CN203379783U - 集预热和换热于一体的多通道金属钯复合膜氢气分离装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种集预热和换热于一体的多通道金属钯复合膜氢气分离装置，该装置由多通道金属钯复合膜氢气分离器、电加热套、换热螺旋套管、保温材料和外壳组成。多通道金属钯复合膜氢气分离器是由钯膜组件、分离器壳体、预热螺旋盘管、缓冲罐等组成。该氢气分离装置具有结构紧凑、热利用效率高、装置投资和分离成本低等优点，特别适用于中小规模氢气分离与纯化。

Description

集预热和换热于一体的多通道金属钯复合膜氢气分离装置
技术领域
本实用新型涉及一种集预热和换热于一体的多通道金属钯复合膜氢气分离装置，具体地，是将一根多通道金属钯复合膜通过石墨垫圈与金属封头密封连接形成钯膜组件，再将钯膜组件与壳体焊接形成氢气分离器，然后将氢气分离器与预热螺旋盘管、电加热套、换热螺旋套管、保温材料和外壳进行组合形成钯膜氢气分离装置，该氢气分离装置具有结构紧凑、热利用效率高、装置投资和分离成本低等优点，特别适用于中小规模氢气分离与纯化。 
背景技术
氢气作为一种洁净的二次能源载体，具有清洁、无污染。效率高、应用形式多等优点，从而使其备受关注。目前世界上90%的氢气来源于碳氢化合物（化石资源、生物质等）的重装、汽化或裂解等化学过程，然后经过分离纯化获得。通常的氢气分离与纯化技术有：变压吸附PSA、高分子膜分离、钯膜分离、深冷分离等，与其他分离技术相比，钯膜分离可以获得几乎100%纯度的超高纯氢气，并且钯膜分离装置占地小，特别适用于中小规模的氢气分离纯化。 
最初，人们采用自支撑结构的钯管进行氢气分离，由于受机械强度等限制，其厚度一般大于100微米，不但透氢量小，而且制造成本高。为了克服这一缺点，人们提出负载型钯膜的技术路线，这种钯复合膜具有较高的机械强度，且可以将钯膜的厚度降低至几微米，这意味着透氢量明显增加，钯膜的制造成本显著降低。 
用于制备钯复合膜的负载材料一般为多孔不锈钢和多孔陶瓷，多孔陶瓷因具有化学稳定性好和制备工艺成熟等优点而应用最广。几何形状通常有管状和平板状两种，而管状应用最多，其结构有单通道型和多通道型两种，后者因具有较大的分离面积/体积比，在时间应用中既能保持一定的分离面积，又能简化分离器的结构、减小体积。 
由于纯钯膜在低于300℃时与氢气接触会发生氢脆现象，破坏钯膜，因此采用钯膜进行氢气分离时，其工作温度一般要求高于300℃。对于钯膜氢气分离器升温的方法一般采用电加热、热流体或高温气体等加热方式，这些方法升温速率较快，且温度容易控制。对于原料气的预热一般采用额外的换热器通过高温气体进行换热升温，如中国发明专利“一种氢气分离器”（申请号：201210485186.5）和中国实用新型专利“带自动吹扫的钯管氢气纯化器”（申请号：200920210345.4）均采用额外的换热器对原料气进行换热，这不但增加了装置投资，而 且增加了装置的尺寸。而将加热、预热、换热和保温集于一体将是一个可行的选择。 
实用新型内容
本实用新型针对从含氢原料气中分离提纯氢气，以钯复合膜为核心部件，提供了一种结构紧凑型的集预热和换热于一体的多通道金属钯复合膜氢气分离装置，提高了热利用效率高、节省了额外的换热和预热设备，降低了装置投资。 
本实用新型的具体技术方案为： 
一种集预热和换热于一体的多通道金属钯复合膜氢气分离装置，该装置由多通道金属钯复合膜氢气分离器、电加热套、换热螺旋套管、保温材料和外壳组成。 
电加热套为中空的筒状结构，多通道金属钯复合膜氢气分离器置于电加热套内，于电加热套外表面设有保温材料层，于保温材料层外表面设有外壳；于电加热套与保温材料层间的电加热套外壁面上螺旋缠绕有换热管，所述换热管是由二根导管穿套而成的套管结构，于构成电加热套外壁上而成换热螺旋套管； 
