CN201376897Y - 一种氢气分离纯化装置 - Google Patents

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Abstract

氢分离纯化装置由气路系统、装置腔体和数组装配在腔内的承担氢气分离的功能单元构成。其腔体为外腔上盖和外腔下盖通过螺栓紧固的贴合着腔体内壁的管状腔体，管状腔体的上盖开有气体进气口、剩余气体出口、多个已提纯气体出口，管状腔体的上盖安置着调压阀，个数少于或者等于已提纯气体出口个数的氢分离纯化功能单元的内腔导气管穿过管状腔体上盖的已提纯气体出口与腔体外的收集产出气体的通气管道连接。该装置轻巧、易拆卸、工作参数可调控、高效，是一个具有很宽工作范围的高纯氢气供应系统，能够满足不同的使用需求。该装置不仅可以作为一功能器件应用，而且也可应用在氢分离膜材料和气体扩散动力学等领域的研究上。

Description

一种氢气分离纯化装置
技术领域
本实用新型涉及气体分离纯化装置，具体是一种氢气分离纯化装置。
背景技术
氢分离(或氢纯化)是氢能利用过程中的一个关键环节。经纯化的氢源可应用在半导体刻蚀加工、精细化工、石化脱硫行业、燃料电池等诸多领域，目前对于高纯度氢的需求与日俱增。膜分离技术是获取高纯氢源的有效方法之一，而且膜分离技术能够整合氢的生产和氢分离(或纯化)两个环节，使得氢的生产和分离可以高效、实时的方式进行，因此在氢能利用中备受关注。利用膜技术分离(或纯化)氢气，膜材料和装置设计是影响氢气分离效率的两个关键因素。常用的氢气纯化法有吸附法，吸收法，低温分离法以及化学反应法等。但这些方法所使用的纯化装置普遍存在结构复杂，操作复杂，耗能高，成本高等缺点。如吸附法和低温分离法所使用的精制筒是内外筒组合成的双层结构，内部需要分隔出热交换室和吸附室，并且需要多根管道；化学反应法需要用到钯管，金属钯在吸收过多氢气后易产生裂纹，使得氢气流量受到限制。吸收法则不能够连续纯化，且氢气流量过小。
实用新型内容
本实用新型的目的是设计一种便携式、易拆卸、工作参数可调控、高效的氢气分离(或纯化)装置，该装置不仅可以作为一功能器件应用，而且也可应用在氢分离膜材料和气体扩散动力学等领域的研究上。
本实用新型由气路系统、腔体和处于腔体内的氢分离纯化功能单元构成。其腔体为外腔上盖和外腔下盖通过螺栓紧固的贴合着腔体内壁的管状腔体，管状腔体的上盖开有气体进气口、剩余气体出口、多个已提纯气体出口，管状腔体的上盖安置着调压阀，个数少于或者等于已提纯气体出口个数的氢分离纯化功能单元的内腔导气管穿过管状腔体上盖的已提纯气体出口与腔体外的收集产出气体的通气管道连接。
本实用新型的整套氢分离纯化装置由气路系统、装置腔体和数组装配在腔内的承担氢气分离的功能单元构成。气路系统由通气管道、接头、压力表、气体流量计、气阀等构成；装置腔体为对开式管状结构，以法兰形式密封；通过调节进(出)气压力、流量，或增减氢气分离的功能组元，或更换氢分离膜片(介质)，或改变工作温度可达到改变氢气分离纯化速率的目的。从而可获得一个具有很宽工作范围的高纯氢气供应系统，满足不同的使用需求。另外，通过调整气体分离膜材(介质)、或改变进(出)气体参数，该装置也可开展气体分离膜材(包括氢分离膜材)、以及气体渗透扩散(包括氢气)的动力学性能研究。
为了便于调整工作压力，管状腔体的上盖安置着两个调压阀。
考虑到实际需要，本实用新型在管状腔体的上盖开有五个已提纯气体出口。最多可以安置五组氢气分离的功能单元。根据实际需要也可以只安置四组、三组或者两组。安置多组氢气分离的功能单元，还可以确保在实际工作中，如果其中的某组损坏，只需拆下改组单独维修，其他各组仍能正常运行，而不致影响工作。
在管状腔体的外腔上盖和外腔下盖的接触处垫有石墨密封圈，以确保严密不漏气。
对于只是安置数目较少的氢分离纯化功能单元的情况，没有氢分离纯化功能单元的内腔导气管穿过的多余已提纯气体出口塞有密封套头，进行严格密封。
本实用新型可以配套两种功能单元的结构形式，A型功能单元适合装配可加工成膜片、并有较高机械强度的金属型氢分离材料；该功能单元为嵌套式、法兰密封结构，由氢分离膜片、环形腔体、金属密封圈等形成的中空内腔的导气管穿过管状腔体上盖的已提纯气体出口与腔体外的收集产出气体的通气管道连接。
另一种功能单元B型适合一些具有氢纯化或分离作用、脆性大的非金属粉体材料，通过以粉体压制、烧结成型，或粉体装填形式、装配在由不锈钢气体过滤膜网(满足一定的机械强度要求)构成的环形腔体内，实现氢气的分离、或纯化目的。该功能单元为法兰密封的管束结构，法兰上盖与下环形腔体以螺栓紧固和刃口密封结合方式形成的中空内腔的导气管穿过管状腔体上盖的已提纯气体出口与腔体外的收集产出气体的通气管道连接。
本实用新型不需低温深冷设备，并可根据需要配备加热装置，纯化功能组元可根据需求增减，具有很宽的工作范围。装置构造简单，维修使用方便。并且氢气压力和流量上限很高，可连续纯化氢气。
