ES2733017T3 - Use of means to support a selective hydrogen membrane to prevent wrinkling of said membrane - Google Patents
Use of means to support a selective hydrogen membrane to prevent wrinkling of said membrane Download PDFInfo
- Publication number
- ES2733017T3 ES2733017T3 ES02731167T ES02731167T ES2733017T3 ES 2733017 T3 ES2733017 T3 ES 2733017T3 ES 02731167 T ES02731167 T ES 02731167T ES 02731167 T ES02731167 T ES 02731167T ES 2733017 T3 ES2733017 T3 ES 2733017T3
- Authority
- ES
- Spain
- Prior art keywords
- membrane
- hydrogen
- region
- stream
- end plate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Landscapes
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Abstract
El uso, para evitar la formación de arrugas de al menos una membrana selectiva de hidrógeno (46, 202) en un dispositivo de purificación de hidrógeno (10) que comprende un recinto (12) que define un compartimiento interno (18) y contiene una unidad de separación (20), que divide el compartimiento interno en una región de gas mixto (30) y una región de permeado (32), el dispositivo de purificación de hidrógeno que se adapta para recibir una corriente de gas mixto (24) que contiene gas hidrógeno (26) y otros gases (28) y para producir una corriente (34), que contiene gas hidrógeno puro o al menos sustancialmente puro, en donde el gas hidrógeno sustancialmente puro tiene una pureza superior al 90 %, y una corriente de subproducto (36), que contiene al menos una porción sustancial de los otros gases, a partir de la misma, de medios para soportar dicha al menos una membrana (46), de la cual se selecciona al menos una porción para que tenga un coeficiente de expansión térmica que esté dentro del 10 % del coeficiente de expansión térmica de la al menos una membrana (46, 202).The use, to prevent the formation of wrinkles of at least one selective hydrogen membrane (46, 202) in a hydrogen purification device (10) comprising an enclosure (12) that defines an internal compartment (18) and contains a separation unit (20), which divides the internal compartment into a mixed gas region (30) and a permeate region (32), the hydrogen purification device that is adapted to receive a mixed gas stream (24) that it contains hydrogen gas (26) and other gases (28) and to produce a stream (34), which contains pure or at least substantially pure hydrogen gas, wherein the substantially pure hydrogen gas has a purity greater than 90%, and a current by-product (36), which contains at least a substantial portion of the other gases, therefrom, of means for supporting said at least one membrane (46), from which at least one portion is selected to have a Coefficient of thermal expansion that is within 10% of the thermal expansion coefficient of the at least one membrane (46, 202).
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Uso de medios para soportar una membrana selectiva de hidrógeno para evitar la formación de arrugas de dicha membranaUse of means to support a selective hydrogen membrane to prevent wrinkling of said membrane
Antecedentes de la invenciónBackground of the invention
El hidrógeno purificado se usa en la fabricación de muchos productos, que incluyen metales, grasas y aceites comestibles, y semiconductores y microelectrónicos. El hidrógeno purificado es también una importante fuente de combustible para muchos dispositivos de conversión de energía. Por ejemplo, las células de combustible usan hidrógeno purificado y un oxidante para producir un potencial eléctrico. Pueden usarse varios procesos y dispositivos para producir el gas hidrógeno que consumen las células de combustible. Sin embargo, muchos procesos de producción de hidrógeno producen una corriente de hidrógeno impuro, que también puede denominarse como una corriente de gas mixto que contiene gas hidrógeno. Antes de entregar esta corriente a una célula de combustible o pila de células de combustible, la corriente de gas mixto puede purificarse, tal como para eliminar las impurezas indeseables.Purified hydrogen is used in the manufacture of many products, including metals, edible fats and oils, and semiconductors and microelectronics. Purified hydrogen is also an important source of fuel for many energy conversion devices. For example, fuel cells use purified hydrogen and an oxidant to produce an electrical potential. Various processes and devices can be used to produce the hydrogen gas consumed by the fuel cells. However, many hydrogen production processes produce an impure hydrogen stream, which can also be referred to as a mixed gas stream containing hydrogen gas. Before delivering this stream to a fuel cell or fuel cell stack, the mixed gas stream can be purified, such as to eliminate undesirable impurities.
El documento WO0170376 describe los módulos de membrana que contienen una o más membranas selectivas de hidrógeno, métodos para preparar las mismas, y sistemas de purificación de hidrógeno, procesadores de combustible y dispositivos que contienen las mismas. Los módulos de membrana pueden incluir una o más membranas selectivas de hidrógeno soportadas en una estructura de pantalla. La membrana o membranas pueden montarse de manera adhesiva en la estructura de pantalla durante el ensamble. La estructura de pantalla puede incluir una pluralidad de miembros de pantalla montados de manera adhesiva juntos durante el ensamble. La estructura de pantalla puede incluir un recubrimiento.WO0170376 describes membrane modules that contain one or more selective hydrogen membranes, methods for preparing them, and hydrogen purification systems, fuel processors and devices containing them. The membrane modules can include one or more selective hydrogen membranes supported on a screen structure. The membrane or membranes can be adhesively mounted on the screen structure during assembly. The screen structure may include a plurality of screen members mounted adhesively together during assembly. The screen structure may include a coating.
El documento US5376167 describe un dispositivo para separar el hidrógeno de mezclas gaseosas que lo contienen o para purificar hidrógeno gaseoso, que comprende una cubierta exterior (2) llena con una pluralidad de tubos (3) hechos de una aleación a base de paladio adecuada, cuyos tubos están cerrados en un extremo (4). Los tubos se fijan de manera sustancialmente hermética, en el lado del extremo abierto (5), a al menos una parte de una base (6) hecha de una aleación metálica, cuya composición es de manera que su coeficiente de expansión en hidrógeno es sustancialmente igual a la de la aleación de los tubos. La base puede formarse integralmente y fabricarse de la aleación mencionada anteriormente, o puede comprender un anillo de sustancialmente la misma composición que la de los tubos que se adhieren a la misma por medio de una soldadura autógena.US5376167 describes a device for separating hydrogen from gaseous mixtures containing it or for purifying gaseous hydrogen, which comprises an outer shell (2) filled with a plurality of tubes (3) made of a suitable palladium-based alloy, whose tubes are closed at one end (4). The tubes are fixed substantially tightly, on the side of the open end (5), to at least a part of a base (6) made of a metal alloy, whose composition is such that its hydrogen expansion coefficient is substantially same as the alloy of the tubes. The base can be integrally formed and made of the aforementioned alloy, or it can comprise a ring of substantially the same composition as that of the tubes that adhere thereto by means of an autogenous weld.
Resumen de la invenciónSummary of the Invention
La presente invención se refiere a un uso, para evitar la formación de arrugas de al menos una membrana selectiva de hidrógeno (46, 202) en un dispositivo de purificación de hidrógeno (10) que comprende un recinto (12) que define un compartimiento interno (18) y contiene una unidad de separación (20), que divide el compartimiento interno en una región de gas mixto (30) y una región de permeado (32), el dispositivo de purificación de hidrógeno que se adapta para recibir una corriente de gas mixto (24) que contiene gas hidrógeno (26) y otros gases (28) y para producir una corriente (34), que contiene gas hidrógeno puro o al menos sustancialmente puro, en donde el gas hidrógeno sustancialmente puro tiene una pureza superior al 90 %, y una corriente de subproducto (36), que contiene al menos una porción sustancial de los otros gases, a partir de la misma, de medios para soportar dicha al menos una membrana (46) de los cuales significa que al menos una porción se selecciona para que tenga un coeficiente de expansión térmica que está dentro del 10 % del coeficiente de expansión térmica de al menos una membrana (46, 202).The present invention relates to a use, to prevent the formation of wrinkles of at least one hydrogen selective membrane (46, 202) in a hydrogen purification device (10) comprising an enclosure (12) defining an internal compartment (18) and contains a separation unit (20), which divides the internal compartment into a mixed gas region (30) and a permeate region (32), the hydrogen purification device that is adapted to receive a stream of mixed gas (24) containing hydrogen gas (26) and other gases (28) and to produce a stream (34), which contains pure or at least substantially pure hydrogen gas, wherein the substantially pure hydrogen gas has a purity greater than 90%, and a by-product stream (36), which contains at least a substantial portion of the other gases, therefrom, of means for supporting said at least one membrane (46) of which means that at least one portion is selected p To have a coefficient of thermal expansion that is within 10% of the coefficient of thermal expansion of at least one membrane (46, 202).
La presente descripción proporciona, pero no reivindica, los dispositivos de purificación de hidrógeno, componentes de dispositivos de purificación de hidrógeno y sistemas de procesamiento de combustible y de célula de combustible que incluyen los dispositivos de purificación de hidrógeno. Los dispositivos de purificación de hidrógeno incluyen un recinto que contiene una unidad de separación adaptada para recibir una corriente de gas mixto que contiene gas hidrógeno y para producir una corriente que contiene gas hidrógeno puro o al menos sustancialmente puro de la misma, en donde el gas hidrógeno sustancialmente puro tiene una pureza superior al 90 %. La unidad de separación incluye al menos una membrana permeable al hidrógeno y/o selectiva de hidrógeno, y en algunas modalidades incluye al menos una envoltura de la membrana que incluye un par de regiones de membrana generalmente opuestas que definen un conducto de recolección entre las mismas y que se separan por un soporte.The present description provides, but does not claim, hydrogen purification devices, components of hydrogen purification devices and fuel and fuel cell processing systems that include hydrogen purification devices. Hydrogen purification devices include an enclosure containing a separation unit adapted to receive a mixed gas stream containing hydrogen gas and to produce a stream containing pure or at least substantially pure hydrogen gas thereof, wherein the gas substantially pure hydrogen has a purity greater than 90%. The separation unit includes at least one hydrogen permeable and / or hydrogen selective membrane, and in some embodiments includes at least one membrane envelope that includes a pair of generally opposite membrane regions defining a collection conduit between them. and that are separated by a support.
Muchas otras características de la presente invención se pondrán de manifiesto para los expertos en la técnica al hacer referencia a la descripción detallada que sigue y las hojas de dibujos adjuntas en las que se describen las modalidades preferidas que incorporan los principios de esta invención como ejemplos ilustrativos solamente.Many other features of the present invention will become apparent to those skilled in the art by referring to the detailed description that follows and the accompanying drawing sheets describing the preferred embodiments incorporating the principles of this invention as illustrative examples. only.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
La Figura 1 es una vista esquemática de un dispositivo de purificación de hidrógeno. Figure 1 is a schematic view of a hydrogen purification device.
La Figura 2 es una vista esquemática en sección transversal de un dispositivo de purificación de hidrógeno que tiene una membrana de separación plana.Figure 2 is a schematic cross-sectional view of a hydrogen purification device having a flat separation membrane.
La Figura 3 es una vista esquemática en sección transversal de un dispositivo de purificación de hidrógeno que tiene una membrana de separación tubular.Figure 3 is a schematic cross-sectional view of a hydrogen purification device having a tubular separation membrane.
La Figura 4 es una vista esquemática en sección transversal de otro dispositivo de purificación de hidrógeno que tiene una membrana de separación tubular.Figure 4 is a schematic cross-sectional view of another hydrogen purification device having a tubular separation membrane.
La Figura 5 es una vista esquemática en sección transversal de otro recinto para un dispositivo de purificación de hidrógeno.Figure 5 is a schematic cross-sectional view of another enclosure for a hydrogen purification device.
