CN102963868B - 一种氢气分离器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种氢气分离器，由防爆电磁控制阀、分离组件、换热器、质量流量控制、真空泵、单向阀、压力传感器等及电气控制系统组成。其中电气控制系统控制阀门和真空泵的开关及质量流量控制器的设置以实现分离器不同状况下的操作，并提供了分离组件性能的检测技术方案，甚至于断电情况下可自动启动保护措施，避免因氢脆而导致分离组件损坏。其中换热器通过原料氢与高纯氢换热为原料氢预热。其中真空泵于在升温和降温过程中将整个体系中的气体抽除，以防止分离组件中钯复合膜因空气或氢气的存在而发生氧化或氢脆，延长其使用寿命。
Description
技术领域
本发明属氢气分离技术领域，涉及一种氢气分离器。该分离器能自动识别正常分离状况和其它紧急状况并采取相应措施，从而避免分离组件的不可逆变损伤。
背景技术
对于钯复合膜，只有氢气能很容易透过，而其它气体不能透过，正是这一特性可使基于钯复合膜的分离器进行氢气的分离，钯复合膜的透氢机理如下所述。
氢气透过钯复合膜是个复杂的过程，属于溶解—扩散机理，包括以下五个步骤，如附图1所示。①氢分子在膜表面进行化学吸附，并解离；②表面氢原子溶解于钯膜；③氢原子在压差的作用下从一侧扩散到另一侧；④氢原子从膜渗透测析出；呈化学吸附态；⑤表面氢原子结合成氢分子并脱附。
钯复合膜透氢时需要在高温条件下，当低于300℃下，会出现“氢脆问题”，即氢气溶于膜后会形成晶格常数不同的α相和β相两种固溶体，其中β相晶格常数远远大于α相。在上述步骤②③④过程中α相和β相会相互转变，致使晶格膨胀或收缩造成膜的韧性和强度下降并最终导致膜的开裂，使其对气体无选择性而无法进行氢气分离。故需要一种在温度低于300℃之前把氢气清除出分离系统的方法，来避免钯复合膜不必要的破裂。
通常人们采用氮气吹扫的方法将分离体系内的氢气吹除出去，来避免“氢脆问题”的发生。但该方法并不能完全清除掉体系中各个死角中的氢气。如附图3所示，当用氮气吹扫管道时，死角内的气体并不被氮气吹走，反而被氮气挤压在死角，最后体系中还是留有氢气对钯复合膜造成损坏。同时氮气吹扫需使用氮气钢瓶等相关配件，既浪费氮气资源，又不易携带。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用真空泵抽除体系中的氢气并为高温工作环境提供预热的一种新型氢气分离器，以解决死角区域内气体不易清除等问题并避免钯复合膜因“氢脆问题”而发生开裂导致膜损坏。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种氢气分离器，包括防爆电磁控制阀、分离组件、换热器、质量流量控制、真空泵、单向阀、压力传感器；所述的分离组件S1工作温度为150～500℃，其中起分离作用的关键材料为钯复合膜，即多孔材料负载型钯和钯合金膜；所述的真空泵P1为防止钯复合膜在升温过程中氧化或在降温过程中氢脆，将对整个体系中的气体抽除，其真空度为50～100kPa；所述的换热器E1对系统中的原料氢和高纯氢气进行换热。
所述氢气分离器其内部结构为：分离组件S1进气端与换热器E1冷端出口相连并经换热器E1冷端进口与进气阀V3相互串联；分离组件S1尾气端与压力传感器PI01、控制阀V1、单向阀C1进气端连接；分离组件S1出气端与压力传感器PI02、控制阀V2、换热器E1热端进口连接；单向阀C1出气端与质量流量控制器F1串联；出气阀V4与换热器E1热端出口相连；真空泵P1进气端与控制阀1V1、控制阀2V2连接；真空泵P1与质量流量控制器F1各出气端管线合并一路。
所述氢气分离器正常工作时，进气阀V3、出气阀V4置于打开状态，质量流量控制器设定好尾气流量，控制阀V1、控制阀V2、真空泵P1置于关闭状态；原料氢经打开的进气阀V3、换热器E1冷端进入钯复合膜氢气分离组件中，进行分离后产生的高纯氢气经换热器E1热端、出气阀V4后输出，未透过钯复合膜的杂质尾气经单向阀C1、质量流量控制器F1后排出。
当所述分离组件温度低于低报温度时，控制阀V1、控制阀V2置于打开状态，其它阀门置于关闭状态，真空泵P1置于启动状态，系统停止氢气分离，系统中已产生的高纯氢和原料氢分别通过控制阀V2、控制阀V1被真空泵P1抽至杂质尾气端口排出。
所述氢气分离器处于钯复合膜气密性检测时，控制阀V2置为打开状态，其他阀门关闭，开启真空泵P1，待分离组件内侧被抽至负压且保持负压值不变，则关闭所述的控制阀V2、真空泵P1，并查看压力传感器PI02检测值是否持续增大，以此判断钯复合膜的性能。
有益效果
本发明能在分离组件的温度低于低报温度之前自动启动真空泵P1及打开相应阀门对钯复合膜内外侧的气体进行抽除，使吸附在膜内外侧的氢分子迅速被抽至装置外，直至由溶于膜中氢原子经溶解—扩散形成的膜表面氢分子也被抽除，再保持真空状态。由此即可避免钯复合膜因“氢脆问题”导致膜的开裂这一不必要的损伤，亦大大延长了氢气分离器的寿命。
