CN103958036A - 用于氢分离的多层模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使用抗压室的用于氢分离的多层模块，以使得使用只允许氢选择性通过的金属分离膜的单位元件被层叠以改善分离效率，混合气体被均匀地供入每个单位元件中。在所述多层模块中，所述单位元件互相层叠，所述混合气体被供入腔室内。另外，每一个混合气体输入端口都被设置在所述单位元件的侧面中以提供所述混合气体。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于氢分离的多层模块，更具体地涉及使用压力室的用于氢分离的多层模块，包含用于使氢选择性通过的金属分离膜的单位元件被层压于所述压力室内，从而以改善的分离效率向每个单位元件均匀地提供混合气体。
背景技术
作为用于从氢混合气体中分离氢的技术，可以使用不同的方法例如PSA、深度冷冻、化学吸附和分离膜。
上述技术中，就能源效率而言，使用分离膜的分离方法已知是最好的。最近，正在开发一种使用氢膜以商业化超大型精炼部分(例如预热CCS(碳捕捉和储存))的分离方法。
为完成上述方法，一种模块构型技术是关键，通过所述模块构型技术可以提供高效率和耐久性，从而，首先分离膜自身的氢渗透速度和耐久性得以保证，其次分离膜的性能可以很好地表现出来。
已经有很多对于使用分离膜的氢精炼模块构型的研究，而且，这种研究是从保证获得已渗透过分离膜的高浓度氢的角度来进行的。
但是，在应用分离膜的方法中，该方法需要在预热CCS中同时满足氢精炼和CO2浓度，除非保持高的氢回收率，否则不能得到一定水平或更高水平的残留气体浓度。也就是说，当从混合气体中移除氢时，对于分离膜的氢移除效率而言，分离膜上方的物质的扩散充当着主导因素，原因是没有渗透过分离膜的残留气体中的氢浓度逐渐下降。因此，分离膜的构型施加着绝对的影响。
单元模块需要最小化混合气体流动空间，从而可以根据上述构型最小化传质阻力，并且伴随具有这样构型的单位元件而言，需要一种提高具有多阶段构型的模块的处理量的方法，从而可以向每个单位元件均匀地提供混合气体。
美国专利第6,319,305号和第5,997,594号公开了一种单元模块扩展方法。在上述发明专利中，因为气体供应单元与排放单元通过一个连通孔相连，所以，随着将被层压的单位元件的数量的增加，被传送的气体供应压力中可能存在差异。因此，随着距离供应孔越来越远，供应到单位元件的混合气体的进料速率逐渐降低。当然，可以通过无限地增大连通孔的尺寸来最小化这样问题的影响，但是，随着单元模块横截面积的增加，精炼设备的成本和尺寸将极大地增加而导致竞争力下降一半。
另外，可以通过各组件板的扩散联接或在模块的上方和下方加装盖子而后通过多个螺栓紧固来密封上述多层模块。但是，上述构型难以保证耐久性，原因是随着高压混合气体被供应到模块，膨胀压力被施加于单位元件的连接部件。尤其在预热CCS的情况中，分离工艺的压力以68bar作为开发目标。因此，开发能够承受高压的模块是必不可少的。
另外，最近，一种方法越来越受欢迎，在所述方法中，来自氢混合气体的氢和混合于其中的气体需要被富集至一定浓度。典型地，在预热CCS领域中，大家都在为解决一个技术难题而努力，即在分离氢的同时，将CO2(其为不可渗透气体)富集到令人满意的程度。
发明内容
[本发明将解决的问题]
因此，考虑到上述情形，本发明的目的是提供一种使用压力室的用于氢分离的多层模块，包含用于使氢选择性渗透的金属分离膜的单位元件被层压于所述压力室内，从而以改善的分离效率向每个单位元件均匀地提供混合气体。
本发明的另一个目的是提供一种用于氢分离的多层模块，通过将所述模块以如下方式构造而使所述模块易于组装和密封：在分离工艺操作中，膨胀压力不被施加于单位元件的联接件或密封件中。
尤其，作为用于商业化大处理量工艺而言必不可少的一项，需要模块放大技术。因此，本发明提供一种通过层压单位元件的放大技术。
[解决问题的途径]
本发明的主要特征是单位元件被层压于压力室内，并且，将混合气体供入所述压力室中。另外，每个单位元件都包括混合气体输入端口，从而将所述混合气体供应到所述单位元件的侧面。因此，压力室的内部空间的压力通过供应到所述压力室中的所述混合气体而提高，并借此起到抵消所述压力室中要向外界膨胀的压力的作用。
