CN101543716A - 一种采用高温气体预热与恒温的钯膜氢气分离装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用高温气体预热与恒温的钯膜氢气分离装置，该装置在两盲板法兰之间设有多个钯膜组件，盲板法兰与钯膜组件之间及钯膜组件与钯膜组件之间设有合成气流通框架，合成气流通框架为方形框架，中间为空腔；方形框架与盲板法兰或钯膜组件形成封闭的空间，在合成气流通框架四周设有凸台、高温气体导入管、导出管和高温气体流通通道；高温气体流通通道的通道横截面为圆形，其直径为3－5毫米，或者所述高温气体流通通道的通道横截面为矩形，边长为3－5毫米。本发明将高温烟气引入到合成气框架的气体流通通道来预热及恒温膜分离器，升温速率快、温控效果好，特别适用于与有高温尾气排放的装置联合使用，提高能源利用效率。

Description

一种采用高温气体预热与恒温的钯膜氢气分离装置

技术领域

本发明涉及一种用于从含氢的合成气中分离、生产高纯度氢气的膜分离装置，特别是涉及采用高温气体预热、恒温、易于加热、温控效果较好的膜分离装置。该装置能从含氢混合气中生产高纯度的氢气。

技术背景

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Sieverts’Law来表达：

$M=k\frac{A}{L}{e}^{-\frac{\mathrm{\ΔE}}{\mathrm{RT}}}(P_h^n-P_l^n)$

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。

应用钯膜分离生产氢气需要在钯膜的工作温度下进行，对钯膜分离器进行升温的方法有以下几种方式，如可以通过在钯膜组件上加工一些微尺度通道，通过这些微尺度通道采用电加热或者热流体加热，该方法升温速率较快，且可以进行很好的温度控制，但是在钯膜组件上加工微尺度通道有一定的难度。另外为防止钯膜组件的温度散失可以在钯膜组件的外侧放置绝热材料，如陶瓷等。对膜分离器则可以通过其辅助组件进行加热，该加热方式加工相对简单，应用比较方便。

中国发明专利申请“一种生产高纯度氢气的膜分离装置”(申请号：200810199114.8)公开了一种生产高纯度氢气的膜分离装置，包括钯膜组件、合成气流通框架、盲板法兰、石墨垫片、连接螺栓及螺母；在两盲板法兰之间设有多个钯膜组件，盲板法兰与钯膜组件之间及钯膜组件与钯膜组件之间设有合成气流通框架，盲板法兰与合成气流通框架之间及合成气流通框架与钯膜组件之间安装石墨垫片；合成气流通框架为方形框架，中间为空腔；方形框架与盲板法兰或钯膜组件形成封闭的空间，在合成气流通框架设有含氢合成气导入和导出管，导入和导出管与钯膜组件的气体流通空间连通；在合成气流通框架四周设有凸台。但是该装置的预热或恒温需要靠流过合成气流通框架的高温惰性气体或高温含氢合成气本身的热量来实现。

中国发明专利申请“一种电预热与恒温的生产高纯度氢气的膜分离装置”(申请号：200810218798.1)公开了一种采用电加热生产高纯度氢气的膜分离装置，该装置在两盲板法兰之间设有多个钯膜组件，盲板法兰与钯膜组件之间及钯膜组件与钯膜组件之间设有合成器流通框架，盲板法兰与合成气流通框架之间及合成气流通框架与盲板法兰之间安装石墨垫片；合成气流通框架为方形框架，中间为空腔；方形框架与盲板法兰或钯膜组件形成封闭的空间，在合成气流通框架设有含氢合成气导入和导出管；在合成气流通框架四周设有凸台，四壁设有凹槽，凹槽内设有电加热丝，电加热丝的外面设有绝缘保温材料。该装置通过电加热来预热或恒温膜分离器，适合实验室规模实用。对于大规模工业化使用，利用最高品质的电能来加热或恒温膜分离器比较浪费高品质能源。工业规模制氢工艺一般有高温烟气产生，利用高温烟气来预热或恒温膜分离器是一个可行的选择。

