CN112638503A - 气体分离装置 - Google Patents

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Abstract

本文公开的是气体分离部分，用于在分离装置中从一种或多种其他气体中分离出第一气体，所述气体分离部分包括：基本上为平面的第一膜；基本上为平面的第二膜；第一基板，所述第一基板具有第一表面和第二表面，其中，所述第一基板的所述第二表面与所述第一基板的所述第一表面在所述第一基板上的相反的一侧；第二基板，所述第二基板具有第一表面和第二表面，其中，所述第二基板的所述第二表面与所述第二基板的所述第一表面在所述第二基板上的相反的一侧；以及网状物，所述网状物设置在所述第一基板的所述第二表面和所述第二基板的所述第二表面之间；其中：所述第一基板和所述第二基板是烧结板；所述第一膜位于所述第一基板的所述第一表面上；所述第二膜位于所述第二基板的所述第一表面上；所述第一膜和所述第二膜均可透过至少第一气体，且不可透过一种或多种其他气体；所述第一膜在垂直于所述第一膜的平面的方向上的厚度小于10微米；所述第二膜在垂直于所述第二膜的平面的方向上的厚度小于10微米。实施方案提供了优于已知技术的改进的气体分离装置。根据实施方案，分离装置的优点包括改善的性能，易于实施，模块化设计和可扩展的设计。

Description

气体分离装置
摘要
本发明涉及通过膜分离气体。实施方案提供了一种分离装置，其特别适合于从合成气中分离氢气。根据实施方案，分离装置的优点包括与已知的分离装置相比性能提高，易于实施，模块化设计和可扩展设计。
背景
氢气越来越多地被用作能源。氢气的一个优点是它燃烧产生水，因此是一种清洁的燃料。氢气可用作燃烧燃料的应用包括为船舶提供动力以及作为家用气体供应。氢气也可用于燃料电池，该燃料电池是常规电池的环保替代品。
制造氢气的一种有效形式是来自合成气。合成气可以通过重整天然气来制造。合成气是主要包含一氧化碳和氢气的气体混合物。合成气还可包含一定量的二氧化碳和其他气体，例如甲烷。还可以对合成气进行水煤气变换反应，以增加混合气体中的氢气浓度。为了制造基本纯净的氢气，必须将氢气与气体混合物中的其他气体分离。
从其他气体中分离氢气的一种已知技术是使用钯合金膜。使气体混合物通过以膜为管壁的管。氢气通过膜扩散，从而与气体混合物中无法通过膜的其他气体分离。
在已知的氢气分离器中，膜厚度通常为约100微米。氢气穿过膜的速率与膜厚度成反比，与膜表面积成正比。由于大的膜厚度，通过这种膜分离氢气很慢。另外，由于钯昂贵，因此实施成本高。
通常需要改进已知的气体清洁和/或分离装置。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了气体分离部分，用于在分离装置中从一种或多种其他气体中分离出第一气体，所述气体分离部分包括：基本上为平面的第一膜；基本上为平面的第二膜；第一基板，所述第一基板具有第一表面和第二表面，其中，所述第一基板的所述第二表面与所述第一基板的所述第一表面在所述第一基板上的相反的一侧；第二基板，所述第二基板具有第一表面和第二表面，其中，所述第二基板的所述第二表面与所述第二基板的所述第一表面在所述第二基板上的相反的一侧；以及网状物，其设置在所述第一基板的所述第二表面和所述第二基板的所述第二表面之间；其中：所述第一膜位于所述第一基板的所述第一表面上；所述第二膜位于所述第二基板的所述第一表面上；所述第一膜和所述第二膜均可透过至少第一气体，且不可透过一种或多种其他气体；所述第一膜在垂直于所述第一膜的平面的方向上的厚度小于10微米；所述第二膜在垂直于所述第二膜的平面的方向上的厚度小于10微米。
优选地，所述第一气体是氢气，所述一种或多种其他气体包括一氧化碳和/或二氧化碳。
优选地，所述第一膜和所述第二膜包含钯；可选地，所述第一膜和所述第二膜还包含一种或多种除钯之外的其他金属。
优选地，所述第一膜和/或所述第二膜包含银；优选地，所述膜为15wt％至40wt％的银，其余为钯；更优选地，所述膜为77wt％的钯和23wt％的银。
优选地，所述第一膜和/或所述第二膜的所述厚度在0.2至4微米之间，优选在1至3微米之间。
优选地，所述第一膜和所述第二膜基本上是正方形。
优选地，所述网状物是钢网。
优选地，所述网状物在所述第一基板的所述第二表面的相对边缘之间的多个位置处附接到所述第一基板的所述第二表面；以及所述网状物在所述第二基板的所述第二表面的相对边缘之间的多个位置处附接到所述第二基板的所述第二表面。