附图说明
图1为背景技术中钯复合膜透氢机理图
图2为本发明结构流程图
图3为氮气吹扫图
具体实施方式
现结合附图2，对本发明所述的分离器的具体实施例进行说明。
本发明一种氢气分离器包括防爆电磁控制阀、分离组件、换热器、质量流量控制、真空泵、单向阀、压力传感器。
其中所述分离组件S1进气端与换热器E1冷端出口相连并经换热器E1冷端进口与进气阀V3相互串联；分离组件S1尾气端与压力传感器PI01、控制阀V1、单向阀C1进气端连接；分离组件S1出气端与压力传感器PI02、控制阀V2、换热器E1热端进口连接；单向阀C1出气端与质量流量控制器F1串联；出气阀V4与换热器E1热端出口相连；真空泵P1进气端与控制阀1V1、控制阀2V2连接；真空泵P1与质量流量控制器F1各出气端管线合并一路。
其中阀门V1、V2为抽吸控制阀，V1控制杂质尾气端，V2控制高纯氢气端；阀门V3、V4分别用于控制原料氢的输入、高纯氢气的输出；分离组件S1为分离器的核心组件，用于氢气的分离；换热器E1用于高温高纯氢气与低温原料氢的换热，既节能又为原料氢的分离预热；质量流量控制器F1用于控制杂质尾气的流量，以此调节分离组件内膜两侧压差；真空泵P1用于抽除分离系统中气体，以此保护分离组件延长分离器寿命；单向阀为杂质尾气控制阀，气体只能排出不能进入分离系统；压力传感器用于检测各处的压力。
氢气分离器的具体正常工作过程如下：当分离组件温度达到工作温度上时，将原料氢输入分离器，同时打开阀门V3、V4，通过质量流量控制器F1设定尾气的流量，关闭其它阀门及真空泵P1。原料氢经V3进入换热器E1冷端进行预热，预热后的原料氢进入分离组件进行氢气分离。未透过钯复合膜的氢和其它杂质气体经单向阀C1和质量流量控制器F1以设定的流量排出分离器。分离产生的高纯氢气则进入换热器E1热端对原料氢预热后再经V4输出。
氢气分离器在紧急状况中具体工作过程如下：当分离组件温度低于低报温度时，打开阀门V1、V2，启动真空泵P1，关闭其它阀门。此时原料氢不再进入分离器，而分离器中气体则都被真空泵P1抽至分离器外。真空泵P1对分离系统抽吸一段时间直至系统中无氢后，关闭阀门V1、V2，再关闭真空泵P1，使分离系统内保持真空状态，避免出现“氢脆问题”。
氢气分离器在检测钯复合膜性能时的具体工作过程如下：打开V2，关闭其它阀门，开启真空泵P1，待分离组件内侧被抽至负压且保持负压值不变时，关闭V2、再关闭真空泵P1，并查看压力传感器P102检测值是否持续增大，如持续增大且增速较快则可判断钯复合膜的性能下降。
Claims (4)
1.一种氢气分离器，包括防爆电磁控制阀、分离组件S1、换热器E1、质量流量控制器F1、真空泵P1、单向阀C1、压力传感器PI01\P102，其特征在于：所述的分离组件S1工作温度为150～500℃，其中起分离作用的关键材料为钯复合膜，即多孔材料负载型钯和钯合金膜；所述的真空泵P1为防止钯复合膜在升温过程中氧化或在降温过程中氢脆，将对整个体系中的气体抽除，其真空度为50～100kPa；所述的换热器E1对系统中的原料氢和高纯氢气进行换热；所述分离组件S1进气端与换热器E1冷端出口相连并经换热器E1冷端进口与进气阀V3相互串联；分离组件S1尾气端与压力传感器PI01、控制阀V1、单向阀C1进气端连接；分离组件S1出气端与压力传感器PI02、控制阀V2、换热器E1热端进口连接；单向阀C1出气端与质量流量控制器F1串联；出气阀V4与换热器E1热端出口相连；真空泵P1与控制阀V1、控制阀V2连接；真空泵P1与质量流量控制器F1各出气端管线合并一路；装置在正常工作用于氢气分离时，进气阀V3、出气阀V4置于打开状态，质量流量控制器F1设定好尾气流量，控制阀V1、控制阀V2、真空泵P1置于关闭状态；原料氢经打开的进气阀V3、换热器E1冷端进入钯复合膜氢气分离组件中，进行分离后产生的高纯氢气经换热器E1热端、出气阀V4后输出，未透过钯复合膜的杂质尾气经单向阀C1、质量流量控制器F1后排出。
2.根据权利要求1所述的一种氢气分离器，其特征在于：所述分离组件S1温度低于低报温度时，控制阀V1、控制阀V2置于打开状态，其他阀门置于关闭状态，真空泵P1置于启动状态，系统停止氢气分离，系统中已产生的高纯氢和原料氢分别通过控制阀V2、控制阀V1被真空泵P1抽至杂质尾气端口排出。
3.根据权利要求1所述的一种氢气分离器，其特征在于：装置处于钯复合膜气密性检测时，控制阀V2置为打开状态，其他阀门关闭，开启真空泵P1，待分离组件内侧被抽至负压且保持负压值不变，则关闭所述的控制阀V2、真空泵P1，并查看压力传感器PI02检测值是否持续增大，以此判断钯复合膜的性能。
4.根据权利要求1所述的一种氢气分离器，在正常氢气分离状态下，其特征在于：原料氢气通过进气阀V3经换热器E1预热后，所述的原料氢气温度能达到50～80℃。
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