La Figura 6 es una vista esquemática en sección transversal de otro recinto para un dispositivo de purificación de hidrógeno.Figure 6 is a schematic cross-sectional view of another enclosure for a hydrogen purification device.
La Figura 7 es un detalle parcial en sección transversal que muestra otra interfaz adecuada entre los componentes de un recinto para un dispositivo de purificación.Figure 7 is a partial cross-sectional detail showing another suitable interface between the components of an enclosure for a purification device.
La Figura 8 es un detalle parcial en sección transversal que muestra otra interfaz adecuada entre los componentes de un recinto para un dispositivo de purificación.Figure 8 is a partial cross-sectional detail showing another suitable interface between the components of an enclosure for a purification device.
La Figura 9 es un detalle parcial en sección transversal que muestra otra interfaz adecuada entre los componentes de un recinto para un dispositivo de purificación.Figure 9 is a partial cross-sectional detail showing another suitable interface between the components of an enclosure for a purification device.
La Figura 10 es un detalle parcial en sección transversal que muestra otra interfaz adecuada entre los componentes de un recinto para un dispositivo de purificación.Figure 10 is a partial cross-sectional detail showing another suitable interface between the components of an enclosure for a purification device.
La Figura 11 es una vista en planta superior de una placa de extremo para un dispositivo de purificación de hidrógeno que incluye los que se muestran en las Figuras 1-6.Figure 11 is a top plan view of an end plate for a hydrogen purification device that includes those shown in Figures 1-6.
La Figura 12 es una vista en sección transversal de la placa de extremo de la Figura 11.Figure 12 is a cross-sectional view of the end plate of Figure 11.
La Figura 13 es una vista en planta superior de una placa de extremo para un dispositivo de purificación de hidrógeno que incluye los que se muestran en las Figuras 1-6.Figure 13 is a top plan view of an end plate for a hydrogen purification device that includes those shown in Figures 1-6.
La Figura 14 es una vista en sección transversal de la placa de extremo de la Figura 13.Figure 14 is a cross-sectional view of the end plate of Figure 13.
La Figura 15 es una vista en planta superior de una placa de extremo para un dispositivo de purificación de hidrógeno que incluye los que se muestran en las Figuras 1-6.Figure 15 is a top plan view of an end plate for a hydrogen purification device that includes those shown in Figures 1-6.
La Figura 16 es una vista en sección transversal de la placa de extremo de la Figura 15.Figure 16 is a cross-sectional view of the end plate of Figure 15.
La Figura 17 es una vista en planta superior de una placa de extremo para un dispositivo de purificación de hidrógeno que incluye los que se muestran en las Figuras 1-6.Figure 17 is a top plan view of an end plate for a hydrogen purification device that includes those shown in Figures 1-6.
La Figura 18 es una vista en sección transversal de la placa de extremo de la Figura 17.Figure 18 is a cross-sectional view of the end plate of Figure 17.
La Figura 19 es una vista en planta superior de una placa de extremo de un recinto para un dispositivo de purificación de hidrógeno que incluye los que se muestran en las Figuras 1-6.Figure 19 is a top plan view of an end plate of an enclosure for a hydrogen purification device that includes those shown in Figures 1-6.
La Figura 20 es una vista en sección transversal de la placa de extremo de la Figura 19.Figure 20 is a cross-sectional view of the end plate of Figure 19.
La Figura 21 es una vista en planta superior de una placa de extremo de un recinto para un dispositivo de purificación de hidrógeno que incluye los que se muestran en las Figuras 1-6.Figure 21 is a top plan view of an end plate of an enclosure for a hydrogen purification device that includes those shown in Figures 1-6.
La Figura 22 es una vista en elevación lateral del inversor de molde de la Figura 21.Figure 22 is a side elevation view of the mold inverter of Figure 21.
La Figura 23 es una vista isométrica de la placa de extremo de la Figura 21.Figure 23 is an isometric view of the end plate of Figure 21.
La Figura 24 es una vista en sección transversal de la placa de extremo de la Figura 21.Figure 24 is a cross-sectional view of the end plate of Figure 21.
La Figura 25 es una vista en elevación lateral en sección transversal parcial de un recinto para un dispositivo de purificación de hidrógeno construido con un par de las placas de extremo mostradas en las Figuras 21-24.Figure 25 is a side elevation view in partial cross section of an enclosure for a hydrogen purification device constructed with a pair of the end plates shown in Figures 21-24.
La Figura 26 es una vista isométrica de otro dispositivo de purificación de hidrógeno.Figure 26 is an isometric view of another hydrogen purification device.
La Figura 27 es una vista en sección transversal del dispositivo de la Figura 26. Figure 27 is a cross-sectional view of the device of Figure 26.
La Figura 28 es una vista en elevación lateral de otra placa de extremo para un dispositivo de purificación de hidrógeno que incluye los que se muestran en las Figuras 1-6.Figure 28 is a side elevation view of another end plate for a hydrogen purification device that includes those shown in Figures 1-6.
La Figura 29 es una vista en elevación lateral de otra placa de extremo para un dispositivo de purificación de hidrógeno que incluye los que se muestran en las Figuras 1-6.Figure 29 is a side elevation view of another end plate for a hydrogen purification device that includes those shown in Figures 1-6.
La Figura 30 es una vista en elevación lateral de otra placa de extremo para un dispositivo de purificación de hidrógeno que incluye los que se muestran en las Figuras 1-6.Figure 30 is a side elevation view of another end plate for a hydrogen purification device that includes those shown in Figures 1-6.
La Figura 31 es una vista en elevación lateral parcial de un par de membranas de separación separadas por un soporte.Figure 31 is a partial side elevation view of a pair of separation membranes separated by a support.
La Figura 32 es una vista isométrica despiezada de una envoltura de la membrana que incluye un soporte en forma d una estructura de pantalla que tiene varias capas.Figure 32 is an exploded isometric view of a membrane envelope that includes a support in the form of a screen structure having several layers.
La Figura 33 es una vista isométrica despiezada de otra envoltura de la membrana.Figure 33 is an exploded isometric view of another membrane envelope.
La Figura 34 es una vista isométrica despiezada de otra envoltura de la membrana.Figure 34 is an exploded isometric view of another membrane envelope.
La Figura 35 es una vista isométrica despiezada de otra envoltura de la membrana.Figure 35 is an exploded isometric view of another membrane envelope.
La Figura 36 es una vista en sección transversal de una cubierta de un recinto para un dispositivo de purificación de hidrógeno con un marco de membrana ilustrativo y un módulo de membrana mostrado en líneas discontinuas.Figure 36 is a cross-sectional view of a cover of an enclosure for a hydrogen purification device with an illustrative membrane frame and a membrane module shown in broken lines.
La Figura 37 es una vista en planta superior de la placa de extremo de la Figura 13 con una membrana de separación y un marco ilustrativos que se muestran en líneas discontinuas.Figure 37 is a top plan view of the end plate of Figure 13 with a separating membrane and an illustrative frame shown in broken lines.
La Figura 38 es una vista en planta superior de la placa de extremo de la Figura 21 con una membrana de separación y un marco ilustrativos mostrados en líneas discontinuas.Figure 38 is a top plan view of the end plate of Figure 21 with a separation membrane and an illustrative frame shown in broken lines.
La Figura 39 es una vista isométrica despiezada de otro dispositivo de purificación de hidrógeno.Figure 39 is an exploded isometric view of another hydrogen purification device.
La Figura 40 es un diagrama esquemático de un sistema de procesamiento de combustible que incluye un procesador de combustible y un dispositivo de purificación de hidrógeno.Figure 40 is a schematic diagram of a fuel processing system that includes a fuel processor and a hydrogen purification device.
La Figura 41 es un diagrama esquemático de un sistema de procesamiento de combustible que incluye un procesador de combustible integrado con un dispositivo de purificación de hidrógeno.Figure 41 is a schematic diagram of a fuel processing system that includes a fuel processor integrated with a hydrogen purification device.
La Figura 42 es un diagrama esquemático de otro procesador de combustible que incluye un dispositivo de purificación de hidrógeno integrado.Figure 42 is a schematic diagram of another fuel processor that includes an integrated hydrogen purification device.
La Figura 43 es un diagrama esquemático de un sistema de célula de combustible que incluye un dispositivo de purificación de hidrógeno.Figure 43 is a schematic diagram of a fuel cell system that includes a hydrogen purification device.
Descripción detallada y mejor modo de la invenciónDetailed description and best mode of the invention
Un dispositivo de purificación de hidrógeno se ilustra esquemáticamente en la Figura 1 y generalmente se indica con 10.A hydrogen purification device is schematically illustrated in Figure 1 and is generally indicated by 10.
El dispositivo 10 incluye un cuerpo, o recinto, 12 que define un compartimiento interno 18 en el que se posiciona una unidad de separación 20. Una corriente de gas mixto 24 que contiene gas hidrógeno 26 y otros gases 28 se entrega al compartimiento interno. Más específicamente, la corriente de gas mixto se entrega a una región de gas mixto 30 del compartimiento interno y entra en contacto con la unidad de separación 20. La unidad de separación 20 incluye cualquier estructura adecuada adaptada para recibir la corriente de gas mixto y para producir a partir de la misma una corriente permeada o rica en hidrógeno. La corriente 34 típicamente contendrá gas hidrógeno puro o al menos sustancialmente puro, en donde el gas hidrógeno sustancialmente puro tiene una pureza superior al 90 %. Sin embargo, dentro del alcance de la invención, la corriente 34 puede incluir al menos inicialmente también un componente de gas portador o de barrido.The device 10 includes a body, or enclosure, 12 which defines an internal compartment 18 in which a separation unit 20 is positioned. A mixed gas stream 24 containing hydrogen gas 26 and other gases 28 is delivered to the internal compartment. More specifically, the mixed gas stream is delivered to a mixed gas region 30 of the internal compartment and comes into contact with the separation unit 20. The separation unit 20 includes any suitable structure adapted to receive the mixed gas stream and to produce a permeate or hydrogen rich stream therefrom. Stream 34 will typically contain pure or at least substantially pure hydrogen gas, wherein the substantially pure hydrogen gas has a purity greater than 90%. However, within the scope of the invention, stream 34 may at least initially also include a carrier or scanning gas component.
En la modalidad ilustrada, la porción de la corriente de gas mixto que pasa a través de la unidad de separación entra en una región de permeado 32 del compartimiento interno. Esta porción de la corriente de gas mixto forma una corriente rica en hidrógeno 34, y la porción de la corriente de gas mixto que no pasa a través de la unidad de separación forma una corriente de subproducto 36, que contiene al menos una porción sustancial de los otros gases. En algunas modalidades, la corriente de subproducto 36 puede contener una porción del gas hidrógeno presente en la corriente de gas mixto. La unidad de separación puede adaptarse para atrapar o, de cualquier otra manera, retener al menos una porción sustancial de los otros gases, que se eliminarán como una corriente de subproducto a medida que la unidad se reemplace, se regenere o de cualquier otra manera se recargue. En la Figura 1, se entiende que las corrientes 24-28 representan esquemáticamente que cada una de las corrientes 24-28 puede incluir más de una corriente real que entra o sale del dispositivo 10. Por ejemplo, el dispositivo 10 puede recibir múltiples corrientes de alimentación 24, una sola corriente 24 que se divide en múltiples corrientes antes de entrar en contacto con la unidad de separación 20, o simplemente una sola corriente que se entrega en el compartimiento 18. In the illustrated embodiment, the portion of the mixed gas stream that passes through the separation unit enters a permeate region 32 of the internal compartment. This portion of the mixed gas stream forms a hydrogen rich stream 34, and the portion of the mixed gas stream that does not pass through the separation unit forms a byproduct stream 36, which contains at least a substantial portion of The other gases. In some embodiments, the byproduct stream 36 may contain a portion of the hydrogen gas present in the mixed gas stream. The separation unit can be adapted to trap or, in any other way, retain at least a substantial portion of the other gases, which will be removed as a byproduct stream as the unit is replaced, regenerated or otherwise recharge In Figure 1, it is understood that currents 24-28 schematically represent that each of currents 24-28 can include more than one real current entering or leaving device 10. For example, device 10 can receive multiple currents from power 24, a single current 24 that is divided into multiple currents before coming into contact with the separation unit 20, or simply a single current that is delivered in the compartment 18.