发明内容

本发明针对化工生产中制得的含氢合成气，以钯膜组件为主要部件，以高温气体加热为主要加热方式，提供了一种适合有高温烟气预热并保持恒温的钯膜分离装置，提高能源利用效率。

本发明的主要实施方案如下：

一种采用高温气体预热与恒温的钯膜氢气分离装置，在两盲板法兰之间设有多个钯膜组件，盲板法兰与钯膜组件之间及钯膜组件与钯膜组件之间设有合成气流通框架，盲板法兰与合成气流通框架之间及合成气流通框架与钯膜组件之间安装石墨垫片；所述盲板法兰为方形板；在盲板法兰和钯膜组件与合成气流通框架连接的一面四周分别设有凹槽，凹槽内设有石墨垫圈，合成气流通框架的凸台与盲板法兰和钯膜组件上的凹槽密封连接；所述合成气流通框架为方形框架，中间为空腔；方形框架与盲板法兰或钯膜组件形成封闭的空间，在合成气流通框架设有含氢合成气导入和导出管，导入和导出管与钯膜组件的合成气流通框架中的空腔连通；在合成气流通框架四周设有凸台、高温气体导入管、导出管和高温气体流通通道；所述高温气体流通通道的通道横截面为圆形，其直径为3-5毫米，或者所述高温气体流通通道的通道横截面为矩形，边长为3-5毫米。

为进一步实现本发明目的，所述钯膜组件的膜支撑框架两侧分别有多孔烧结金属支撑体和钯合金膜，膜支撑框架内含有被净化氢气气流流通通道，该通道为两对称的矩形齿状组合，通道宽度为3-5毫米，通道之间的支撑框架为3-5毫米，气体导出口设置在支撑框架上下两端，与气流通道连通；所述的膜支撑框架的四周加工一用于与合成气流通框架密封的长方形凹槽，所述凹槽宽3-7毫米、深1-3毫米。

所述盲板法兰的四周上开圆孔，用于组装时螺栓固定。

所述盲板法兰和钯膜组件与合成气流通框架连接的一面四周分别设有凹槽为长方形凹槽，所述凹槽宽度为3-7毫米、深度为1-3毫米。

所述合成气流通框架的凸台宽度比盲板法兰和钯膜组件的凹槽的宽度窄0.3-0.7毫米，高度与盲板法兰和钯膜组件的凹槽深度相同。

所述石墨垫圈为由耐高温的石墨制成的长方形垫圈，宽度与盲板法兰和钯膜组件的凹槽的宽度相同，厚0.3-0.5毫米。

钯膜分离器组装完毕后，外面包覆保温材料以减少散热损失。保温材料选用耐高温陶瓷纤维或其他材料，材料厚度以保证保温材料外表面温度不高于环境温度10℃计算确定。

本发明中对分离器采用高温气体加热，升温速率较快，温度易于控制，特别适用于有高温尾气排放的应用场合。

附图说明

图1为生产高纯度氢气的膜分离装置组装图。

图2为图1的局部放大图。

图3为钯膜组件半剖图。

图4为图3中钯膜组件A-A剖面图。

图5为图3中钯膜组件B-B剖面图。

图6-1为合成气流通框架右视图。

图6-2为图6-1合成气流通框架D-D剖面图。

图6-3为图6-2合成气流通框架C-C剖面图。

图7-1为盲板法兰结构示意图。

图7-2.为图7-1盲板法兰结构E-E剖面图。

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、2所示，一种采用高温气体预热与恒温的钯膜氢气分离装置，包括钯膜组件1、合成气流通框架2、盲板法兰3、石墨垫圈4、螺栓及螺母5、高温气体流通通道204。在两盲板法兰3之间设有多个钯膜组件1，盲板法兰3与钯膜组件1之间及钯膜组件与钯膜组件之间设有合成气流通框架2，用合成气流通框架2将两者分隔，为保持密封，盲板法兰与合成气流通框架之间及合成气流通框架与钯膜组件之间安装石墨垫片。钯膜组件的数量可根据所需的氢气产量、分离器的操作条件(温度、压力等)、钯膜的面积、厚度等几何尺寸来决定。若整个装置所需要的钯膜组件的数量为N，则所需要的合成气流通框架的数量为N+1，石墨垫片的数量为2N+2，盲板法兰数量为2。为给膜分离器加热，在合成气流通框架四周的高温气体流通通道204内通入高温气体。合成气流通框架、钯膜组件、盲板法兰通过连接螺栓和螺母5固定。