附图说明
图1是本实用新型一种形式的结构图；
图2a是本实用新型的腔体结构主视图；
图2b是本实用新型的腔体结构俯视图；
图2c是本实用新型的腔体结构侧视图；
图3是本实用新型另一种形式的结构图；
图4a是本实用新型的一种氢气分离纯化功能单元(A型)的结构图；
图4b是图4a的A-A剖视图；
图5a是本实用新型的另一种氢气分离纯化功能单元(B型)的结构图；
图5b是图5a的A-A剖视图。
具体实施方式
实施例1
图1中，管状腔体内安装五个A型氢气分离纯化功能单元11。
其腔体为外腔上盖3和外腔下盖4通过螺栓紧固的贴合着腔体内壁5的管状腔体，管状腔体的上盖3开有气体进气口7、剩余气体出口1、五个已提纯气体出口6，管状腔体的上盖3安置着两个调压阀2，五个A型氢分离纯化功能单元11的内腔导气管9穿过管状腔体上盖3的已提纯气体出口6与腔体外的收集产出气体的通气管道10连接。在管状腔体的外腔上盖3和外腔下盖4的接触处垫有石墨密封圈8。
工作时，拟分离(或纯化)的气体以一定的流速和压力(P0)由进气口7导入。由于装置腔体内气体压力(P0)大于A型氢分离功能单元11腔内的压力P1，A型氢分离功能单元11腔内外的气压差(P0-P1)将驱动导入的气体、通过A型氢分离功能单元11上的氢分离膜片(图4b中的2)进行氢气的分离(或纯化)，经过分离的氢气经内腔导气管9导出汇集于通气管道10输出。残留气体则经剩余气体出口1排出，也可重新汇流到导入气体中进行分离循环。在装置工作时，只要维持一定的压力差(P0-P1)，就可维持装置的正常工作，同时也可通过压力差的调节，实现对氢纯化效率调节的目的。
调压阀2起压力调节作用，以防腔体内压力过高损坏氢分离膜片，腔体内五个A型氢分离功能单元11相互独立。其中膜片种类、膜片尺寸、导入气体压力、流速等均可在一定范围内调节。整套装置也可放置在恒温设备中，以获得不同的工作温度。
腔体，包括内壁的结构见图2。
A型氢分离功能单元11的结构见图4。图4b中，两片上下单元盖1通过螺纹紧固，并夹紧上下两片金属过滤膜片2和一个单元体3，上下单元盖1和上下两片金属过滤膜片2之间垫有刃口支承4和刃口密封5，上下两片金属过滤膜片2之间形成的空腔为单元体内腔，内腔留有气体导出口6。由于装置腔体内气体压力(P0)大于A型氢分离功能单元11内腔内的压力P1，其工作时，氢气在压力差(P0-P1)的驱动下，经单元体3两侧的金属过滤膜片2渗透进入单元体3内腔内，在单元体3内腔中汇流后由气体导出口6导出。其中，上下金属过滤膜片2和中间环片构成了单元体3。上下单元盖1和刃口密封5起紧固金属过滤膜片2的作用，并形成一密封的单元体3的内腔部分，刃口支承4对金属过滤膜片2起保护和支承作用，避免较大的内外气压差引起膜片机械强度的降低。
实施例2
图3中，管状腔体内安装一个B型氢气分离纯化功能单元11。
其腔体为外腔上盖3和外腔下盖4通过螺栓紧固的贴合着腔体内壁5的管状腔体，管状腔体的上盖3开有气体进气口7、剩余气体出口1、五个已提纯气体出口6，管状腔体的上盖3安置着两个调压阀2，一个B型氢分离纯化功能单元11的内腔导气管9穿过管状腔体上盖3的一个已提纯气体出口6与腔体外的收集产出气体的通气管道10连接，其余四个已提纯气体出口6塞有密封套头，进行严格密封。在管状腔体的外腔上盖3和外腔下盖4的接触处垫有石墨密封圈8。
B型氢分离功能单元11的结构见图5。图5b中，管状氢分离器件1以管连接形式与法兰上盖2密封联通；法兰上盖2与下环形腔体3以螺栓紧固和刃口密封结合方式来装配。工作时，由于管状氢分离器件内腔氢气压P1’小于装置外腔体的气压P0，其工作时，氢气在压力差(P0-P1’)的驱动下，经管状氢分离器件的外不锈钢过滤膜片5、氢渗透层6、内不锈钢过滤膜片7，进入管状氢分离器件内腔，后在环形内腔体内汇流由通气口4导出。在管状氢分离器件上的由内外不锈钢过滤膜片5、7构成的环形圆柱腔体，对内置的氢渗透层起保护和支承作用，也可避免氢渗透粉体漏出污染内腔体通道和对开式外腔体。
工作时，拟分离(或纯化)的气体以一定的流速和压力(P0)由进气口7导入。由于装置腔体内气体压力(P0)大于B型氢分离功能单元11腔内的压力P1，B型氢分离功能单元11腔内外的气压差(P0-P1)将驱动导入的气体经B型氢分离功能单元11(管状氢分离器件，见图5b)的外不锈钢过滤膜片、氢渗透层、内不锈钢过滤膜片，进入管状氢分离器件内腔，后在环形内腔体内汇流由通气口导出。残留气体则经剩余气体出口排出，也可重新汇流到导入气体中进行分离循环。在装置工作时，只要维持一定的压力差(P0-P1)，就可维持装置的正常工作，同时也可通过压力差的调节，实现对氢纯化效率调节的目的。
调压阀2起压力调节作用，以防腔体内压力过高损坏氢分离装置。装置中膜片种类、粉体成分、导入气体压力、流速等均可在一定范围内调节。整套装置也可放置在恒温设备中，以获得不同的工作温度。
腔体，包括内壁的结构见图2。

