CN109381941A - 一种氢同位素提纯净化过滤器 - Google Patents

一种氢同位素提纯净化过滤器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氢同位素提纯净化过滤器，由上壳体和下壳体组成，下壳体的下端开设有进气口，下壳体中沿进气口依次平行设置有粗过滤滤芯和一级滤芯，下壳体的上端环设有下凸缘，下壳体的上壁设置有与下凸缘相配合的环形凸台，环形凸台上安装有二级滤芯，二级滤芯与一级滤芯垂直，上壳体的上端环设有与下凸缘平行的上凸缘，下凸缘和上凸缘之间通过螺栓固定连接，上壳体的侧方开设有排气口。本发明的过滤器中依次设置有粗过滤滤芯、一级滤芯和二级滤芯，先利用粗过滤滤芯和一级滤芯去除微粒和杂质气体，再利用二级滤芯分离回收氘氚，避免了氘氚燃料反应后的气体中的微粒以及杂质气体吸附并堵塞滤芯膜孔，提高了分离效率，延长了滤芯的使用寿命。

Description

一种氢同位素提纯净化过滤器
技术领域
本发明氢同位素过滤技术领域，具体涉及一种氢同位素提纯净化过滤器。
背景技术
为了满足日益增长的能源需求，解决化石燃料带来的环境污染问题，我国参加了国际热核聚变能反应堆(ITER)计划，支持聚变堆的相关工程和技术研究。根据目前的设计，大量氘氚会随着等离子体排灰气排出，为了提高氘氚的利用率、避免对环境产生污染，必须进行等离子体排灰气处理(TEP)，回收其中的氘氚。目前，国外在TEP方面已有的研究中，均采用钯基膜分离器分离回收大部分未反应的以单质形式存在的氘氚燃料，该方法具有氢选择性高、氢渗透率高和化学稳定性好等特点。但是报道的氢分离器只针对理想状态的氘氚燃料，实际上反应后的气体中必然含有一定量的微粒以及其他杂质气体。而气体中携带的微粒以及杂质气体吸附在钯膜表面，将极大地降低钯基膜分离器的分离效率，甚至损坏该分离器。
西北有色金属研究院正在开展氢同位素过滤器分离的设计、研制及分离工艺的研究。已开发出了系列的氢同位素分离用滤芯，且依据上述滤芯已在煤化工领域开展了氢分离的工况使用研究。但现在氢同位素过滤器一般基于单一的过滤滤芯，导致滤芯分离效率低，以及滤芯使用寿命低等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种氢同位素提纯净化过滤器。该过滤器中依次设置有粗过滤滤芯、一级滤芯和二级滤芯，采用多级分离方法首先利用粗过滤滤芯去除氘氚燃料反应后的气体中的微粒，然后利用一级滤芯除去杂质气体，最后利用含有钯基膜的二级滤芯分离回收氘氚燃料，避免了氘氚燃料反应后的气体中的微粒以及杂质气体吸附在钯基膜表面堵塞膜孔，大大提高了过滤器的分离效率，延长了滤芯的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种氢同位素提纯净化过滤器，其特征在于，由上壳体和下壳体组成，所述下壳体的下端开设有进气口，所述下壳体中沿进气口依次平行设置有粗过滤滤芯和一级滤芯，所述下壳体的上端环设有下凸缘，所述下壳体的上壁设置有与下凸缘相配合的环形凸台，所述环形凸台上安装有二级滤芯，所述二级滤芯与一级滤芯垂直，所述上壳体的上端环设有与下凸缘平行的上凸缘，所述下凸缘和上凸缘之间通过螺栓固定连接，所述上壳体的侧方开设有排气口。
上述的一种氢同位素提纯净化过滤器，其特征在于，所述粗过滤滤芯和一级滤芯均通过焊接固定在下壳体的内壁上。采用焊接的方式将粗过滤滤芯和一级滤芯固定在下壳体的内壁上，保证了粗过滤滤芯和一级滤芯在分级过滤工作过程中的稳定性，从而有利于提高了原料气体中的微颗粒和杂质气体的去除效率，进而提高了原料气体的通气量。
上述的一种氢同位素提纯净化过滤器，其特征在于，所述粗过滤滤芯的过滤精度为0.1μm～1.0μm，过滤效率不小于98％，所述粗过滤滤芯的材质为316L不锈钢，所述粗过滤滤芯为316L烧结粉末膜层和316L烧结金属丝网组成的板状或管状结构。上述过滤精度和过滤效率的粗过滤滤芯可有效去除原料气体中的微颗粒，而采用316L烧结粉末膜层和316L烧结金属丝网组成的板状或管状结构的粗过滤滤芯的强度高，焊接性能好，从而提高了粗过滤滤芯的气体通量，有利于提高了过滤器的提纯净化效率，且便于粗过滤滤芯通过焊接安装在下壳体内，
