DK177264B1 - Membran til separation af hydrogen - Google Patents

Abstract

Opfindelsen angår en indretning (110) til separation af fluider og omfattende en fluid-gennemtrængelig mernbran (138 og 162), samt en trådnetmernbran (118 og 128) hoslig gende den fluid-gennemtrængelige membran (138 og 162), hvor trådnetmembranen (118 og 128) understøtter den flu id-gennemtrængelige meinbran (138 og 162) og er belagt med en barriere mod intermetallisk diffusion. Barrieren kan være en tynd film indeholdende mindst en blandt nitrid, oxid, bond, silicid, carbid og aluminid. Der kan anven des en flerhed af indretninger (110) til separation af fluider i et modul (185) til adskillelse af hydrogen fra en gasbianding, der indeholder hydrogen

Description

i DK 177264 B1

Membran til separation af hydrogen OPFINDELSENS BAGGRUND 5 1. Opfindelsens område

Den foreliggende opfindelse angår et apparat til separation af et ønsket fluidum fra en fluidum-blanding. Mere specifikt angår den foreliggende opfindelse generelt en 10 indretning til separation af fluider, omfattende en membran, som er gennemtrængelig overfor et ønsket fluidum, og en perforeringsskive med et ikke-perforeret bånd langs skivens omkreds. Opfindelsen angår metalmembraner, der anvendes til at separere hydrogengas fra en gasblanding.

15 2. Beskrivelse af opfindelsens baggrund

Der kendes adskillige metalfolier, som har vist sig at være hensigtsmæssige til separation af hydrogengas fra en 20 gasblanding ved en mekanisme, hvorved der diffunderes eller overføres hydrogenioner eller -protoner gennem den normalt ikke-porøse metalfolie, hvor molekylær hydrogen kan indsamles på den modsatte side af folien i forhold til den side, der har kontakt med gasblandingen. Mange af 25 de, der har arbejdet inden for dette område, har forsøgt at anvende forskellige metaller, metallegeringer og forskellige strukturer til optimering af separationen af hydrogenkomponenten fra en gasblanding eller til oprensning af hydrogen under den brede vifte af betingelser, som kan 30 være til stede i en hydrogenholdig gasstrøm ved eller nær betingelserne for hydrogenproduktion. US patent til Johann G.E. Cohn 3.238.700 og Leonard R. Rubin 3.172.742 er eksempler på tidligt arbejde inden for dette område, hvor der anvendtes legeringer af palladium til at overvinde 2 DK 177264 B1 nogle af de ugunstige ændringer, der kan opstå i metalfolien, når den udsættes for væsentlige temperaturændringer i nærvær af hydrogen, når den fremstilles typisk ved gasfasereaktioner, såsom vandgas-skifte-reaktionen (damp 5 over opvarmet carbon eller carbonholdige materialer) , eller dekomponering af hydrogenholdige forbindelser. (CA patent nr. 579.535).

Det er derfor et formål med den foreliggende opfindelse 10 at tilvejebringe en understøttet hydrogen-gennemtrængelig metal- eller metallegeringholdig struktur, der kan fungere vellykket i det miljø, som findes i hydrogenproduktionen, og som også er velegnet til separation af hydrogengas fra gasstrømme indeholdende hydrogen fremstillet med 15 vilkårlige midler.

Generelt gælder det, at når gas skal separeres fra en blanding af gasser ved diffusion, bringes gasblandingen typisk i kontakt med en ikke-porøs membran, som er selek-20 tivt gennemtrængelig overfor den gas, som det ønskes at separere fra gasblandingen. Den ønskede gas diffunderer gennem den gennemtrængelige membran og adskilles fra den resterende gasblanding. Et trykdifferentiale mellem modsatte sider af den gennemtrængelige membran vil sædvan-25 ligvis blive skabt, således at diffusionsprocessen forløber mere effektivt, hvor et højere partialtryk af den gas, som skal frasepareres, opretholdes på gasblandingssiden af den gennemtrængelige membran. Det ønskes endvidere, at gasblandingen og den selektivt gennemtrængelige 30 membran holdes ved forhøjet temperatur for at lette separationen af den ønskede gas fra gasblandingen. Denne type proces kan anvendes til at adskille hydrogen fra en gasblanding indeholdende hydrogen. Således er den gennemtrængelige membran i nærværende ansøgning gennemtrængelig 3 DK 177264 B1 over for hydrogen og konstrueres sædvanligvis af palladium eller en palladiumlegering. Når den udsættes for forhøjede temperaturer og mekaniske belastninger skabt af trykdifferentialet, vil den gennemtrængelige membran nød-5 vendigvis skulle understøttes på en sådan måde, at passagen af den ønskede gas gennem membranen ikke obstrueres.

Til en anden type konventionelle apparater, der anvendes til separation af hydrogen fra en gasblanding, anvendes 10 et ildfast væv til understøtning af den gennemtrængelige membran under separationsprocessen. Ulempen ved denne type konventionel membranunderstøtning er, at vævunderstøtningen vil være tilbøjelig til at fejle, når den udsættes for høje mekaniske belastninger, som opstår i 15 forbindelse med det differentialetryk, som er nødvendigt for at udvirke diffusion gennem membranmaterialet.

