CN103641196A - 一种脱除水中微量气体杂质的鼓泡式脱气装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脱除水中微量气体杂质的鼓泡式脱气装置及应用，该装置包括底板、预分布板、压环、筒体、支座、封头、法兰、气体分布段、缓冲挡板、气体分布接管、和气体分布接头、气体进口管、气体出口管、进水管、出水管等部分，采用该装置将高纯氧气分散为非常微小的气泡，利用细小的氧气气泡与原料水进行逆流鼓泡式接触，增强气-液接触传质的效果，脱除水中的二氧化碳、氮气等微量气体杂质。与现有技术相比，本发明可简单、高效地脱除水中微量的二氧化碳、氮气等杂质，使用该装置进行脱气处理的原料水进行电解操作，可得到纯度大于99.999％的高纯氢气。

Description

一种脱除水中微量气体杂质的鼓泡式脱气装置及应用

技术领域

本发明涉及一种化工设备，尤其是涉及一种脱除水中微量气体杂质的鼓泡式脱气装置及应用。

背景技术

高纯氢通常是指纯度在99.999％以上的氢气，广泛应用于化学、电子、能源、冶金、电力等工业部门。

在电子工业中，高纯度氢主要用于电子材料、半导体材料和器件、集成电器以及真空器件的生产。高纯氢经常作为一种保护气体，应用于电子材料、半导体材料、集成电路等生产领域。集成电路技术和半导体技术的每一次进步，几乎都与半导体材料的制备技术息息相关，其成败很大程度上取决于高纯度磷、硼、硅的制备工艺水平。以高纯氢为原料，通过氢化法来提纯磷、硼、硅已经是这一领域中非常行之有效的手段。其方法通常是将磷、硼、硅先进行氢化，然后通过纯化其气态的氢化物来提纯。经过反复多次纯化，最终得到高纯度的磷、硼、硅。此技术的关键就是所使用氢气的纯度，即高纯氢的纯度。

在冶金工业中，在有色金属钨、钼、钛等的生产和加工中，使用高纯度氢作为还原气；在一些磁性材料中、磁性合金的生产中，需要高纯氢作保护气，以提高磁性和稳定性；在硅钢片的生产中，需要高纯度氢作保护气；在硬质合金、粉末冶金材料的生产中，也需要高纯氢作保护气。

在建筑材料和轻工业中，如玻璃和人造宝石的制造和加工，高纯氢被广泛地用作燃烧气和保护气；在电力工业中，氢气可作为汽轮发电机的冷却剂。液态氢又是宇航和火箭的重要燃料；固态氢具有金属性并有超导性。

在能源应用方面，以高纯氢为燃料的氢能源汽车已经投入到应用阶段，这就对高纯氢的纯度和产量提出了更高的要求。

自从1800年尼尔克森等人成功地将水电解成氢气和氧气以来，水电解制氢技术的发展已有近200年的历史了。至今，水电解制氢技术已在全世界得到了普遍的应用。但是，由于原料水中溶解了微量的气体杂质，导致制备的氢气纯度达不到99.999％，从而限制了其应用。

可见，电解水中溶解的微量气体杂质对于电解氢气的产品质量影响很大，需要采用特殊的脱气技术除去其中溶解的微量气体杂质。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实现原料水中微量氮气、二氧化碳等气体杂质的有效分离的脱除水中微量气体杂质的鼓泡式脱气装置及应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种脱除水中微量气体杂质的鼓泡式脱气装置，包括自上而下依次设置的封头、筒体及底板，

所述的筒体内设有脱除水中微量气体杂质的分离机构，该分离机构由缓冲挡板、预分布板及气体分布段组成，

所述的筒体底部设有气体分布管，该气体分布管上设有气体分布接头，高纯氧气经气体分布管进入到分离机构中，

所述的筒体上设置有进水管、出水管。

所述的缓冲挡板设在筒体内，与气体分布接管的进口连接，所述的气体分布段经压环卡设连接在预分布板上。

所述的预分布板为栅板、百叶窗式分布器、筛板或孔板。

所述的气体分布段采用的材料为金属板波纹规整填料、金属丝网规整填料、金属网孔波纹填料、栅格填料、脉冲填料、θ网环填料或鲍尔环填料。

所述的气体分布段与筒体高度之比为0.05～1，优选0.1～0.7，最优选0.2～0.5。

所述的筒体的直径与高度比为0.01～1，优选0.05～0.7，最优选0.1～0.6。

所述的封头上设有气体出口管，所述的气体分布接头连接气体进口管。

脱除水中微量气体杂质的鼓泡式脱气装置的应用，可以采用以下步骤脱除水中微量气体杂质：

(1)使用真空泵对该装置抽真空，使装置内保持高真空状态；

(2)将原料水经进水管在压力作用下加入到装置中；

(3)高纯氧气在压力作用下经气体分布接头、气体分布接管进入分离机构，经由缓冲挡板缓冲后与筒体内的水进行接触，氧气首先经过预分布板进行初步分散，然后经过气体分布段内设的气体分布材料进一步分散为更细小的气泡，氧气小气泡穿过压环后与筒体中的原料水进行逆流气-液接触，与其中的二氧化碳及其它气体杂质进行交换；

