CN113101813A - 一种用于氢气提纯的膜管测试平台及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于氢气提纯的膜管测试平台及其测试方法，用于氢气提纯的膜管测试平台包括通过管道依次连接的制氢装置、膜管提纯系统、过滤系统和检测系统，还包括尾气回流系统和监控系统；所述制氢装置产生富氢气体并输送至膜管提纯系统，所述膜管提纯系统分离出氢气并运输至过滤系统，所述膜管提纯系统分离出的尾气输送至尾气回流系统，所述过滤系统对氢气过滤并运输至检测系统，所述尾气回流系统分离出尾气中的氢气并输送至膜管提纯系统的上游管道中；所述监控系统包括控制单元、第一气体流量计和传感器组件。本申请能够便于对氢气提纯技术中的膜管进行测试。

Description

一种用于氢气提纯的膜管测试平台及其测试方法

技术领域

本申请涉及氢气提纯检测设备的领域，尤其是涉及一种用于氢气提纯的膜管测试平台及其测试方法。

背景技术

氢气作为一种清洁、高效的能源，是未来能源发展的重要方向。目前工业制氢多半得到的是混合气体，要得到高纯氢气，还需要氢气的分离提纯。目前氢气的主要分离提纯方法有低温分离法、选择吸附法、金属氢化物净化法和膜分离法。在各种氢分离提纯工艺中，膜分离法因设备小巧、操作简单、能耗低、噪音低等而具有独特的优势。

在各种透氢膜材料中，钯膜因透氢性好、耐高温、产氢纯度高而最为突出。因此根据钯膜膜管氢气提纯的特点以及对氢气纯度的要求，研究氢气流量、膜管种类、膜管数量、膜管温度、膜管压力等参数对膜管氢气提纯效果的影响，同时可以长时间运行，考察膜管寿命，对于氢气提纯系统的开发和优化有着重要意义。

目前的膜管氢气提纯技术中缺少一种系统研究膜管各项性能的测试平台，不利于系统和深入地对膜管氢气提纯技术进行研究，为此，我司研发了一种实现对制氢用膜管进行测试的平台。

发明内容

为了便于对氢气提纯技术中的膜管进行测试，本申请提供一种用于氢气提纯的膜管测试平台及其测试方法。

第一方面，本申请提供一种用于氢气提纯的膜管测试平台，采用如下的技术方案：

一种用于氢气提纯的膜管测试平台，包括通过管道依次连接的制氢装置、膜管提纯系统、过滤系统和检测系统，还包括尾气回流系统和监控系统；

所述制氢装置产生富氢气体并输送至膜管提纯系统，所述膜管提纯系统分离出氢气并运输至过滤系统，所述膜管提纯系统分离出的尾气输送至尾气回流系统，所述过滤系统对氢气过滤并运输至检测系统，所述尾气回流系统分离出尾气中的氢气并输送至膜管提纯系统的上游管道中；

所述监控系统包括控制单元、第一气体流量计和传感器组件，所述控制单元连接第一气体流量计和传感器组件，所述第一气体流量计安装在制氢装置和膜管提纯系统之间的管道上，所述传感器组件检测膜管提纯系统上游管道和下游管道内的气压。

通过采用上述技术方案，制氢装置制备富氢气体，富氢气体经过第一气体流量计进入膜管提纯系统，膜管提纯系统分离出纯氢气体，纯氢气体进入过滤系统进行过滤，然后进入检测系统进行纯度检测，膜管提纯系统分离出的尾气送入尾气回流系统中，尾气中残留的质量较轻的氢气能够回流至膜管提纯系统的上游管道中，再次进入膜管提纯系统进行提纯，能够使用原料，减少浪费，监控系统能够能够根据膜管的类型调节加热装置需要的加热温度，能够检测传感器组件的数据，并且通过第一气体流量计能够调节和监控气体流量，从而在便于研究膜管装置在不同气体流量条件下的性能变化。

可选的，所述膜管提纯系统包括膜管装置和对所述膜管装置进行加热的加热装置，所述膜管装置包括膜管入口、膜管氢气出口和膜管尾气出口，所述加热装置与所述监控系统的控制单元连接，所述控制单元调节和检测加热装置的加热温度。