为实现上述目的，本发明提供一种用于氢分离的多层模块，其包括：压力室，具有设置在其侧面上的混合气体供应管以与所述压力室连通；和安装在所述压力室内的分离单元，其中，所述分离单元包括：至少两个层压的单位元件，所述单位元件被构造成从混合气体中分离氢；上部板，被置于所述层压的单位元件的最上面；和下部板，被置于所述层压的单位元件的最下面，所述上部板和所述下部板中的至少一个包括设置在其上的氢气排放管以排放自所述分离单元分离出的氢，所述上部板和所述下部板中的至少一个包括设置在其上的滞留气体排放管以排放残留的滞留气体，通过所述分离单元已从所述残留的滞留气体中分离出氢，每个所述单位元件都与所述压力室的内部空间连通。
优选地，所述单位元件包括：元件体，构成所述单位元件的主体；支撑突起物，形成于所述元件体的上部嵌入部分；氢分离板，设置在所述支撑突起物上以仅让氢通过所述氢分离板；混合气体连通孔、滞留气体连通孔和氢气连通孔，它们在所述元件体中环绕所述氢分离板形成，从而互相间隔开；混合气体输入端口，形成于所述元件体的环状表面中以与所述混合气体连通孔连通，并暴露于所述压力室的内部空间以与所述压力室连通；混合气体排出孔，通过混合气体通道与所述混合气体连通孔连通，并形成于所述元件体的底部以暴露于与所述混合气体排出孔相邻的单位元件的氢分离板；滞留气体输入孔，通过滞留气体通道与滞留气体连通孔相通，并形成于所述元件体的底部以暴露于与所述滞留气体输入孔相邻的单位元件的氢分离板；氢气进入孔，形成于所述支撑突起和所述氢分离板的下部之间，并通过氢气通道与氢气连通孔连通，所述氢气排放管与所述氢气连通孔相通，所述滞留气体排放管与滞留气体连通孔连通，并且在上部的单位元件的下表面和相邻的单位元件中的氢分离板之间形成空隙，从而通过所述空隙使所述混合气体排出孔和所述滞留气体输入孔连通。
可选地，当所述上部板或所述下部板中的一个具有与所述单位元件相同的构型时，与此同时合适地封闭所述气体连通孔时，可以提高所述下部板的使用。为此，所述上部板或所述下部板中的一个具有与所述单位元件相同的构型，所述混合气体连通孔被封闭，其中没有插入所述氢气排放管的所述氢气连通孔被封闭，并且，其中没有插入所述滞留气体排放管的所述滞留气体排放孔被封闭。
另外，可以在所述下部板的上表面和所述单位元件的下表面之间设置垫片。鉴于此，可以防止所述混合气体在所述下部板的上表面和所述单位元件的下表面之间形成流动。
优选地，所述滞留气体输入孔的直径小于所述混合气体排出孔的直径。因此，通过提高施加于来自所述滞留气体输入孔的滞留气体上的压力，通过提高压力可以使氢容易地穿过所述氢分离板移动。
优选地，所述混合气体供应管的直径大于所述滞留气体排放孔的直径。由于在滞留气体排放侧的压力差的生成度高于滞留气体供应侧，所以，总是可以将混合气体均匀地供应到具有改善的稳定性的氢分离板的表面。
根据具有上述构型的本发明，用经由所述压力室供应的混合气体对所述单位元件加压，并将混合气体经由混合气体输入端口供入每个单位元件中，所述混合气体输入端口在所述单位元件的环状表面中形成。因此，膨胀压力不会施加到模块中的联接和密封区域，并且，以相同的压力将混合物输送到每个单位元件中。鉴于此，可以提供具有改善的耐久性的高效大尺寸模块。
[本发明的效果]
根据本发明，可以解决氢分离膜的性能降低和寿命缩短的问题，这个问题是由传统氢分离膜和单位元件之间的扩散联接引起的，通过使用内部密封和外部密封来防止由于高温运行过程中外部氧气的流入和伴随内部氢外流的危险因素而引起的对分离膜的伤害。
另外，通过采用上部法兰和下部法兰代替外罩室，具有可以将氢精炼分离膜模块构造成具有简单且紧凑的结构的优势。通过此方式，可以降低系统构型的成本并易于组装和拆分所述系统。
特别地，因为可以自由地选择氢气排放管和滞留气体排放管的安装位置，所以，可以提高所述系统设计的自由度。
由于本发明的模块扩展技术，使得构造一个如在氢精炼和CCS中那样能够富集未穿过分离膜的气体的大尺寸模块成为可能。因此，氢精炼，尤其是，使用于富集不可渗透气体CCS领域的实现变得可能。因此，可以向用于收集使全球变暖气体(例如CO2)同时生产氢能源的方法提供一种核心技术。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方案用于氢分离的多层模块的立体图。
图2是如从上部看到的图1的用于氢分离的多层模块的分离单元的分解立体图。
图3是如从上部看到的图1的用于氢分离的多层模块的单位元件的立体图。
