CN116514064A - 一种地下产氢分离提纯系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种地下产氢分离提纯系统，涉及化学提纯及其装置技术领域。该系统包括依次连通的采集单元、气体分离单元、气体净化单元、气体压缩单元和气体储存单元；气体分离单元包括容纳除水溶剂的溶解反应釜与容纳干燥剂的器皿，溶解反应釜与器皿连通设置；气体净化单元包括一级净化单元、二级净化单元和三级净化单元，一级净化单元包括第一气筒，第一气筒内部设置有无机孔膜；二级净化单元包括加热件与反应床；三级净化单元包括第三气筒、温度调节器、质量流量控制器和背压调节器，温度调节器设置在第三气筒上，质量流量控制器与背压调节器与第三气筒连通，第三气筒内部设置有复合渗透膜；该系统能够提高氢气的分离纯度与速度。
Description
技术领域
本申请提供了一种地下产氢分离提纯系统，化学提纯及其装置技术领域。
背景技术
传统的氢气通常由天然气、原油和煤等化石燃料生产，世界上96%的氢气生产来自化石燃料，而3.9%来自电解水和0.1%来自其他生产方法。而关于制氢的生物方法，是现在热门关注的领域。由于常规氢气和生物氢气的生产反应物、生产方法、气体成分和气体条件等条件均不相同，因此气体成分也有所不同，为了使得氢气的分离和提纯过程简化，可以通过限制产甲烷菌的繁殖和发酵过程，使得地下产氢获得的混合气主要成分为氢气、二氧化碳、一氧化碳和其他少量的气体，并且由于地下微生物产氢的特点，导致混合气中还包括大部分的水需要去除。
地下水中的氢气资源利用率较低，主要是因为地下水中氢气的含量较低，提取和分离过程存在较大的技术难度，传统的氢气分离提纯技术有低温分离法、变压吸附法（PSA）、化学吸附法和膜分离法等，其中低温分离法作为最早期广泛使用的分离方法，虽然不需要引入过多的化学成分，但是需要消耗大量的能源用于维持低温，成本消耗大，化学吸附法也需要消耗大量的氢氧化钠，而变压吸附法最大的缺陷就在于氢气的回收率非常低。膜分离法是最热门的方式，然而由于微生物产氢过程中生成的气体相较于常规石油裂解方式产生的混合气组成不同，微生物发酵过程会产生二氧化碳以及氢气产物，除此之外还可能产生少量硫化氢，为此需要对专门针对微生物产氢进行分离提纯进行研究和探索，并且还需要尽量提高分离效率。
因此，需要提供一种地下产氢分离提纯系统，以提高地下水中氢气的利用率。
发明内容
为了解决上述技术问题，本申请提供了一种地下产氢分离提纯系统，包括依次连通的采集单元、气体分离单元、气体净化单元、气体压缩单元和气体储存单元；采集单元通过地下水井提取地下水中的氢气，气体分离单元与气体净化单元通过膜分离技术将氢气和其他气体分离，气体压缩单元和气体储存单元将分离出的氢气进行储存，该系统具有高效、低成本、安全可靠等特点，能够满足工业和民用领域对氢气的需求。
为了实现上述技术效果，本申请提供如下技术方案：
一种地下产氢分离提纯系统，包括依次连通的采集单元、气体分离单元、气体净化单元、气体压缩单元和气体储存单元；
所述气体分离单元包括容纳除水溶剂的溶解反应釜与容纳干燥剂的器皿，所述溶解反应釜与器皿连通设置；具体的，除水溶剂采用四氯化碳溶液，干燥剂为氯化钙。
所述气体净化单元包括一级净化单元、二级净化单元和三级净化单元，所述一级净化单元包括第一气筒，所述第一气筒内部设置有无机孔膜；所述二级净化单元包括加热件与反应床，所述反应床上反应物质为洛渣，所述加热件设置在反应床上；所述三级净化单元包括第三气筒、温度调节器、质量流量控制器和背压调节器，所述温度调节器与设置在所述第三气筒上，所述质量流量控制器和背压调节器分别与所述第三气筒连通，所述第三气筒内部设置有复合渗透膜。
优选的，所述采集单元包括与采集井连通的第一输气管道；
所述气体压缩单元包括热能转换组件、电动机和氢气压缩机；所述电动机与外部电源连接，所述热能转换组件与所述电动机的输出轴连接，所述氢气压缩机与所述热能转换组件连接。
所述气体储存单元包括高压输气管道和气体储存罐，所述高压输气管道一端与所述氢气压缩机连接，另一端与气体储存罐连接。
优选的，所述无机孔膜为碳膜。
优选的，所述复合渗透膜包括钯层、钒层和聚砜基层，所述钯层、钒层和聚砜基层从左至右依次排列设置在所述第三气筒内部。
优选的，所述碳膜的厚度为20-30μm，所述复合渗透膜的厚度为90-120μm。
优选的，所述钯层、钒层和聚砜基层的厚度之比为（1-2）：（3-5）：10。