优选地，所述网状物布置成保持所述第一基板的所述第二表面基本上平行于所述第二基板的所述第二表面。
优选地，所述网状物布置成保持所述第一基板的所述第二表面与所述第二基板的所述第二表面隔开2毫米至30毫米的距离范围。
优选地，所述第一基板和/或所述第二基板包括烧结板、金属、陶瓷、聚合物或其组合中的任何一种。
优选地，所述第一基板和/或所述第二基板的厚度小于3毫米。
优选地，所述气体分离装置还包括：第一垫圈，所述第一垫圈布置成在所述第一膜的边缘处提供气体密封；和第二垫圈，所述第二垫圈布置成在所述第二膜的边缘处提供气体密封。
优选地，所述网状物设置在通道中，在使用中，所述第一气体布置成流过所述通道。
优选地，所述气体分离装置还包括框架，所述框架布置成包含所述第一气体的流动路径；其中，所述框架布置成与通道流体连通，使得在使用中，所述第一气体从所述通道流入所述框。
优选地，所述框架包括围绕所述第一膜和所述第二膜的基本上环形的部分。
优选地：所述第一垫圈是在基本上环形的部分内包括基本上正方形的部分的单件式结构；和/或所述第二垫圈是在基本上环形的部分内包括基本上正方形的部分的单件式结构。
根据本发明的第二方面，提供了分离装置，用于从一种或多种其他气体中分离第一气体，所述分离装置包括：入口，用于接收包括第一气体和一种或多种其他气体的气体混合物；多个根据本发明的第一方面的气体分离部分，其中，所述多个气体分离部分为堆叠布置；第一出口，所述第一出口布置成输出已经通过一个或多个气体分离部分中的一个或多个膜的第一气体；以及第二出口，所述第二出口布置成输出未通过所述一个或多个所述气体分离部分中的一个或多个膜的至少一种或多种气体。
优选地，所述多个气体分离部分为垂直堆叠布置。
优选地，所述分离装置还包括外壳；所述多个气体分离部分布置在外壳内。
优选地，所述外壳基本上为圆柱形。
优选地，所述第一入口设置在所述外壳的上部或下部，使得在使用中，所述气体混合物进入所述外壳的流动方向基本上垂直于所述气体分离部分中的所述膜的平面。
优选地，所述外壳还包括入口，所述入口布置成接收蒸汽以加热所述气体分离部分。
优选地，所述外壳还包括用于吹扫气体的入口，所述吹扫气体被供应至一个或多个通道，使所述第一气体布置成在所述第一气体已经通过膜后流过所述通道。
根据本发明的第三方面，提供了从包含第一气体和一种或多种其他气体的气体混合物中分离所述第一气体的方法，所述方法包括：将所述气体混合物供给根据本发明的第二方面的分离装置；从基本上仅包含所述第一气体的所述分离装置接收第一气体流；以及从包括除所述第一气体之外的至少一种或多种其他气体的所述分离装置接收第二气体流。
附图目录
图1示出了用于从其他气体中分离氢气的设备的已知实施方式；
图2是根据实施方案的分离装置的一部分的部件的截面图；
图3A示出了根据实施方案的单个气体分离部分的实施方式的一部分；
图3B示出了根据实施方案的单个气体分离部分的实施方式的一部分；
图3C示出了根据实施方案的两个气体分离部分，其中一个堆叠在另一个之上；
图4A示出了根据实施方案的气体分离装置和基座的部件；
图4B示出了根据实施方案的设置在基座上的气体分离装置的部件；
图5示出了根据实施方案的分离装置的横截面；
图6A示出了根据实施方案的分离装置；以及
图6B示出了根据实施方案的分离装置。
实施方案
实施方案提供了优于已知技术的改进的气体分离装置。根据实施方案，分离装置的优点包括改善的性能，易于实施，模块化设计和可扩展的设计。
图1示出了用于从其他气体中分离氢气的设备的已知实施方式。在US8,163,064B2的图6中公开了图1所示的设备。与其他已知的氢气分离技术相比，图1所示设备的重要优点是钯膜的厚度减小到小于10微米。减小的膜厚度既增加了流过膜的氢气的流量，又降低了成本。
实施方案提供了一种对图1所示的设备进行改进的氢气分离装置。
图6A和图6B示出了根据实施方案的分离装置500。
图2是根据实施方案的部分分离装置500的部件的横截面。在从合成气中分离氢气的示例应用中描述了分离装置500。可能已经对合成气进行了水煤气变换反应，因此对合成气的提及应理解为包含氢气和一氧化碳、二氧化碳、蒸汽和其他气体(例如甲烷)中的一种或多种其他气体的气体混合物。如在图2中的大箭头中的文本所示，实施方案包括输入气体混合物，其基本上仅是二氧化碳和氢气的混合物。第一输出可以是基本仅二氧化碳流。与第一输出分离的第二输出可以是基本上仅氢气流。
