动钯膜组件。

背景技术

目前世界上90％的氢气来自于碳氢化合物(天然气，煤，生物质等)的重整，气化或裂解等化学过程，合成气的提纯是其中一个关键的工艺过程。可用的提纯技术有：变压吸附，高分子膜分离，钯(合金)膜分离，低温分离等。与其他分离技术相比，钯合金膜分离的操作温度较高(450-600℃)，可以与合成气生产过程耦合，从而打破反应平衡转化率，加大氢气产率，缩短工艺流程，减少生产设备；钯合金膜可以生产只含ppb级别杂质的高纯度氢气，尤其适应燃料电池的要求；另外钯合金膜分离在小型化方面也较其他几种分离方法容易。

氢气在钯合金膜中的传递服从所谓的“溶解—扩散”(Solution-diffusion)机理，它包含以下几个过程：氢气从边界层中扩散到钯合金膜表面；氢气在膜表面分解成氢原子；氢原子被钯合金膜溶解；氢原子在钯合金膜中从高压侧扩散到低压侧；氢原子在钯合金膜低压侧重新合成为氢分子；氢气扩散离开膜表面。根据上述理论，氢气在钯合金膜中的穿透率与膜的温度，厚度，合金成分，以及氢气在膜两侧的分压有关，并可用Sievert’s law来表达：

M = k \frac{A}{L} e^{- \frac{ΔE}{RT}} (P_{h}^{n} - P_{l}^{n})

式中：

R：气体常数；T：温度；A：膜面积；L：膜厚度；E：活化能；P_h：氢气高压侧分压；P_l：氢气低压侧分压；n：压力指数；k：指数函数前系数；M：透过率。

在钯合金膜组件中，除了分离氢气的钯合金膜，还有用于承压的支撑体，一般为多孔陶瓷或烧结不锈钢等材料。但是由于陶瓷的耐压性，耐振动性都比较差，且钯合金膜的热膨胀系数与陶瓷材料有较大的差别，在实际使用过程中钯合金膜容易破损。另一方面，如果采用普通的不锈钢支撑体(不带小尺度通道传热)，钯合金膜组件在由室温升温到工作温度所需要的时间太长(超过3个小时)，不利于在需要频繁启动的小规模分布式氢气生产中应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种有效缩短钯合金膜组件启动时间的，利用小尺度通道传热的快速启动钯膜组件。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种利用小尺度通道传热的快速启动钯膜组件，包括膜支撑框架、多孔金属支撑体及钯合金膜，两多孔金属支撑体及钯合金膜分别依次位于含膜支撑框架的两侧，所述膜支撑框架内含被净化氢气气流通道和小尺度通道，所述小尺度通道为穿行于膜支撑框架内部的一个加热用的气体的流通通道，其截面为矩形，截面尺寸0.2-1.0毫米×0.2-1.0毫米，连接小尺度通道的通道入口和出口设在含膜支撑框架上；支撑体上氢气气流通道为矩形齿状，气体导出口设置在支撑框架上端，与气流通道连通。

为进一步是实现本发明目的，所述的矩形齿状氢气气流通道宽度为3-5毫米，通道之间的膜支撑框架的宽度为3-5毫米。

所述的支撑框架为不锈钢制成。

所述的支撑框架与烧结金属支撑体4采用焊接连接。

所述的钯合金膜采用钯银合金膜，膜的厚度为10-50微米。

所述的合金膜与金属支撑框架及烧结金属支撑体之间采取金属扩散的方法密封连接在一起。或者是所述的合金膜与金属支撑框架及烧结金属支撑体4之间采用法兰将钯合金膜的边缘与金属支撑框架通过压力密封在一起。

本发明与现有技术相比，有以下优点：

(1)利用热流体在小尺度通道内的流动传热可以快速使钯合金膜组件升温至所需要的工作温度(一般为450-600℃)；

(2)小尺度换热通道的存在降低了钯合金膜组件的金属含量，进一步减少了升温时间；

(3)利用厚度低至10微米的钯合金膜，可提纯分离高纯度氢气，且氢气透过率大。

附图说明

图1为本发明利用小尺度通道传热的快速启动钯膜组件的结构示意图；

图2为图1中A-A向剖视图；

图3为图1中B-B向剖视图；

图4为钯合金膜应用示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。需要说明的是，所举的实例，其作用只是进一步说明本发明的技术特征，而不是限定本发明。