多通道金属钯复合膜氢气分离器，包括钯膜组件、分离器壳体、预热螺旋盘管、缓冲罐、第一渗透气出气管、第二渗余气出气管、热电偶套管；钯膜组件置于分离器壳体内，于分离器壳体外壁面上螺旋盘绕有预热螺旋盘管，钯膜组件一端设有进气管，另一端设有第一渗余气出气管,钯膜组件所采用的多通道载体的通道数目和形状不限；缓冲罐为一中空容器，进气管一端与钯膜组件相连、另一端与缓冲罐相连，预热螺旋盘管一端与缓冲罐相连、另一端与预热螺旋盘管的进口管相连，缓冲罐上设置有用于放置热电偶的热电偶套管；第一渗余气出气管一端与钯膜组件相连、另一端与第二渗余气出气管的一端相连，第二渗余气出气管的另一端通过第三渗余气出气管放空或与一收集容器相连；于分离器壳体的端面上设有第一渗透气出气管，第一渗透气出气管的一端与壳体内部相连通、另一端与渗透气出气管相连； 
其中换热螺旋套管的外管一端为产品气出气管，另一端通过第一VCR面密封件与渗透气出气管相连，渗透气出气管的另一端与第一渗透气出气管相连；换热螺旋套管的内管一端为原料气进气管，另一端通过第二VCR面密封件与预热螺旋盘管的进口管相连。 
所述的多通道金属钯复合膜氢气分离器是由钯膜组件、分离器壳体、预热螺旋盘管、缓冲罐、热电偶套管等组成。 
所述的钯膜组件是采用石墨密封垫圈将多通道金属钯复合膜与金属封头连接而成，并且金属封头至少一端采用具有缓冲热胀冷缩应力的金属管进行连接，以释放在加热和冷却过程中引起不同尺寸变化导致的应力。 
所述多通道金属钯复合膜氢气分离器的钯膜组件和分离器壳体构成的氢气分离器主体的结构详见申请国家发明专利申请“一种多通道金属钯或钯合金复合膜氢气分离器”（专利申请号：200810117897.0），由一根或多根金属钯或钯合金复合膜组成，以多通道陶瓷管作为金属钯或钯合金复合膜的支撑体，其横截面示意图见图4，在多通道陶瓷管内表面、两头的横截面以及距离端头30mm的外表面形成连续的钯膜或钯合金复合膜，采用石墨密封圈在外表面距离端头约10mm处，将多通道金属钯膜或钯合金复合膜与金属接头连接密封，参见示意图见图3，再将金属接头与分离器壳体连接组成氢气分离器主体，其中一端采用金属软管连接，参见示意图见图2。 
其中所述分离器壳体为中空的筒状结构，于分离器壳体外壁面上螺旋盘绕有预热螺旋盘管； 
所述的多通道金属钯复合膜氢气分离器，其中，具有缓冲热胀冷缩应力的金属管为金属软管、金属波纹管或弯曲的金属管。 
所述的多通道金属钯复合膜氢气分离器，其中，多通道金属钯复合膜载体的通道数目和形状不限。 
所述的预热螺旋盘管是由外径为12mm(内径9mm)、外径10mm(内径8mm)或外径8mm(内径6mm)的不锈钢管螺旋盘绕在氢气分离器壳体外侧制成。 
所述的换热螺旋套管是将外径6mm内径4mm的不锈钢管穿入外径12mm内径9mm的不锈钢管，两管之间采用外径8mm内径6mm的弹簧隔离，然后通过螺旋盘绕制成。其中弹簧的作用是避免制成螺旋套管时内管外壁与外管内壁互相接触，影响换热效果，其中外径为12mm不锈钢管一端通过VCR（Vacuum Coupling Radius Seal真空连接径向密封）面密封件与钯膜分离器的渗透气出口管路连接，另一端通过VCR面密封件与产品气管路连接；外径为6mm不锈钢管一端通过VCR面密封件与含氢原料气连接，另一端通过VCR面密封件与盘绕在钯膜分离器外侧的预热螺旋盘管相连。 
所述的保温材料选用耐高温陶瓷纤维或其他材料。 
所述的一种集预热和换热于一体的多通道金属钯复合膜氢气分离装置，其使用温度为300-500℃。 
所述的一种集预热和换热于一体的多通道金属钯复合膜氢气分离装置，其使用压力为0.3-2.0MPa。 
所述的一种集预热和换热于一体的多通道金属钯复合膜氢气分离装置，其氢气处理量为2-10Nm3/h。 
本实用新型中对钯复合膜氢气分离器采用电加热套加热，温度可以准确控制、分布均匀。 
该氢气分离装置具有结构紧凑、热利用效率高、装置投资和分离 成本低等优点，特别适用于中小规模氢气分离与纯化。 
附图说明
图1是钯复合膜氢气分离装置剖视图。 
图2是钯复合膜氢气分离器组装图。 
图3是钯复合膜组件组装示意图。 
图4是多通道钯复合膜截面图。 
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本实用新型做进一步说明。需要说明的是，所举的实例，其作用只是进一步说明本实用新型的技术特征，而不是限定本实用新型。 