分离装置500包括多个第一通道202和多个第二通道204。每个第一通道202形成在平面的膜201之间，平面的膜201为第一通道202的壁。每个平面的膜201形成在支撑膜201的基板203上。每个基板203形成在与膜201相对的基板203另一侧的钢网上。多个第二通道204每个内部设置有网状物。由于网状物结构包括用于氢气的气体流动路径，氢气能够穿过膜201，穿过基板203并沿着每个第二通道204流动。
输入到每个第一通道202的气体是合成气。从每个第一通道202输出的气体在本文中被称为滞留气体。滞留气体是输入合成气中的部分或全部氢气通过膜201之后进入第一通道202的输入合成气的剩余内容物。第二通道204的输出气体包括已通过膜201的氢气。
每个第一通道202在通道的一端具有用于合成气的入口205，在第一通道202的另一端具有用于滞留物的出口206。
每个第二通道204的至少一端是氢气的出口207。实施方案还包括第二通道204的一个以上的端部是氢气的出口。
在使用中，在一个或多个第一通道202的入口处提供合成气，并且该合成气穿过这些第一通道202中的每一个朝向第一通道202的相应出口。当合成气穿过每个第一通道202时，合成气中的氢气穿过通道的平面的膜201壁。由于氢气穿过膜201，所以通过每个第一通道202的出口的滞留气体的氢浓度低于在第一通道202的入口处的合成气的氢浓度。优选地，在穿过每个第一通道202的出口的气体中基本不存在氢气。穿过膜201的氢气穿过基板203，进入第二通道204之一，并从第二通道204的出口207出来。
图3A和图3B示出了根据实施方案的分离装置500的单个气体分离部分300的部分实施方式。图3C示出了两个气体分离部分300，其中一个堆叠在另一个之上。图4A示出了根据实施方案的气体分离部分300的部件以及其上设置有气体分离部分300的基座402。图4B示出了当气体分离部分300形成并设置在基座402上时，图4A中的气体分离部分300。当分离装置500被定向为使得每个膜201是水平时，基座402可以是气体分离装置500的上部或下部。
根据实施方案的分离装置500优选地包括至少如图3C和图5所示的多个气体分离部分300。
如图3A、图3B、图4A和图4B所示，气体分离部分300提供了先前参照图2描述的结构的部分。每个气体分离部分300包括两个平面的膜201，每个平面的膜201设置在基板203的一侧。每个基板203的另一侧连接到钢网。该网状物定义膜201之间用于收集氢气的第二通道204。
如至少在图3C、图4B和图5中所示，每个气体分离部分300是基本上平面的结构，其包括基本上环形部分以及基本上正方形部分。膜201设置在每个气体分离部分300的基本上正方形部分中。每个气体分离部分300在基本正方形部分和基本环形部分之间具有一个或多个连接部分。例如，至少在图3C和图4B中所示，可以在正方形部分的四个角的每个角处设置连接部分。
如至少在图3C、图4B和图5中所示，在每个气体分离部分300的基本上正方形部分的每个外边缘与每个气体分离部分300的基本上环形部分的内边缘之间有一个扇形孔。每个气体分离部分300包括四个单独的扇形孔，每个扇形孔的基本形状为圆弧形。
每个气体分离部分300包括氢气框架301。氢气框架301为网状物提供结构支撑。该网状物支撑基板203，并且该基板203支撑膜201。
每个氢气框架301基本上为平面的结构，其包括基本上环形部分和基本上正方形部分。在每个氢气框架301的基本上正方形部分的每个外边缘与氢气框架301的基本上环形部分的内边缘之间是一个扇形孔，氢气框架301包括四个这样的扇形孔。存在穿过每个氢气框架301的基本上正方形部分的相对侧壁的圆形孔，从而每个氢气框架301提供了氢气从形成在氢气框架301的基本上正方形部分内的第二通道204流出的流路。氢气通过氢气框架301的基本上正方形部分的侧壁的圆形孔的流动路径的方向平行于氢气框架301的平面。因此，在使用中，第二通道204内的氢气能够从第二通道204流出并进入氢气框架301的至少一个扇形孔中。
如至少图4A中所示，每个气体分离部分300还包括合成气框架404。每个合成气框架404是基本上平面的结构，其包括基本上环形部分以及基本上正方形部分。在每个合成气框架404的基本上正方形部分的每个外边缘与合成气框架404的基本上环形部分的内边缘之间是扇形孔，合成气框架404包括四个这样的扇形孔。存在穿过每个合成气框架404的基本上正方形部分的相对侧壁的圆孔，使得每个合成气框架404提供合成气进入第一通道202的流动路径和滞留气体，即不含有流过膜201的氢气的合成气从第一通道202流出。穿过合成气框架404的基本上正方形部分的侧壁的圆形孔的合成气和滞留气体的流动路径的方向平行于合成气框架404的平面。如至少图3C所示，第一通道202形成在堆叠布置的两个相邻的气体分离部分300之间。当三个或更多个气体分离部分300处于堆叠布置中时，如图2所示并参考图2进行描述，形成了两个或更多个第一通道202。每个第一通道202形成在两个合成气框架404的基本上正方形部分之间。因此，在使用中，每个第一通道202内的滞留气体能够流出第一通道202并流入合成气框架404的至少一个扇形孔中。