En anden konventionel, gennemtrængelig membranunderstøtning er en metalgazestruktur, som anbringes hosliggende 20 den gennemtrængelige membran. Ulempen ved denne type understøtning består i, at der opstår intermetallisk diffusionsbinding mellem membranunderstøtningen og den gennemtrængelige membran, når de udsættes for høje tryk og høje temperaturer. De høje tryk har en tendens til at kompri-25 mere den gennemtrængelige membran og metalgazen mod hinanden, og de høje temperaturer har en tendens til at ødelægge de kemiske bindinger i disse materialer. Et sådant uønsket forhold resulterer i migration af molekylerne i den gennemtrængelige membran til metalgazemembranen og 30 migration af molekylerne i metalgazemembranen til den gennemtrængelige membran, indtil der er dannet en binding mellem de to strukturer. Denne intermetalliske diffusionsbinding resulterer i et kompositmateriale, som ikke længere er gennemtrængeligt over for hydrogengassen.

4 DK 177264 B1

Der er således et behov for et apparat til separation af et ønsket fluidum fra en fluidum-blanding, som pålideligt kan modstå høje driftstryk og -temperaturer.

5

Der eksisterer desuden et behov for en gennemtrængelig membran og understøtning til separering af et ønsket fluidum fra en fluidumblanding, hvor den gennemtrængelige membran ikke er tilbøjelig til at gå itu eller undergå 10 intermetallisk diffusionsbinding.

KORT BESKRIVELSE AF TEGNINGEN

15 For at lette den umiddelbare forståelse og udøvelse af den foreliggende opfindelse, vil foretrukne udførelsesformer blive beskrevet i forbindelse med de efterfølgende figurer, hvor: 20 Fig. 1 er et isometrisk billede af en membranindretning ifølge den foreliggende opfindelse, inden svejsning,

Fig. 2 viser den på fig. 1 viste membran, set ovenfra, 25 Fig. 2A viser et udsnit af den på fig. 2 viste membran-indretning, set langs linierne og pilene 2A,

Fig. 3 er et delvist snitbillede af en detalje ved kanten af membranen ifølge den foreliggende opfindelse, set i 30 perspektiv,

Fig. 4 er et delvist afskåret billede af membranindretningen ifølge den foreliggende opfindelse, 5 DK 177264 B1

Fig. 5 et isometrisk billede af en fluidseparationsindretning ifølge den foreliggende opfindelse, set ovenfra,

Fig. 6 er et eksploderet, isometrisk billede af den på 5 fig. 5 viste fluidseparationsindretning ifølge den foreliggende opfindelse,

Fig. 7 er et eksploderet, isometrisk billede af den på fig. 5 viste gennemtrængelige hunmembrandelkomponent 10 ifølge den foreliggende opfindelse,

Fig. 8 er et eksploderet, isometrisk billede af den på fig. 5 viste gennemtrængelige hanmembrandelkomponent ifølge den foreliggende opfindelse, 15

Fig. 9 er et isometrisk udsnitbillede af fluidseparati-ons-indretningen ifølge den foreliggende opfindelse,

Fig. 10 er et forstørret billede af sektion A af det på 20 fig. 9 viste fluidseparationsindretning,

Fig. 11 er et tværsnitsbillede af det på fig. 5 viste fluid-separationsindretning ifølge den foreliggende opfindelse, set langs linien 11-11, 25

Fig. 12 er et isometrisk, diagrammatisk udsnitbillede af et modul, hvortil der anvendes adskillige fluidumseparationsanlæg ifølge den foreliggende opfindelse, og 30 Fig. 13 er en forstørret sektion B af det på fig. 12 viste modul.

KORT BESKRIVELSE AF OPFINDELSEN

6 DK 177264 B1

Den hydrogen-gennemtrængelige membranstruktur ifølge den foreliggende opfindelse omfatter en skiveformet, understøttet metalfolie af en sådan størrelse, at den overlapper en støtteplade eller -skive, som er i stand til at 5 lade produktgasser passere, som diffunderes eller overføres gennem metalfolien, hvilken skive ved sin periferi afsluttes med et par facetterede metalark-støtteringe, som overlapper støttepladen, samt et par facetterede me-talark-indfangningsringe til at indfange den hydrogen-10 gennemtrængelige membranfolie derimellem, hvilken indretning afsluttes med en kant, der dannes af kanterne af indfangningsringene og støtteringene med den indfangne folie, hvilken kant efterfølgende forsegles hermetisk med en svejsesøm, som sammenføjer samtlige ringe. Indretnin-15 gen omfatter midler til central fjernelse af den fraseparerede hydrogen fra støttepladen.

20

Andre detaljer, formål og fordele ved den foreliggende opfindelse vil fremgå mere tydeligt af nedenstående beskrivelse af den foreliggende opfindelse.

25

DETAILBESKRIVELSE

Den foreliggende opfindelse vil nu blive beskrevet for så vidt angår apparater til separering af hydrogen fra en 30 blanding af gasser. Det bemærkes, at beskrivelse af den foreliggende opfindelse for så vidt angår indretningen til hydrogen-separering udelukkende finder sted af illustrative hensyn, og at fordelene ved den foreliggende opfindelse kan realiseres under anvendelse af andre struk- turer og teknologier, som måtte have behov for sådanne apparater til separation af et ønsket fluidum fra en flu idblanding indeholdende det ønskede fluidum.

