CN101444694B

CN101444694B - 一种含有换热通道的钯膜氢气分离组件

Info

Publication number: CN101444694B
Application number: CN2008101991114A
Authority: CN
Inventors: 解东来; 乔伟艳
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2008-10-14
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2028-10-14
Also published as: CN101444694A

Abstract

本发明公开了一种含有换热通道的钯膜氢气分离组件，包括支撑框架、多孔金属支撑体及钯合金模，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，支撑框架两侧设有换热通道，支撑框架中部设有被净化氢气气流通道，换热通道为穿行于支撑框架两侧的一个加热用的气体的流通通道，其截面为矩形，截面尺寸3～5毫米×3～5毫米，或者圆形，截面直径3～5毫米，换热通道内设有钢丝填充物，换热通道的入口和出口设在支撑框架上。与现有技术相比，本发明中的换热通道较小尺度换热通道相对较大(3～5毫米×3～5毫米)，且仅在膜反应器的边缘穿行，可采用普通的激光束加工，不需要将支撑框架分成两片，加工简单，加工费用低。

Description

一种含有换热通道的钯膜氢气分离组件

技术领域

本文发明涉及从合成气中提纯高纯度氢气的技术，特别是涉及一种应用换热通道预热及维持操作温度的钯膜组件。

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后经过纯化得到，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，钯膜分离，低温分离等。与其他分离技术相比，钯膜分离可以生产只含ppb级别杂质的高纯度氢气，尤其适应燃料电池的要求；另外钯膜分离装置占地小，在小型化方面也较其他几种分离方法容易。

氢气在钯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膜表面；氢气在膜表面分解成氢原子；氢原子被钯膜溶解；氢原子在钯膜中从高压侧扩散到低压侧；氢原子在钯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。

氢气在钯膜组件中的分离需要达到一定的温度(450℃—600℃)才有比较高的渗透效率。如果采用普通的不锈钢支撑体(不带内部通道传热)，钯合金组件在室温升温到工作温度所需的时间太长(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。

申请人申请的中国发明专利“一种利用小尺度通道传热的快速启动钯膜组件”(申请号：200710031743.5)公开了一种钯膜组件，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。该专利利用小尺度通道换热来快速启动钯膜组件，但该小尺度通道加工困难，加工费用高。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术“利用小尺度通道传热的快速启动钯膜组件”的加工困难、加工费用高的技术缺点，提供一种易于加工、利用内部换热通道的换热的钯膜组件。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种含有换热通道的钯膜氢气分离组件，包括支撑框架、多孔金属支撑体及钯合金模，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，所述支撑框架两侧设有换热通道，支撑框架中部设有被净化氢气气流通道，所述换热通道为穿行于支撑框架两侧的一个加热用的气体的流通通道，其截面为矩形，截面尺寸3～5毫米×3～5毫米，或者圆形，截面直径3～5毫米，换热通道内设有钢丝填充物，换热通道的入口和出口设在支撑框架上。

为进一步是实现本发明目的，所述支撑框架上氢气气流通道为左右对称矩形齿状，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，气体导出口设置在支撑框架上下端，与气流通道连通。

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。

相对于现有技术，本发明具有的优点：

与现有技术“利用小尺度通道传热的快速启动钯膜组件”相比，本发明中的换热通道较小尺度换热通道在技术上容易实现，而且加工费用低。

附图说明

图1为本发明含有换热通道的钯膜氢气分离组件的结构示意图；

图2为图1中A-A向剖视图；

图3为图1中B-B向剖视图。

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，一种利用换热通道传热的快速启动钯膜组件，包括支撑框架1、多孔金属支撑体10及钯合金膜11，两多孔金属支撑体10及钯合金膜11分别依次位于支撑框架1的两侧，支撑框架1内含被净化氢气气流通道2、左换热通道4和右换热通道3，换左换热通道3和右换热通道4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4毫米×4毫米，内有钢丝填充物。连接左换热通道4的出口分别设有左上短管6和左下短管7作为高温气体进出口，连接右换热通道3的出口分别设有右上短管5和右下短管8作为高温气体进出口。左换热通道4和右换热通道3可以在串联状态工作，即左下短管7和右下短管8连通；左换热通道4和右换热通道3也可以在并联状态下工作。支撑框架1内设有氢气气流通道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9设置在支撑框架1上下两端，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10采用烧结金属不锈钢。支撑框架1与烧结金属支撑体10采用焊接连接。钯合金膜11采用钯银合金膜，膜的厚度为10-50微米。钯合金膜11与金属支撑框架1及烧结金属支撑体10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。

换热通道并联工作时，通过换热通道右上短管5和左上短管6分别在左换热通道4和右换热通道3内通入高温气体，利用高温气体在左换热通道4和右换热通道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，分别通过左下短管7和右下短管8流出左换热通道4和右换热通道3。

换热通道串联工作时，左下短管7和右下短管8连通，通过右上短管5在换热通道3和4内通入高温气体，利用高温气体在右换热通道3和左换热通道4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，通过左上短管6流出换热通道。

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11，进而穿过烧结多孔金属10进入被净化气体气流通道2，最终通过气体导出口9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换热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。

“利用小尺度通道传热的快速启动钯膜组件”(专利申请号：200710031743.5)的加工中，为了实现穿行于膜支撑框架内部的加热用的气体的流通通道的加工，需采用现代微制造技术，先将膜支撑框架剖成两片，在其中一片上采用刻蚀技术或超精密加工技术，加工出小尺度通道，再将两片支撑框架通过键合、高能束焊接、扩散焊接等技术将其结合在一起，加工程序复杂，加工费用高。本专利技术由于气流通道截面相对较大(3～5毫米×3～5毫米)，且仅在膜反应器的边缘穿行，可采用普通的激光束加工，且不需要将支撑框架分成两片，省去了“利用小尺度通道传热的快速启动钯膜组件”(专利申请号：200710031743.5)加工中的结合工序，故加工简单，加工费用低。

Claims

1.一种含有换热通道的钯膜氢气分离组件，包括含膜支撑框架、多孔金属支撑体及钯合金模，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，所述含膜支撑框架两侧设有换热通道，含膜支撑框架中部设有被净化氢气气流通道，其特征在于，所述换热通道为穿行于含膜支撑框架两侧的一个加热用的气体的流通通道，其截面为矩形，截面尺寸3～5毫米×3～5毫米，或者圆形，截面直径3～5毫米，换热通道内设有钢丝填充物，换热通道的入口和出口设在含膜支撑框架上。

2.根据权利要求1所述的含有换热通道的钯膜氢气分离组件，其特征在于，所述含膜支撑框架上氢气气流通道为左右对称矩形齿状，通道宽度为3～5毫米，通道之间的含膜支撑框架宽度为3～5毫米，气体导出口设置在含膜支撑框架上下端。

3.根据权利要求1所述的含有换热通道的钯膜氢气分离组件，其特征在于，所述的含膜支撑框架为不锈钢制成。

4.根据权利要求1所述的含有换热通道的钯膜氢气分离组件，其特征在于，所述多孔金属支撑体为烧结金属支撑体，所述的含膜支撑框架与烧结金属支撑体采用焊接连接。

5.根据权利要求1所述的含有换热通道的钯膜氢气分离组件，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。