El dispositivo 10 se hace funcionar típicamente a temperaturas y/o presiones elevadas. Por ejemplo, el dispositivo 10 puede hacerse funcionar a temperaturas (seleccionadas) en el rango de temperaturas ambiente de hasta 700 °C o más. En muchas modalidades, la temperatura seleccionada estará en el rango de 200 °C y 500 °C, en otras modalidades, la temperatura seleccionada estará en el rango de 250 °C y 400 °C y en aún otras modalidades, la temperatura seleccionada será de 400 °C ± o bien 25 °C, 50 °C o 75 °C. El dispositivo 10 puede hacerse funcionar a presiones (seleccionadas) en el rango de aproximadamente 344,7 kPa (50 psi) y 6894,8 kPa (1000 psi) o más. En muchas modalidades, la presión seleccionada estará en el rango de 344,7 kPa (50 psi) y 1723,7 kPa (250 psi) o 3447,4 kPa (500 psi), en otras modalidades, la presión seleccionada será menor que 2068,4 kPa (300 psi) o menor que 1723,7 kPa (250 psi), y aún en otras modalidades, la presión seleccionada será de 1206,6 kPa (175 psi) ± 172,4 kPa (25 psi), 344,7 kPa (50 psi) o 517,1 kPa (75 psi). Como resultado, el recinto debe estar lo suficientemente bien sellado para alcanzar y soportar la presión de funcionamiento.The device 10 is typically operated at elevated temperatures and / or pressures. For example, the device 10 can be operated at temperatures (selected) in the range of ambient temperatures of up to 700 ° C or more. In many modalities, the selected temperature will be in the range of 200 ° C and 500 ° C, in other modalities, the selected temperature will be in the range of 250 ° C and 400 ° C and in still other modalities, the selected temperature will be 400 ° C ± or 25 ° C, 50 ° C or 75 ° C. The device 10 can be operated at pressures (selected) in the range of approximately 344.7 kPa (50 psi) and 6894.8 kPa (1000 psi) or more. In many modalities, the selected pressure will be in the range of 344.7 kPa (50 psi) and 1723.7 kPa (250 psi) or 3447.4 kPa (500 psi), in other modalities, the selected pressure will be less than 2068 , 4 kPa (300 psi) or less than 1723.7 kPa (250 psi), and even in other modalities, the selected pressure will be 1206.6 kPa (175 psi) ± 172.4 kPa (25 psi), 344, 7 kPa (50 psi) or 517.1 kPa (75 psi). As a result, the enclosure must be sufficiently sealed to reach and withstand the operating pressure.
Debe entenderse que como se usa en la presente descripción con referencia a los parámetros de funcionamiento como temperatura o presión, el término "seleccionado" se refiere a valores umbrales o rangos de valores definidos o predeterminados, con el dispositivo 10 y cualquier componente asociado que se configure para que funcione en o dentro de estos valores seleccionados. Para una ilustración adicional, una temperatura de funcionamiento seleccionada puede ser una temperatura de funcionamiento por encima o por debajo de una temperatura específica, dentro de un rango específico de temperaturas, o dentro de una tolerancia definida de una temperatura específica, tal como dentro del 5 %, 10 %, etc. de una temperatura especifica.It should be understood that as used herein with reference to operating parameters such as temperature or pressure, the term "selected" refers to threshold values or ranges of defined or predetermined values, with device 10 and any associated components that are configure to work on or within these selected values. For a further illustration, a selected operating temperature may be an operating temperature above or below a specific temperature, within a specific temperature range, or within a defined tolerance of a specific temperature, such as within 5 %, 10%, etc. of a specific temperature.
En las modalidades en las que el dispositivo funciona a una temperatura de funcionamiento elevada, debe aplicarse calor al dispositivo para elevar la temperatura del dispositivo a la temperatura de funcionamiento seleccionada. Por ejemplo, este calor puede proporcionarse por cualquier unidad de calentamiento adecuada 42. Los ejemplos ilustrativos de la unidad de calentamiento 42 se han ilustrado esquemáticamente en la Figura 1. Debe entenderse que la unidad 42 puede tomar cualquier forma adecuada, que incluye en sí la corriente de gas mixto 24. Los ejemplos ilustrativos de otras unidades de calentamiento adecuadas incluyen uno o más de un calentador de resistencia, un quemador u otra región de combustión que produzca una corriente de escape calentada, intercambio de calor con una corriente de fluido calentado diferente a la corriente de gas mixto 24, etc. Cuando se usa un quemador u otra cámara de combustión, se consume una corriente de combustible y la corriente de subproducto 36 puede formar la totalidad o una porción de esta corriente de combustible. En 42' en la Figura 1, se han realizado representaciones esquemáticas para ilustrar que la unidad de calentamiento puede entregar el dispositivo externo de corriente de fluido calentado 10, tal como dentro de una chaqueta que rodea o rodea al menos parcialmente el recinto, por una corriente que se extiende hacia el recinto o a través de pasajes en el recinto, o mediante conducción, tal como con un calentador de resistencia eléctrica u otro dispositivo que irradia o conduce el calor generado eléctricamente.In the modes in which the device operates at a high operating temperature, heat must be applied to the device to raise the temperature of the device to the selected operating temperature. For example, this heat can be provided by any suitable heating unit 42. The illustrative examples of the heating unit 42 have been schematically illustrated in Figure 1. It should be understood that the unit 42 can take any suitable form, which itself includes the mixed gas stream 24. Illustrative examples of other suitable heating units include one or more of a resistance heater, a burner or other combustion region that produces a heated exhaust stream, heat exchange with a different heated fluid stream. to the mixed gas stream 24, etc. When a burner or other combustion chamber is used, a fuel stream is consumed and the byproduct stream 36 can form all or a portion of this fuel stream. In 42 'in Figure 1, schematic representations have been made to illustrate that the heating unit can deliver the external heated fluid current device 10, such as within a jacket that surrounds or at least partially surrounds the enclosure, by a current extending to the enclosure or through passages in the enclosure, or by conduction, such as with an electric resistance heater or other device that radiates or conducts electrically generated heat.
Una estructura adecuada para la unidad de separación 20 es una o más membranas permeables al hidrógeno 46 y/o selectivas de hidrógeno. Las membranas pueden formarse por cualquier material permeable al hidrógeno adecuado para su uso en el entorno operativo y los parámetros en los que se hace funcionar el dispositivo de purificación 10. Los ejemplos de materiales adecuados para las membranas 46 incluyen paladio y aleaciones de paladio, y especialmente películas delgadas de tales metales y aleaciones de metales. Las aleaciones de paladio han demostrado ser particularmente eficaces, especialmente el paladio con 35 % en peso a 45 % en peso de cobre, tal como una membrana que contiene 40 % en peso de cobre. Estas membranas se forman típicamente a partir de una lámina delgada que tiene un grosor de aproximadamente 0,0254 mm (0,001 pulgadas). Sin embargo, está dentro del alcance de la presente invención, que las membranas puedan formarse a partir de otros materiales permeables al hidrógeno y/o selectivos al hidrógeno, que incluyen metales y aleaciones de metales diferentes a los descritos anteriormente, así como también materiales y composiciones no metálicas y que las membranas puedan tener grosores mayores o menores que los descritos anteriormente. Por ejemplo, la membrana puede hacerse más delgada, con un aumento proporcional en el flujo de hidrógeno. Los ejemplos de mecanismos adecuados para reducir el grosor de las membranas incluyen la laminación, la pulverización y el grabado. Un proceso de grabado adecuado se describe en la patente de Estados Unidos núm.A suitable structure for the separation unit 20 is one or more hydrogen permeable membranes 46 and / or hydrogen selective. The membranes can be formed by any hydrogen-permeable material suitable for use in the operating environment and the parameters in which the purification device is operated 10. Examples of suitable materials for the membranes 46 include palladium and palladium alloys, and especially thin films of such metals and metal alloys. Palladium alloys have proven to be particularly effective, especially palladium with 35% by weight to 45% by weight of copper, such as a membrane containing 40% by weight of copper. These membranes are typically formed from a thin sheet that is approximately 0.0254 mm (0.001 inches) thick. However, it is within the scope of the present invention, that the membranes can be formed from other hydrogen permeable and / or hydrogen selective materials, including metals and metal alloys other than those described above, as well as materials and non-metallic compositions and that the membranes may have greater or lesser thicknesses than those described above. For example, the membrane can be made thinner, with a proportional increase in the flow of hydrogen. Examples of suitable mechanisms to reduce the thickness of the membranes include lamination, spraying and etching. A suitable etching process is described in U.S. Patent No.
6,152,995. Ejemplos de varias membranas, configuraciones de membrana y métodos para preparar las mismas se describen en la patente de Estados Unidos núm. 6,221,117 y solicitud de patente de Estados Unidos con número de serie 09/812,499.6,152,995. Examples of various membranes, membrane configurations and methods for preparing them are described in U.S. Patent No. 6,221,117 and US patent application with serial number 09 / 812,499.
En la Figura 2, se muestran ejemplos ilustrativos de configuraciones adecuadas de las membranas 46. Como se muestra, la membrana 46 incluye una superficie de gas mixto 48 que se orienta para entrar en contacto con la corriente de gas mixto 24, y una superficie de permeado 50, que generalmente es opuesta a la superficie 48. En 52 también se muestran representaciones esquemáticas de sujeciones, que pueden ser cualquier estructura adecuada para soportar y/o posicionar las membranas u otras unidades de separación dentro del compartimiento 18. La patente y las solicitudes de patente citadas inmediatamente arriba también describen ejemplos ilustrativos de sujeciones adecuadas 52. En 46', la membrana 46 se ilustra como una lámina o película. En 46", la membrana se soporta por un soporte subyacente 54, tal como una malla o pantalla de metal expandido o una cerámica u otro material poroso. En 46"', la membrana se recubre o se forma sobre o de cualquier otra manera se une a un miembro poroso 56. Debe entenderse que las configuraciones de membrana descritas anteriormente se han ilustrado esquemáticamente en la Figura 2 y no pretenden representar todas las configuraciones posibles. In Figure 2, illustrative examples of suitable configurations of the membranes 46 are shown. As shown, the membrane 46 includes a mixed gas surface 48 that is oriented to contact the mixed gas stream 24, and a surface of permeate 50, which is generally opposite surface 48. In 52 schematic representations of fasteners are also shown, which may be any suitable structure to support and / or position the membranes or other separation units within compartment 18. The patent and the Patent applications cited immediately above also describe illustrative examples of suitable fasteners 52. In 46 ', the membrane 46 is illustrated as a sheet or film. At 46 ", the membrane is supported by an underlying support 54, such as an expanded metal mesh or screen or a ceramic or other porous material. At 46"', the membrane is coated or formed on or in any other way binds to a porous member 56. It should be understood that the membrane configurations described above have been schematically illustrated in Figure 2 and are not intended to represent all possible configurations.