DK 177264 B1 7 5 Det vil yderligere forstås, at figurerne til og beskrivelserne af den foreliggende opfindelse er blevet forenklet, så de illustrerer elementer, som er relevante for en klar forståelse af den foreliggende opfindelse, medens andre elementer, der indgår i indretningen til hydrogen-10 separering og/eller beskrivelser deraf, er blevet fjernet af overskuelighedshensyn. For den almindelige fagmand vil det erkendes, at andre elementer kan være ønskelige med henblik på at implementere den foreliggende opfindelse. Imidlertid vil sådanne elementer ikke være omhandlet af 15 nærværende beskrivelse, idet sådanne elementer vil være velkendte inden for fagområdet og idet de ikke bidrager til at øge forståelsen af den foreliggende opfindelse.

Ved fremstilling af en metalmembran-baseret gassepara-20 tionsindretning er det nødvendigt at eliminere samtlige lækagebaner mellem membranens tilledningsside og produkteller permeatsiden af membranen. Dette gøres for at opretholde den størst mulige renhed af produktstrømmen. Typisk er membraner, der anvendes til denne type indret-25 ning, meget tynd og har følgelig meget lav mekanisk styrke. En mekanisk understøtning anbragt under membranen på produktsiden tillader membranen at fungere under høje differentialetryk ved forhøjede temperaturer. Hvis membranmaterialet anbringes på begge sider af den mekaniske 30 understøtning, vil understøtningen i sig selv blive belastet af kompressionsbelastninger under drift. Når denne type design anvendes, kan den mekaniske understøtning være mindre robust, end hvad der ville være nødvendigt, hvis der kun var belastning fra den ene side.

8 DK 177264 B1

Der tilvejebringes med den foreliggende opfindelse en måde, hvorpå hver membran forsegles "halvt", uafhængigt af den mekaniske understøtning, således at samtlige lækage-5 baner elimineres. Hvis begge membranark sammenføjes ved periferien under anvendelse af en svejsning af enkeltsøm-typen til sammenføjning af delene, vil sandsynligheden for lækage gennem en svejsesøm blive reduceret betragteligt.

10

Der kendes mange fremgangsmåder til sammenføjning af tynde metalfolier til hydrogen-gennemtrængelige membraner. Bestræbelser på at opnå hermetiske forseglinger af membraner af den type, der består af tynde folier, med 15 svejsning, hårdlodning eller diffusionslimning er beskrevet i US patent nr. 5.645.626. Yderligere bestræbelser med en hårdlodningsforbindelse er beskrevet i CA patent ansøgning nr. 436.620. Problemerne i forbindelse med en hårdlodningsforbindelse opstår, fordi der er en risiko 20 for, at lodningslegeringen forurener membranoverfladen under lodningsoperationen med metaller, flusforbindelser, eller andre substanser, som vil kunne interferere med membranens evne til at transportere hydrogen under drift. Diffusionslimning af membranfolier som 25 et middel til fastgørelse til fabrikerede støtteelementer begrænses af kravet om, at en hermetisk forsegling i en limet samling kun kan finde sted, når materialet i limningszonen på et eller andet tidspunkt i limningsprocessen overgår til flydende tilstand.

30

Opfindelsen angår sammenføjning af to tynde foliemembraner (ca. 25 μιη/0,0001 inch (0,000254cm)) under anvendelse af kommercielt tilgængelig svejseteknik. En enkelt svejset samling forsegler begge membraner hermetisk i et 9 DK 177264 B1 strøg, hvorved sandsynligheden mindskes med ca. 50% for mislykket svejsesamling på grund af ved svejsningen påførte belastninger, forurening tilstede i grundmetallerne samt porøsitet af den færdige svejsning. Den færdige sam-5 ling har fordele i forhold til den kendte teknik, idet den er mere driftssikker og er nemmere at fremstille.

Der tilvejebringes derfor med hydrogenseparationsmembranen ifølge den foreliggende opfindelse en forbed-10 ring i forhold til den i US patent nr. 5.139.541 beskrevne membranstruktur.

Membranstøttestrukturen 10 ifølge den foreliggende opfindelse er, som det vises på fig. 1, et skive-formet ele-15 ment udformet til at komme i kontakt med den hydrogenhol- dige gas på begge sine udvendige flader. Den frilagte ud vendige overflade 12 af folien er indeklemt under den udvendige ring 13 på en måde, som vil blive beskrevet mere detaljeret i det følgende. Den centrale åbning er i for-20 bindelse med skivens indvendige hulhed for udtagning af hydrogen. Skivens bagside (ikke vist) er identisk hermed, som det vil fremgå af fig. 2 og 2A. Den indvendige støtteskive har en åbning svarende til det indre af den centrale støttestruktur 21. Skiven 20 har en fast omkreds, 25 som vises i snit med betegnelsen 25. I skiven er der til vejebragt slidser, der strækker sig radialt udad fra skivens centrale åbning for at ende ved kanten af den udvendige omkreds. Kanterne af slidserne er vist skematisk f.eks. med betegnelserne 27, 28 og 29. Folien 30 modtages 30 på begge overflader af skiven 10. Hydrogen vil blive transporteret fra skivens 10 ydre gennem folien 30 og ind i en slids 35 i støtteskiven, hvorfra det kan udtages gennem en central føring (ikke vist), idet kanterne af slidserne (f.eks. 27, 28 og 29) er i forbindelse med åb- 10 DK 177264 B1 ningen (hullet 15) og den centrale føring. Der kan være tilvejebragt andre midler, som tillader udstødning af hydrogen, f.eks. riller i stedet for slidser eller overfladestrukturer eller lignende.