如图3～5所示，钯膜组件1包括膜支撑框架101、多孔烧结金属支撑体105、钯合金膜106及氢气导出管104。膜支撑框架101两侧分别有多孔烧结金属支撑体105和钯合金膜106，膜支撑框架101内含有被净化氢气气流流通通道102，该通道为两对称的矩形齿状组合，通道宽度为3-5毫米，优选4毫米，通道之间的支撑框架为3-5毫米，优选4毫米，气体导出口104设置在支撑框架101上下两端，与气流通道102连通。支撑框架101采用不锈钢，多孔烧结金属支撑体105采用烧结不锈钢。支撑框架与烧结金属之间采用焊接连接。钯合金膜106采用钯银合金膜，膜的厚度为10-50微米，此处采用25微米的钯银合金膜。钯合金膜106与金属支撑框架101和多孔烧结金属支撑体105之间采用金属扩散的方法密封连接在一起，该方法是将该组件至于高温高压环境下，使得钯合金膜106的分子与金属支撑框架101的分子相互扩散，从而达到密封的效果。膜支撑框架101四周加工凹槽103，宽为3-7毫米，优选5毫米，深为1-3毫米，优选1毫米；组装时，凹槽103内加厚度0.4毫米宽度为5毫米的石墨垫片4，与合成气流通框架2的凸台203对接(图2)。

如图6-1、6-2、6-3所示，合成气流通框架2为一不锈钢方形框架，中间为空腔、四壁为一长方形凹槽。安装后，与其两侧的盲板法兰及钯膜组件形成封闭的空间201，合成气可在此空间流动。在合成气流通框架2两端焊接含氢合成气导入和导出管202，导入和导出管202与气体流通空间201连通。在框架两侧加工一宽4.5毫米、高1毫米的凸台203，用于合成气流通框架2与钯膜组件1或盲板法兰3安装组合时密封(图2)。在合成气流通框架2的四周加工横截面为圆形的高温气体流通通道204用来对膜分离器的预热以及恒温，其直径为3-5毫米，优选5毫米。该高温气体流通通道204的通道横截面还可为矩形，边长可为3-5毫米。高温气体流通通道204的设置有利于采用高温气体加热，升温速率较快，温度易于控制，特别适用于有高温尾气排放的应用场合。

如图7-1、7-2所示，盲板法兰3为一方形不锈钢板301，厚度为15毫米。在盲板法兰的四周上开圆孔303，用于组装时螺栓5固定(图1)。在盲板法兰3与合成气流通框架2连接的一面加工宽为5毫米，深为1毫米的长方形凹槽302；在组装时(图1)，凹槽302内加厚度0.4毫米宽度为5毫米的石墨垫圈4，再与合成气流通框架2的凸台203密封。

石墨垫圈4为一长方形垫圈，由耐高温的石墨制成。该垫圈宽5毫米，厚0.3-0.5毫米，优选0.4毫米。

钯膜的适宜工作温度是450—600℃，钯膜分离器组装完毕后，外面包覆保温材料以减少散热损失。保温材料可选用耐高温的陶瓷纤维或其他材料，材料厚度以保证保温材料外表面温度不高于环境温度10℃计算确定。

如图1～2所示，含有2个钯膜组件的钯膜分离装置的组装顺序为：盲板法兰、石墨垫片、合成气流通框架，石墨垫片、钯膜组件、石墨垫片、合成气流通框架，石墨垫片、钯膜组件、石墨垫片、合成气流通框架，石墨垫片、盲板法兰；整个装置的部件通过连接螺栓及螺母固定。当需要增加钯膜组件数量时，可在盲板法兰内依次添加石墨垫片、合成气流通框架，钯膜组件即可。