图4是如从下部看到的图1的用于氢分离的多层模块的分离单元的分解立体图。
图5是如从下部看到的图1的用于氢分离的多层模块的单位元件的立体图。
图6是取自图1的线A-A的分离单元的垂直剖面视图。
图7是取自图1的线B-B的分离单元的垂直剖面视图。
图8是图1中所示分离单元的改造实例的垂直剖面视图。
图9是取自垂直方向的图8的分离单元的垂直剖面视图。
图10是图1中所示分离单元的另一个改造实例的垂直剖面视图。
图11是取自垂直方向的图10的分离单元的垂直剖面视图。
附图标记的说明
100：用于氢分离的多层模块，102：压力室
104：混合气体供应管，106：紧固件
107、108：分离单元，110：上部板
112：上部连通孔，114、204、214：滞留气体排放孔
115、215：滞留气体排放管，116：上部输入端口
118：上部固定孔，120、130、140、150、190：单位元件
121、123、131、133、141、143、151、153、191、193、211、213：氢气连通孔
122、132、142、152：混合气体连通孔，124、134、154、164：滞留气体连通孔
125、135、145、155、195：支撑突起物，126、136、146、156：混合气体输入端口
128、138、148、158：单位元件固定孔，161、163、191、193：氢气排放孔
167、169、197、199、217、219：氢气排放管
168：下部固定孔，171、172、173、174、176：氢分离板
175：垫片，1101：上部板体
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1172：上部排出孔，1174：上部进入孔
1201、1301、1401、1501：元件体
1261、1263、1361、1363、1461、1463、1561、1563、1961、1963：氢气通道
1262、1362、1462、1562：混合气体通道，1264、1364、1464、1564：滞留气体通道
1271、1273、1371、1373、1471、1473、1571、1573：氢气进入孔
1272、1372、1472、1572：混合气体排出孔
1274、1374、1574、1674：滞留气体输入孔
1291、1391、1491、1591、1691：上部径向内环座
1292、1392、1492、1592、1692：上部径向外环座
1193、1293、1393、1493、1593：下部径向内环座
1194、1294、1394、1494、1594：下部径向外环座
1601：下部板体
1811、1821、1831、1841、1851：径向内环
1812、1822、1832、1842、1852：径向外环
1813、1823、1833、1843、1853：外环
具体实施方式
本下文中，将结合示出本发明的示例性实施方案的结构和运行的附图详细地描述本发明的示例性实施方案。
图1示出根据本发明的一个实施方案的用于氢分离的多层模块100。
用于氢分离的多层模块100大体上包括压力室102和安装于压力室102中的分离单元107。
压力室102具有安装在其侧面上的混合气体供应管104以向所述压力室中供应混合气体。混合气体供应管104与混合气体供应源(未示出)相连，而且，从混合气体供应管104供应的混合气体应该有使氢足以地通过氢分离板171、172、173和174的压力。
压力室102可以具有本领域公知的压力容器的结构形状，并且，应该具有足够的空间以将分离单元107安装在所述压力室中。
分离单元107包括单位元件120、130、140和150，所述单位元件被层压于两层或更多层之中以将氢从混合气体中分离；上部板110，被置于单位元件120、130、140和150的最上面，并在所述上部板的上表面上设有滞留气体排放管115；以及，下部板160，被置于单位元件120、130、140和150的最下面，并在所述下部板的下表面上设有氢气排放管167和169。
滞留气体排放管115的一端和氢气排放管167和169各自的一端都穿过压力室102的壁体以暴露于所述壁体的外部。
具体而言，单位元件120、130、140和150各自都与压力室102的内部空间连通。本文中，优选上部板110与压力室102的内部空间连通，从而在单位元件120、130、140和150最上面的单位元件120中进行氢渗透反应。