上述的一种氢同位素提纯净化过滤器，其特征在于，所述一级滤芯由石墨烯膜层和多孔316L不锈钢基体组成。由于石墨烯膜层的壁面具有无摩擦效应，导致石墨烯膜层的传质阻力较小，而多孔316L不锈钢基体具有强度较好、热稳定性高的优点，使石墨烯膜层和多孔316L不锈钢基体组成的一级滤芯具有较大的气体通量。
上述的一种氢同位素提纯净化过滤器，其特征在于，所述石墨烯膜层的厚度为0.5μm～1.5μm，所述石墨烯膜层对H2/N2的分离选择比大于1000，所述多孔316L不锈钢基体的表面粗糙度为0.5μm～3μm。采用上述厚度和分离选择比的石墨烯膜层不仅具有较小的传质系数，有利于提高一级滤芯通气量，同时可实现对氢同位素气体的有效分离，在提高分离效率的同时还提高了提纯净化后得到的氢同位素气体的纯度。
上述的一种氢同位素提纯净化过滤器，其特征在于，所述二级滤芯由氦漏率不超过1.0×10-9Pa.m3/s的致密金属膜管组件组成。具有上述氦漏率的二级滤芯进一步保证了氢同位素气体的分离净化效果，从而得到纯度较高的氢同位素气体。
上述的一种氢同位素提纯净化过滤器，其特征在于，所述致密金属膜管组件的材质为Pd、PdAg或PdPt，所述PdAg中Ag的质量含量不超过23％。采用含有钯基膜的二级滤芯进行净化得到氢同位素气体，有效保证了氢同位素气体的净化效果；采用Ag的质量含量不超过23％的PdAg作为致密金属膜管组件的材质，避免了银质量含量过高导致的PdAg膜机械性能差、透气率不高的问题。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的氢同位素提纯净化过滤器中依次设置有粗过滤滤芯、一级滤芯和二级滤芯，采用多级分离方法首先利用粗过滤滤芯去除氘氚燃料反应后的气体中的微粒，然后利用一级滤芯除去杂质气体，最后利用含有钯基膜的二级滤芯分离回收大部分未反应的以单质形式存在的氘氚燃料，避免了氘氚燃料反应后的气体中的微粒以及杂质气体吸附在钯基膜表面堵塞膜孔，大大提高了过滤器的分离效率，延长了滤芯尤其是价格昂贵的含钯基膜滤芯的使用寿命。
2、与传统的粉末烧结滤芯相比，本发明采用316L烧结粉末膜层和316L烧结金属丝网组成的板状或管状结构作为粗过滤滤芯，提高了粗过滤滤芯的焊接性能和强度，从而保证了粗过滤滤芯的过滤精度，同时提高了粗过滤滤芯的气体通量，有利于提高了过滤器的提纯净化效率。
3、本发明采用石墨烯膜层和多孔316L不锈钢基体组成一级滤芯，将传质阻力小的石墨烯膜层与加工性能好、热稳定性高、机械强度合适的多孔316L不锈钢耦合，有效提高了一级滤芯的气体选择性及气体通量。
4、本发明通过设置具有不同功能的多级分离滤芯，有效解决了气体中携带的超微粒和杂质气体等对致密金属膜管的影响，有效保证了净化后氢同位素气体的纯度。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
附图标记说明
1—进气口； 2—下壳体； 3—粗过滤滤芯；
4—一级滤芯； 5—二级滤芯； 6—环形凸台；
7—下凸缘； 8—上凸缘； 9—排气口；
10—上壳体。
具体实施方式
本发明通过实施例1-实施例4对氢同位素提纯净化过滤器进行详细描述：
实施例1
如图1所示，本实施例的氢同位素提纯净化过滤器由上壳体10和下壳体2组成，所述下壳体2的下端开设有进气口1，所述下壳体2中沿进气口1依次平行设置有粗过滤滤芯3和一级滤芯4，所述下壳体2的上端环设有下凸缘7，所述下壳体2的上壁设置有与下凸缘7相配合的环形凸台6，所述环形凸台6上安装有二级滤芯5，所述二级滤芯5与一级滤芯4垂直，所述上壳体10的上端环设有与下凸缘7平行的上凸缘8，所述下凸缘7和上凸缘8之间通过螺栓固定连接，所述上壳体10的侧方开设有排气口9；所述粗过滤滤芯3的过滤精度为0.1μm，过滤效率不小于99.6％，所述粗过滤滤芯3的材质为316L不锈钢，所述粗过滤滤芯3为316L烧结粉末膜层和316L烧结金属丝网组成的管状结构；所述一级滤芯4由石墨烯膜层和多孔316L不锈钢基体组成，所述石墨烯膜层的厚度为0.5μm，所述石墨烯膜层对H2/N2的分离选择比大于1000，所述多孔316L不锈钢基体的表面粗糙度为0.5μm；所述二级滤芯5由氦漏率不超过1.0×10-9Pa.m3/s的致密Pd膜管组件组成。
实施例2