优选的，所述加热件的加热温度设置在50-70℃。
优选的，所述温度调节器的温度设置在350-450℃，利用质量流量控制器，通过连续气体流动施加6-10bar的上游压力，利用背压调节器，使下游气体的压力保持在1-2bar。
优选的，所述碳膜的制备包括以下步骤：
（1）将酚醛树脂/聚乙二醇聚合物共混溶液喷涂在膜载体上，并置于140-160℃之间静置2-4h，得到干燥的待处理膜；
（2）将干燥的待处理膜置于管状炉中，以70-90ml/min的流量充入N2，以0.5℃/min的升温速度升至800℃，并保持1.5-3小时。
优选的，所述酚醛树脂与聚乙二醇的重量比为（0.05-0.15）：1。
本申请的有益效果包括但不限于：
1、根据本申请所提供的一种地下产氢分离提纯系统，包括依次连通的采集单元、气体分离单元、气体净化单元、气体压缩单元和气体储存单元；采集单元通过地下水井提取地下水中的氢气，气体分离单元与气体净化单元通过膜分离技术将氢气和其他气体分离，气体压缩单元和气体储存单元将分离出的氢气进行储存，能够高效地提取地下水中的氢气，利用率较高；采用膜分离技术进行氢气的分离，成本低、效率高；氢气储存装置能够对氢气进行有效的储存和管理。
2、根据本申请所提供的一种地下产氢分离提纯系统，在气体净化单元前设置有气体分离单元，对混合气中的水和硫化氢均采用了两步进行去除，去除混合气中的水分和硫化氢，对碳膜与复合渗透膜起到保护作用，延长了使用寿命，并提高了气体净化单元对氢气的分离效果和分离效率。
3、根据本申请所提供的一种地下产氢分离提纯系统，气体净化单元中，采用了由钯层、钒层和聚砜基层组成的复合渗透膜，其中钯层能够有效地对氢气进行吸附和解离，而其中钒层具有较好的氢气渗透效果，可以将钯层吸附解离的氢气进行传导，而且钒层的强度较高，能够对钯层起到较好的保护作用，避免钯层发生破裂，进一步使用聚砜基层配合使用，能够有效对氢气进行分离，提高氢气的分离效果。
4、根据本申请所提供的一种地下产氢分离提纯系统，气体净化单元中所设置的碳膜分离气体中的二氧化碳，且该碳膜具有更高的热稳定性和化学稳定性，适用于地下产氢的分离。
5、根据本申请所提供的一种地下产氢分离提纯系统，还包括碳膜的制备方法，气体的分离取决于气体的分子大小；碳膜含有大而窄的孔，其收缩时，具有与扩散气体相似的分子尺寸，根据该方法制备的碳膜找到了最佳的气体分离中选择性与渗透性关系。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例里涉及的一种地下产氢分离提纯系统的结构示意图；
1、溶解反应釜；2、器皿；3、第一气筒； 4、无机孔膜；5、加热件；6、反应床；7、第三气筒；8、温度调节器；9、质量流量控制器；10、背压调节器；11、复合渗透膜；12、第一输气管道；13热能转换组件；14、电动机；15、氢气压缩机；16、高压输气管道；17气体储存罐。
具体实施方式
下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料和化学试剂均通过商业途径购买。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
另外，在本申请的描述中，需要理解的是，术语 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
实施例1
参考图1，本实施例提供了一种地下产氢分离提纯系统，包括依次连通的采集单元、气体分离单元、气体净化单元、气体压缩单元和气体储存单元，气体采集单元通过地下水井提取地下水中的氢气，气体分离单元与气体净化单元通过膜分离技术将氢气和其他气体分离，气体压缩单元和气体储存单元将分离出的氢气进行储存，能够高效地提取地下水中的氢气，利用率较高；
具体的，气体分离单元包括容纳除水溶剂的溶解反应釜1与容纳干燥剂的器皿2，溶解反应釜1与器皿2连通设置，去除混合气中携带的大量水分；
具体的，气体净化单元包括一级净化单元、二级净化单元和三级净化单元，一级净化单元包括第一气筒3，第一气筒3内部设置有无机孔膜4，去除混合气体中的二氧化碳；二级净化单元包括加热件5与反应床6，加热件5设置在反应床6上，使反应床6在合适的反应温度下，去除混合气体中的硫化氢；三级净化单元包括第三气筒7、温度调节器8、质量流量控制器9和背压调节器10，温度调节器8与设置在第三气筒7上，质量流量控制器9和背压调节器10分别与第三气筒7连通，形成压力差，从而改变气体的渗透率，第三气筒7内部设置有复合渗透膜11，去除混合气中剩余杂质气体。