单位元件120、130、140和150具有元件体1201、1301、1401和1501，并且，元件体1201、1301、1401和1501各自都是具有多边形、圆形或椭圆形横截面的板。
单位元件120、130、140和150包括：支撑突起物125、135、145和155，形成于元件体1201、1301、1401和1501的上部嵌入部分；氢分离板171、172、173和174，设置在支撑突起物125、135、145和155上以仅让氢通过所述氢分离板；以及，混合气体连通孔122、132、142和152、滞留气体连通孔124、134、144和154与氢气连通孔121、123、131、133、141、143、151和153，它们在元件体1201、1301、1401和1501中环绕氢分离板171、172、173和174形成，从而互相间隔开。
单位元件120、130、140和150包括：混合气体输入端口126、136、146和156，形成于元件体1201、1301、1401和1501的环状表面上以与混合气体连通孔122、132、142和152连通，并暴露于压力室102的内部空间以与所述压力室连通；混合气体排出孔1272、1372、1472和1572，通过混合气体通道1262、1362、1462和1562与混合气体连通孔122、132、142和152连通，并形成于元件体1201、1301、1401和1501的底部以暴露于下面；滞留气体输入孔1274、1374、1474和1574，通过滞留气体通道1264、1364、1464和1564与滞留气体连通孔124、134、144和154连通，并形成于元件体1201、1301、1401和1501的底部以暴露于下面；以及，氢气进入孔1271、1273、1371、1373、1471、1473、1571和1573，形成于支撑突起物125、135、145和155和氢分离板171、172、173和174的下部之间，并通过氢气通道1261、1263、1361、1363、1461、1463、1561和1563与氢气连通孔连通121、123、131、133、141、143、151和153连通。
单位元件120、130、140和150以相同的方向设置，也就是说，以使得相邻的单位元件120、130、140和150的混合气体连通孔122、132、142和152与单位元件120、130、140和150的滞留气体连通孔124、134、144和154一致的方式设置。
因为形成了多个支撑突起物125、135、145和155，甚至当氢分离板171、172、173和174的上部被封闭时，气体也可以流过由支撑突起物125、135、145和155提供的空间。在本发明的实施方案中，所述支撑突起物形成多个同心圆弧中，每个圆弧以一定的间隔具有完全不同的曲率。另外，氢气进入孔1271、1273、1371、1373、1471、1473、1571和1573暴露于支撑突起物125、135、145和155之间。
氢分离板171、172、173和174具有公知的构型，并使氢选择性地穿过所述氢分离板。可以将氢分离板171、172、173和174制成薄膜的形式，或可以通过例如喷溅涂覆法涂覆、非电解镀层、电解镀层、喷涂、电子束等涂覆方法涂覆在由多孔金属或多孔陶瓷制成的多孔载体上。
氢分离板171、172、173和174被置于支撑突起物125、135、145和155上，所述支撑突起物形成于元件体1201、1301、1401和1501的上部嵌入部分，并且，元件体1201、1301、1401和1501以使其中心部分向下突出的方式构造，从而在氢分离板171、172、173和174的上面提供预设的空隙。当然，可以将元件体1201、1301、1401和1501的下部制成平面的形式，并且，氢分离板171、172、173和174的上表面可以设置在比元件体1201、1301、1401和1501的上表面更靠下的位置。但是，为提供有效的封闭效果，优选元件体1201、1301、1401和1501具有如本实施方案中所图示的方式那样的其中心部分向下突出的构型。