合成气框架404和氢气框架301具有彼此相似的形状。每个合成气框架404的每个扇形孔具有与氢气框架301的扇形孔基本上相同的形状，并与之对准。因此，每个气体分离部分300的每个扇形孔包括至少一个氢气框架301的扇形孔和至少一个合成气框架404的扇形孔。氢气框架301和合成气框架404均在其基本上正方形部分的相对的一对侧壁中包括圆形孔，用于提供气体流动路径。放置气体分离部分300中的氢气框架301和合成气框架404，使得包括圆形孔的氢气框架301的一对相对壁与包括圆形孔的合成气框架404的一对相对壁不对齐。因此，由氢气框架301的圆形孔提供的气体流动路径的方向垂直于由合成气框架404的圆形孔提供的气体流动路径的方向。当多个气体分离部分彼此堆叠时，气体分离部分的所有氢气框架301和合成气框架404彼此对准，使得由所有氢气框架301的圆形孔提供的气体流动路径的方向是相同的，并且由所有合成气框架404的圆形孔提供的气体流动路径的方向是相同的。
每个气体分离部分300中的扇形孔彼此之间不直接流体连通。一个扇形孔中的气体只能通过流过第一通道202或第二通道204流入另一个扇形孔中。
如图3A、图3B、图4A和图4B所示，提供了垫圈303。垫圈303是气体密封。提供覆盖每个膜201的所有边缘的垫圈303，从而防止第一通道202中的气体围绕膜201的端部流入第二通道204，反之亦然。因此，第一通道202和第二通道204之间的唯一气体流是已经通过膜201的气体，而不是围绕膜201的边缘的气体。优选地，每个垫圈303是在膜201的所有边缘周围提供气体密封的单独结构。优选地，每个垫圈303与氢气框架301部分，上部或下部一体形成。
在相邻的气体分离部分300之间可以设置气密密封，例如聚合物/橡胶密封圈，以防止任何不期望的气体流动路径。
如至少图4A所示，每个气体分离部分300可以通过将气体分离部分300的不同部件彼此定位而形成。气体分离部分300可以形成在包括凸缘的基座402上。可以具有与每个氢气框架301和合成气框架404基本上相同的形状的第一垫圈303，可以直接定位在基座402上。合成气框架404可以定位在第一垫圈上。氢气框架301可以定位在合成气框架404上。氢气框架301支撑钢网。网状物支撑两个基板203，并且每个基板支撑膜201。在图4A中，示出了上基板203和膜201。还存在下基板203和膜201，但是这在图4A中不可见。尽管在图4A中未示出，但是可以在合成气框架404和氢气框架301之间设置具有与第一垫圈类似的形状的另一垫圈。可以提供一个或多个引导销403以辅助所有气体分离部分300的每个部件的对准。
在图3A、图3B和图3C中示出了根据实施方案的气体分离部分300的第一实施方式。在图4A和图4B中示出了根据实施方案的气体分离部分300的第二实施方式。
如至少图3C所示，在第一实施方式中，垫圈通过至少一个，优选两个，长方体的条形构件附接到氢气框架301。每个长方体的条形构件基本上沿着氢气框架301的基本上正方形部分的边缘的整个长度延伸。如至少图4A和图4B所示，第二实施方式与第一实施方式的不同之处在于，垫圈通过至少一个短垫圈保持器附接到氢气框架301。优选地，如至少图4B所示，有四个垫圈保持器。每个垫圈保持器可以被拧到氢气框架301上。
至少如图5所示，当多个气体分离部分300堆叠布置时，每个气体分离部分300的扇形孔彼此对准，使得每个气体分离部分的扇形孔中的气体能够直接流入至少另一个相邻的气体分离部分300的相应的扇形孔中。由于气体分离部分300的对准，防止了气体直接从气体分离部分300的扇形孔流入相邻的气体分离部分300的一个以上的扇形孔。
多个气体分离部分300的扇形孔对准以通过堆叠的气体分离部分300形成四个入口/出口通道501、502、503、504。每个入口/出口通道501、502、503、504可以与分离装置500的至少一个输入或输出端口流体连通。入口/出口通道因此可以提供用于输入合成气、输出氢气和输出滞留气体的流动路径。尽管未在图5中示出，但是图5中的每个气体分离部分300在其氢气框架301和其合成气框架404中具有上述圆形孔。对齐所有气体分离部分使得每个通道501、502、503、504是基本上相同的气体分离部分的相同气体入口/出口的平行布置