5

Som beskrevet ovenfor er skivens kantstruktur kritisk for opnåelse af gastæt forsegling. På samme måde skal folien fortrinsvis understøttes på et inert tekstil, som fiberglasvæv eller et vævet eller ikke-vævet keramisk materia-10 le. Idet der nu henvises til fig. 3, dækkes støtteskiven 20 på begge sider med et lag af inert tekstil 31. Den hy-drogen-gennemtrængelige metalmembranfolie 30 modtages over tekstilet 31. Et par af plademetalstøtteringe 36 og 37 er fastgjort til støtteskiven 20 omkring dennes peri-15 feri, således at slidserne ikke blokeres. De facetterede støtteringe 36 og 37 er dimensioneret til at mødes og danne en kant. Folien 30 anbringes, så den overlapper tekstilet 31 - modtaget på tekstilet 31 understøttet af støtteskiven 20. Et par af plademetal-indfangningsringene 20 40 og 41 er dimensioneret til at passe med støtteringene 36 henholdsvis 37 og indfange folien 30 mellem støtteringene 36 og 37 og metalindfangningsringene 40 og 41. En svejsesøm 50 holder alle ringene sammen. Skiven 20, indfangningsringene 40 og 41, samt støtteringene 36 og 37 er 25 alle fremstillet af materialer, som er kompatible med det miljø, som membranskiverne er beregnet til at blive brugt i.

Opfindelsen afviger fra den kendte teknologi ved, at den 30 totale længde af svejsede eller forseglede samlinger for et givent par af membraner med sammenlignelige udvendige diametre reduceres. Opfindelsen tillader endvidere ændringer i dimensionerne, som skyldes de forskellige var-meudvidelses-koefficienter, der bruges i materialerne i 11 DK 177264 B1 den svejste samling, samt de ændringer i dimensionerne, som opstår, når membranmaterialet mættes med hydrogen, hvilket sker uafhængigt af andre komponenter i indretningen. Dette har den virkning, at belastningen på membranen 5 mindskes yderligere under driftsbetingelser. Dertil kommer, at denne type samling tillader valg af mindre bekostelige konstruktionsmaterialer, som ikke fysisk er en del af den svejste samling, hvorved fremstillingsomkostningerne reduceres yderligere.

10

Videreforarbejdning af disse dele til færdigt udstyr opnås ved anbringelse af indretningen i et svejsebeslag som klemmer delene sammen. Membranmaterialet tvinges mekanisk mellem bundmembranunderstøtningen og membrandækringene 15 under fastklemning i svejsebeslaget, hvorved yderkanterne holdes tæt sammen i tæt kontakt med membranen. Denne sammenklemte indretning sømsvejses derefter ved den udvendige omkreds. Den enlige svejsesøm sammensmelter de ydre kanter af de øverste og nederste bundmembranstøtteringe, 20 de øverste og nederste membraner, samt de øverste og nederste membrandækringe til en lækagefri enhed.

Den faktiske svejsesøm kan opnås ved en række kommercielt tilgængelige teknologier, herunder - men ikke begrænset 25 til - laser-, elektronstråling-, samt wolfram-ædelgas-svejsning (TIG). Svejsesømmen kan tilvejebringes med eller uden tilsætning af fyldmateriale til svejsezonen.

Denne type svejsning kan bruges til andre anvendelser, hvor der kræves svejsning af tynde metalfolier til andre 30 anvendelser udenfor den beskrevne membrananvendelse.

En indretning med 43 individuelle skiver fremstillet som beskrevet heri og indeholdende ca. tyve fod2 (6,096m2) totalt membranområde blev bragt i drift ved 300°C og 600 12 DK 177264 B1 psig over i alt 200 timer uden registrerbart fald i hydrogensepareringsfunktionen. Indretningens permeatside blev drevet ved et tryk på fra ca. 15 til 30 psig, idet ustyret blev udsat for et differentialetryk på tværs af 5 hver membran på 570-585 psig. Indretningen blev ligeledes udsat for ca. 30 driftscyklusser omfattende et skift fra omgivende temperaturbetingelser og tryk til de beskrevne driftstemperaturer og -tryk, uden at den svejste søm fejlede .

10

Begrænsningerne i forhold til at opretholde svejseintegriteten og dermed en hermetisk forseglet svejsesamling ligger primært i valget af materialer til den nederste understøtning og de øverste dækringe, som er kompatible 15 med den tynde metalfolie, som skal svejses, og i valget af hensigtsmæssige svejseparametre for den indretning, der anvendes til udførelse af svejsningen.

På fig. 5 og 6 illustreres en udførelsesform for fluidum-20 separeringsindretningen 110 ifølge den foreliggende op findelse, hvor fig. 6 er et eksploderet billede af den på fig. 5 viste fluidsepareringsindretning. Fluidsepareringsindretningen 110 omfatter første membranholdeorganer 112, en hunmembrandelkomponent 114, en første membranpak-25 ning 116, en første trådnetmembranunderstøtning 118, sekundære membranholdeorganer 120, en slidset permeatplade 122, en permeatkant 124, en sekundær trådnetmembranunderstøtning 128, en sekundær membranpakning 130, samt en hanmembrandelkomponent 132. Ifølge en udførelsesform kan 30 de første holdeorganer 112 være i alt væsentligt flade ringelementer med en udvendig diameter lig med diameteren af hun- og hanmembrandel komponenten 114 og 132, samt en tykkelse på mellem ca. 0,001 inch (0,00254cm) og 0,0060 inch (0,00524cm). De første membranholdeorganer 112 har 13 DK 177264 B1 hver en centralt anbragt åbning 113 og 135. De første membranholdeorganer 112 kan være fremstillet af Monel 400 (UNS N 04400); imidlertid vil andre materialer, som er kompatible med svejseprocessen - som beskrevet nedenfor -5 også kunne anvendes. Det vil også forstås, at selvom de første holdeorganer 112 er vist som omfattende i det væsentlige ringformede legemer, kan de have andre ønskede faconer og andre tykkelser, uden at der af den grund afviges fra den foreliggende opfindelses ånd og omfang.