混合气体连通孔122、132、142和152，滞留气体连通孔124、134、144和154以及氢气连通孔121、123、131、133、141、143、151和153互相间隔开，并且环绕支撑突起物125、135、145和155设置。本发明中，为在从混合气体中过滤氢气的过程中增加氢气与氢分离板171、172、173和174的接触面积，将混合气体连通孔122、132、142和152与滞留气体连通孔124、134、144和154互相面对面地设置在所述元件体的径向方向上，并且，将氢气连通孔121、123、131、133、141、143、151和153以垂直于连接混合气体连通孔122、132、142和152与滞留气体连通孔124、134、144和154的假想直线的方向设置。
可能仅一个氢气连通孔121、123、131、133、141、143、151或153就足以排放氢气，但是，为了有效地排放被分离出的氢气以及避免压力的积聚，在每个单位元件120、130、140或150中都形成一对氢气连通孔以彼此对称。
如图7中所示，氢气连通孔121、123、131、133、141、143、151和153通过氢气通道1261、1263、1361、1363、1461、1463、1561和1563与氢气进入孔1271、1273、1371、1373、1471、1473、1571和1573连通。没有特别限定氢气通道1261、1263、1361、1363、1461、1463、1561和1563的形状，并且优选氢气连通孔121、123、131、133、141、143、151和153与氢气进入孔1271、1273、1371、1373、1471、1473、1571和1573以最短的距离连通，同时具有容易加工的形状。
混合气体从混合气体排出孔1272、1372、1472和1572或上部进入孔1172流入氢分离板171、172、173和174的上表面和单位元件120、130和140或置于氢分离板171、172、173和174上的上部板110之间的空隙，所述混合气体排出孔形成于单位元件120、130和140的下部，所述上部进入孔形成于上部板110的下表面。从混合气体中分离且被供入氢分离板171、172、173和174的上表面和单位元件120、130和140或置于氢分离板171、172、173和174上的上部板110之间的空隙的残留的滞留气体经由滞留气体输入孔1274、1374、1474和1574或上部排出孔1174排放，所述滞留气体输入孔形成于单位元件120、130和140的下部，所述上部排出孔形成于上部板110的下表面。因此，混合气体排出孔1272、1372、1472和1572通过形成于其中的空隙与滞留气体输入孔1274、1374、1474和1574连通。
因此，混合气体排出孔1272、1372、1472和1572靠近混合气体连通孔122、132、142和152设置，并且滞留气体输入孔1274、1374、1474和1574靠近滞留气体连通孔124、134、144和154设置。混合气体排出孔1272、1372、1472和1572通过混合气通道1262、1362、1462和1562与混合气体连通孔122、132、142和152连通，并且，滞留气体输入孔1274、1374、1474和1574通过滞留气体通道1264、1364、1464和1564与滞留气体连通孔124、134、144和154连通。
混合气体输入端口126、136、146和156形成于单位元件120、130、140和150的元件体1201、1301、1401和1501的侧壁上，从而暴露于压力室102的内部空间，并且，混合气体输入端口126、136、146和156与混合气体连通孔122、132、142和152连通。因此，混合气体可以通过混合气体连通孔122、132、142和152流入压力室102的内部。
上部板110包括滞留气体排放孔114，滞留气体排放孔114的一个端部与单位元件120、130、140和150的滞留气体连通孔124、134、144和154连通，而滞留气体排放孔114的另一个端部与滞留气体排放管115连通。
上部板110包括上部连通孔112，与单位元件120、130、140和150的混合气体连通孔连通；上部输入端口116，与上部连通孔112连通并形成于上部板110的侧面部分以暴露于压力室102的内部空间从而与所述压力室连通；上部排出孔1172，通过上部进入通道1162与上部连通孔112连通，并暴露于上部板110的下面；以及，上部进入孔1174，通过上部排出通道1164与滞留气体排放孔114连通，并暴露于上部板110的下面。上部进入孔1174通过上部板110的下表面和氢分离板171的上表面之间的空隙与上部排出孔1172连通。