例如，通道502可以是入口通道，其从合成气的输入端口提供合成气的流动路径。合成气可以在与每个气体分离部分300的平面垂直的方向上流入并沿着通道502流入任何气体分离部分300。合成气进入多个气体分离部分300的第一通道202的所有入口彼此平行。
通道503可以是出口通道，其将滞留气体的流动路径提供给滞留气体的输出端口。滞留气体从每个第一通道202流出，进入通道503，然后在与每个气体分离部分300平面垂直的方向上，沿着通道503流入输出端口。滞留气体从多个气体分离部分300的第一通道202流出的所有出口彼此平行。
通道501和通道504中的一个或两个可以是氢气的出口通道，其向一个或多个氢气输出提供氢气的流动路径。氢气可以从每个第二通道204流出至通道501和通道504中的至少一个或两者中，然后在与每个气体分离部分300的平面垂直的方向沿着通道501和通道504中的一个或两个到至少一个氢气输出端口。氢气从多个气体分离部分300的第二通道204流出的所有出口彼此平行。
在可替代的实施方案中，通道501提供氢气的出口通道，通道504提供吹扫气体的入口通道。吹扫气体流入每个第二通道204。吹扫气体增加了氢气穿过膜201流出第二通道204进入氢气框架301的速率。这减小了第二通道204中的氢气的分压，因此增加了氢气通过膜201从第一通道202行进到第二通道204的速率。
图5、图6A和图6B示出了根据实施方案的分离装置500。图5是穿过根据实施方案的分离装置500的横截面。
如图6A和图6B所示，分离装置500包括环形外部腔室、圆形上部和圆形下部。上部分和/或下部分可以是用于气体分离部分300的基座402。如图5所示，分离装置500包括多个堆叠配置的气体分离部分300。多个气体分离部分300可以竖直地堆叠，使得膜201的每个平面是水平的。如图6B所示，上部和下部可以通过穿过上部和下部两者的凸缘的螺栓固定在一起。
在分离装置500的一个或两个端部中可以是分离装置500的上部或下部的端部设置有至少一个用于合成气的输入端口和至少一个用于滞留物的输出端口。
在分离装置500的一个或两个端部中，可以是分离装置500的上部或下部，设置有一个或多个用于氢气和/或氢气与吹扫气体的混合物的输出端口。分离装置500中可以有至少一个用于在分离装置500的上部和/或下部吹扫气体的输入端口。
在分离装置500中还可以有一个或多个输入和/或输出端口，用于其他气体，特别是蒸汽。用于蒸汽的一个或多个输入和/或输出端口可以在分离装置500的上部和/或下部中。优选地，将蒸汽供给分离装置500中以加热膜201。替代地或另外地，分离装置500可以其他方式加热，例如电加热。
有利地，分离装置500的外壳允许氢气和合成气的分离在加热和加压的环境中进行。圆柱形外壳的存在也增加了系统的安全性。
根据实施方案的膜201的厚度小于10微米。就是说，以与膜201的平面垂直的距离，膜201的平面的表面彼此之间的距离小于10微米。
膜201优选的厚度为1微米至4微米，更优选的厚度为2微米至3微米。
根据实施方案的膜201可以与US8,163,064B2和/或US6,086,729中公开的膜相同，并且可以相同的方式制造。
膜201的组成可以基本上仅是钯。替代地，膜201可以包括钯和一种或多种除钯之外的其他金属。
优选地，膜201的组成使得其重量的15％至40％之间是银，其余的重量是钯。优选地，膜201的组成使得其重量的五分之一至三分之一之间是银，其余的重量是钯。更优选地，膜201的组成使得其重量的77％是钯并且其重量的23％是银。
膜201可以包括钯、银和金属X和/或金属Y，其中金属X不同于金属Y，并且金属X和金属Y都是除钯和银之外的其他金属。
膜201优选为正方形，正方形的每一边的长度为约500毫米。
根据实施方案的基板203具有氢气可以穿过的性质。基板203可以是多孔材料，也可以是由于固相扩散而可被氢气渗透的材料(例如，电子和氧离子传导和/或质子传导陶瓷或IVB和VB族的金属的混合导体)或其多层组合。基板203可以由金属、陶瓷、聚合物或其组合制成。
在特别优选的实施方案中，基板203是烧结板。烧结板可以由钢，优选AISI316L制成。烧结板是用于薄膜201的特别优选的基板，例如US8,163,064B2和/或US6,086,729中公开的膜。