作为一种实施方式，采集单元包括与采集井连通的第一输气管道12，输送混合气，对混合气进行分离净化；
具体的，气体压缩单元包括热能转换组件13、电动机14和氢气压缩机15；电动机14与外部电源连接，电能转换为动能，热能转换组件13与电动机14的输出轴连接，所述动能转换为热能进行储存，氢气压缩机15与热能转换组件13连接，热能转换组件13将储存的热能转换为动能控制所述氢气压缩机15工作。
具体的，气体储存单元包括高压输气管道16和气体储存罐17，高压输气管道16一端与氢气压缩机15连接，另一端与气体储存罐17连接，便于气体存储。
作为一种实施方式，无机孔膜4为碳膜，去除混合气中的二氧化碳。
作为一种实施方式，复合渗透膜11包括钯层、钒层和聚砜基层，钯层、钒层和聚砜基层从左至右依次排列设置在第三气筒7上，钯层能够较好地对氢气进行吸附和解离，而其中钒层具有较好的氢气渗透效果，可以将钯层吸附解离的氢气进行传导，而且钒层的强度较高，能够对钯层起到较好的保护作用，避免钯层发生破裂，进一步使用聚砜基层配合使用，能够进一步对氢气进行分离，提高氢气的分离效果。
作为一种实施方式，所述碳膜的厚度为20-30 μm，所述复合渗透膜11的厚度为90-120μm。
作为一种实施方式，所述钯层、钒层和聚砜基层的厚度之比为（1-2）：（3-5）：10，钯层、钒层和聚砜基层的厚度依次增加，钯层、钒层和聚砜基层中钒层对氢气的渗透率最好，而两侧的钯层和聚砜基层则对氢气的分离效果好，通过设置上述的复合渗透膜11，既能够尽可能提高氢气的分离效率，又能使得氢气的分离效果较好，还能提高复合渗透膜11的强度和使用寿命。
作为一种实施方式，所述加热件5的加热温度设置在50-70℃，便于在该温度下，气体经过反应床6，去除混合气中的硫化氢。
作为一种实施方式，所述温度调节器8的温度设置在350-450℃，利用质量流量控制器9，通过连续气体流动施加6-10bar的上游压力，利用背压调节器10，使下游气体的压力保持在1-2bar，形成气压差，建立稳定的氢气通量。
实施例2
根据实施例1所提供的一种地下产氢分离提纯系统，加热件的加热温度设置在50℃，温度调节器的温度设置在350℃，利用质量流量控制器，通过连续气体流动施加6bar的上游压力，利用背压调节器，使下游气体的压力保持在1bar，碳膜的厚度为20μm，复合渗透膜的厚度为90μm，钯层、钒层和聚砜基层的厚度之比为1：4：10。
实施例3
根据实施例1所提供的一种地下产氢分离提纯系统，加热件的加热温度设置在60℃，温度调节器的温度设置在400℃，利用质量流量控制器，通过连续气体流动施加10bar的上游压力，利用背压调节器，使下游气体的压力保持在2bar，碳膜的厚度为25μm，复合渗透膜的厚度为120μm，钯层、钒层和聚砜基层的厚度之比为1：5：10。
实施例4
根据实施例1所提供的一种地下产氢分离提纯系统，加热件的加热温度设置在70℃，温度调节器的温度设置在450℃，利用质量流量控制器，通过连续气体流动施加8bar的上游压力，利用背压调节器，使下游气体的压力保持在1.5bar，碳膜的厚度为30μm，复合渗透膜的厚度为120μm，钯层、钒层和聚砜基层的厚度之比为1：5：10。
实施例5
实施例1中，所需碳膜的制备方法包括以下步骤：
（1）将重量比为0.05的酚醛树脂和聚乙二醇聚合物共混溶液喷涂在膜载体上，并置于140℃之间静置2h，得到干燥的待处理膜；
（2）将干燥的待处理膜置于管状炉中，在N2以70ml/min的流量充入管状炉中，以0.5℃/min 的升温速度升至800℃，并在该温度下保持1.5小时。
实施例6
实施例1中，所需碳膜的制备方法包括以下步骤：
（1）将重量比为1.5的酚醛树脂和聚乙二醇聚合物共混溶液喷涂在膜载体上，并置于160℃之间静置4h，得到干燥的待处理膜；
（2）将干燥的待处理膜置于管状炉中，在N2以90ml/min的流量充入管状炉中，以0.5℃/min 的升温速度升至800℃，并在该温度下保持3小时。
实施例7
实施例1中，所需碳膜的制备方法包括以下步骤：
（1）将重量比为1的酚醛树脂和聚乙二醇聚合物共混溶液喷涂在膜载体上，并置于150℃之间静置3h，得到干燥的待处理膜；
（2）将干燥的待处理膜置于管状炉中，在N2以80ml/min的流量充入管状炉中，以0.5℃/min 的升温速度升至800℃，并在该温度下保持2小时。