10

Fig. 7 er et eksploderet billede af en gennemtrængelig hunmembrandelkomponent 114. I denne udførelsesform omfatter hunmembrandelkomponenten 114 et hunpakningssæde 136, en hydrogengennemtrængelig membran 138, en membranpakning 15 140 i den indvendige diameter samt en central støtteskive 142. I denne udførelsesform er hunpakningssædet 136 et i alt væsentligt fladt ringelement 144 med en rejst overflade 146, som forløber rundt om ringelementet 144 og en centralt anbragt åbning 145. Det vil forstås, at selvom 20 denne udførelsesform er vist med pakningssæder af en så dan konfiguration, kan der findes andre geometrier for pakningssæder, som er specifikke for andre pakningskonfigurationer eller -materialer, som vil kunne anvendes, uden at der afviges fra den foreliggende opfindelses ånd 25 og omfang. Hunpakningssædet 136 kan være fremstillet af Monel 400; imidlertid kan andre materialer også bruges, såsom nikkel, kobber, nikkellegeringer, kobberlegeringer eller andre legeringer, som tillader kompatibel fusion med det til den gennemtrængelige membran 138 valgte mate-30 riale under svejsningen. I denne udførelsesform er den hydrogen-gennemtrængelige membran 138 et i alt væsentligt plant element af cirkulær konfiguration, med modstående sider 148 samt en centralt anbragt, cirkulær åbning 150. Membranpakningen 140 i den indvendige diameter er ligele- 14 DK 177264 B1 des et fladt ringelement med en centralt anbragt åbning 151. Ligeledes i denne udførelsesform kan membranpakningen 140 i den indvendige diameter være fremstillet af Monel 400 (UNS N 04400); imidlertid kan andre materialer 5 også anvendes, såsom nikkel, kobber, nikkellegeringer, kobberlegeringer eller andre legeringer, som tillader kompatibel fusion med det til den gennemtrængelige membran valgte materiale under svejsningen. Den centrale støtteskive 142 er et fladt ringelement med en centralt 10 anbragt åbning 153. Midterstøtteskiven 142 kan være fremstillet af Monel 400 (UNS N 04400); imidlertid kan andre materialer også anvendes, såsom nikkel, kobber, nikkellegeringer, kobberlegeringer, eller andre legeringer, som tillader kompatibel fusion med det til den gennemtrænge-15 lige membran valgte materiale eller legering under svejsning .

Idet der atter henvises til fig. 6 er - i denne udførelsesform - de første og sekundære membranpakninger 116 og 20 130 hver især et i det væsentlige fladt ringelement med en centralt anbragt åbning 155 henholdsvis 157. I denne udførelsesform er de første og sekundære membranpakninger 116 og 130 fremstillet af Monel 400 legeringer (UNS N 004400), nikkel, kobber, nikkellegeringer, kobberlegerin-25 ger og andre ædellegeringer eller andre legeringer, som er kompatible med den svejsning, som bruges til sammenføjning af komponenterne i fluidsepareringsindretningen 110 og som beskrives nedenfor. De første og sekundære membranpakninger 116 og 130 kan have tykkelser på mellem 30 ca. 0,0005 inch (0,00127cm) og 0,005 inch (0,0127cm). Imidlertid vil der også kunne anvendes andre pakningstykkelser .

15 DK 177264 B1

Ligeledes i denne udførelsesform er de første og sekundære trådnetmembranunderstøtninger 118 og 128 plane, ringformede elementer med centralt anbragte åbninger 152 henholdsvis 154. Trådnetmembranunderstøtningerne 118 og 128 5 kan være fremstillet af 316L rustfrie stållegeringer med et maskeantal på mellem ca. 19 og 1000 masker pr. inch (2,54cm), hvor maskeantallet vælges således, at det er tilstrækkeligt til at understøtte de hydrogen-gennemtrængelige membraner 138 og 162. Typen af den væve-10 de si kan være almindelig standard firkantsvævning, twill-firkantsvævning, rektangulær almindelig eller twill-vævning eller trekantet almindelig eller twillvævning. Et eksempel på et anvendeligt maskeantal er 49 masker pr. inch (2,54cm). Trådnetmembranunderstøtningerne 15 118 og 128 kan være fremstillet af stållegeringer, rust frie stållegeringer, nikkellegeringer eller kobberlegeringer. Trådnettet kan være belagt med en tynd film, som forhindrer binding ved intermetallisk diffusion (dvs. en barriere mod binding ved intermetallisk diffusion). Bar-20 rieren mod binding ved intermetallisk diffusion kan være en tynd film indeholdende mindst én blandt en oxid, en nitrid, en borid, en silicid, en carbid eller en aluminium og kan påføres under anvendelse af en række traditionelle fremgangsmåder, herunder - men ikke begrænset til 25 fysisk dampaflejring (PVD), kemisk dampaflejring, samt plasma-forstærket dampaflejring. For eksempel kan reaktiv "sputtering", en form for PVD, anvendes til at påføre en tynd oxidfilm på mellem ca. 600 og 700 Ångstrøm på tråd-netmembran-understøtnignerne 118 og 128. En række for-30 skellige oxider, nitrider, borider, silicider, carbider og aluminider kan også anvendes til den tynde film, ligesom en hvilken som helst tynd film, hvilket vil være den almindelige fagmand bekendt. Anvendelse af denne form for PVD vil resultere i en tæt, amorf, tynd film med omtrent 16 DK 177264 B1 den samme mekaniske styrke som det tynde filmmateriale som helhed.