Claims (7)

1、一种氢气分离纯化装置，其结构由气路系统、腔体和处于腔体内的氢分离纯化功能单元构成。其特征是：腔体为外腔上盖和外腔下盖通过螺栓紧固的贴合着腔体内壁的管状腔体，管状腔体的上盖开有气体进气口、剩余气体出口、多个已提纯气体出口，管状腔体的上盖安置着调压阀，个数少于或者等于已提纯气体出口个数的氢分离纯化功能单元的内腔导气管穿过管状腔体上盖的已提纯气体出口与腔体外的收集产出气体的通气管道连接。
2、根据权利要求1所述的氢气分离纯化装置，其特征是：管状腔体的上盖安置着两个调压阀。
3、根据权利要求1所述的氢气分离纯化装置，其特征是：管状腔体的上盖开有五个已提纯气体出口。
4、根据权利要求1所述的氢气分离纯化装置，其特征是：管状腔体的外腔上盖和外腔下盖的接触处垫有石墨密封圈。
5、根据权利要求1所述的氢气分离纯化装置，其特征是：没有氢分离纯化功能单元的内腔导气管穿过的多余已提纯气体出口塞有密封套头。
6、根据权利要求1所述的氢气分离纯化装置，其特征是：功能单元为嵌套式、法兰密封结构，由氢分离膜片、环形腔体、金属密封圈等形成的中空内腔的导气管穿过管状腔体上盖的已提纯气体出口与腔体外的收集产出气体的通气管道连接。
7、根据权利要求1所述的氢气分离纯化装置，其特征是：功能单元为法兰密封的管束结构，法兰上盖与下环形腔体以螺栓紧固和刃口密封结合方式形成的中空内腔的导气管穿过管状腔体上盖的已提纯气体出口与腔体外的收集产出气体的通气管道连接。
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