工作时，首先利用高温气体通道204对膜分离器进行预热，当温度升高至钯膜的工作温度(一般在450-600℃)时，将高压的含氢混合气体由合成气流通框架2的导入管202引入，在含氢气体流通通道中，混合气体中的氢气与钯膜106接触，通过钯膜106、烧结金属105传递到氢气流通通道102，再由氢气引出管104引出钯膜分离装置，成为高纯度的产品氢气。在膜分离器的恒温阶段，通过降低高温气体的流量或者混入常温空气实现。

在通常的膜分离器的加热方式一般采用高温的惰性气体或者在钯膜组件内部加工为尺度孔道，由于制备高温惰性气体造价高，在钯膜组件上加工微尺度通道在加工技术上还存在一定的困难。本发明可望充分利用高温尾气中的大量热量，在合成气流通框架的四周加工圆形或矩形流通通道对膜分离器预热和保持恒温，特别适用于与有高温尾气排放的装置联合使用，提高能源利用效率。

Claims (6)

1、一种采用高温气体预热与恒温的钯膜氢气分离装置，在两盲板法兰之间设有多个钯膜组件，盲板法兰与钯膜组件之间及钯膜组件与钯膜组件之间设有合成气流通框架，盲板法兰与合成气流通框架之间及合成气流通框架与钯膜组件之间安装石墨垫片；所述盲板法兰为方形板；在盲板法兰和钯膜组件与合成气流通框架连接的一面四周分别设有凹槽，凹槽内设有石墨垫圈，合成气流通框架的凸台与盲板法兰和钯膜组件上的凹槽密封连接；其特征在于：所述合成气流通框架为方形框架，中间为空腔；方形框架与盲板法兰或钯膜组件形成封闭的空间，在合成气流通框架设有含氢合成气导入和导出管，导入和导出管与钯膜组件的合成气流通框架中的空腔连通；在合成气流通框架四周设有凸台、高温气体导入管、导出管和高温气体流通通道；所述高温气体流通通道的通道横截面为圆形，其直径为3-5毫米，或者所述高温气体流通通道的通道横截面为矩形，边长为3-5毫米。

2、根据权利要求1所述的采用高温气体预热与恒温的钯膜氢气分离装置，其特征在于：所述钯膜组件的膜支撑框架两侧分别有多孔烧结金属支撑体和钯合金膜，膜支撑框架内含有被净化氢气气流流通通道，该通道为两对称的矩形齿状组合，通道宽度为3-5毫米，通道之间的支撑框架为3-5毫米，气体导出口设置在支撑框架上下两端，与气流通道连通；所述的膜支撑框架的四周加工一用于与合成气流通框架密封的长方形凹槽，所述凹槽宽3-7毫米、深1-3毫米。

3、根据权利要求1所述的采用高温气体预热与恒温的钯膜氢气分离装置，其特征在于：所述盲板法兰的四周上开圆孔，用于组装时螺栓固定。

4、根据权利要求1所述的采用高温气体预热与恒温的钯膜氢气分离装置，其特征在于：所述盲板法兰和钯膜组件与合成气流通框架连接的一面四周分别设有凹槽为长方形凹槽，所述凹槽宽度为3-7毫米、深度为1-3毫米。

5、根据权利要求1所述的采用高温气体预热与恒温的钯膜氢气分离装置，其特征在于：所述合成气流通框架的凸台宽度比盲板法兰和钯膜组件的凹槽的宽度窄0.3-0.7毫米，高度与盲板法兰和钯膜组件的凹槽深度相同。

6、根据权利要求1所述的采用高温气体预热与恒温的钯膜氢气分离装置，其特征在于：所述石墨垫圈为由耐高温的石墨制成的长方形垫圈，宽度与盲板法兰和钯膜组件的凹槽的宽度相同，厚0.3-0.5毫米。

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