CN108014607B - 一种扁管型钯复合膜氢气分离器及分离氢气的方法 - Google Patents

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Abstract

一种扁管型钯复合膜氢气分离器及分离氢气的方法，该分离器包括扁管式钯复合膜、前端板、后端板、螺杆以及保压电磁阀；前端板和后端板内分别开有合成气腔室和废气腔室，合成气腔室和废气腔室的左右外侧面分别开有合成气进口和废气出口，内侧面均开有数量相同多个气体分配孔，和气体分配孔数量相同的扁管式钯复合膜固定于前端板和后端板中间且每个扁管式钯复合膜与其两侧的气体分配孔连通，形成钯复合膜内腔室和钯复合膜外腔室；后端板的废气出口与保压电磁阀相连；前端板或后端板的前侧面开有与钯复合膜外腔室连通的氢气出口，后侧面开有与钯复合膜外腔室连通的吹扫进气口；本发明还公开了分离氢气的方法；本发明能够降低系统复杂度，进一步提高有效分离面积。

Description

一种扁管型钯复合膜氢气分离器及分离氢气的方法
技术领域
本发明属于制氢技术领域，尤其涉及一种扁管型钯复合膜氢气分离器及分离氢气的方法。
背景技术
氢以其清洁无污染、高效、可储存和运输等优点，被视为理想的二次能源，被广泛应用于燃料电池汽车、电子行业和化工行业。氢气作为一种二次能源，需要通过其他能源进行制取，常用的制氢方式有煤气化制氢、天然气重整制氢、生物质发酵制氢、电解水制氢等方式。
为了获得较为纯净的氢气，除了电解水制氢外，所有的制氢过程中都需要经过氢气分离来清除富氢气体中的杂气，常用的氢气分离技术有溶液吸收法、变压吸附法、深冷法以及膜分离法等。其中，膜分离法能够在一定的压差条件下，通过选择性物理吸附-解吸将氢气分离得到高纯度的氢气，具有系统简单、体积小、能耗低等优点，是制氢技术方面的前沿技术。
由于金属钯对氢气具有独特的选择性，使得金属钯具有突出的透氢特性，为此钯膜分离器是目前最重要的氢气膜分离器。根据支撑体的类型，钯膜分离器可以分为无支撑体钯膜分离器和有支撑体的钯膜分离器，其中有支撑体的钯膜分离器又可称之为钯复合膜分离器。传统的钯复合膜分离器一般采用平板型或者管型结构。平板型钯复合膜分离器具有制备工艺简单、有效分离面积大、支撑体孔隙容易调节的优点，但是平板型钯复合膜分离器在高温高压下的密封技术难度大，是限制其发展的主要因素。管型钯复合膜分离器降低了分离器密封的难度，能够在较高的压力下工作，是目前主流的结构方案，但是管型钯复合膜分离器的有效分离面积较小。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种扁管型钯复合膜氢气分离器及分离氢气的方法，能够降低系统复杂度，进一步提高有效分离面积。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种扁管型钯复合膜氢气分离器，包括扁管式钯复合膜1、前端板2、后端板3、螺杆4以及保压电磁阀5；所述前端板2和后端板3内分别开有合成气腔室13和废气腔室14，合成气腔室13和废气腔室14的左右外侧面分别开有合成气进口9和废气出口8，内侧面均开有数量相同多个气体分配孔10，和气体分配孔10数量相同的扁管式钯复合膜1固定于前端板2和后端板3中间且每个扁管式钯复合膜1与其两侧的气体分配孔10连通，扁管式钯复合膜1的内部形成钯复合膜内腔室6，相邻扁管式钯复合膜1间的空腔形成钯复合膜外腔室7；后端板3的废气出口8与保压电磁阀5相连；前端板2或后端板3的前侧面开有与钯复合膜外腔室7连通的氢气出口11，后侧面开有与钯复合膜外腔室7连通的吹扫进气口12。
所述扁管式钯复合膜1由多孔支撑体11和金属钯膜12组成，多孔支撑体11由多孔金属制备成扁管形状，多孔支撑体11内部形成多个扁孔，在扁孔中，采用化学镀法，制备有一层金属钯膜12，附着在多孔支撑体11上。
所述多孔金属为多孔氧化铝陶瓷。
所述前端板2和后端板3采用不锈钢材料。
所述保压电磁阀5，能够保持钯复合膜内腔室6的压力，并定时打开保压电磁阀5的阀门向外排出废气。
所述扁管型钯复合膜氢气分离器分离氢气的方法，工作时，高压的合成气通入到前端板2的合成气进口9中，然后通过气体分配孔10进入到钯复合膜内腔室6中；合成气中的H2经过扁管式钯复合膜1从钯复合膜内腔室6进入到钯复合膜外腔室7中，实现H2的分离；吹扫气从吹扫进气口12通入钯复合膜外腔室7中，利于氢气的排出，分离出来的高纯氢气通过氢气出口11，输送给氢气用户；分离氢气后的合成气废气通过废气出口8和保压电磁阀5排出分离器并进行回收。