一种集预热和换热于一体的多通道金属钯复合膜氢气分离装置，如图1所示，该装置由多通道金属钯复合膜氢气分离器1、电加热套2、换热螺旋套管3、保温材料层4、外壳5等组成。其中换热螺旋套管的外管一端为产品气出气管6，另一端通过第一VCR面密封件10与渗透气出气管9相连，换热螺旋套管的内管一端为原料气进气管7，另一端通过第二VCR面密封件11与预热螺旋盘管12相连。其中多通道金属钯复合膜氢气分离器，如图2所示，由钯膜组件201、分离器壳体202、预热螺旋盘管203、缓冲罐204、第一渗透气出气管205、第二渗余气出气管206、热电偶套管207等组成。其中钯膜组件，如图3所示，由进气管301、锥形金属封头302（308）、第一、第二螺帽304（306）、第一、第二石墨密封圈303（307）、多通道金属钯复合膜305（如图4）、金属弯管309、第一渗余气出气管310等组成，其中金属弯管309用于释放在加热和冷却过程中引起不同尺寸变化导致的应力。 
电加热套2为中空的筒状结构，多通道金属钯复合膜氢气分离器1置于电加热套2内，于电加热套2外表面设有保温材料层4，于保温材料层4外表面设有外壳5；于电加热套2与保温材料层4间的电加热套2外壁面上螺旋缠绕有换热管，所述换热管是由二根导管穿套而成的套管结构，于构成电加热套2外壁上而成换热螺旋套管； 
多通道金属钯复合膜氢气分离器，包括钯膜组件201、分离器壳体202、预热螺旋盘管203、缓冲罐204、第一渗透气出气管205、第二渗余气出气管206、热电偶套管207；钯膜组件201置于分离器壳体202内，于分离器壳体202外壁面上螺旋盘绕有预热螺旋盘管203，钯膜组件一端设有进气管301，另一端设有第一渗余气出气管310；缓冲罐204为一中空容器，进气管301一端与钯膜组件相连、另一端与缓冲罐204相连，预热螺旋盘管203一端与缓冲罐204相连、另一端与预热螺旋盘管203的进口管12相连，缓冲罐204上设置有用于放置热电偶的热电偶套管207；第一渗余气出气管310一端与钯膜组 件相连、另一端与第二渗余气出气管206的一端相连，第二渗余气出气管206的另一端通过第三渗余气出气管8放空或与一收集容器相连；于分离器壳体202的端面上设有第一渗透气出气管205，第一渗透气出气管205的一端与壳体内部相连通、另一端与渗透气出气管（9）相连； 
其中换热螺旋套管的外管一端为产品气出气管6，另一端通过第一VCR面密封件10与渗透气出气管9相连，渗透气出气管9的另一端与第一渗透气出气管205相连；换热螺旋套管的内管一端为原料气进气管7，另一端通过第二VCR面密封件11与预热螺旋盘管203的进口管12相连。 
其中预热螺旋盘管203是由外径为12mm(内径9mm)、外径10mm(内径8mm)或外径8mm(内径6mm)的不锈钢管螺旋盘绕在氢气分离器壳体202外壁制成。 
其中换热螺旋套管3是将外径6mm内径4mm的不锈钢管穿入外径12mm内径9mm的不锈钢管，两管之间采用外径8mm内径6mm的弹簧隔离，通过螺旋盘绕制成。其中弹簧的作用是避免制成螺旋套管时内管外壁与外管内壁互相接触，影响换热效果，其中外径为12mm不锈钢管一端通过VCR面密封件与钯膜分离器的渗透气出口管路连接，另一端通过VCR面密封件与产品气管路连接；外径为6mm不锈钢管一端通过VCR面密封件与含氢原料气连接，另一端通过VCR面密封件与盘绕在钯膜分离器外侧的预热螺旋盘管相连。 
多通道金属钯复合膜氢气分离装置组装完毕后，首先采用真空泵通过产品气出气管路将钯膜分离器壳程抽真空，然后将惰性气体如氮气通过原料气进气管路引入多通道钯复合膜孔道并保持一恒定流速，接着采用温度控制仪按程序控制电加热套升温至350℃，该温度由置于多通道金属钯复合膜氢气分离器的热电偶套管207内的热电偶测量，最后将氮气切换为含氢原料气，进行氢气提纯。 
工作时，常温含氢原料气从原料气进气管进入换热螺旋套管的内管，通过VCR面密封件进入氢气分离器外壁的预热螺旋盘管，再经电加热套辐射加热后通过缓冲罐、钯膜组件的进气管和锥形密封件进入多通道钯复合膜内（即钯膜分离器管程），与形成于孔道内表面的钯膜接触并在压力梯度的作用下进行吸附、解离扩散和脱附分离，纯化后的产品氢气在钯膜分离器的壳程进行汇集，通过渗透气出气管进入螺旋换热套管外管对含氢原料进行换热，之后经渗透气出气管输出，钯膜组件内未渗透出的气体，即装置渗余气，从渗余气出气管8排出。 