Ligeledes i denne udførelsesform er de sekundære membran-5 holdeorganer 120 hver et i det væsentlige fladt ringelement. Et holdeorgan 120 har en centralt anbragt åbning 159 og holdeorganet 120 har en centralt anbragt åbning 161. Jf. fig. 6. Disse holdeorganer 120 kan have samme tykkelse som de første og sekundære trådnetmembranunder-10 støtninger 118 og 128. De sekundære holdeorganer 120 kan være fremstillet af et materiale, som er kompatibelt med svejsningen, jf. nedenfor, såsom Monel 400 (US N 004400), og der kan anvendelse nikkel, kobber, nikkellegeringer, kobberlegeringer, ædelmetaller eller legeringer heraf, 15 eller andre legeringer, som tillader kompatibel fusion med det valgte membranmateriale eller -legering under svej sning.

I den foreliggende udførelsesform er den opslidsede per-20 meatplade 122 en stålplade med en flerhed af slidser 156, som forløber radialt og udad fra en central åbning 158 i retning mod den opslidsede permeatplades 122 periferi. Antallet af slidser 156 i en opslidset permeatplade 122 kan ligge på mellem ca. 10 og 72.

25

Imidlertid kan også andre hensigtsmæssige slidstætheder tænkes anvendt. Permeatpladens kant 124 er et i alt væsentligt fladt ringelement med en centralt anbragt åbning 163 og en indvendig diameter, som er større end den ud-30 vendige diameter af den slidsede permeatplade 122. Permeatpladens kant 124 er fremstillet af Monel 400 (UNS N 04400), men andre materialer kan ligeledes anvendes, såsom nikkel, kobber, nikkellegeringer, kobberlegeringer, ædelmetaller eller legeringer heraf eller andre legerin- 17 DK 177264 B1 ger, som tillader kompatibel fusion med det valgte membranmateriale eller -legering under svejsning.

På fig. 8 vises et eksploderet billede af den gennemtræn-5 gelige hanmembrandelkomponent 132. Hanmembrandelkomponenten 132 omfatter et hanpakningssæde 160, en hydrogengen-nemtrængelig membran 162, en membranpakning 164 i den indvendige diameter, samt en central støtteskive 166. De hydrogengennemtrængelige membraner 138 og 162 kan være 10 fremstillet af mindst et hydrogengennemtrængeligt metal eller en legering indeholdende mindst ét hydrogengennemtrængeligt metal, fortrinsvis udvalgt blandt overgangsmetallerne fra grupperne VIIB eller VIIB fra grundstoffernes periodiske tabel. Den hydrogengennemtrængelige mem-15 bran 162, pakningen 164 i den indvendige diameter, samt midterstøtteskiven 166 har en struktur, der ligner strukturen af den hydrogen-gennemtrængelige membran 138, membranpakningen 140 i den indvendige diameter henholdsvis midterstøtteskiven 142, jf. ovenfor. Hanmembranpaknings-20 sædet 160 er et i alt væsentligt plant ringelement 168 med et cirkulært fremspring 170, som forløber omkring en centralt anbragt åbning 172. I denne udførelsesform er hunpakningssædet 136 og hanpakningssædet 160 fremstillet af et legeringsmateriale med høj styrke, som er kompati-25 belt med svejsningen, såsom Monel 400. Pakningerne 140 og 164 for elementerne i den indvendige diameter fremstilles af samme materialer som de ovenfor beskrevne første og sekundære indvendige membranpakninger 116 og 130.

30 På fig. 9 til 11 beskrives forskellige tværsnitsbilleder af den samlede indretning til fluidseparation 110 ifølge den foreliggende opfindelse, hvor Fig. 10 er et forstørret billede af sektion A af den på fig. 9 viste fluidsepareringsindretning, og fig. 11 er et tværsnitsplanbil- 18 DK 177264 B1 lede af den samlede indretning 110 til fluid-separation.

Ved samling af komponenterne til fluidseparationsindretningen 110 vist på fig. 6-8, vil hunmembrandelkomponenten 114 og hanmembrandelkomponenten 132 blive samlet først.