本发明与已有的技术相比，采用扁管式钯复合膜，一方面能够降低金属钯的使用量，降低成本，另一方面提高了有效分离面积的同时便于密封，提高了钯膜分离器的实用性，在煤制氢和天然气制氢等领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构剖视图。
图2是图1沿A‐A向的剖视图。
图3是本发明扁管式钯复合膜的轴向剖面示意图。
图4是本发明扁管式钯复合膜的径向剖面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明：
如图1和图2所示，本发明一种扁管型钯复合膜氢气分离器，包括扁管式钯复合膜1、前端板2、后端板3、螺杆4以及保压电磁阀5；所述前端板2和后端板3内分别开有合成气腔室13和废气腔室14，合成气腔室13和废气腔室14的左右外侧面分别开有合成气进口9和废气出口8，内侧面均开有数量相同多个气体分配孔10，和气体分配孔10数量相同的扁管式钯复合膜1固定于前端板2和后端板3中间且每个扁管式钯复合膜1与其两侧的气体分配孔10连通，扁管式钯复合膜1的内部形成钯复合膜内腔室6，相邻扁管式钯复合膜1间的空腔形成钯复合膜外腔室7；后端板3的废气出口8与保压电磁阀5相连；前端板2或后端板3的前侧面开有与钯复合膜外腔室7连通的氢气出口11，后侧面开有与钯复合膜外腔室7连通的吹扫进气口12。
如图3和图4所示，所述扁管式钯复合膜1由多孔支撑体11和金属钯膜12组成，多孔支撑体11由多孔金属制备成扁管形状，多孔支撑体11内部形成多个扁孔，在扁孔中，采用化学镀法，制备有一层金属钯膜12，附着在多孔支撑体11上。
作为本发明的优选实施方式，所述多孔金属为多孔氧化铝陶瓷。
作为本发明的优选实施方式，所述前端板2和后端板3采用不锈钢材料。
作为本发明的优选实施方式，所述保压电磁阀5，能够保持钯复合膜内腔室6的压力，并定时打开保压电磁阀5的阀门向外排出废气。
如图1和图2所示，本发明扁管型钯复合膜氢气分离器分离氢气的方法，工作时，高压的合成气通入到前端板2的合成气进口9中，然后通过气体分配孔10进入到钯复合膜内腔室6中；合成气中的H2经过扁管式钯复合膜1从钯复合膜内腔室6进入到钯复合膜外腔室7中，实现H2的分离；吹扫气从吹扫进气口12通入钯复合膜外腔室7中，利于氢气的排出，分离出来的高纯氢气通过氢气出口11，输送给氢气用户；分离氢气后的合成气废气通过废气出口8和保压电磁阀5排出分离器并进行回收。
实施案例1
采用具有三孔的扁管式Al2O3作为多孔支撑体(长度100cm，宽度30cm，厚度3cm)，通过化学镀法将金属Pd镀在多孔支撑体的内侧。将7片扁管式钯复合膜管组成钯膜管组。钯膜管组的一端与前端板2连接，钯膜管组的另一端与后端板3连接。将扁管型钯复合膜氢气分离器置于300℃恒温的电炉内，合成气(摩尔组分50％H2、30％CO2、20％N2)通入到扁管型钯复合膜氢气分离器的合成气进口9。合成气中的氢气透过扁管式钯复合膜1进入其外侧。保压电磁阀5工作压力为2.5atm，每1分钟排出一次废气，排气时间为20s。在吹扫进气口12中先通入N2将钯复合膜外腔室7中的杂质气体排出，然后通入高纯氢气，将从扁管式钯复合膜1中透过的氢气从氢气出口11排出。从氢气出口11可获得纯度达到99.9999％的高纯氢气。
实施案例2
采用具有五孔的多孔金属作为多孔支撑体(长度80cm，宽度50cm，厚度3cm)，通过化学镀法将金属Pd镀在多孔支撑体的内侧。将10片扁管式钯复合膜管组成钯膜管组。钯膜管组的一端与前端板2连接，钯膜管组的另一端与后端板3连接。将扁管型钯复合膜氢气分离器置于250℃恒温的电炉内，合成气(摩尔组分40％H2、40％CO2、20％N2)通入到扁管型钯复合膜氢气分离器的合成气进口9。合成气中的氢气透过扁管式钯复合膜1进入其外侧。保压电磁阀5工作压力为3atm，每2分钟排出一次废气，排气时间为50s。在吹扫进气口12中先通入N2将钯复合膜外腔室7中的杂质气体排出，然后通入高纯氢气，将从扁管式钯复合膜1中透过的氢气从氢气出口11排出。从氢气出口11可获得纯度达到99.9999％的高纯氢气。