如图1-3所示，一种利用小尺度通道传热的快速启动钯膜组件，包括膜支撑框架1、多孔金属支撑体4及钯合金膜5，两多孔金属支撑体4及钯合金膜5分别依次位于含膜支撑框架1的两侧，膜支撑框架1内含被净化氢气气流通道2和小尺度通道3，该小尺度通道3为穿行于膜支撑框架1内部的一个加热用的气体的流通通道，其截面为矩形，截面尺寸0.2-1.0毫米×0.2-1.0毫米，连接小尺度通道3的通道入口6和出口7设在含膜支撑框架1上的两边；支撑体上氢气气流通道2为两个对称的矩形齿状组合，通道宽度为3-5毫米，通道之间的膜支撑框架，宽度为3-5毫米，气体导出口8设置在支撑框架1上端，与气流通道2连通。支撑框架1采用不锈钢，多孔金属支撑体4采用烧结金属不锈钢。支撑框架1与烧结金属支撑体4采用焊接连接。钯合金膜5采用钯银合金膜，膜的厚度为10-50微米。合金膜5与金属支撑框架1及烧结金属支撑体4之间可以采取金属扩散的方法密封连接在一起，该方法是将该组件置于高温高压环境下，使得钯膜合金的分子与金属支撑框架的分子互相扩散，从而使钯合金膜与支撑框架紧密贴附在一起，也可以用法兰将钯合金膜的边缘与金属支撑框架通过压力密封在一起。

工作时，首先通过小尺度通道入口6在小尺度通道3内通入高温气体，利用高温气体在小尺度通道3内的流动向支撑框架1传热，使其升温，高温气体传热完毕后，通过出口7流出小尺度通道3。当温度上升到钯膜可以工作的温度(一般为450-600℃)时，将该钯膜组件置于含氢气的合成气的高压气氛中，合成气中的氢气就会通过扩散穿透钯合金膜5，进而穿过烧结多孔金属5进入被净化气体气流通道2，最终通过气体导出口8流出钯膜组件，成为高纯度的产品氢气。

本发明中的钯膜组件利用热流体在小尺度通道内的流动传热可以快速使钯合金膜组件升温至所需要的工作温度450-600℃；而且小尺度换热通道的存在降低了钯合金膜组件的金属含量，进一步减少了升温时间；钯膜组件还利用厚度低至10微米的钯合金膜，可提纯分离高纯度氢气，且氢气透过率大。

加工如图1及图2所示的钯合金膜组件，其具体尺寸可为：不锈钢框架采用厚度为6.3毫米的304不锈钢，长165毫米，宽76毫米，小尺度通道横截面为0.5毫米×0.5毫米，膜支撑体采用316烧结多孔不锈钢，尺寸为127毫米(长)×64毫米(宽)×1.2毫米(厚)，膜支撑体居中位于支撑框架表面，其上覆盖厚度为25微米的钯(75％质量)银(25％质量)合金膜，膜尺寸为76毫米×140毫米。支撑框架中氢气流通通道宽度为0.5毫米。氢气出口，加热气体入口和出口都采用Φ6的卡套管。

如图4所示，将该钯膜组件12置于一设有进入口9和排出口10的密封的压力容器11中，加热气体入口6，出口7和氢气出口8通过压力容器11的法兰引出压力容器11。加热气体采用700℃的高温烟气，流量10标准升/分钟，从入口6进入钯膜组件12内，从出口7排出钯膜组件12，可在30分钟内将钯合金膜组件预热到550℃。在正常工作状态下，当容器11内合成气中氢气的摩尔浓度控制在30％，气体温度550℃，压力2.0MPa，则透过钯合金膜组件12，从氢体出口8排出的氢气的产率可达2.5升/分钟，氢气的纯度大于99.999％。

Claims

1.一种利用小尺度通道传热的快速启动钯膜组件，包括膜支撑框架、多孔金属支撑体及钯合金膜，两多孔金属支撑体及钯合金膜分别依次位于含膜支撑框架的两侧，其特征在于，所述膜支撑框架内含被净化氢气气流通道和小尺度通道，所述小尺度通道为穿行于膜支撑框架内部的一个加热用的气体的流通通道，其截面为矩形，截面尺寸0.2-1.0毫米×0.2-1.0毫米，连接小尺度通道的通道入口和出口设在含膜支撑框架上；支撑体上氢气气流通道为矩形齿状，气体导出口设置在支撑框架上端，与气流通道连通。

2.根据权利要求1所述的利用小尺度通道传热的快速启动钯膜组件，其特征在于所述的矩形齿状氢气气流通道宽度为3-5毫米，通道之间的膜支撑框架的宽度为3-5毫米。

3.根据权利要求1所述的利用小尺度通道传热的快速启动钯膜组件，其特征在于所述的支撑框架1为不锈钢制成。

4.根据权利要求1所述的利用小尺度通道传热的快速启动钯膜组件，其特征在于所述的支撑框架1与烧结金属支撑体4采用焊接连接。

5.根据权利要求1所述的利用小尺度通道传热的快速启动钯膜组件，其特征在于所述的钯合金膜采用钯银合金膜，膜的厚度为10-50微米。

6.根据权利要求1所述的利用小尺度通道传热的快速启动钯膜组件，其特征在于所述的合金膜与金属支撑框架及烧结金属支撑体之间采取金属扩散的方法密封连接在一起。

7.根据权利要求1所述的利用小尺度通道传热的快速启动钯膜组件，其特征在于所述的合金膜与金属支撑框架及烧结金属支撑体之间采用法兰将钯合金膜的边缘与金属支撑框架通过压力密封在一起。