5 Hunpakningssædet 136, den gennemtrængelige membran 138, membranpakningen 140 i den indvendige diameter, samt midterstøtteskiven 142 anbringes hosliggende hinanden, som vist på fig. 11, således at deres centralt anbragte åbninger 145, 150, 151 henholdsvis 153 indrettes koaksialt 10 på linie med hinanden. En første svejsning 171, vist på fig. 11, anbringes ved disse åbninger. Den første svejsning 171 antager form af en svejsesøm, hvormed der skabes en hermetisk forsegling mellem hunpakningssædet 136, den gennemtrængelige membran 138, membranpakningen 140 i den 15 indvendige diameter samt midterstøtteskiven 142. Svejsningen 171 kan udføres ved en række kommercielt tilgængelige teknologier, omfattende men ikke begrænset til laser-, elektronstråle- samt wolfram-ædelgas-svejsning (TIG). Alternative sammenføjningsteknologier, såsom svej-20 selodning eller hårdlodning, kan ligeledes anvendes, når det ønskede resultat er en gastæt binding mellem pakningssædet 136 og den gennemtrængelige membran 138. På samme måde er komponenterne i hanmembrandelkomponenten 132, som omfatter hanpakningssædet 160, den gennemtrænge-25 lige membran 162, membranpakningen 166 i den indvendige diameter samt midterstøtteskiven 166, ligeledes anbragt hosliggende hinanden som vist på fig. 8, således at deres centralt anbragte åbninger 172, 181, 183 og 184 er koaksialt indrettet på linie med hinanden, og en anden svej-30 sesøm 173 vist på fig. 11 er anbragt langs omkredsen af åbningerne 172, 181, 183 og 184 deraf. Som angivet ovenfor, kan svejsningen 173 udføres ved en række kommercielt tilgængelige teknologier, der omfatter - men ikke er be- 19 DK 177264 B1 grænset til - laser-, elektronstråle- og tungsten-ædelmetal- (TIG) svejsning.

Efter at komponenterne i hunmembrandelkomponenten 114 og 5 komponenterne i hanmembrandelkomponenten 132 hver især er blevet forbundet via svejsningerne 171 henholdsvis 173, samles de med de øvrige, ovenfor beskrevne komponenter til dannelse af fluidseparerings-indretningen 110. Som vist på fig. 6 er de første og sekundære membranholdeor-10 ganer 112 og 120, hun- og hanmembrandelkomponenterne 114 og 132, pakningerne 116 og 130 i den indvendige diameter, de første og sekundære trådnetmembranunderstøtninger 118 og 128, den opslidsede permeatplade 122, samt permeatkan-ten 124 indrettet på linie med hinanden, således at deres 15 centralt anbragte åbninger er indrettet koaksialt på linie med hinanden. Som det fremgår af fig. 11 holdes komponenterne fast i denne opstilling ved anbringelse af en svejsning 174 ved de udvendige periferi af de første og de sekundære svejseorganer 112 og 120, hun- og han-20 membrandelkomponenterne 114 og 132, de første og sekundære membranpakninger 116 og 130 i den udvendige diameter, samt den opslidsede permeatkant 124. Alternativt vil disse dele kunne samles, således at deres centralt anbragte åbninger indrettes koaksialt på linie med hinanden, som 25 det fremgår af fig. 11, og forbindes til hinanden ved udførelse af svejselodning eller hårdlodning ved den yderste periferi af det første og det andet holdeorgan 112 og 120, hun- og hanmembrandelkomponenterne 114 og 132, den første og den anden membranpakning 116 og 130 i den ud-30 vendige diameter, samt den opslidsede permeatkant 124.

Som det fremgår af fig. 10, er der tilvejebragt et mellemrum 175 mellem den opslidsede permeatplade 122 og per-meatkanten 124, hvilket tillader den udvidelse og sammentrækning af komponenterne i fluidsepareringsindretningen 20 DK 177264 B1 110, som vil opstå på grund af temperaturændringen. I sin samlede tilstand vil fluidsepareringsenheden 110 have en tykkelse på mellem 0,010 inch (0,0254cm) og 0,125 inch (0,0175cm) afhængigt af tykkelsen af de anvendte kompo-5 nenter.

Når hydrogen adskilles fra en blanding af gas, som inkluderer hydrogen, vil gasblandingen blive dirigeret hen imod de gennemtrængelige membraner 138 og 162 af hun-10 membrandelkomponenten 114 henholdsvis hanmembrandelkomponenten 132, i retning D og E som vist på fig. 11. Af overskueligheds hensyn er de gennemtrængelige membraner 138 og 164 af hun- og hanmembrandelkomponenterne 114 henholdsvis 132 vist på fig. 11 som værende anbragt i af-15 stand fra den første og den anden trådnetmembranunder-støtning 118 og 128; imidlertid vil de gennemtrængelige membraner 138 og 162 i brug være i kontakt med den første og den anden trådnetmembranunderstøtning 118 og 128 og blive understøttet deraf. Når den hydrogenholdige gas-20 blanding kommer i kontakt med de hydrogengennemtrængelige membraner 138 og 162, vil hydrogen trænge gennem de gennemtrængelige membraner 138 og 162, passere gennem den første og den anden trådnetmembranunderstøtning 118 og 128 og entre den opslidsede permeatplade 122, hvor hydro-25 gen entrer gennem en specifik slids 156 og dirigeres hen imod midteraksen C via de af slidsen 156 dannede passager. De centrale åbninger i komponenterne af fluidsepareringsindretningen 110, vist på fig. 6, danner en føring 180, hvor oprenset hydrogen indsamles og transporteres 30 til en ønsket lokalitet. Føringen 180 kan have en diameter på mellem ca. 0,25 inch (0,635cm) og 1 inch (2,54cm). Diameteren bestemmes af de fluidsepareringsindretningen 100 indgående komponenter og af ønsket om, at hydrogenet skal være tilnærmelsesvist frit strømmende. De gasser i 21 DK 177264 B1 strømmen, som ikke er hydrogen, forhindres i at entre fluidsepareringsindretningen 110 ved hjælp af de fluid-gennemtrængelige membraner 138 og 162. Den resterende del af den hydrogen-tømte gasblanding dirigeres i denne udfø-5 relsesform omkring på den udvendige side af fluidsepareringsindretningen 110.