如图1所示，本实施例的氢同位素提纯净化过滤器由上壳体10和下壳体2组成，所述下壳体2的下端开设有进气口1，所述下壳体2中沿进气口1依次平行设置有粗过滤滤芯3和一级滤芯4，所述下壳体2的上端环设有下凸缘7，所述下壳体2的上壁设置有与下凸缘7相配合的环形凸台6，所述环形凸台6上安装有二级滤芯5，所述二级滤芯5与一级滤芯4垂直，所述上壳体10的上端环设有与下凸缘7平行的上凸缘8，所述下凸缘7和上凸缘8之间通过螺栓固定连接，所述上壳体10的侧方开设有排气口9；所述粗过滤滤芯3的过滤精度为1.0μm，过滤效率不小于98％，所述粗过滤滤芯3的材质为316L不锈钢，所述粗过滤滤芯3为316L烧结粉末膜层和316L烧结金属丝网组成的板状结构；所述一级滤芯4由石墨烯膜层和多孔316L不锈钢基体组成，所述石墨烯膜层的厚度为1.5μm，所述石墨烯膜层对H2/N2的分离选择比大于1000，所述多孔316L不锈钢基体的表面粗糙度为3.0μm；所述二级滤芯5由氦漏率不超过1.0×10-9Pa.m3/s的致密PdAg膜管组件组成；所述PdAg中Ag的质量含量为22％。
实施例3
本实施例与实施例2的不同之处在于：所述PdAg中Ag的质量含量为23％。
实施例4
如图1所示，本实施例的氢同位素提纯净化过滤器由上壳体10和下壳体2组成，所述下壳体2的下端开设有进气口1，所述下壳体2中沿进气口1依次平行设置有粗过滤滤芯3和一级滤芯4，所述下壳体2的上端环设有下凸缘7，所述下壳体2的上壁设置有与下凸缘7相配合的环形凸台6，所述环形凸台6上安装有二级滤芯5，所述二级滤芯5与一级滤芯4垂直，所述上壳体10的上端环设有与下凸缘7平行的上凸缘8，所述下凸缘7和上凸缘8之间通过螺栓固定连接，所述上壳体10的侧方开设有排气口9；所述粗过滤滤芯3的过滤精度为0.5μm，过滤效率不小于98％，所述粗过滤滤芯3的材质为316L不锈钢，所述粗过滤滤芯3为316L烧结粉末膜层和316L烧结金属丝网组成的板状结构；所述一级滤芯4由石墨烯膜层和多孔316L不锈钢基体组成，所述石墨烯膜层的厚度为1.0μm，所述石墨烯膜层对H2/N2的分离选择比大于1000，所述多孔316L不锈钢基体的表面粗糙度为1.8μm；所述二级滤芯5由氦漏率不超过1.0×10-11Pa.m3/s的致密PdPt膜管组件组成。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种氢同位素提纯净化过滤器，其特征在于，由上壳体(10)和下壳体(2)组成，所述下壳体(2)的下端开设有进气口(1)，所述下壳体(2)中沿进气口(1)依次平行设置有粗过滤滤芯(3)和一级滤芯(4)，所述下壳体(2)的上端环设有下凸缘(7)，所述下壳体(2)的上壁设置有与下凸缘(7)相配合的环形凸台(6)，所述环形凸台(6)上安装有二级滤芯(5)，所述二级滤芯(5)与一级滤芯(4)垂直，所述上壳体(10)的上端环设有与下凸缘(7)平行的上凸缘(8)，所述下凸缘(7)和上凸缘(8)之间通过螺栓固定连接，所述上壳体(10)的侧方开设有排气口(9)。
2.根据权利要求1所述的一种氢同位素提纯净化过滤器，其特征在于，所述粗过滤滤芯(3)和一级滤芯(4)均通过焊接固定在下壳体(2)的内壁上。
3.根据权利要求1所述的一种氢同位素提纯净化过滤器，其特征在于，所述粗过滤滤芯(3)的过滤精度为0.1μm～1.0μm，过滤效率不小于98％，所述粗过滤滤芯(3)的材质为316L不锈钢，所述粗过滤滤芯(3)为316L烧结粉末膜层和316L烧结金属丝网组成的板状或管状结构。
4.根据权利要求1所述的一种氢同位素提纯净化过滤器，其特征在于，所述一级滤芯(4)由石墨烯膜层和多孔316L不锈钢基体组成。
5.根据权利要求4所述的一种氢同位素提纯净化过滤器，其特征在于，所述石墨烯膜层的厚度为0.5μm～1.5μm，所述石墨烯膜层对H2/N2的分离选择比大于10000，所述多孔316L不锈钢基体的表面粗糙度为0.5μm～3μm。
6.根据权利要求1所述的一种氢同位素提纯净化过滤器，其特征在于，所述二级滤芯(5)由氦漏率不超过1.0×10-9Pa.m3/s的致密金属膜管组件组成。
7.根据权利要求6所述的一种氢同位素提纯净化过滤器，其特征在于，所述致密金属膜管组件的材质为Pd、PdAg或PdPt，所述PdAg中Ag的质量含量不超过23％。
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