优选地，膜201直接设置在基板203上。也就是说，在膜201和基板203之间不存在另外的材料层。这最小化了第一通道202和第二通道204之间的氢气的传输距离和传输阻力。
基板203的厚度可以在0.5毫米至5毫米之间，优选地在1毫米至3毫米之间。
基板203的平面的表面应该至少与其支撑的平面的膜201的尺寸相同，并且优选地与膜201的尺寸基本上相同。因此，基板203优选地具有正方形的平面的表面，其中正方形每边的长度为500毫米。
分离装置500中的气体分离部分300的数量是可变的，并且可以在2至500的范围内，优选地在25至200。
分离装置500优选地被设计为在至少50工作压力(barg)下操作。
分离装置500优选地被设计为在至少450℃的温度下操作。
分离装置500优选地具有在300℃至400℃范围内的典型操作温度。
每个气体分离部分300的外径可以在710毫米至1000毫米的范围内。
外壳的外径可以在750毫米至1200毫米的范围内。
外壳的高度可以在350毫米至5000毫米的范围内。
外壳的上部和/或下部的高度可以在50毫米至200毫米的范围内。
所述网状物可以被塑性为使得其被附接的基板203保持彼此平行并且间隔开在1毫米至100毫米的范围内，优选地在2毫米至30毫米的范围内。
进入分离装置500的合成气的流速可以是10000标准立方米/小时(Nm3/h)。
分离装置500的部件的以上提供的尺寸是近似的，并且实施方案还包括这些尺寸的变化。例如，部件的形状可以变化，以便将仪器容纳在分离装置500中。分离装置500也可以制成一定范围的尺寸，以使其适合于小型和大型应用。
根据实施方案的分离装置500有利地易于实施并且适合于从合成气中大规模分离氢气。
通过增加或减少外壳内的气体分离部分300的数量，可以容易地改变根据实施方案的通过分离装置500从合成气分离氢气的速率。
分离装置500也易于扩展。可以通过增加外壳的高度来增加氢气与合成气的分离速度，从而分离装置500可以包含更多的气体分离部分300。
分离装置500还具有模块化设计。如果已经发生故障或为了检查/维护，分离装置500内的任何气体分离部分300都可以容易地接近和更换。
输入端口和输出端口还优选地朝向垂直于穿过分离装置500的第一通道和第二通道204中的每一个的主流路径方向。因此，每个第一通道202的输入和输出彼此平行。因此，流入每个第一通道202的合成气量的变化很小。有利地，不需要复杂的电子控制多支管系统来确保进入每个第一通道202的合成气的流量合适。当改变气体分离部分300的数量时，进入每个第一通道202的合成气的流量也保持适当。
合成气平行输入至每个第一通道202相对于提供流动路径是有利的，使得所有的第一通道彼此串联。当第一通道202的输入并联时，对于每个第一通道202，合成气中的氢浓度是相同的。当第一通道彼此串联时，对于每个第一通道，合成气中的氢浓度是不同的。
根据实施方案的气体分离部分300的另一个优点是使用网状物。每个气体分离部分300中的网状物为基板203和膜201提供了主要的结构支撑。因此，网状物允许使用薄的基板203，因为每个基板203仅需要足够厚以支撑膜201并可附在网状物上。基板203不必足够厚以提供通过气体分离部分300的第二通道204的结构支撑。减小基板203的厚度既减小了膜201之间所需的间隔又减小了制造成本。
分离装置500的外壳有利地允许所有加压操作、蒸汽的使用并增加安全性。
如图1所示的设备与根据实施方案的分离装置500具有许多基本上设计差异。这些差异的结果是，如图1所示的膜组件不容易实现，也不适合从合成气中大规模分离氢气。
在图1中，没有网状物连接基板。因此，每个基板需要足够坚固以在结构上支撑穿过膜组件的通道。结果，基板需要很厚，这增加了膜组件的尺寸和成本。
另外，在膜之间需要隔离物以保持膜之间的分离。如图1所示，在膜上设置隔离物会增加膜被损坏的可能性。隔离物还阻碍了膜之间的合成气的流动。
图1所示的膜组件在膜的边缘不包括垫圈303。因此，在膜的端部会有气体泄漏的风险。
图1所示的膜组件不包含外壳。因此，不可能对膜加压和加热。
图1所示的膜组件是不可扩展。合成气的输入端口和输出端口与膜位于同一平面，且位于结构的垂直中点。如果膜的数量增加到两个以上，则合成气的流量将不会在膜之间平均分配。
另外，在图1中，合成气的输入流直接流到膜结构上。如果合成气的流速增加，则增加的流量可能会损坏合成气流入的膜结构。
图1所示的膜组件没有模块化设计。膜的数量不能改变，并且膜不能被容易地更换。