Claims (4)

1.一种扁管型钯复合膜氢气分离器，其特征在于：包括扁管式钯复合膜（1）、前端板（2）、后端板（3）、螺杆（4）以及保压电磁阀（5）；所述前端板（2）和后端板（3）内分别开有合成气腔室（13）和废气腔室（14），合成气腔室（13）和废气腔室（14）的左右外侧面分别开有合成气进口（9）和废气出口（8），内侧面均开有数量相同多个气体分配孔（10），和气体分配孔（10）数量相同的扁管式钯复合膜（1）固定于前端板（2）和后端板（3）中间且每个扁管式钯复合膜（1）与其两侧的气体分配孔（10）连通，扁管式钯复合膜（1）的内部形成钯复合膜内腔室（6），相邻扁管式钯复合膜（1）间的空腔形成钯复合膜外腔室（7）；后端板（3）的废气出口（8）与保压电磁阀（5）相连；前端板（2）或后端板（3）的前侧面开有与钯复合膜外腔室（7）连通的氢气出口（11），后侧面开有与钯复合膜外腔室（7）连通的吹扫进气口（12）；通过化学镀法将金属Pd镀在多孔支撑体的内侧；
所述扁管式钯复合膜（1）由多孔支撑体（11）和金属钯膜（12）组成，多孔支撑体（11）由多孔金属制备成扁管形状，多孔支撑体（11）内部形成多个扁孔，在扁孔中，采用化学镀法，制备有一层金属钯膜（12），附着在多孔支撑体（11）上；
所述保压电磁阀（5），能够保持钯复合膜内腔室（6）的压力，并定时打开保压电磁阀（5）的阀门向外排出废气。
2.根据权利要求1所述的扁管型钯复合膜氢气分离器，其特征在于：所述多孔金属为多孔氧化铝陶瓷。
3.根据权利要求1所述的扁管型钯复合膜氢气分离器，其特征在于：所述前端板（2）和后端板（3）采用不锈钢材料。
4.权利要求1至3任一项所述的扁管型钯复合膜氢气分离器分离氢气的方法，其特征在于：工作时，高压的合成气通入到前端板（2）的合成气进口（9）中，然后通过气体分配孔（10）进入到钯复合膜内腔室（6）中；合成气中的H2经过扁管式钯复合膜（1）从钯复合膜内腔室（6）进入到钯复合膜外腔室（7）中，实现H2的分离；吹扫气从吹扫进气口（12）通入钯复合膜外腔室（7）中，利于氢气的排出，分离出来的高纯氢气通过氢气出口（11），输送给氢气用户；分离氢气后的合成气废气通过废气出口（8）和保压电磁阀（5）排出分离器并进行回收。
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