通过采用上述技术方案，控制单元控制加热装置的温度，能够应用于不同种类膜管的测试。

可选的，所述传感器组件包括第一压力传感器和第二压力传感器，所述第一压力传感器安装在所述膜管入口处，所述第二压力传感器安装在所述膜管尾气出口。

通过采用上述技术方案，第一压力传感器和第二压力传感器的数据对比能够体现出膜管分离氢气的效率。

可选的，所述过滤系统包括甲烷化转化器和氢气过滤器，所述膜管提纯系统分离出氢气输送至甲烷化转化器，然后进入氢气过滤器。

通过采用上述技术方案，甲烷化转化器能够将氢气中混入的少量CO转化为甲烷，然后通过氢气过滤器进行净化，提高氢气的纯度。

可选的，所述过滤系统还包括连接在氢气过滤器下游管道上的微颗粒过滤器。

通过采用上述技术方案，微颗粒过滤器能够过滤掉氢气中的微颗粒，进一步对氢气进行净化。

可选的，所述检测系统包括检测氢气纯度的气相色谱仪。

通过采用上述技术方案，气相色谱仪能够对氢气的纯度进行检测。

可选的，所述尾气回流系统包括回流管道和至少两个尾气分离箱，至少两个所述尾气分离箱上均开设有尾气入口、回流氢气出口和废气出口，所述氢气出口开设在尾气分离箱顶部，且位置高于所述废气出口，所述尾气入口均通过回流管道并列的连接至所述膜管装置的尾气出口，所述回流氢气出口均通过回流管道连接至所述第一气体流量计的上游管道。

通过采用上述技术方案，尾气中残留的较轻的氢气聚集在尾气分离箱的上部，与二氧化碳等其他气体分离，氢气能够从尾气分离箱顶部的氢气出口离开，并回流至第一气体流量计的上游管道，其他二氧化碳等气体能够从尾气分离箱的尾气出口排出。

可选的，至少两个所述尾气分离箱上均安装有控制阀组件，所述控制阀组件包括安装在尾气入口处的第一控制阀和安装在回流氢气出口处的第二控制阀，所述第一控制阀和第二控制阀均与控制单元连接，所述控制单元控制各尾气分离箱上的控制阀组件交替开闭，使得各尾气分离器交替使用；各所述回流氢气出口的下游回流管道上安装有第二气体流量计，所述第二气体流量计与所述控制单元连接。

通过采用上述技术方案，控制单元通过控制第一控制阀和第二控制阀的开闭能够实现至少两个尾气分离箱交替使用，为尾气中的残留氢气与二氧化碳等其他气体提供充分静置分离的时间。

可选的，所述第一气体流量计与所述膜管装置之间的管道延长设置形成换热管段，所述换热管段缠绕在尾气分离箱的外部，使得尾气分离箱中尾气的热量传递至富氢气体中。

通过采用上述技术方案，尾气离开膜管提纯系统后具有较高温度，尾气的热量可以通过换热管段传递至膜管提纯系统的上游管道，对富氢气体进行预加热，从而减少加热装置的热量消耗，更加节能高效。

第二方面，本申请提供一种用于氢气提纯的膜管测试平台的测试方法，采用如下的技术方案：

一种用于氢气提纯的膜管测试平台的测试方法，包括如下步骤：

S1、通过所述控制单元设置加热装置的温度，待所述膜管装置温度达到设置温度后，控制单元控制第一气体流量计打开，使制氢装置产生的富氢气体通过第一气体流量计进入膜管提纯系统进行提纯；

S2、所述膜管提纯系统提纯的氢气通过过滤系统进行过滤，然后过滤后的氢气运输至检测系统进行检测，所述膜管提纯系统分离出的尾气进入尾气回流系统中；

S3、所述控制单元控制至少两个尾气分离箱上的控制阀组件交替开闭，所述尾气分离箱中的剩余氢气从回流氢气出口回流至膜管提纯系统的上游管道中。

S4、改变所述第一气体流量计的开度、所述第二气体流量计的开度、所述膜管的类型以及所述膜管的数量，通过控制系统将加热装置调节为适应相应膜管类型的温度，并统计上述因素变化时所述传感器组件的检测数据，分析这些因素对膜管工作效率的影响。

通过采用上述技术方案，能够分析和研究富氢气体流量、膜管类型、膜管数量以及尾气回流系统的氢气回流量对膜管装置工作效率的影响，从而有利于系统和深入地对膜管氢气提纯技术进行研究。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.检测系统对提纯和过滤后的氢气纯度进行检测，尾气回流系统能够实现氢气的充分利用，减少浪费，监控系统能够能够根据膜管的类型调节加热装置需要的加热温度，能够检测传感器组件的数据，并且通过第一气体流量计能够调节和监控气体流量，从而在便于研究膜管装置在不同气体流量条件下的性能变化；