(4)携带了二氧化碳及其它气体杂质的气体混合物经由封头上设置的气体出口管离开脱气装置，完成对水中微量气体杂质的脱除。

本发明的鼓泡式脱气过程是一个物理过程，其原理是采用一个气体介质破坏原气液两相平衡而建立一种新的气液平衡状态，使溶液中的某一组分由于分压降低而解吸出来，达到分离物质的目的。与现有技术相比，本发明由气体分布接管、气体预分布板、气体分布段及压环组成的鼓泡装置将高纯氧气分散为大量非常微小的氧气气泡，增强氧气与原料水的气-液接触传质的效果，使原料水中微量氮气、二氧化碳等气体杂质解吸出来，通过这种方法处理的水中由于仅有极少量的二氧化碳、氮气等杂质气体，进行电解可得到纯度达到99.999％的高纯氢。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中，1为底板，2为预分布板，3为压环，4为筒体，5为支座，6为封头，7为法兰，8为气体分布段，9为缓冲挡板，10为气体分布接管，11为气体分布接头，12为气体进口管、13为气体出口管、14为进水管、15为出水管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本实施例为采取本发明鼓泡式脱气装置除去水中微量气体杂质的实例。该脱气装置的结构如图1所示，包括底板1，预分布板2，压环3，筒体4，支座5，封头6，法兰7，气体分布段8，缓冲挡板9，气体分布接管10，和气体分布接头11，气体进口管12、气体出口管13、进水管14、出水管15。所述脱气装置的筒体直径为d=500mm，高度为h=3000mm，d／h=0.17，所述气体预分布板为栅板，气体分布段8中填充的气体分布材料为金属板波纹填料，气体分布段高度为600mm。原料水为去离子水，电阻率≥1.0×10⁵Ω·cm，铁离子含量<1mg／L，氯离子含量<2mg／L。

原料水经进水管14在压力作用下加入到脱气装置中，高纯氧气在压力作用下经气体分布接头11、气体分布接管10进入分离装置，经由缓冲挡板9缓冲后与筒体内的水进行接触，氧气首先经过预分布板2进行初步分散，然后经过气体分布段8内的气体分布材料进一步分散为更细小的气泡，氧气小气泡穿过压环3后与筒体4中的原料水进行逆流气-液接触，与其中的二氧化碳及其它气体杂质进行交换后继续逆流向上，携带了二氧化碳等气体杂质的气体混合物经由气体出口管13离开脱气装置。

该实施例的工艺步骤如下：首先开启系统的真空系统，将装置抽至真空状态。然后将原料水加入到脱气装置中，脱气装置中压力为0.02MPa，检测原料水中氮气的含量为7ppm，二氧化碳的含量为0.5ppm。高纯氧气自气体进口管在压力作用下进入脱气装置，氧气流量为5m³／h，时间为3小时，氧气在水中均匀分散为小气泡并与原料水进行逆流气-液接触，与其中的二氧化碳及其它气体杂质进行交换后继续逆流向上，氧气及气体杂质最后经由气体出口管13离开脱气装置。检测处理后的水中氮气的含量降为0.8ppm，二氧化碳的含量降为0.015ppm，使用处理后的原料水进行电解操作，得到的高纯氢纯度能达到99.9996％。

实施例2

本实施例为采取本发明鼓泡式脱气装置除去水中微量气体杂质的实例。该脱气装置的结构如图1所示，包括底板1，预分布板2，压环3，筒体4，支座5，封头6，法兰7，气体分布段8，缓冲挡板9，气体分布接管10，和气体分布接头11，气体进口管12、气体出口管13、进水管14、出水管15。所述脱气装置的筒体直径为d=500mm，高度为h=3000mm，d/h=0.17，所述气体预分布板为筛板，气体分布段8中填充的气体分布材料为金属鲍尔环填料，气体分布段高度为400mm。原料水为去离子水，电阻率≥1.0×10⁵Ω·cm，铁离子含量<1mg／L，氯离子含量<2mg／L。

该实施例的工艺步骤如下：首先开启系统的真空系统，将装置抽至真空状态。然后将原料水加入到脱气装置中，脱气装置中压力为0.02MPa，检测原料水中氮气的含量为5ppm，二氧化碳的含量为0.3ppm。高纯氧气自气体进口管在压力作用下进入脱气装置，氧气流量为3m³／h，时间为4小时，氧气在水中均匀分散为小气泡并与原料水进行逆流气-液接触，与其中的二氧化碳及其它气体杂质进行交换后继续逆流向上，氧气及气体杂质最后经由气体出口管13离开脱气装置。检测处理后的水中氮气的含量降为0.9ppm，二氧化碳的含量降为0.016ppm，处理后的原料水进行电解操作，得到的高纯氢纯度能达到99.9995％。