与图1所示的其他类型的已知分离装置相比，根据实施方案的分离装置500还具有许多优点。特别地，根据实施方案的膜201是薄的。膜201优选的厚度小于10微米，更优选的厚度在1至5微米之间。图1中所示的其他类型的已知分离装置具有较厚的膜。因此，氢气通过每个膜的流速较低，并且成本增加。
与具有管状膜而不是平面膜的分离装置相比，根据上述实施方案的分离装置500还具有许多优点。氢气在合成气中的传输距离取决于相邻膜之间的平均间距。对于平面膜，相邻膜彼此平行，因此相邻膜之间的平均间距是相邻膜之间的最小距离。当使用管状膜时，这些膜彼此不平行，并且相邻膜之间的平均间隔大于相邻膜之间的最小距离。因此，当使用平面膜时，氢气的传输距离较小。
在实施方案中，氢气被收集在每个气体分离部分300的基本上正方形部分的边缘与每个气体分离部分300的基本上环形部分之间的出口通道501和出口通道504中至少一个。出口通道提供了氢气到输出端口的流动路径。有利地，为氢气提供流动路径允许膜具有规则形状，例如膜可以是实心正方形。这比提供需要在膜的平面上开孔的氢气流动路径有利。特别是，用于收集的氢气通过每个环形膜中部，使用带有流动路径的环形膜是优点。这种实施方式将减小可用的膜尺寸。系统内也将存在很大的压力差。
实施方案包括对如上所述的技术的许多修改和变型。
实施方案已经描述了关于氢气与合成气的其他成分分离。实施方案还包括其他应用。例如，可以将氢气与其他气体混合物分离，例如在烯烃与炔烃反应期间除去氢气并纯化氢气。
实施方案包括除钯膜以外的其他膜的使用。其他膜的使用允许从气体混合物中分离除氢气以外的其他气体。因此，根据实施方案的分离装置500可以用于从气体混合物中分离出可以流过膜的一种或多种气体中的任何一种。
实施方案已经被描述为气体分离装置500。实施方案也可以被认为是气体清洁装置。也就是说，根据实施方案的分离装置500可以用于提高氢气或可以流经膜201的任何其他气体的纯度。
如图4B所示，网状物可以是包括多个通道的板，所述多个通道中的每一个是第二通道204。所述网状物已经被描述为钢网。实施方案包括由具有提供所需的结构支撑的性质的任何其他材料制成的网状物。网状物可以具有支撑附接至网状物的基板203的任何结构。
膜201已经被描述为具有正方形的平面。然而，实施方案包括具有其他形状的平面，例如圆形平面或矩形平面。
氢气框架301和合成气框架404可包括导管。除了入口通道/出口通道501、502、503和504之外，氢气、合成气和/或滞留气体的流动路径可以通过这些导管。
实施方案已经描述了包括具有平面膜的气体分离部分300的分离装置500。尽管这是实施方案的优选实施方式，但是实施方案还包括在分离装置500中管状膜的使用。膜、基板和网状物将具有管状/圆柱形结构，然而在别的方面却可以是基本上如所描述的根据实施方案的平面膜。
这里的流程图及说明书不应被理解为规定执行其中描述的方法步骤的固定顺序。更确切地说，可以以可行的任何顺序执行方法步骤。尽管已经结合特定的示例性实施方案描述了本发明，但是应当理解的是，如所附权利要求书所述，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对所公开的实施方案做出本领域技术人员显而易见的各种改变、替换和变更。

Claims (23)

1.气体分离部分，用于在分离装置中从一种或多种其他气体中分离出第一气体，所述气体分离部分包括：
基本为平面的第一膜；
基本为平面的第二膜；
第一基板，所述第一基板具有第一表面和第二表面，其中，所述第一基板的所述第二表面与所述第一基板的所述第一表面在所述第一基板上的相反的一侧；
第二基板，所述第二基板具有第一表面和第二表面，其中，所述第二基板的所述第二表面与所述第二基板的所述第一表面在所述第二基板上的相反的一侧；以及
网状物，所述网状物设置在所述第一基板的所述第二表面和所述第二基板的所述第二表面之间；
其中：
所述第一基板和所述第二基板是烧结板；
所述第一膜位于所述第一基板的所述第一表面上；
所述第二膜位于所述第二基板的所述第一表面上；
所述第一膜和所述第二膜均可透过至少第一气体，且不可透过一种或多种其他气体；
所述第一膜在垂直于所述第一膜的平面的方向上的厚度小于10微米；
所述第二膜在垂直于所述第二膜的平面的方向上的厚度小于10微米。
2.根据权利要求1所述的气体分离部分，其中，所述第一气体是氢气，所述一种或多种其他气体包括一氧化碳和/或二氧化碳。
3.根据权利要求1或2所述的气体分离部分，其中，所述第一膜和所述第二膜包含钯；
可选地，所述第一膜和所述第二膜还包含一种或多种除钯之外的其他金属。