2.尾气中残留的较轻的氢气聚集在尾气分离箱的上部，从尾气分离箱顶部的氢气出口离开，并回流至第一气体流量计的上游管道；

3.尾气的热量可以通过换热管段传递至膜管提纯系统的上游管道，对富氢气体进行预加热，从而减少加热装置的热量消耗，更加节能高效。

附图说明

图1是用于氢气提纯的膜管测试平台的整体示意图。

图2是用于氢气提纯的膜管测试平台的尾气回流系统部分的结构和原理示意图。

附图标记说明：1、制氢装置；2、膜管提纯系统；21、膜管装置；211、膜管入口；212、膜管氢气出口；213、膜管尾气出口；22、加热装置；3、过滤系统；31、甲烷化转化器；32、氢气过滤器；33、微颗粒过滤器；4、检测系统；41、气相色谱仪；5、尾气回流系统；51、回流管道；52、尾气分离箱；521、尾气入口；522、回流氢气出口；523、废气出口；53、第一控制阀；54、第二控制阀；6、监控系统；61、控制单元；62、第一气体流量计；63、第二气体流量计；64、第一压力传感器；65、第二压力传感器；7、换热管段。

具体实施方式

以下结合附图对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种用于氢气提纯的膜管测试平台。参照图1，用于氢气提纯的膜管测试平台包括制备富氢气体的制氢装置1、提纯氢气的膜管提纯系统2、过滤氢气的过滤系统3、检测氢气的检测系统4、回收膜管提纯系统2尾气的尾气回流系统5，以及用于调节和检测膜管提纯系统2的监控系统6。

制氢装置1、膜管提纯系统2、过滤系统3和检测系统4通过管道依次连接。制氢装置1可以是甲醇水重整制氢体系或甲烷重整制氢体系等常见的制氢反应体系，制备出含有氢气、二氧化碳和一氧化碳等气体的富氢气体，富氢气体通过管道将富氢气体输送至膜管提纯系统2。膜管提纯系统2将富氢气体中的氢气分离出来，并将氢气通过管道运送至过滤系统3进行过滤，过滤后的氢气再通过管道运送至检测系统4进行纯度检测。监控系统6包括控制单元61，以及与控制单元61连接的第一气体流量计62、第二气体流量计63和传感器组件等。其中，参照图1，第一气体流量计62安装在供氢装置和膜管提纯系统2之间的管道上，通过控制单元61能够调节和检测第一气体流量计62内部阀门的开度，从而调节和检测进入膜管提纯系统2的气体流量大小。

参照图1，膜管提纯系统2包括膜管装置21和加热装置22。膜管装置21内可拆卸的安装有数根膜管，可以更换膜管的类型和数量。膜管的作用是分离出富氢气体中的氢气，实现氢气提纯。膜管装置21上具有膜管入口211、膜管氢气出口212和膜管尾气出口213，富氢气体从膜管入口211进入，膜管氢气出口212与过滤系统3通过管道连接，膜管提纯的氢气从膜管氢气出口212进入过滤系统3，膜管尾气出口213与尾气回流系统5通过管道连接，膜管装置21的分离出的尾气进入尾气回流系统5。膜管可以是纯钯膜膜管、钯合金膜管、钯复合膜管等。加热装置22能够对膜管装置21加热，膜管通过加热装置22加热，膜管温度根据所使用的膜管种类而定，加热装置22连接控制单元61，通过控制单元61调节膜管的加热温度。

参照图1，监控系统6的传感器组件包括第一压力传感器64和第二压力传感器65，第一压力传感器64安装在所述膜管入口211处，第二压力传感器65安装在所述膜管尾气出口213，第一压力传感器64和第二压力传感器65的数据对比能够体现出膜管分离氢气的效率，实现对膜管提纯氢气的效率进行实时检测。此处通过改变膜管的种类、膜管的数量、膜管的温度，可以考察这些因素对膜管提纯效果的影响。

参照图1，过滤系统3包括依次连接的甲烷化转化器31和氢气过滤器32，还可以包括微颗粒过滤器33，氢气依次经过甲烷化转化器31、氢气过滤器32和微颗粒过滤器33。甲烷化转化器31能够将混合在氢气中的一氧化碳转化为甲烷，提高氢气纯度。氢气过滤器32能够进一步过滤氢气中的杂质，提高氢气纯度。微颗粒过滤器33能够将氢气中的微小颗粒以及甲烷化转化器31中带出的微小颗粒过滤掉。