Por ejemplo, aunque la membrana 46 se ilustra en la Figura 2 como que tiene una configuración plana, la membrana 46 también puede tener configuraciones no planas. Por ejemplo, la forma de la membrana puede definirse, al menos en parte, por la forma de un soporte 54 o miembro 56 sobre el cual la membrana se soporta y/o se forma. Como tal, las membranas 46 pueden tener configuraciones cóncavas, convexas u otras no planas, especialmente cuando el dispositivo 10 se hace funcionar a una presión elevada. Como otro ejemplo, la membrana 46 puede tener una configuración tubular, tal como se muestra en las Figuras 3 y 4.For example, although membrane 46 is illustrated in Figure 2 as having a flat configuration, membrane 46 may also have non-flat configurations. For example, the shape of the membrane can be defined, at least in part, by the shape of a support 54 or member 56 on which the membrane is supported and / or formed. As such, the membranes 46 may have concave, convex or other non-flat configurations, especially when the device 10 is operated at a high pressure. As another example, the membrane 46 may have a tubular configuration, as shown in Figures 3 and 4.
En la Figura 3, se muestra un ejemplo de una membrana tubular en la que la corriente de gas mixto se entrega al interior del tubo de membrana. En esta configuración, el interior del tubo de membrana define la región 30 del compartimiento interno, y la región de permeado 32 del compartimiento se encuentra fuera del tubo. En la Figura 3 se muestra un tubo de membrana adicional en líneas discontinuas para representar gráficamente que el dispositivo 10 puede incluir más de una membrana y/o más de una superficie de gas mixto 48. El dispositivo 10 también puede incluir más de dos membranas, y que la separación y/o configuración relativa de las membranas pueden variar.In Figure 3, an example of a tubular membrane is shown in which the mixed gas stream is delivered into the membrane tube. In this configuration, the interior of the membrane tube defines the region 30 of the internal compartment, and the permeate region 32 of the compartment is outside the tube. An additional membrane tube is shown in broken lines in Figure 3 to graphically represent that the device 10 may include more than one membrane and / or more than one mixed gas surface 48. The device 10 may also include more than two membranes, and that the separation and / or relative configuration of the membranes may vary.
En la Figura 4, se muestra otro ejemplo de un dispositivo de purificación de hidrógeno 10 que incluye membranas tubulares. En esta configuración ilustrada, el dispositivo 10 se configura de manera que la corriente de gas mixto se entrega al compartimiento 18 externo al tubo o tubos de membrana. En tal configuración, la superficie de gas mixto de un tubo de membrana es exterior a la superficie de permeado correspondiente, y la región de permeado se localiza dentro del tubo o tubos de membrana.In Figure 4, another example of a hydrogen purification device 10 including tubular membranes is shown. In this illustrated configuration, the device 10 is configured so that the mixed gas stream is delivered to the compartment 18 external to the tube or membrane tubes. In such a configuration, the mixed gas surface of a membrane tube is outside the corresponding permeate surface, and the permeate region is located within the membrane tube or tubes.
Las membranas tubulares pueden tener una variedad de configuraciones y construcciones, tales como las descritas anteriormente con respecto a las membranas planas mostradas en la Figura 2. Por ejemplo, los ejemplos ilustrativos de varias sujeciones 52, soportes 54 y miembros porosos 56 se muestran en las Figuras 3 y 4, que incluyen un resorte 58, que se ha ilustrado esquemáticamente. Las membranas tubulares pueden tener una configuración diferente al tubo cilíndrico recto que se muestra en la Figura 3. Ejemplos de otras configuraciones incluyen tubos en forma de U y tubos helicoidales o en espiral.Tubular membranes can have a variety of configurations and constructions, such as those described above with respect to the flat membranes shown in Figure 2. For example, illustrative examples of various fasteners 52, brackets 54 and porous members 56 are shown in the Figures 3 and 4, which include a spring 58, which has been schematically illustrated. Tubular membranes may have a different configuration than the straight cylindrical tube shown in Figure 3. Examples of other configurations include U-shaped tubes and helical or spiral tubes.
Como se describió, el recinto 12 define un compartimiento presurizado 18 en el que se posiciona la unidad de separación 20. En las modalidades mostradas en las Figuras 2-4, el recinto 12 incluye un par de placas de extremo 60 que se unen por una cubierta perimetral 62. Debe entenderse que el dispositivo 10 se ha ilustrado esquemáticamente en las Figuras 2-4 para mostrar ejemplos representativos de los componentes generales del dispositivo sin la intención de limitarse a la geometría, forma y tamaño. Por ejemplo, las placas de extremo 60 típicamente son más gruesas que las paredes de la cubierta perimetral 62, pero esto no es necesario. De manera similar, el grosor de las placas de extremo puede ser mayor que, menor que o igual que la distancia entre las placas de extremo. Como un ejemplo adicional, el grosor de la membrana 46 se ha exagerado con fines de ilustración.As described, enclosure 12 defines a pressurized compartment 18 in which the separation unit 20 is positioned. In the embodiments shown in Figures 2-4, enclosure 12 includes a pair of end plates 60 that are joined by a perimeter cover 62. It should be understood that the device 10 has been schematically illustrated in Figures 2-4 to show representative examples of the general components of the device without the intention of being limited to the geometry, shape and size. For example, the end plates 60 are typically thicker than the walls of the perimeter cover 62, but this is not necessary. Similarly, the thickness of the end plates may be greater than, less than or equal to the distance between the end plates. As a further example, the thickness of the membrane 46 has been exaggerated for purposes of illustration.
En las Figuras 2-4, puede verse que la corriente de gas mixto 24 se entrega al compartimiento 18 a través de un puerto de entrada 64, la corriente rica en hidrógeno 34 (o permeada) se elimina del dispositivo 10 a través de uno o más puertos de producto 66, y la corriente de subproducto se elimina del dispositivo 10 a través de uno o más puertos de subproducto 68. En la Figura 2, se muestran los puertos que se extienden a través de varias placas de extremo para ilustrar que la localización particular en el recinto 12 desde la cual se entregan a y se eliminan las corrientes de gas del dispositivo 10 puede variar. Una o más de las corrientes pueden entregarse o retirarse a través de la cubierta 62, tal como se ilustra en líneas discontinuas en la Figura 3. Los puertos 64-68 pueden incluir o asociarse con estructuras de acoplamiento y/o reguladoras de flujo. Los ejemplos de estas estructuras incluyen una o más de las válvulas, reguladores de flujo y presión, conectores u otros accesorios y/o conjuntos de colectores que se configuran para interconectar el dispositivo 10 de manera permanente o selectivamente de manera fluida con los componentes aguas arriba y aguas abajo. Para propósitos de ilustración, estas estructuras reguladoras de flujo y/o de acoplamiento generalmente se indican en 70 en la Figura 2. Para propósitos de brevedad, las estructuras 70 no se han ilustrado en todas las modalidades. En su lugar, debe entenderse que algunos o todos los puertos para una modalidad particular del dispositivo 10 pueden incluir cualquiera o todas estas estructuras, que cada puerto no necesita tener la misma estructura 70, si la hay, y que dos o más puertos pueden, en algunas modalidades, compartir o utilizar colectivamente la estructura 70, tal como un colector común de recogida o entrega, válvula de alivio de presión, válvula de flujo de fluidos, etc.In Figures 2-4, it can be seen that the mixed gas stream 24 is delivered to the compartment 18 through an inlet port 64, the hydrogen rich stream 34 (or permeate) is removed from the device 10 through one or more product ports 66, and the byproduct stream is removed from the device 10 through one or more byproduct ports 68. In Figure 2, the ports extending through several end plates are shown to illustrate that the Particular location in the enclosure 12 from which the gas streams of the device 10 are delivered to and removed may vary. One or more of the currents can be delivered or removed through the cover 62, as illustrated in broken lines in Figure 3. Ports 64-68 may include or be associated with coupling and / or flow regulating structures. Examples of these structures include one or more of the valves, flow and pressure regulators, connectors or other accessories and / or manifold assemblies that are configured to interconnect the device 10 permanently or selectively fluidly with the upstream components. and downstream. For purposes of illustration, these flow regulating and / or coupling structures are generally indicated in 70 in Figure 2. For brevity purposes, structures 70 have not been illustrated in all modalities. Instead, it should be understood that some or all of the ports for a particular mode of the device 10 may include any or all of these structures, that each port does not need to have the same structure 70, if any, and that two or more ports may, in some embodiments, share or use structure 70 collectively, such as a common collection or delivery manifold, pressure relief valve, fluid flow valve, etc.
Las placas de extremo 60 y la cubierta perimetral 62 se aseguran entre sí mediante una estructura de retención 72. La estructura 72 puede tomar cualquier forma adecuada capaz de mantener los componentes del recinto 12 juntos en una configuración hermética a los fluidos o sustancialmente hermética a los fluidos en los parámetros y condiciones de funcionamiento en las que se usa el dispositivo 10. Los ejemplos de estructuras adecuadas 72 incluyen las soldaduras 74 y los pernos 76, como se muestra en las Figuras 2 y 3. En la Figura 3, se muestran los pernos 76 que se extienden a través de las bridas 78 que se extienden desde los componentes del recinto 12 que van a unirse. En la Figura 4, se muestran los pernos 76 que se extienden a través del compartimiento 18. Debe entenderse que la cantidad de pernos puede variar, y típicamente incluirá una pluralidad de pernos o mecanismos de sujeción similares que se extienden alrededor del perímetro del recinto 18. Los pernos 76 deben seleccionarse para poder soportar los parámetros y condiciones de funcionamiento del dispositivo 10, que incluyen la tensión impartida a los pernos cuando el dispositivo 10 se presuriza. The end plates 60 and the perimeter cover 62 are secured together by a retaining structure 72. The structure 72 can take any suitable form capable of holding the components of the enclosure 12 together in a fluid tight or substantially air tight configuration. fluids in the parameters and operating conditions in which the device 10 is used. Examples of suitable structures 72 include welds 74 and bolts 76, as shown in Figures 2 and 3. In Figure 3, the bolts 76 extending through the flanges 78 extending from the components of the enclosure 12 to be joined. In Figure 4, the bolts 76 extending through the compartment 18 are shown. It should be understood that the number of bolts may vary, and will typically include a plurality of bolts or similar fastening mechanisms that extend around the perimeter of the enclosure 18 Bolts 76 must be selected to be able to withstand the parameters and operating conditions of the device 10, which include the tension imparted to the bolts when the device 10 is pressurized.