4.根据权利要求3所述的气体分离部分，其中，所述第一膜和/或所述第二膜包含银；
优选地，所述膜为15wt％至40wt％的银，其余为钯；
更优选地，所述膜为77wt％的钯和23wt％的银。
5.根据前述权利要求中任一项所述的气体分离部分，其中，所述第一膜和/或所述第二膜的所述厚度在0.2至4微米之间，优选在1至3微米之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的气体分离部分，其中，所述第一膜和所述第二膜基本上是正方形。
7.根据前述权利要求中任一项所述的气体分离部分，其中，所述网状物是钢网。
8.根据前述权利要求中任一项所述的气体分离部分，其中：
所述网状物在所述第一基板的所述第二表面的相对边缘之间的多个位置处附接到所述第一基板的所述第二表面；以及
所述网状物在所述第二基板的所述第二表面的相对边缘之间的多个位置处附接到所述第二基板的所述第二表面。
9.根据前述权利要求中任一项所述的气体分离部分，其中，将所述网状物附接到所述第一基板和所述第二基板，使得所述网状物附接件将所述第一基板的所述第二表面和所述第二基板的所述第二表面基本上彼此平行。
10.根据权利要求9所述的气体分离部分，其中，所述第一基板的所述第二表面与所述第二基板的所述第二表面隔开2毫米至30毫米的距离范围。
11.根据前述权利要求中任一项所述的气体分离部分，其中：
所述第一基板的厚度小于3毫米；和/或
所述第二基板的厚度小于3毫米。
12.根据前述权利要求中任一项所述的气体分离部分，其中，所述气体分离装置还包括：
第一垫圈，所述第一垫圈布置成在所述第一膜的边缘处提供气体密封；和
第二垫圈，所述第二垫圈布置成在所述第二膜的边缘处提供气体密封。
13.根据前述权利要求中任一项所述的气体分离部分，其中，所述网状物设置在通道中，在使用中，所述第一气体布置成流过所述通道。
14.根据权利要求13所述的气体分离部分，其中，所述气体分离装置还包括至少一个框架，所述框架布置成提供所述第一气体的流动路径；
其中，至少一个框架布置成与所述通道流体连通，使得在使用中，所述第一气体从所述通道流入由所述框架提供的流动路径。
15.根据权利要求14所述的气体分离部分，其中，所述框架包括围绕所述第一膜和所述第二膜的基本上环形的部分。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的气体分离部分，其中：
所述第一垫圈是在基本上环形的部分内包括基本上正方形的部分的单件式结构；和/或
所述第二垫圈是在基本上环形的部分内包括基本上正方形的部分的单件式结构。
17.分离装置，用于从一种或多种其他气体中分离第一气体，所述分离装置包括：
入口，用于接收包括第一气体和一种或多种其他气体的气体混合物；
多个根据前述权利要求中任一项所述的气体分离部分，其中，所述多个气体分离部分为堆叠布置；
第一出口，所述第一出口布置成输出已经通过一个或多个气体分离部分中的一个或多个膜的第一气体；以及
第二出口，所述第二出口布置成输出未通过所述一个或多个所述气体分离部分中的一个或多个膜的至少一种或多种气体。
18.根据权利要求17所述的分离装置，其中，所述分离装置还包括外壳；以及
所述多个气体分离部分布置在外壳内。
19.根据权利要求18所述的分离装置，其中，所述外壳基本上为圆柱形。
20.根据权利要求18或19所述的分离装置，其中，所述第一入口设置在所述外壳的端部中，使得在使用中，所述气体混合物进入所述外壳的流动方向基本上垂直于所述气体分离部分中的所述膜的平面。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的分离装置，其中，所述外壳还包括入口，所述入口布置成接收蒸汽以加热所述气体分离部分。
22.根据权利要求18至20中任一项所述的分离装置，其中，所述外壳还包括用于吹扫气体的入口，所述吹扫气体在使用中被供应至一个或多个通道，使所述第一气体布置成在所述第一气体已经通过膜后流过所述通道。
23.从包含第一气体和一种或多种其他气体的气体混合物中分离所述第一气体的方法，所述方法包括：
将所述气体混合物供给根据权利要求17至22中任一项所述的分离装置；
从基本上仅包含所述第一气体的所述分离装置接收第一气体流；以及
从包括除所述第一气体之外的至少一种或多种其他气体的所述分离装置接收第二气体流。
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