氢气检测系统4可包括气相色谱仪41，气相色谱仪41能够对纯氢气体的组成和含量进行检测，从而对膜管提纯效果进行评价。

参照图1和图2，尾气回流系统5包括回流管道51、尾气分离箱52和控制阀组件，尾气分离箱52的数量至少设置有两个。每个尾气分离箱52均设置开设有尾气入口521、回流氢气出口522和废气出口523。尾气入口521开设在为尾气分离箱52侧面，所有尾气分离箱52的尾气入口521通过通过回流管道51并列的连接至膜管装置21的膜管尾气出口213。回流氢气出口522开设在尾气分离箱52的顶部，所有尾气分离箱52的均通过回流管道51连接至第一气体流量计62的上游管道。废弃出口可以直接将废弃排放至空气中，也可以连接收集装置或净化装置，进一步进行处理。

尾气中残留的质量较轻的氢气能够聚集在尾气分离箱52的上部，与二氧化碳等其他气体分离，氢气能够从尾气分离箱52顶部的氢气出口离开，并回流至第一气体流量计62的上游管道，其他二氧化碳等气体能够从尾气分离箱52的尾气出口排出。尾气回流系统5使得尾气中的氢气被充分使用，减少浪费。

参照图2，每个尾气分离箱52上均安装有控制阀组件，控制阀组件包括安装在尾气入口521处的第一控制阀53和安装在回流氢气出口522处的第二控制阀54，第一控制阀53和第二控制阀54均与控制单元61连接，控制单元61控制不同尾气分离箱52上的控制阀组件交替开闭。本申请中，尾气分离箱52的数量以两个为例进行说明。控制单元61控制两个尾气分离箱52上的控制阀组件交替开闭，尾气分离箱52的控制阀组件关闭时，该尾气分离箱52内的尾气能够充分的进行静置分离，使尾气中残留的氢气聚集在尾气分离箱52上部。至少两个尾气分离箱52的设置能够实现不间断的尾气回流，效率更高。

监控系统6的第二气体流量计63安装在尾气分离箱52回流氢气出口522下游的回流管道51上，控制单元61能够调节和检测第二气体流量计63内部阀门的开度，从而调节和检测尾气分离箱52中分离出的氢气流量大小。检测第二气体流量计63在关闭时和不同程度开度时，膜管装置21的提纯氢气的工作效率，以及气相色谱仪41检测到的氢气纯度，经过对比分析可以找到最有利于保证膜管装置21提纯氢气效率和氢气纯度的氢气回流量，从而将尾气回流系统5的氢气回流量控制在最佳状态。

参照图1，第一气体流量计62与膜管装置21之间的管道延长设置形成换热管段7，换热管段7缠绕在尾气分离箱52的外部，使得尾气分离箱52中尾气的热量传递至进入膜管装置21之前的富氢气体中，进行预加热，从而减少加热装置22的热量消耗，更加节能高效。尾气分离箱52的位置可以设置在制氢装置1和膜管装置21之间，以减少换热管段7的热量损失。

本申请实施例还公开一种用于氢气提纯的膜管测试方法，涉及上述的用于氢气提纯的膜管测试平台，包括如下步骤。

S1、通过监控系统6的控制单元61设置加热装置22的温度，待膜管装置21温度达到设置温度后，控制单元61控制第一气体流量计62打开，使制氢装置1产生的富氢气体通过第一气体流量计62进入膜管提纯系统2进行提纯。

S2、膜管提纯系统2提纯的氢气依次通过过滤系统3的甲烷化转化器31、氢气过滤器32和微颗粒过滤器33进行过滤，然后过滤后的氢气运输至氢气检测系统4，通过气相色谱仪41进行检测，膜管提纯系统2分离出的尾气进入尾气回流系统5中。

S3、控制单元61控制两个尾气分离箱52上的控制阀组件交替开闭，尾气中的剩余氢气在一定时间静置分离后聚集在尾气分离箱52上部，并从回流氢气出口522回流至膜管提纯系统2的上游管道中，再次进入膜管装置21，减少原料浪费。

S4、改变第一气体流量计62的开度、第二气体流量计63的开度、膜管的类型、膜管的数量，并统计上述因素变化时传感器组件的检测数据，分析这些因素对膜管工作效率的影响，从而有利于系统和深入地对膜管氢气提纯技术进行研究。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于氢气提纯的膜管测试平台，其特征在于：包括通过管道依次连接的制氢装置(1)、膜管提纯系统(2)、过滤系统(3)和检测系统(4)，还包括尾气回流系统(5)和监控系统(6)；

所述制氢装置(1)产生富氢气体并输送至膜管提纯系统(2)，所述膜管提纯系统(2)分离出氢气并运输至过滤系统(3)，所述膜管提纯系统(2)分离出的尾气输送至尾气回流系统(5)，所述过滤系统(3)对氢气过滤并运输至检测系统(4)，所述尾气回流系统(5)分离出尾气中的氢气并输送至膜管提纯系统(2)的上游管道中；