En las mitades inferiores de las Figuras 3 y 4, se muestra que las juntas 80 ilustran que el recinto 12 puede, pero no necesariamente, incluir un miembro de sello 82 que se interconecta o abarca las superficies que van a unirse para mejorar la resistencia a la fuga del recinto. El miembro de sello debe seleccionarse para reducir o eliminar las fugas cuando se usa en los parámetros de funcionamiento y bajo las condiciones de funcionamiento del dispositivo. Por lo tanto, en muchas modalidades, deben seleccionarse sellos de alta presión y/o alta temperatura. Un ejemplo ilustrativo, no exclusivo de tal estructura de sellado es una junta de grafito, tal como la que vende Union Carbide bajo el nombre comercial GRAFOIL™. Como se usa en la presente descripción, "miembro de sello" y "miembro de sellado" se refieren a estructuras o materiales aplicados a, colocados entre, o colocados en contacto con las placas de extremo metálicas y la cubierta (o porciones de cubierta) para mejorar el sello establecido entre las mismas. Las juntas u otros miembros de sellado también pueden usarse en el compartimiento interno 18, tal como para proporcionar sellos entre membranas adyacentes, conductos de fluido, sujeciones o soportes, y/o cualquiera de los anteriores con la superficie interior del recinto 12.In the lower halves of Figures 3 and 4, it is shown that the gaskets 80 illustrate that the enclosure 12 may, but not necessarily, include a seal member 82 that interconnects or encompasses the surfaces to be joined to improve the resistance to the escape of the enclosure. The seal member must be selected to reduce or eliminate leaks when used in the operating parameters and under the operating conditions of the device. Therefore, in many modalities, high pressure and / or high temperature seals must be selected. An illustrative, non-exclusive example of such a sealing structure is a graphite gasket, such as that sold by Union Carbide under the trade name GRAFOIL ™. As used herein, "seal member" and "seal member" refer to structures or materials applied to, placed between, or placed in contact with the metal end plates and the cover (or cover portions) to improve the seal established between them. The seals or other sealing members may also be used in the internal compartment 18, such as to provide seals between adjacent membranes, fluid conduits, fasteners or supports, and / or any of the foregoing with the interior surface of the enclosure 12.
En las Figuras 2-4, los recintos ilustrados incluyen un par de placas de extremo 60 y una cubierta 62. Con referencia a la Figura 4, puede verse que las placas de extremo incluyen regiones de sellado 90, que forman una interfaz 94 con una región de sellado correspondiente 92 de la cubierta 62. En muchas modalidades, la región de sellado de la placa de extremo 60 será una región perimetral, y como tal, la región de sellado 90 a menudo se denominará en la presente descripción como una región perimetral 90 de la placa de extremo. Sin embargo, como se usa en la presente descripción, la región perimetral se refiere a la región de la placa de extremo que se extiende generalmente alrededor de la región central y que forma una interfaz con una porción de la cubierta, incluso si hay porciones o bordes adicionales de la placa de extremo que se proyecta más allá de esta porción perimetral. De manera similar, la región de sellado 92 de la cubierta 62 será típicamente una región de extremo de la cubierta. En consecuencia, la región de sellado de la cubierta se denominará a menudo en la presente descripción como región de extremo 92 de la cubierta. Las placas de extremo 60 pueden tener porciones que se proyectan hacia fuera más allá de la región de sellado 90 y la interfaz 94 formada con la cubierta 62, y esa cubierta 62 puede tener regiones que sobresalgan más allá de la placa de extremo 60 y la interfaz formada con la misma. Estas porciones se ilustran en líneas discontinuas en la Figura 4 en 91 y 93 para fines de ilustración gráfica.In Figures 2-4, the enclosures illustrated include a pair of end plates 60 and a cover 62. With reference to Figure 4, it can be seen that the end plates include sealing regions 90, which form an interface 94 with a corresponding sealing region 92 of the cover 62. In many embodiments, the sealing region of the end plate 60 will be a perimeter region, and as such, the sealing region 90 will often be referred to herein as a perimeter region 90 of the end plate. However, as used in the present description, the perimeter region refers to the region of the end plate that generally extends around the central region and forms an interface with a portion of the cover, even if there are portions or Additional edges of the end plate that projects beyond this perimeter portion. Similarly, the sealing region 92 of the cover 62 will typically be an end region of the cover. Accordingly, the sealing region of the cover will often be referred to herein as the end region 92 of the cover. The end plates 60 may have portions projecting outwardly beyond the sealing region 90 and the interface 94 formed with the cover 62, and that cover 62 may have regions protruding beyond the end plate 60 and the interface formed with it. These portions are illustrated in broken lines in Figure 4 at 91 and 93 for graphic illustration purposes.
Como alternativa a un par de placas de extremo 60 unidas por una cubierta perimetral separada 62, el recinto 12 puede incluir una cubierta que se integre al menos parcialmente o bien con una o ambas de las placas de extremo. Por ejemplo, en la Figura 5, una porción 63 de la cubierta 62 se forma integralmente con cada placa de extremo 60. Descrito de otra manera, cada placa de extremo 60 incluye porciones de cubierta, o collares, 63 que se extienden desde la región perimetral 90 de la placa de extremo. Como se muestra, las porciones de cubierta incluyen regiones de extremo 92 que se intersecan en una interfaz 94. En la modalidad ilustrada, las regiones de extremo colindan entre sí sin una región de solapamiento; la interfaz 94 puede tener otras configuraciones, tales como las ilustradas y/o descritas posteriormente. Las regiones de extremo 92 se aseguran juntas mediante cualquier mecanismo adecuado, tal como mediante cualquiera de las estructuras de retención 72 descritas anteriormente, y pueden (pero no necesariamente) incluir un miembro de sello 82 además de las superficies en contacto de las regiones de extremo 92.As an alternative to a pair of end plates 60 joined by a separate perimeter cover 62, the enclosure 12 may include a cover that integrates at least partially or with one or both of the end plates. For example, in Figure 5, a portion 63 of the cover 62 is integrally formed with each end plate 60. Described differently, each end plate 60 includes cover portions, or collars, 63 extending from the region 90 perimeter of the end plate. As shown, the cover portions include end regions 92 that intersect at an interface 94. In the illustrated embodiment, the end regions collide with each other without an overlapping region; interface 94 may have other configurations, such as those illustrated and / or described later. The end regions 92 are secured together by any suitable mechanism, such as by any of the retention structures 72 described above, and may (but not necessarily) include a seal member 82 in addition to the contact surfaces of the end regions. 92.
Un beneficio de que la cubierta 62 se forme de manera integral con al menos una de las placas de extremo es que el recinto tiene una interfaz menos que debe sellarse. Este beneficio puede realizarse mediante una reducción de fugas debido a la cantidad reducida de sellos que podrían fallar, menos componentes y/o un tiempo de ensamble reducido para el dispositivo 10. Otro ejemplo de tal construcción para el recinto 12 se muestra en la Figura 6, en la que la cubierta 62 se forma integralmente con una de las placas de extremo, con una porción de cubierta 63 que se extiende integralmente desde la región perimetral 90 de una de las placas de extremo. La porción de cubierta 63 incluye una región de extremo 92 que forma una interfaz 94 con la región perimetral 90 de la otra placa de extremo a través de cualquier estructura de retención adecuada 72, tal como las descritas anteriormente. La placa de extremo combinada y los componentes de cubierta mostrados en las Figuras 5 y 6 pueden formarse mediante cualquier mecanismo adecuado, que incluye el mecanizado de estos a partir de una barra sólida o bloque de material. Para propósitos de simplicidad, la unidad de separación 20 y los puertos de entrada y salida no se han ilustrado en las Figuras 5 y 6 y solo se muestran ejemplos ilustrativos, no exclusivos de la estructura de retención adecuada 72. Similar a los otros recintos ilustrados y descritos en la presente descripción, debe entenderse que las dimensiones relativas del recinto pueden variar. Por ejemplo, las porciones de cubierta 63 pueden tener longitudes que son más largas o más cortas que las ilustradas en las Figuras 5 y 6.One benefit of the cover 62 being formed integrally with at least one of the end plates is that the enclosure has an interface less than must be sealed. This benefit can be realized by reducing leaks due to the reduced number of seals that could fail, fewer components and / or a reduced assembly time for device 10. Another example of such a construction for enclosure 12 is shown in Figure 6. , wherein the cover 62 is integrally formed with one of the end plates, with a cover portion 63 that extends integrally from the perimeter region 90 of one of the end plates. The cover portion 63 includes an end region 92 that forms an interface 94 with the perimeter region 90 of the other end plate through any suitable retaining structure 72, such as those described above. The combined end plate and the cover components shown in Figures 5 and 6 can be formed by any suitable mechanism, which includes machining of these from a solid bar or block of material. For simplicity purposes, the separation unit 20 and the input and output ports have not been illustrated in Figures 5 and 6 and only illustrative examples, not exclusive to the appropriate retention structure 72, are shown. Similar to the other enclosures illustrated and described in the present description, it should be understood that the relative dimensions of the enclosure may vary. For example, the cover portions 63 may have lengths that are longer or shorter than those illustrated in Figures 5 and 6.
Antes de continuar con las configuraciones ilustrativas adicionales para las placas de extremo 60, se debe aclarar que tal como se usa en la presente descripción con relación a los recintos de los dispositivos 10, el término "interfaz" se refiere a la región de interconexión y sellado que se extiende entre las porciones del recinto 12 que se forman por separado y luego se aseguran juntos, tal como (pero no necesariamente) por una de las estructuras de retención 72 descritas anteriormente. La geometría específica y el tamaño de la interfaz 94 tenderán a variar, por ejemplo, en dependencia del tamaño, la configuración y la naturaleza de los componentes que se unen entre sí. Por lo tanto, la interfaz 94 puede incluir un sello de metal sobre metal formado entre las regiones de extremo correspondientes y las regiones perimetrales, un sello de metal sobre metal formado entre pares correspondientes de regiones de extremo, un sello de metal-junta-metal (u otro miembro de sello 82), etc. De manera similar, la interfaz puede tener una variedad de formas, que incluyen configuraciones lineales, arqueadas y rectilíneas que se definen en gran medida por la forma y la posición relativa de los componentes que se unen entre sí. Before continuing with the additional illustrative configurations for the end plates 60, it should be clarified that as used herein in relation to the enclosures of the devices 10, the term "interface" refers to the interconnection region and sealing that extends between the portions of the enclosure 12 that are formed separately and then secured together, such as (but not necessarily) by one of the retention structures 72 described above. The specific geometry and the size of the interface 94 will tend to vary, for example, depending on the size, configuration and nature of the components that join together. Therefore, the interface 94 may include a metal-on-metal seal formed between the corresponding end regions and the perimeter regions, a metal-on-metal seal formed between corresponding pairs of end regions, a metal-joint-metal seal (or other stamp member 82), etc. Similarly, the interface can have a variety of shapes, including linear, arched and rectilinear configurations that are largely defined by the shape and relative position of the components that join together.
Por ejemplo, en la Figura 6, una interfaz 94 se extiende entre la región de extremo 92 de la porción de cubierta 63 y la región perimetral 90 de la placa de extremo 60. Como se muestra, las regiones 90 y 92 se intersecan con los bordes paralelos. Como se describió, una junta u otro miembro de sello puede extenderse entre estos bordes. En las Figuras 7 10, se muestran ejemplos no exclusivos de interfaces adicionales 94. Las modalidades del recinto 12 que incluyen una interfaz 94 formada entre las regiones de cubierta adyacentes también pueden tener cualquiera de estas configuraciones. En la Figura 7, la región perimetral 90 define un rebaje o esquina en la cual la región de extremo 92 de la cubierta 62 se extiende para formar una interfaz 94 que se extiende alrededor de esta esquina. En la Figura 7 también se muestra la región central 96 de la placa de extremo 60, que, como se ilustra, se extiende dentro de la cubierta 62 y define una región de solapamiento con la misma.For example, in Figure 6, an interface 94 extends between the end region 92 of the cover portion 63 and the perimeter region 90 of the end plate 60. As shown, regions 90 and 92 intersect with the parallel edges. As described, a gasket or other seal member may extend between these edges. In Figures 7 10, non-exclusive examples of additional interfaces 94 are shown. The modes of the enclosure 12 that include an interface 94 formed between adjacent cover regions may also have any of these configurations. In Figure 7, the perimeter region 90 defines a recess or corner in which the end region 92 of the cover 62 extends to form an interface 94 that extends around this corner. Also shown in Figure 7 is the central region 96 of the end plate 60, which, as illustrated, extends into the cover 62 and defines an overlapping region therewith.