因此，上部板110具有向最上面的氢分离板171提供混合气体的功能和排放残留的滞留气体的功能，其中已经从混合气体中分离出氢。因此，上部排出孔1172具有与混合气体排出孔1272、1372、1472和1572相同的位置和形状，上部进入孔1174具有与滞留气体输入孔1274、1374、1474和1574相同的位置和形状，并且，上部连通孔112和滞留气体排放孔114具有与单位元件120、130和140的混合气体连通孔122、132、142和152和滞留气体连通孔124、134、144和154相同的位置和形状。
下部板160包括氢气排放孔161和163，氢气排放孔161和163各自的一个端部与单位元件150的氢气连通孔151和153连通，氢气排放孔161和163各自的另一个端部分别与氢气排放管167和169连通。
特别地，下部板160应该防止单位元件150的反应气体输入孔152和氢排出孔孔154之间的连通。为此，在本发明的实施方案中，在下部板160的上表面和单位元件150的下表面之间设置垫片175。也就是说，垫片175被设置对应于氢分离板171、172、173和174的位置，以防止单位元件150的混合气体排出孔1572与滞留气体输入孔1574之间的连通。
优选滞留气体输入孔1274、1374、1474和1574与上部排出孔1172具有小于混合气体排出孔1272、1372、1472和1572与上部进入孔1174的直径。借此，提高了从滞留气体输入孔1274、1374、1474和1574排放的滞留气体的压力，从而使氢可以容易地流过氢分离板171、172、173、174和176。
为改善密封效果，在本发明的实施方案中，每个单位元件都包括一对径向内环1811、1821、1831、1841和1851与径向外环1812、1822、1832、1842和1852，它们环绕支撑突起物125、135、145和155设置。另外，每个单位元件都包括外环1813、1823、1833、1843和1853，它们被设置在混合气体连通孔122、132、142和152、滞留气体连通孔124、134、144和154与氢气连通孔121、123、131、133、141、143、151和153的外部。
为安装径向内环和径向外环，每个单位元件都包括上部径向内环座1291、1391、1491和1591与上部径向外环座1292、1392、1492和1592，它们环绕支撑突起物125、135、145和155形成阶梯形状；以及，下部径向内环座1293、1393、1493和1593与下部径向外环座1294、1394、1494和1594，它们形成于单位元件120、130和140的下部。上部板110包括下部径向内环座1193和下部径向外环座1194，它们形成于上部板110的下表面上；以及，上部径向内环座1691和上部径向外环座1692，它们形成于下部板160的上表面上。
为安装外环，下部板160与单位元件120、130、140和150包括上部外环座1111、1121、1131、1141、1211、1221、1231、1241、1311、1321、1331、1341、1411、1421、1431、1441、1511、1521、1531、1541、1611、1621、1631和1641，它们分别形成于下部板与单位元件120、130、140和150的上表面上的各自的连通孔中。另外，上部板110与单位元件120、130、140和150包括下部外环座1112、1122、1132、1142、1212、1222、1232、1242、1312、1322、1332、1342、1412、1422、1432、1442、1512、1522、1532、1542、1612、1622、1632和1642，它们分别形成于上部板与单位元件120、130、140和150的下表面上的各自的连通孔中。
优选地，径向内环1811、1821、1831、1841和1851与径向外环1812、1822、1832、1842和1852包括金属环。通常地，金属环指由金属材料(例如镍、钢等)制成的密封件。为提高密封力，优选用金、银、镍等涂覆所述环的外表面。进一步优选地，径向内环1811、1821、1831、1841和1851与径向外环1812、1822、1832、1842和1852包括选自由金属管制成并具有环形横截面的金属O形环、具有向氢分离板171、172、173和174的中心刺入的C形横截面的金属C形环和具有至少一个向具有环形截面的氢分离板171的中心刺入的孔的金属O形环的任意一种。