对比例1
与实施例7不同之处在于，将酚醛树脂和聚乙二醇聚合物共混溶液改为酚醛树脂溶液。
对比例2
与实施例7不同之处在于，以0.5℃/min 的升温速度升至800℃变换为升温至300℃。
对比例3
与实施例4不同之处在于，复合渗透膜只保留钯层。
对比例4
与实施例4不同之处在于，碳膜更换为聚偏氟乙烯膜。
对实施例2-7和对比例1-4中氢气分离提纯后的氢气纯度和氢气的回收率进行测定和计算，结果如下表1所示。
参考表1可知，实施例2-4中，实施例4所设置的条件氢气回收率最佳，实施例5-7中，实施例7制得的碳膜，氢气的纯度与回收率最佳。
根据对比例1-2与实施例7的结果比较可知，热解过程中，聚乙二醇溶液会影响的碳膜内部结构与平整度，热解的温度会改变碳膜结构的孔隙率与孔径大小，从而影响碳膜对混合气的分离纯化效果。
根据对比例3的结果可知，当复合渗透膜只包含钯层的时候，氢气纯度较高，但是氢气的回收率非常低。
根据对比例4的结果可知，当碳膜更换为聚偏氟乙烯膜时，氢气纯度降低与回收率相对采用碳膜时降低，由于碳分子筛膜具有较高的选择性，可以实现更高的氢气纯度，因此在氢气回收率和最终得到的氢气纯度方面具有一定的优势。
以上所述，仅为本申请的实施例而已，本申请的保护范围并不受这些具体实施例的限制，而是由本申请的权利要求书来确定。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的技术思想和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种地下产氢分离提纯系统，其特征在于，包括依次连通的采集单元、气体分离单元、气体净化单元、气体压缩单元和气体储存单元；
所述气体分离单元包括容纳除水溶剂的溶解反应釜与容纳干燥剂的器皿，所述溶解反应釜与器皿连通设置；
所述气体净化单元包括一级净化单元、二级净化单元和三级净化单元，所述一级净化单元包括第一气筒，所述第一气筒内部设置有无机孔膜；所述二级净化单元包括加热件与反应床，所述加热件设置在反应床上；所述三级净化单元包括第三气筒、温度调节器、质量流量控制器和背压调节器，所述温度调节器设置在所述第三气筒上，所述质量流量控制器和背压调节器分别与所述第三气筒连通，所述第三气筒内部设置有复合渗透膜。
2.如权利要求1所述的地下产氢分离提纯系统，其特征在于，所述采集单元包括与采集井连通的第一输气管道；
所述气体压缩单元包括热能转换组件、电动机和氢气压缩机；所述电动机与外部电源连接，所述热能转换组件与所述电动机的输出轴连接，所述氢气压缩机与所述热能转换组件连接；
所述气体储存单元包括高压输气管道和气体储存罐，所述高压输气管道一端与所述氢气压缩机连接，另一端与气体储存罐连接。
3.如权利要求1所述的地下产氢分离提纯系统，其特征在于，所述无机孔膜为碳膜。
4.如权利要求1所述的地下产氢分离提纯系统，其特征在于，所述复合渗透膜包括钯层、钒层和聚砜基层，所述钯层、钒层和聚砜基层从左至右依次排列设置在所述第三气筒内部。
5.如权利要求3所述的地下产氢分离提纯系统，其特征在于，所述碳膜的厚度为20-30μm，所述复合渗透膜的厚度为90-120μm。
6.如权利要求4所述的地下产氢分离提纯系统，其特征在于，所述钯层、钒层和聚砜基层的厚度之比为（1-2）：（3-5）：10。
7.如权利要求1所述的地下产氢分离提纯系统，其特征在于，所述加热件的加热温度设置在50-70℃。
8.如权利要求1所述的地下产氢分离提纯系统，其特征在于，所述温度调节器的温度设置在350-450℃，利用质量流量控制器，通过连续气体流动施加6-10bar的上游压力，利用背压调节器，使下游气体的压力保持在1-2bar。
9.如权利要求3所述的地下产氢分离提纯系统，其特征在于，所述碳膜的制备包括以下步骤：
（1）将酚醛树脂/聚乙二醇聚合物共混溶液喷涂在膜载体上，并置于140-160℃之间静置2-4h，得到干燥的待处理膜；
（2）将干燥的待处理膜置于管状炉中，以70-90ml/min的流量充入N2，以0.5℃/min 的升温速度升至800℃，并保持1.5-3小时。
10.如权利要求9所述的地下产氢分离提纯系统，其特征在于，所述酚醛树脂与聚乙二醇的重量比为（0.05-0.15）：1。
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