En la Figura 8, la región perimetral 90 define una esquina que se abre generalmente hacia el compartimiento 18, en oposición a la esquina de la Figura 7, que se abre generalmente lejos del compartimiento 18. En la configuración mostrada en la Figura 8, la región perimetral 90 incluye una porción de collar 98 que se extiende al menos parcialmente a lo largo de la superficie exterior 100 de la cubierta 62 para definir una región de solapamiento con la misma. La región central 96 de la placa 60 se muestra en líneas continuas que se extienden a lo largo de la región de extremo 92 sin extenderse en la cubierta 62, en líneas discontinuas que se extienden en la cubierta 62 y en líneas de rayas y puntos que incluyen un soporte interno 102 que se extiende al menos parcialmente a lo largo de la superficie interior 104 de la cubierta 60. Las Figuras 9 y 10 son similares a las Figuras 7 y 8, excepto que la región perimetral 90 y la región de extremo 92 se adaptan para acoplarse de manera roscada entre sí, y en consecuencia incluyen las roscas correspondientes 106 y 108. En líneas discontinuas en la Figura 9, se muestra un ejemplo adicional de una configuración adecuada para la región perimetral 90 de la placa de extremo 60. Como se muestra, el borde exterior 110 de la placa de extremo no se extiende radialmente (o hacia fuera) hasta o más allá de la superficie exterior de la cubierta 62.In Figure 8, the perimeter region 90 defines a corner that generally opens towards compartment 18, as opposed to the corner of Figure 7, which generally opens away from compartment 18. In the configuration shown in Figure 8, the perimeter region 90 includes a collar portion 98 that extends at least partially along the outer surface 100 of the cover 62 to define an overlapping region therewith. The central region 96 of the plate 60 is shown in continuous lines that extend along the end region 92 without extending in the cover 62, in broken lines that extend in the cover 62 and in dashed lines and dots that they include an internal support 102 that extends at least partially along the inner surface 104 of the cover 60. Figures 9 and 10 are similar to Figures 7 and 8, except that the perimeter region 90 and the end region 92 they are adapted to be threadedly coupled to each other, and accordingly include the corresponding threads 106 and 108. In broken lines in Figure 9, an additional example of a configuration suitable for the perimeter region 90 of the end plate 60 is shown. As shown, the outer edge 110 of the end plate does not extend radially (or outward) to or beyond the outer surface of the cover 62.
Debe entenderse que cualquiera de estas interfaces puede usarse con un recinto construido como se describe en la presente descripción. Sin embargo, para propósitos de brevedad, cada modalidad del recinto 12 no se mostrará con cada una de estas interfaces. Por lo tanto, aunque las placas de extremo descritas posteriormente mostradas en las Figuras 11-31 se muestran con la configuración de la interfaz de la Figura 7, está dentro del alcance de la invención que las placas de extremo y las cubiertas correspondientes pueden configurarse para tener cualquiera de las interfaces descritas y/o ilustradas en la presente descripción, así como también la configuración de la cubierta integrada descrita e ilustrada con respecto a las Figuras 5 y 6. De manera similar, debe entenderse que los dispositivos pueden tener cualquiera de las configuraciones del recinto, configuraciones de interfaz, configuraciones de estructura de retención, configuraciones de unidad de separación, estructuras de acoplamiento y/o reguladoras de flujo, configuraciones de miembros de sello y configuraciones de puertos, descritas y/o incorporadas en la presente descripción. De manera similar, aunque las siguientes configuraciones de la placa de extremo se ilustran con perímetros circulares, las placas de extremo pueden configurarse para tener perímetros con cualquier otra configuración geométrica, que incluye configuraciones arqueadas, rectilíneas y angulares, así como también sus combinaciones.It should be understood that any of these interfaces can be used with an enclosure constructed as described in the present description. However, for brevity purposes, each mode of enclosure 12 will not be shown with each of these interfaces. Therefore, although the end plates described below shown in Figures 11-31 are shown with the configuration of the interface of Figure 7, it is within the scope of the invention that the end plates and corresponding covers can be configured to have any of the interfaces described and / or illustrated in the present description, as well as the configuration of the integrated cover described and illustrated with respect to Figures 5 and 6. Similarly, it should be understood that the devices may have any of the enclosure configurations, interface configurations, retention structure configurations, separation unit configurations, coupling structures and / or flow regulators, seal member configurations and port configurations, described and / or incorporated herein. Similarly, although the following end plate configurations are illustrated with circular perimeters, the end plates can be configured to have perimeters with any other geometric configuration, which includes arched, rectilinear and angular configurations, as well as combinations thereof.
Como se describió, las dimensiones del dispositivo 10 y del recinto 12 también pueden variar. Por ejemplo, un recinto diseñado para alojar membranas de separación tubulares puede necesitar ser más largo (es decir, tener una mayor distancia entre las placas de extremo) que un recinto diseñado para alojar membranas de separación planas para proporcionar una cantidad comparable de área superficial de membrana expuesta a la corriente de gas mixto (es decir, la misma cantidad de área superficial efectiva de la membrana). De manera similar, un recinto configurado para alojar membranas de separación planas puede tender a ser más ancho (es decir, tener un área de sección transversal mayor medida generalmente paralela a las placas de extremo) que un recinto diseñado para alojar membranas de separación tubulares. Sin embargo, debe entenderse que ninguna de estas relaciones es necesaria, y que el tamaño específico del dispositivo y/o del recinto puede variar. Los factores que pueden afectar el tamaño específico del recinto incluyen el tipo y el tamaño de la unidad de separación que se va a alojar, los parámetros de funcionamiento en los que se usará el dispositivo, el régimen de flujo de la corriente de gas mixto 24, la forma y la configuración de los dispositivos, tales como unidades de calentamiento, procesadores de combustible y similares con los cuales o dentro de los cuales se usará el dispositivo, y hasta cierto punto, las preferencias del usuario.As described, the dimensions of device 10 and enclosure 12 may also vary. For example, an enclosure designed to accommodate tubular separation membranes may need to be longer (i.e. have a greater distance between the end plates) than an enclosure designed to accommodate flat separation membranes to provide a comparable amount of surface area of membrane exposed to the mixed gas stream (ie, the same amount of effective surface area of the membrane). Similarly, an enclosure configured to accommodate flat separation membranes may tend to be wider (i.e. have a larger measured cross-sectional area generally parallel to the end plates) than an enclosure designed to accommodate tubular separation membranes. However, it should be understood that none of these relationships is necessary, and that the specific size of the device and / or the enclosure may vary. Factors that may affect the specific size of the enclosure include the type and size of the separation unit to be housed, the operating parameters in which the device will be used, the flow rate of the mixed gas stream 24 , the shape and configuration of the devices, such as heating units, fuel processors and the like with which or within which the device will be used, and to some extent, user preferences.
Como se describió anteriormente, los dispositivos de purificación de hidrógeno pueden funcionar a temperaturas y/o presiones elevadas. Ambos de estos parámetros de funcionamiento pueden afectar el diseño de los recintos 12 y otros componentes de los dispositivos. Por ejemplo, considere un dispositivo de purificación de hidrógeno 10 operado a una temperatura de funcionamiento seleccionada por encima de una temperatura ambiente, tal como un dispositivo que funciona a 400 °C. Como cuestión inicial, el dispositivo, que incluye el recinto 12 y la unidad de separación 20, debe construirse a partir de un material que puede soportar la temperatura de funcionamiento seleccionada, y especialmente durante períodos prolongados de tiempo y/o con ciclos repetidos de calentamiento y enfriamiento. De manera similar, los materiales que se exponen a las corrientes de gas preferentemente no son reactivos o, al menos, no reaccionan perjudicialmente con los gases. Un ejemplo de un material adecuado es el acero inoxidable, tal como el acero inoxidable Tipo 304, aunque pueden usarse otros.As described above, hydrogen purification devices can operate at elevated temperatures and / or pressures. Both of these operating parameters can affect the design of the enclosures 12 and other components of the devices. For example, consider a hydrogen purification device 10 operated at a selected operating temperature above an ambient temperature, such as a device operating at 400 ° C. As an initial matter, the device, which includes the enclosure 12 and the separation unit 20, must be constructed from a material that can withstand the selected operating temperature, and especially for prolonged periods of time and / or with repeated heating cycles and cooling Similarly, materials that are exposed to gas streams are preferably not reactive or, at least, do not react negatively with gases. An example of a suitable material is stainless steel, such as Type 304 stainless steel, although others may be used.
Además de la estabilidad térmica y reactiva descrita anteriormente, el dispositivo de mando 10 a una temperatura elevada seleccionada requiere una o más unidades de calentamiento 42 para calentar el dispositivo a la temperatura de funcionamiento seleccionada. Cuando el dispositivo se hace funcionar inicialmente desde un estado de apagado o sin calentar, habrá un período de arranque inicial o de precalentamiento en el que el dispositivo se calienta a la temperatura de funcionamiento seleccionada. Durante este período, el dispositivo puede producir una corriente rica en hidrógeno que contiene más de un nivel aceptable de los otros gases, una corriente rica en hidrógeno que tiene un régimen de flujo reducido en comparación con la corriente o corrientes de subproducto (lo que significa que un mayor porcentaje del gas hidrógeno se agota como subproducto en lugar de producto), o incluso ninguna corriente rica en hidrógeno. Además del tiempo para calentar el dispositivo, también debe considerarse el calor o la energía térmica requerida para calentar el dispositivo a la temperatura seleccionada. La unidad o unidades de calentamiento pueden aumentar el costo de funcionamiento, el costo de los materiales y/o el costo del equipo del dispositivo. Por ejemplo, una placa de extremo simplificada 60 es una losa relativamente gruesa que tiene un grosor uniforme. De hecho, las placas de acero inoxidable Tipo 304 que tienen un grosor uniforme de 12,7 mm (0,5 ") o 19,05 mm (0,75 pulgadas) han demostrado ser efectivas para soportar y resistir los parámetros y condiciones de funcionamiento del dispositivo 10. Sin embargo, las dimensiones de estas placas agregan un peso considerable al dispositivo 10, y en muchas modalidades requieren una energía térmica considerable para calentarse a la temperatura de funcionamiento seleccionada. Como se usa en la presente descripción, el término "grosor uniforme" se refiere a dispositivos que tienen un grosor constante o al menos sustancialmente constante, que incluye aquellos que se desvían en grosor por unos pocos (menos del 5 %) a lo largo de sus longitudes. Por el contrario, y como se usa en la presente descripción, un "grosor variable" se referirá a un grosor que varía al menos un 10 %, y en algunas modalidades al menos un 25 %, 40 % o 50 %.In addition to the thermal and reactive stability described above, the control device 10 at a selected high temperature requires one or more heating units 42 to heat the device to the selected operating temperature. When the device is initially operated from an off or unheated state, there will be an initial start-up or preheat period in which the device is heated to the temperature of selected operation. During this period, the device can produce a hydrogen-rich stream that contains more than an acceptable level of the other gases, a hydrogen-rich stream that has a reduced flow rate compared to the by-product stream or streams (which means that a higher percentage of hydrogen gas is depleted as a byproduct instead of a product), or even no hydrogen rich stream. In addition to the time to heat the device, the heat or thermal energy required to heat the device to the selected temperature must also be considered. The heating unit or units may increase the operating cost, the cost of the materials and / or the cost of the device equipment. For example, a simplified end plate 60 is a relatively thick slab that has a uniform thickness. In fact, Type 304 stainless steel plates having a uniform thickness of 12.7 mm (0.5 ") or 19.05 mm (0.75 inches) have proven effective in supporting and resisting the parameters and conditions of operation of the device 10. However, the dimensions of these plates add considerable weight to the device 10, and in many modalities require considerable thermal energy to be heated to the selected operating temperature. As used herein, the term " uniform thickness "refers to devices that have a constant or at least substantially constant thickness, which includes those that deviate in thickness by a few (less than 5%) along their lengths. On the contrary, and as used In the present description, a "variable thickness" will refer to a thickness that varies at least 10%, and in some modalities at least 25%, 40% or 50%.