På fig. 12 og 13 vises et modul 185, hvortil der anvendes flere fluidsepareringsindretninger 110 ifølge den fore-10 liggende opfindelse, hvor fig. 13 er en forstørret sektion B af modulet 185. Hver af fluidsepareringsindretningerne 110 vises af overskueligheds hensyn som et massivt legeme. Imidlertid er alle fluidsepareringsindretningerne 110 de samme som de på fig. 5-11 viste fluidseparerings-15 indretninger 110. Modulet 185 har et fødegasindløb 191, et permeatudløb 190 samt en udløbsgasafløb 193. Fluidsepareringsindretningerne 110 indrettes koaksialt på linie med hinanden. Distributionsplader 187 indeklemmes mellem og adskiller derved fluidsepareringsindretningerne 110.

20 Distributionspladerne 187 anbringes på en skulder for pakningssæderne 136 på en sådan måde, at de anbringes i lige afstand fra den plane ovérflade af de gennemtrænge-lige membranindretninger 114 og 132 i på hinanden følgende fluidsepareringsindretninger 10. Distributionspladerne 25 187 er ikke permanent fastgjort til pakningssæderne 136 og 160, men hviler snarere på en skulder af pakningssædet 136. Der er tilstrækkelig lysning mellem den centrale åbning af redistribueringspladen 187 og skulderen på hunpakningssædet 136 til at distributionspladerne 187 og 30 fluidsepareringsindretningerne 110 tillades at anbringe sig selv indenfor væggen af membranhuset, uafhængigt af positionen af fluidsepareringsindretningerne 110. Hver distributionsplade 187 har åbninger 189. Fluidsepareringsindretninger 110 indrettes på linie med hinanden, 22 DK 177264 B1 således at hver af føringerne 180 i fluidsepareringsindretningerne 110 danner en større føring 190. Banen for den gasblanding, som indeholder hydrogen, vist ved pilen G, entrer gennem åbningen 189 og passerer langs den ud-5 vendige overflade af fluidseparerinsindretningen 110, hvor noget af den i gasblandingen forekommende hydrogen frit kan entre fluidsepareringsindretningen 110 via de gennemtrængelige membraner 138 og 162 og dirigeres langs banen F inde i den større føring 190, og den øvrige gas-10 blanding følger pilen G og bugter sig gennem den passage, der er dannet af distributionspladerne 187, fluidsepareringsindretningerne 110 samt den indvendige væg 192 af modulet 185. Efterhånden som gasblandingen passerer gennem passagen, kommer den i kontakt med de udvendige over-15 flader af adskillige andre fluidsepareringsindretninger 110, hvor mere af den hydrogen, der stadig befinder sig i gasblandingen, gennemtrænger den gennemtrængelige membran 138 og 162, og følger banen F, hvilket resulterer i, at den oprensede hydrogen entrer den større føring 190. Re-20 sten af den hydrogentømte gasblanding udtømmes gennem en port 193, som befinder sig ved den modsatte side af modulet 185, efter at være strømmet hen over hele stakken af fluidsepareringsmembranindretninger 110.

25 Selvom den foreliggende opfindelse er blevet beskrevet i forbindelse med de ovenstående udførelsesformer deraf, vil det være at forvente, at mange modificeringer og variationer deraf vil blive udviklet. Den foreliggende beskrivelse og de efterfølgende krav har til hensigt at 30 dække alle sådanne modificeringer og variationer.

Claims (2)

1. 23 DK 177264 B1
2. 1. Et hydrogengennemtrængeligt membransepareringsmodul omfattende en perforeringsskive (20) med et ikke-5 perforeret bånd (25) langs skivens omkreds og ved den yderste kant deraf og med en øverste overflade og en ne-derste overflade samt hulheder (35), der står i forbindelse med et opsamlingskammer (15), der befinder sig ved midten af skiven, to uorganiske perforeringsbarrierer 10 (31), der overlapper perforeringsskiven på såvel den øverste som den nederste overflade, to hydrogen-gennemtrængelige metalmembraner(30), der overlapper de uorganiske perforeringsbarrierer og slutter udenfor den ydre omkreds af perforeringsskiven, to cirkulære støtte-15 ringe (36, 37), der overlapper det ikke-perforerede bånd på skiven, hvilken barriere slutter på skiven lige inden den ydre omkreds deraf og ligger an mod de cirkulære støtteringe, med den ydre omkreds af membranen optaget på støtteringene samt indfangningsringe (40, 41) modtaget på 20 membranerne og dimensioneret til at slutte ved omkredsen af membranerne og støtteringene samt en svejsesøm (50), som forbinder de udvendige indfangningsringe, membranerne og støtteringene på fluidtæt måde, hvorved hydrogen kan passere gennem membranerne, barrieren og hulhederne i 25 perforeringsskiven og kan opsamles centralt i indretningen. DK 177264 B1 FIG.l DK 177264 B1 FIG.2 ^ ^ % η ^-2l ^30 ^20 1 —^tlimi,U i......-t---^ 27 ^ 35 25 FIG.2 A 10 DK 177264 B1 A2 DK 177264 B1 fig.7 ^^^^Ck'40 DK 177264 B1 F1G.8 184^--^y^IS5 \W • "A DK 177264 B1 FIG. 10 , £ c " £ ' I I I « f ” 1 FIG.il DK 177264 B1 FIG. i 2