当将径向内环1811、1821、1831、1841和1851安装在氢分离板171、172、173和174上时，优选径向内环1811、1821、1831、1841和1851的直径大于形成于氢分离板171、172、173和174上的预设空隙的高度。由此，可以形成径向内环1811、1821、1831、1841和1851，并可以改善密封效果。
另外，优选外环1813、1823、1833、1843和1853包括可以在550℃或更高的温度下操作的金属环或石墨环。图6和图7中，外环1813、1823、1833、1843和1853具有矩形截面，但不局限于此。
另外，上部板110、下部板160和单位元件120、130、140和150包括分别形成于它们的外围边缘处的上部固定孔118、下部固定孔168和单位元件固定孔128、138、148和158，从而，通过插入上述孔中的紧固件106使分离单元107形成为一体。紧固件106可以使用公知的螺栓和螺母。另外，上部板110、下部板160和单位元件120、130、140和150可以通过扩散粘结或焊接进行结合。
基本按如上所述的那样构造根据本发明的实施方案用于氢分离的多层模块100。下面将描述用于氢分离的多层模块100的操作方法。
如图6和图7所示，分离单元107具有四个垂直形成于其中的管状体。也就是说，分离单元107具有由与滞留气体排放管115和滞留气体排放孔114连通的滞留气体连通孔124、134、144和154形成的第二管状体；由混合气体连通孔122、132、142和152与上部连通孔112形成的第一管状体；由分别与氢气排放管167和169连通的氢气连通孔121、123、131、133、141、143、151、153、191和193与氢气排放孔161和163形成的第三管状体和第四管状体。
首先，从混合气体供应管104供应的混合气体填充压力室102的内部空间以提高内部压力，并通过上部输入端口116与混合气体输入端口126、136、146和156流入由混合气体连通孔122、132、142和152与上部连通孔112形成的第一管状体。
混合气体均匀地分布在第一管状体中，流入上部进入通道1162和混合气体通道1262、1362、1462和1562，并从混合气体排出孔1272、1372、1472和1572与上部排出孔1172供入氢分离板171、172、173和174中的空隙。
进一步，被供入所述空隙的混合气体通过氢分离板171、172、173和174朝支撑突起物125、135、145和155输送。就此而言，被移除了氢的滞留气体通过滞留气体输入孔1274、1374、1474和1574与上部进入孔1174流入滞留气体通道1264、1364、1464和1564与上部排出通道1164，被供入第四管状体，并通过滞留气体排放管115被排放到外部。
另外，穿过氢分离板171、172、173和174朝支撑突起物125、135、145和155输送的氢气通过氢气进入孔1271、1273、1371、1373、1471、1473、1571和1573流入氢气通道1261、1263、1361、1363、1461、1463、1561和1563中，供入第三管状体和第四管状体，并通过氢气排放管167和169被排放到外部。
可以将氢气排放管167和169并入压力室102外部的一个管子中，或只有一个氢气排放管可以被设置于分离单元107上。
根据上述构型和操作，用通过压力室102供应的混合气体将单位元件120、130、140和150加压。本文中，混合气体经由在单位元件120、130、140和150的环形表面上形成的混合气体输入端口126、136、146和156被供入各个单位元件120、130、140和150。因此，膨胀压未被施加于模块的连接或密封区域，并且，以相同的压力将混合物输送至各个单位元件中。因此，可以提供具有改善的耐久性的高效大尺寸模块。