La presión a la que se hace funcionar el dispositivo 10 también puede afectar el diseño del dispositivo 10, que incluye el recinto 12 y la unidad de separación 20. Considere, por ejemplo, un dispositivo que funciona a una presión seleccionada de 1206,6 kPa (175 psi). El dispositivo 10 debe construirse para poder soportar las tensiones encontradas cuando se hace funcionar a la presión seleccionada. Este requisito de resistencia afecta no solo a los sellos formados entre los componentes del recinto 12, sino también a las tensiones impartidas a los propios componentes. Por ejemplo, la desviación u otra deformación de las placas de extremo y/o la cubierta pueden hacer que los gases dentro del compartimiento 18 se escapen del recinto. De manera similar, la desviación y/o deformación de los componentes del dispositivo también pueden causar una mezcla involuntaria de dos o más de las corrientes de gas 24, 34 y 36. Por ejemplo, una placa de extremo puede deformarse de manera plástica o elásticamente cuando se somete a los parámetros de funcionamiento bajo los cuales se usa el dispositivo 10. La deformación plástica da como resultado una deformación permanente de la placa de extremo, cuya desventaja parece bastante evidente. Sin embargo, la deformación elástica también puede impedir el funcionamiento del dispositivo, debido a que la deformación puede resultar en fugas internas y/o externas. Más específicamente, la deformación de las placas de extremo u otros componentes del recinto 12 puede permitir que los gases pasen a través de regiones donde anteriormente existían sellos herméticos. Como se describió, el dispositivo 10 puede incluir juntas u otros miembros de sello para reducir la tendencia de estos sellos a filtrarse, sin embargo, las juntas tienen un tamaño finito dentro del cual pueden prevenir o limitar de manera efectiva las fugas entre las superficies opuestas. Por ejemplo, las fugas internas pueden ocurrir en las modalidades que incluyen una o más envolturas de la membrana o placas de membrana comprimidas (con o sin juntas) entre las placas de extremo. A medida que las placas de extremo se deforman y se desvían entre sí, las placas y/o juntas pueden en esas regiones no estar bajo la misma tensión o compresión que existía antes de la deformación. Las juntas, o placas de juntas, pueden localizarse entre una envoltura de la membrana y las placas de alimentación adyacentes, placas de extremo y/u otras envolturas de la membrana adyacentes. De manera similar, las juntas o placas de junta también pueden posicionarse dentro de una envoltura de la membrana para proporcionar una prevención de fugas adicional dentro de la envoltura.The pressure at which the device 10 is operated can also affect the design of the device 10, which includes the enclosure 12 and the separation unit 20. Consider, for example, a device operating at a selected pressure of 1206.6 kPa (175 psi). The device 10 must be constructed to be able to withstand the voltages encountered when operating at the selected pressure. This resistance requirement affects not only the seals formed between the components of the enclosure 12, but also the stresses imparted to the components themselves. For example, the deflection or other deformation of the end plates and / or the cover can cause the gases inside the compartment 18 to escape from the enclosure. Similarly, the deviation and / or deformation of the components of the device can also cause an involuntary mixing of two or more of the gas streams 24, 34 and 36. For example, an end plate can deform plastic or elastically when subjected to the operating parameters under which the device 10 is used. The plastic deformation results in a permanent deformation of the end plate, whose disadvantage seems quite evident. However, elastic deformation can also impede the operation of the device, because deformation can result in internal and / or external leaks. More specifically, deformation of end plates or other components of enclosure 12 may allow gases to pass through regions where previously sealed seals existed. As described, the device 10 may include seals or other seal members to reduce the tendency of these seals to seep, however, the seals have a finite size within which they can effectively prevent or limit leaks between opposing surfaces. . For example, internal leaks may occur in modalities that include one or more membrane wraps or compressed membrane plates (with or without joints) between the end plates. As the end plates deform and deviate from each other, the plates and / or joints may in those regions not be under the same tension or compression that existed before deformation. The gaskets, or gasket plates, can be located between a membrane envelope and adjacent feeding plates, end plates and / or other adjacent membrane envelopes. Similarly, gaskets or gasket plates can also be positioned within a membrane envelope to provide additional leak prevention within the envelope.
En vista de lo anterior, puede observarse que hay dos o tres factores competitivos que deben ponderarse con respecto al dispositivo 10. En el contexto del recinto 12, los requisitos de calentamiento del recinto tenderán a aumentar a medida que los materiales usados para formar el recinto se espesen. Sin embargo, hasta cierto punto, el uso de materiales más gruesos puede aumentar la resistencia del recinto, también puede aumentar los requisitos de calentamiento y de material, y en algunas modalidades en realidad producen regiones en las que se imparten mayores tensiones en comparación con un recinto más delgado. Las áreas a monitorear en una placa de extremo incluyen la desviación de la placa de extremo, especialmente en las regiones perimetrales que forman la(s) interfaz(ces) 94, y las tensiones impartidas a la placa de extremo.In view of the above, it can be seen that there are two or three competitive factors that must be weighted with respect to the device 10. In the context of the enclosure 12, the enclosure heating requirements will tend to increase as the materials used to form the enclosure Thicken However, to a certain extent, the use of thicker materials can increase the strength of the enclosure, it can also increase the heating and material requirements, and in some modalities they actually produce regions where higher stresses are imparted compared to a thinner enclosure. The areas to be monitored on an end plate include the deviation of the end plate, especially in the perimeter regions that form the interface (s) 94, and the stresses imparted to the end plate.
Considere, por ejemplo, una placa de extremo circular formada de acero inoxidable Tipo 304 y que tiene un grosor uniforme de 19,05 mm (0,75 pulgadas). Tal placa de extremo pesa 3,4 kg (7,5 libras). Un dispositivo de purificación de hidrógeno que contiene esta placa de extremo fue expuesto a parámetros de funcionamiento de 400 °C y 1206,6 kPa (175 psi). Se impartieron tensiones máximas de 178,6 mPa (25,900 psi) a la placa de extremo, con una desviación máxima de 0,11 mm (0,0042 pulgadas) y una desviación en la región perimetral 90 de 0,064 mm (0,0025 pulgadas).Consider, for example, a circular end plate formed of Type 304 stainless steel and having a uniform thickness of 19.05 mm (0.75 inches). Such end plate weighs 3.4 kg (7.5 pounds). A hydrogen purification device containing this end plate was exposed to operating parameters of 400 ° C and 1206.6 kPa (175 psi). Maximum stresses of 178.6 mPa (25,900 psi) were imparted to the end plate, with a maximum deviation of 0.11 mm (0.0042 inches) and a deviation in the perimeter region 90 of 0.064 mm (0.0025 inches) ).
Otra placa de extremo 60 construida de acuerdo con la presente invención se muestra en las Figuras 11 y 12 y generalmente se indica en 120. Como se muestra, la placa de extremo 120 tiene superficies interior y exterior 122 y 124. La superficie interior 122 incluye la región central 96 y la región perimetral 90. La superficie exterior 124 tiene una región central 126 y una región perimetral 128, y en la modalidad ilustrada, la placa 120 tiene un perímetro 130 que se extiende entre las regiones perimetrales 90 y 128 de las superficies interior y exterior. Como se describió anteriormente, la región perimetral 90 puede tener cualquiera de las configuraciones ilustradas o descritas anteriormente, que incluye una configuración en la cual la región de sellado se localiza al menos parcial o completamente a lo largo del perímetro 130. En la modalidad ilustrada, el perímetro 130 tiene una configuración circular. Sin embargo, la forma puede variar, tal como, para incluir configuraciones rectilíneas y otras arqueadas, geométricas, lineales y/o esquinadas. Another end plate 60 constructed in accordance with the present invention is shown in Figures 11 and 12 and is generally indicated at 120. As shown, the end plate 120 has inner and outer surfaces 122 and 124. The inner surface 122 includes the central region 96 and the perimeter region 90. The outer surface 124 has a central region 126 and a perimeter region 128, and in the embodiment illustrated, the plate 120 has a perimeter 130 that extends between the perimeter regions 90 and 128 of the interior and exterior surfaces. As described above, the perimeter region 90 may have any of the configurations illustrated or described above, which includes a configuration in which the sealing region is located at least partially or completely along the perimeter 130. In the illustrated embodiment, the perimeter 130 has a circular configuration. However, the shape may vary, such as, to include rectilinear and other arched, geometric, linear and / or corner configurations.
Sin embargo, a diferencia de las placas de extremo ilustradas anteriormente, la región central de la placa de extremo tiene un grosor variable entre sus superficies interior y exterior, que quizás se vea mejor en la Figura 12. A diferencia de una losa de material uniforme, la superficie exterior de la placa 120 tiene una región central 126 que incluye una cavidad exterior, o región eliminada, 132 que se extiende hacia la placa y generalmente hacia la región central 96 en la superficie interior 122. Descrito de otra manera, la placa de extremo tiene una superficie exterior no plana, y más específicamente, una superficie exterior en la que al menos una porción de la región central se extiende hacia la región central correspondiente de la superficie interior de la placa de extremo. La región 132 reduce el peso total de la placa de extremo en comparación con una placa de extremo construida de manera similar que no incluye la región 132. Como se usa en la presente descripción, la región eliminada 132 pretende excluir los puertos u otros orificios que se extienden completamente a través de las placas de extremo. En cambio, la región 132 se extiende hacia la placa de extremo, pero no a través de ella.However, unlike the end plates illustrated above, the central region of the end plate has a variable thickness between its inner and outer surfaces, which may be better seen in Figure 12. Unlike a slab of uniform material , the outer surface of the plate 120 has a central region 126 that includes an outer cavity, or removed region, 132 that extends towards the plate and generally towards the central region 96 on the inner surface 122. Otherwise described, the plate end has a non-planar outer surface, and more specifically, an outer surface in which at least a portion of the central region extends towards the corresponding central region of the inner surface of the end plate. Region 132 reduces the total weight of the end plate compared to a similarly constructed end plate that does not include region 132. As used herein, the deleted region 132 is intended to exclude ports or other holes that They extend completely through the end plates. Instead, region 132 extends towards the end plate, but not through it.