实施例3

本实施例为采取本发明鼓泡式脱气装置除去水中微量气体杂质的实例。该脱气装置的结构如图1所示，包括底板1，预分布板2，压环3，筒体4，支座5，封头6，法兰7，气体分布段8，缓冲挡板9，气体分布接管10，和气体分布接头11，气体进口管12、气体出口管13、进水管14、出水管15。所述脱气装置的筒体直径为d=500mm，高度为h＝3000mm，d／h=0.17，所述气体预分布板为百叶窗式分布器，气体分布段8中填充的气体分布材料为金属丝网填料，气体分布段高度为300mm。原料水为去离子水，电阻率≥1.0×10⁵Ω·cm，铁离子含量<1mg／L，氯离子含量<2mg／L。

该实施例的工艺步骤如下：该实施例的工艺步骤如下：首先开启系统的真空系统，将装置抽至真空状态。然后将原料水加入到脱气装置中，脱气装置中压力为0.02MPa，检测原料水中氮气的含量为6.5ppm，二氧化碳的含量为0.3ppm。高纯氧气自气体进口管在压力作用下进入脱气装置，氧气流量为4m³／h，时间为3小时，氧气在水中均匀分散为小气泡并与原料水进行逆流气-液接触，与其中的二氧化碳及其它气体杂质进行交换后继续逆流向上，氧气及气体杂质最后经由气体出口管13离开脱气装置。检测处理后的水中氮气的含量降为0.8ppm，二氧化碳的含量降为0.018ppm，处理后的原料水进行电解操作，得到的高纯氢纯度能达到99.9995％。

尽管结合具体的实施方案描述了本方法及装置，本领域内熟练的技术人员可认识到在本发明权利要求的范围和精神内有各种其它的实施例。

Claims (8)

1.一种脱除水中微量气体杂质的鼓泡式脱气装置，其特征在于，该装置包括自上而下依次设置的封头、筒体及底板，

所述的筒体内设有脱除水中微量气体杂质的分离机构，该分离机构由缓冲挡板、预分布板及气体分布段组成，

所述的筒体底部设有气体分布管，该气体分布管上设有气体分布接头，高纯氧气经气体分布管进入到分离机构中，

所述的筒体上设置有进水管、出水管。

2.根据权利要求1所述的一种脱除水中微量气体杂质的鼓泡式脱气装置，其特征在于，所述的缓冲挡板设在筒体内，与气体分布接管的进口连接，所述的气体分布段经压环卡设连接在预分布板上。

3.根据权利要求1或2所述的一种脱除水中微量气体杂质的鼓泡式脱气装置，其特征在于，所述的预分布板为栅板、百叶窗式分布器、筛板或孔板。

4.根据权利要求1或2所述的一种脱除水中微量气体杂质的鼓泡式脱气装置，其特征在于，所述的气体分布段采用的材料为金属板波纹规整填料、金属丝网规整填料、金属网孔波纹填料、栅格填料、脉冲填料、θ网环填料或鲍尔环填料。

5.根据权利要求1或2所述的一种脱除水中微量气体杂质的鼓泡式脱气装置，其特征在于，所述的气体分布段与筒体高度之比为0.05～1，优选0.1～0.7，最优选0.2～0.5。

6.根据权利要求1所述的一种脱除水中微量气体杂质的鼓泡式脱气装置，其特征在于，所述的筒体的直径与高度比为0.01～1，优选0.05～0.7，最优选0.1～0.6。

7.根据权利要求1所述的一种脱除水中微量气体杂质的鼓泡式脱气装置，其特征在于，所述的封头上设有气体出口管，所述的气体分布接头连接气体进口管。

8.如权利要求1-6中任一项所述的脱除水中微量气体杂质的鼓泡式脱气装置的应用，其特征在于，该装置可以采用以下步骤脱除水中微量气体杂质：

(1)使用真空泵对该装置抽真空，使装置内保持高真空状态；

(2)将原料水经进水管在压力作用下加入到装置中；

(3)高纯氧气在压力作用下经气体分布接头、气体分布接管进入分离机构，经由缓冲挡板缓冲后与筒体内的水进行接触，氧气首先经过预分布板进行初步分散，然后经过气体分布段内设的气体分布材料进一步分散为更细小的气泡，氧气小气泡穿过压环后与筒体中的原料水进行逆流气-液接触，与其中的二氧化碳及其它气体杂质进行交换；

(4)携带了二氧化碳及其它气体杂质的气体混合物经由封头上设置的气体出口管离开脱气装置，完成对水中微量气体杂质的脱除。

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