所述监控系统(6)包括控制单元(61)、第一气体流量计(62)和传感器组件，所述控制单元(61)连接第一气体流量计(62)和传感器组件，所述第一气体流量计(62)安装在制氢装置(1)和膜管提纯系统(2)之间的管道上，所述传感器组件检测膜管提纯系统(2)上游管道和下游管道内的气压。

2.根据权利要求1所述的用于氢气提纯的膜管测试平台，其特征在于：所述膜管提纯系统(2)包括膜管装置(21)和对所述膜管装置(21)进行加热的加热装置(22)，所述膜管装置(21)包括膜管入口(211)、膜管氢气出口(212)和膜管尾气出口(213)，所述加热装置(22)与所述监控系统(6)的控制单元(61)连接，所述控制单元(61)调节和检测加热装置(22)的加热温度。

3.根据权利要求1所述的用于氢气提纯的膜管测试平台，其特征在于：所述传感器组件包括第一压力传感器(64)和第二压力传感器(65)，所述第一压力传感器(64)安装在所述膜管入口(211)处，所述第二压力传感器(65)安装在所述膜管尾气出口(213)。

4.根据权利要求1所述的用于氢气提纯的膜管测试平台，其特征在于：所述过滤系统(3)包括甲烷化转化器(31)和氢气过滤器(32)，所述膜管提纯系统(2)分离出氢气输送至甲烷化转化器(31)，然后进入氢气过滤器(32)。

5.根据权利要求4所述的用于氢气提纯的膜管测试平台，其特征在于：所述过滤系统(3)还包括连接在氢气过滤器(32)下游管道上的微颗粒过滤器(33)。

6.根据权利要求1所述的用于氢气提纯的膜管测试平台，其特征在于：所述检测系统(4)包括检测氢气纯度的气相色谱仪(41)。

7.根据权利要求1所述的用于氢气提纯的膜管测试平台，其特征在于：所述尾气回流系统(5)包括回流管道(51)和至少两个尾气分离箱(52)，至少两个所述尾气分离箱(52)上均开设有尾气入口(521)、回流氢气出口(522)和废气出口(523)，所述氢气出口开设在尾气分离箱(52)顶部，且位置高于所述废气出口(523)，所述尾气入口(521)均通过回流管道(51)并列的连接至所述膜管装置(21)的尾气出口，所述回流氢气出口(522)均通过回流管道(51)连接至所述第一气体流量计(62)的上游管道。

8.根据权利要求7所述的用于氢气提纯的膜管测试平台，其特征在于：至少两个所述尾气分离箱(52)上均安装有控制阀组件，所述控制阀组件包括安装在尾气入口(521)处的第一控制阀(53)和安装在回流氢气出口(522)处的第二控制阀(54)，所述第一控制阀(53)和第二控制阀(54)均与控制单元(61)连接，所述控制单元(61)控制各尾气分离箱(52)上的控制阀组件交替开闭，使得各尾气分离器交替使用；各所述回流氢气出口(522)的下游回流管道(51)上安装有第二气体流量计(63)，所述第二气体流量计(63)与所述控制单元(61)连接。

9.根据权利要求7所述的用于氢气提纯的膜管测试平台，其特征在于：所述第一气体流量计(62)与所述膜管装置(21)之间的管道延长设置形成换热管段(7)，所述换热管段(7)缠绕在尾气分离箱(52)的外部，使得尾气分离箱(52)中尾气的热量传递至富氢气体中。

10.一种权利要求1-9任意一项所述的用于氢气提纯的膜管测试平台的测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、通过所述控制单元(61)设置加热装置(22)的温度，待所述膜管装置(21)温度达到设置温度后，控制单元(61)控制第一气体流量计(62)打开，使制氢装置(1)产生的富氢气体通过第一气体流量计(62)进入膜管提纯系统(2)进行提纯；

S2、所述膜管提纯系统(2)提纯的氢气通过过滤系统(3)进行过滤，然后过滤后的氢气运输至检测系统(4)进行检测，所述膜管提纯系统(2)分离出的尾气进入尾气回流系统(5)中；

S3、所述控制单元(61)控制至少两个尾气分离箱(52)上的控制阀组件交替开闭，所述尾气分离箱(52)中的剩余氢气从回流氢气出口(522)回流至膜管提纯系统(2)的上游管道中；

S4、改变所述第一气体流量计(62)的开度、所述第二气体流量计(63)的开度、所述膜管的类型以及所述膜管的数量，并统计上述因素变化时所述传感器组件的检测数据，分析这些因素对膜管工作效率的影响。

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