另外，如图8和图9(图8和图9为示出了根据改造实例的分离单元108的剖面视图)所示，当使用具有与单位元件120、130、140和150相同的构型且同时防止混合气体在所述单位元件之间流动的下部板190时，可以提高下部板190的使用。为此，在单位元件120、130、140和150中，下部板将滞留气体连通孔、混合气体连通孔、混合气体排出孔、滞留气体输入孔和混合气体输入端口封闭，并包括设置在氢气连通孔191和193下方的氢气排放管197和199。另外，将氢分离板176设置于位于单位元件150与下部板190之间的空隙中的下部板190的支撑突起物195上。通过这种构型，可以将在制造工厂中通过额外工艺同样制造的单位元件制成下部板，而且氢分离反应也可以在下部板190中发生。
另外，如图10和图11(图10和图11为示出了根据另一个改造实例的分离单元109的剖面视图)所示，滞留气体排放管和氢气排放管被同时设置在上部板和下部板中的任意一个的相同侧面上。就此而言，当一个压力室中的分离单元109的数目增加时，可以容易地设计管道和增加设计者在设计中的自由度。在图10和图11中，将所有氢气排放管217和219与滞留气体排放管215都设置在下部板的下面，可以以同样的方式将这些管设置在上部板的上面。
就此而言，上部板200包括上端未暴露于外部的滞留气体排放孔204。另外，下部板210包括滞留气体排放孔214，并且，滞留气体排放管215的一端被插入滞留气体排放孔214，从而使得氢排放管214与滞留气体排放孔204和滞留气体连通孔124、134、144和154连通。分离单元109的另一个构型与分离单元107的构型相同。
虽然已经结合优选的实施方案对本发明进行了描述，但本发明不局限于上述实施方案，而且相关技术人员可以理解，在不偏离所附的权利要求所限定的本发明范围下可以对本发明进行各种改造和变化。
Claims (6)
1.一种用于氢分离的多层模块，其包含：
压力室，所述压力室具有设置在其侧面上的混合气体供应管以与所述压力室连通；以及
安装在所述压力室内的分离单元，
其中，所述分离单元包含：至少两个层压的单位元件，所述单位元件被构造成从混合气体中分离氢；上部板，所述上部板被置于所述层压的单位元件的最上面；和下部板，所述下部板被置于所述层压的单位元件的最下面，
所述上部板和所述下部板中的至少一个包括设置在其上的氢气排放管以排放自所述分离单元分离出的氢，
所述上部板和所述下部板中的至少一个包括设置在其上的滞留气体排放管以排放残留的滞留气体，通过所述分离单元已从所述残留的滞留气体中分离出氢，
每个所述单位元件都与所述压力室的内部空间连通。
2.根据权利要求1所述的用于氢分离的多层模块，其中，所述单位元件包含：
元件体，所述元件体构成所述单位元件的主体；
支撑突起物，所述支撑突起物形成于所述元件体的上部嵌入部分；
氢分离板，所述氢分离板设置在所述支撑突起物上以仅让氢通过所述氢分离板；
混合气体连通孔、滞留气体连通孔和氢气连通孔，它们在所述元件体中环绕所述氢分离板形成，从而互相间隔开；
混合气体输入端口，所述混合气体输入端口形成于所述单位元件的元件体的环状表面中以与所述混合气体连通孔连通，并暴露于所述压力室的内部空间以与所述压力室连通；
混合气体排出孔，所述混合气体排出孔通过混合气体通道与所述混合气体连通孔连通，并形成于所述元件体的底部以暴露于与所述混合气体排出孔相邻的单位元件的氢分离板；
滞留气体输入孔，所述滞留气体输入孔通过滞留气体通道与所述滞留气体连通孔连通，并形成于所述元件体的底部以暴露于与所述滞留气体输入孔相邻的单位元件的氢分离板；
氢气进入孔，所述氢气进入孔形成于所述支撑突起物和所述氢分离板的下部之间，并通过氢气通道与所述氢气连通孔连通，
所述氢气排放管与所述氢气连通孔连通，
所述滞留气体排放管与所述滞留气体连通孔连通，并且
在上部的单位元件的下表面和相邻的单位元件中的氢分离板之间形成空隙，从而通过所述空隙使所述混合气体排出孔和所述滞留气体输入孔连通。
3.根据权利要求2所述的用于氢分离的多层模块，其中，所述上部板或所述下部板中的一个具有与所述单位元件相同的构型，
所述混合气体连通孔被封闭，其中没有插入所述氢气排放管的氢气排放连通孔被封闭，并且，其中没有插入所述滞留气体排放管的滞留气体排放孔被封闭。
4.根据权利要求2所述的用于氢分离的多层模块，其中，在所述下部板的上表面和所述单位元件的下表面之间设置垫片。
5.根据权利要求2所述的用于氢分离的多层模块，其中，所述滞留气体输入孔的直径小于所述混合气体排出孔的直径。
6.根据权利要求1所述的用于氢分离的多层模块，其中，所述混合气体供应管的直径大于滞留气体排放孔的直径。
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