本实用新型提供的多通道金属钯复合膜氢气分离装置将加热、预热、换热、保温集于一体，即充分利用了高温产品气中的大量热量，提高了能源利用效率，而且结构紧凑，组装简单，容易控制，特别适 用于中小规模的氢气分离纯化。 
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (6)

1.集预热和换热于一体的多通道金属钯复合膜氢气分离装置，该装置包括多通道金属钯复合膜氢气分离器（1）、电加热套（2）、换热螺旋套管（3）、保温材料层（4）、外壳（5）； 
电加热套（2）为中空的筒状结构，多通道金属钯复合膜氢气分离器（1）置于电加热套（2）内，于电加热套（2）外表面设有保温材料层（4），于保温材料层（4）外表面设有外壳（5）；于电加热套（2）与保温材料层（4）间的电加热套（2）外壁面上螺旋缠绕有换热管，所述换热管是由二根导管穿套而成的套管结构，于构成电加热套（2）外壁上而成换热螺旋套管； 
多通道金属钯复合膜氢气分离器，包括钯膜组件（201）、分离器壳体（202）、预热螺旋盘管（203）、缓冲罐（204）、第一渗透气出气管（205）、第二渗余气出气管（206）、热电偶套管（207）；钯膜组件（201）置于分离器壳体（202）内，于分离器壳体（202）外壁面上螺旋盘绕有预热螺旋盘管（203），钯膜组件一端设有进气管（301），另一端设有第一渗余气出气管（310）；缓冲罐（204）为一中空容器，进气管（301）一端与钯膜组件相连、另一端与缓冲罐（204）相连，预热螺旋盘管（203）一端与缓冲罐（204）相连、另一端与预热螺旋盘管（203）的进口管（12）相连，缓冲罐（204）上设置有用于放置热电偶的热电偶套管207；第一渗余气出气管（310）一端与钯膜组件相连、另一端与第二渗余气出气管（206）的一端相连，第二渗余气出气管（206）的另一端通过第三渗余气出气管（8）放空或与一收集容器相连；于分离器壳体（202）的端面上设有第一渗透气出气管（205），第一渗透气出气管（205）的一端与壳体内部相连通、另一端与渗透气出气管（9）相连； 
其中换热螺旋套管的外管一端为产品气出气管（6），另一端通过第一VCR面密封件（10）与渗透气出气管（9）相连，渗透气出气管（9）的另一端与第一渗透气出气管（205）相连；换热螺旋套管的内管一端为原料气进气管（7），另一端通过第二VCR面密封件（11）与预热螺旋盘管（203）的进口管（12）相连。 
2.根据权利要求1所述的氢气分离装置，其特征在于：多通道金属钯复合膜氢气分离器是由钯膜组件、分离器壳体、预热螺旋盘管、缓冲罐、热电偶套管组成； 
钯膜组件是采用石墨密封圈将多通道金属钯复合膜与金属封头连接而成，并且金属封头至少一端采用具有缓冲热胀冷缩应力的金属管进行连接，以释放在加热和冷却过程中引起不同尺寸变化导致的应力。 
3.根据权利要求2所述的氢气分离装置，其特征在于：其中，具有缓冲热胀冷缩应力的金属管为金属软管、金属波纹管或弯曲的金属管。 
4.根据权利要求1或2所述的氢气分离装置，其特征在于：其中，钯膜组件所采用的多通道载体的通道数目和形状不限。 
5.根据权利要求1或2所述的氢气分离装置，其特征在于：预热螺旋盘管是由外径为12mm、内径9mm，外径10mm、内径8mm，或外径8mm、内径6mm的不锈钢管螺旋盘绕在氢气分离器壳体外侧制成。 
6.根据权利要求1所述的氢气分离装置，其特征在于：所述换热螺旋套管是将外径6mm内径4mm的不锈钢管穿入外径12mm内径9mm的不锈钢管，两管之间采用外径8mm内径6mm的圆柱形弹簧隔离，通过螺旋盘绕制成的螺旋套管称为换热螺旋套管，其中弹簧的作用是避免制成螺旋套管时内管外壁与外管内壁互相接触，影响换热效果，其中外径为12mm不锈钢管一端通过VCR面密封件与钯膜分离器的渗透气出口管路连接，另一端通过VCR面密封件与产品气管路连接；外径为6mm不锈钢管一端通过VCR面密封件与含氢原料气连接，另一端通过VCR面密封件与盘绕在钯膜分离器外侧的预热螺旋盘管相连。 
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