Una reducción en el peso significa que un dispositivo de purificación 10 que incluye la placa de extremo será más ligero que un dispositivo de purificación correspondiente que incluye una placa de extremo construido de manera similar formada sin la región 132. Con la reducción de peso también viene una reducción correspondiente en la cantidad de calor (energía térmica) que debe aplicarse a la placa de extremo para calentar la placa de extremo a una temperatura de funcionamiento seleccionada. En la modalidad ilustrada, la región 132 también aumenta el área superficial de la superficie exterior 124. El aumento del área superficial de la placa de extremo en comparación con una placa de extremo correspondiente puede, pero no necesariamente en todas las modalidades, aumentar la superficie de transferencia de calor de la placa de extremo, que a su vez, puede reducir los requisitos de calentamiento y/o el tiempo de un dispositivo que contiene la placa de extremo 120.A reduction in weight means that a purification device 10 that includes the end plate will be lighter than a corresponding purification device that includes a similarly constructed end plate formed without region 132. With the weight reduction also comes a corresponding reduction in the amount of heat (thermal energy) that must be applied to the end plate to heat the end plate to a selected operating temperature. In the illustrated embodiment, the region 132 also increases the surface area of the outer surface 124. Increasing the surface area of the end plate compared to a corresponding end plate may, but not necessarily in all embodiments, increase the surface area. Heat transfer of the end plate, which in turn, can reduce the heating requirements and / or the time of a device containing the end plate 120.
En algunas modalidades, la placa 120 también puede describirse como que tiene una cavidad que corresponde a, o incluye, la región de tensión máxima en una placa de extremo construida de manera similar en la que la cavidad no estaba presente. En consecuencia, cuando se exponen a los mismos parámetros y condiciones de funcionamiento, se impartirán tensiones más bajas a la placa de extremo 120 que a una placa de extremo sólida formada sin la región 132. Por ejemplo, en la placa de extremo sólida con un grosor uniforme, la región de tensión máxima se produce dentro de la porción de la placa de extremo ocupada por la región eliminada 132 en la placa de extremo 120. En consecuencia, una placa de extremo con la región 132 puede describirse adicional o alternativamente como que tiene una estructura de reducción de tensión 134 en que se ha eliminado un área de tensión máxima que de cualquier otra manera se impartiría a la placa de extremo. In some embodiments, the plate 120 can also be described as having a cavity corresponding to, or including, the region of maximum tension in an end plate constructed in a similar manner in which the cavity was not present. Accordingly, when exposed to the same parameters and operating conditions, lower voltages will be imparted to the end plate 120 than to a solid end plate formed without region 132. For example, in the solid end plate with a uniform thickness, the region of maximum tension is produced within the portion of the end plate occupied by the region removed 132 in the end plate 120. Accordingly, an end plate with region 132 may be described additionally or alternatively as that it has a tension reduction structure 134 in which a maximum tension area that would otherwise be imparted to the end plate has been removed.
Para fines de comparación, considere una placa de extremo 120 que tiene la configuración mostrada en las Figuras 11 y 12, formada a partir de acero inoxidable Tipo 304 y que tiene un diámetro de 165,1 mm (6,5 pulgadas). Esta configuración corresponde al grosor máximo de la placa de 19,05 mm (0,75 pulgadas) y una región eliminada 132 que tiene una longitud y un ancho de 76,2 mm (3 pulgadas). Cuando se usa en un dispositivo 10 que funciona a 400 °C y 1206,6 kPa (175 psi), la placa 120 tiene una tensión máxima impartida a este de 248,2 mPa (36000 psi), una desviación máxima de 0,1981 mm (0,0078 pulgadas), un desplazamiento de 0,1397 mm (0,0055 pulgadas) en la región perimetral 90, y un peso de 2,59 kg (5,7 libras). Debe entenderse que las dimensiones y propiedades descritas anteriormente están destinadas a proporcionar un ejemplo ilustrativo de las combinaciones de peso, tensión y desplazamiento experimentadas por las placas de extremo descritas en la presente descripción y que la forma del perímetro específico, los materiales de construcción, el tamaño del perímetro, el grosor, la forma de la región eliminada, la profundidad de la región eliminada y el perímetro de la región eliminada pueden variar.For comparison purposes, consider an end plate 120 that has the configuration shown in Figures 11 and 12, formed from Type 304 stainless steel and has a diameter of 165.1 mm (6.5 inches). This configuration corresponds to the maximum plate thickness of 19.05 mm (0.75 inches) and a deleted region 132 having a length and width of 76.2 mm (3 inches). When used in a device 10 operating at 400 ° C and 1206.6 kPa (175 psi), the plate 120 has a maximum tension imparted to it of 248.2 mPa (36000 psi), a maximum deviation of 0.1981 mm (0.0078 inches), a displacement of 0.1397 mm (0.0055 inches) in the perimeter region 90, and a weight of 2.59 kg (5.7 pounds). It should be understood that the dimensions and properties described above are intended to provide an illustrative example of the combinations of weight, tension and displacement experienced by the end plates described in the present description and that the shape of the specific perimeter, the construction materials, the Perimeter size, thickness, the shape of the removed region, the depth of the deleted region and the perimeter of the deleted region may vary.
En la Figura 11, puede observarse que la región 132 (y/o la estructura de reducción de tensión 134) tiene una configuración generalmente cuadrada o rectilínea medida transversalmente a las superficies 122 y 124. Como se describió, pueden usarse otras geometrías y dimensiones y estar dentro del alcance de la invención. Para ilustrar este punto, las variaciones de la placa de extremo 120 se muestran en las Figuras 13-16 y generalmente se indica en 120' y 120". En estas Figuras, se muestra la región 132 que tiene un perímetro circular, con las dimensiones de la región que son más pequeñas en las Figuras 13 y 14 que en las Figuras 15 y 16.In Figure 11, it can be seen that region 132 (and / or tension reduction structure 134) has a generally square or rectilinear configuration measured transversely to surfaces 122 and 124. As described, other geometries and dimensions can be used and be within the scope of the invention. To illustrate this point, variations of the end plate 120 are shown in Figures 13-16 and generally indicated in 120 'and 120 ". In these Figures, the region 132 having a circular perimeter is shown, with the dimensions of the region that are smaller in Figures 13 and 14 than in Figures 15 and 16.
Para fines de comparación, considere una placa de extremo 120 que tiene la configuración mostrada en las Figuras 13 y 14 y que tiene los mismos materiales de construcción, perímetro y grosor que la placa de extremo mostrada en las Figuras 11 y 12. En lugar de la región eliminada generalmente cuadrada de las Figuras 11 y 12, sin embargo, la placa de extremo 120' tiene una región eliminada con un perímetro generalmente circular y un diámetro de 82,55 mm (3,25 pulgadas). La placa de extremo 120' pesa lo mismo que la placa de extremo 120, pero ha reducido la tensión máxima y las desviaciones. Más específicamente, mientras que la placa de extremo 120 tenía una tensión máxima mayor que 241,3 mPa (35 000 psi), la placa de extremo 120' tenía una tensión máxima menor que 206,8 mPa (30000 psi), y en la configuración ilustrada menor que 172,4 mPa (25 000 psi), cuando se somete a los parámetros de funcionamiento descritos anteriormente con respecto a la placa 120. De hecho, la placa 120' demostró aproximadamente una reducción del 35 % en la tensión máxima en comparación con la placa 120. Las desviaciones máximas y de la región perimetral de la placa 120' también fueron menores que las de la placa 120, con una desviación máxima medida de 0,178 mm (0,007 pulgadas) y una desviación medida en la región perimetral 90 de 0,127 mm (0,0050 pulgadas).For comparison purposes, consider an end plate 120 that has the configuration shown in Figures 13 and 14 and that has the same construction materials, perimeter and thickness as the end plate shown in Figures 11 and 12. Instead of the generally square deleted region of Figures 11 and 12, however, the end plate 120 'has a region removed with a generally circular perimeter and a diameter of 82.55 mm (3.25 inches). The end plate 120 'weighs the same as the end plate 120, but has reduced the maximum tension and deviations. More specifically, while the end plate 120 had a maximum tension greater than 241.3 mPa (35,000 psi), the end plate 120 'had a maximum tension less than 206.8 mPa (30,000 psi), and in the illustrated configuration less than 172.4 mPa (25 000 psi), when subjected to the operating parameters described above with respect to plate 120. In fact, plate 120 'demonstrated approximately a 35% reduction in maximum tension in comparison with plate 120. The maximum and perimeter region deviations of plate 120 'were also smaller than those of plate 120, with a maximum measured deviation of 0.178 mm (0.007 inches) and a measured deviation in the perimeter region 90 0.127 mm (0.0050 inches).
La placa de extremo 120", que se muestra en las Figuras 15 y 16 es similar a la placa de extremo 120', excepto que la región 132 (y/o la estructura 134) tiene un diámetro de 95,3 mm (3,75 pulgadas) en lugar de 82,6 mm (3,25 pulgadas). Este cambio en el tamaño de la región eliminada disminuye el peso de la placa de extremo a 2,4 kg (5,3 libras) y produce la misma desviación máxima. La placa de extremo 120" también demostró una tensión máxima inferior a 172,4 mPa (25 000 psi), aunque aproximadamente un 5 % mayor que la de la placa de extremo 120' (170,3 mPa (24 700 psi), en comparación con 162,0 mPa (23 500 psi)). En la región perimetral 90, la placa de extremo 120" exhibió una desviación máxima de 0,173 mm (0,0068 pulgadas).The end plate 120 ", shown in Figures 15 and 16 is similar to the end plate 120 ', except that region 132 (and / or structure 134) has a diameter of 95.3 mm (3, 75 inches) instead of 82.6 mm (3.25 inches) This change in the size of the removed region decreases the weight of the end plate to 2.4 kg (5.3 pounds) and produces The same maximum deviation. The 120 "end plate also demonstrated a maximum tension of less than 172.4 mPa (25 000 psi), although approximately 5% greater than that of the 120 '(170.3 mPa (24 700 psi) end plate, in comparison with 162.0 mPa (23,500 psi). In the perimeter region 90, end plate 120 "exhibited a maximum deviation of 0.173 mm (0.0068 inches).
En las Figuras 13-16, se han mostrado configuraciones del puerto ilustrativas. En las Figuras 13 y 14, se muestra un puerto 138 en líneas discontinuas que se extienden desde la superficie interior 122 a través de la placa de extremo hasta la superficie exterior 124. En consecuencia, con tal configuración, se entrega o se elimina una corriente de gas a través de la superficie exterior de la placa de extremo del dispositivo 10. En tal configuración, los conductos de fluido y/o la estructura de acoplamiento y/o reguladora de flujo 70 típicamente se proyectarán desde la superficie exterior de la placa de extremo 124. Otra configuración adecuada se indica en 140 en líneas discontinuas en las Figuras 15 y 16. Como se muestra, el puerto 140 se extiende desde la superficie interior de la placa de extremo y luego a través del perímetro 130 en lugar de la superficie exterior 124. En consecuencia, el puerto 140 permite que el gas se entregue o se elimine desde el perímetro de la placa de extremo en lugar de la superficie exterior de la placa de extremo. Debe entenderse que los puertos 64-68 pueden tener estas configuraciones ilustradas por los puertos 138 y 140. Por supuesto, los puertos 64-68 también pueden tener cualquier otra configuración de puerto adecuada, que incluye un puerto que se extiende a través de la cubierta 62 o una porción de la cubierta. Por razones de simplicidad, los puertos no se ilustrarán en muchas de las placas de extremo descritas posteriormente, tal como no se ilustraron en las Figuras 5 y 6.In Figures 13-16, illustrative port configurations have been shown. In Figures 13 and 14, a port 138 is shown in dashed lines extending from the inner surface 122 through the end plate to the outer surface 124. Accordingly, with such a configuration, a current is delivered or removed. of gas through the outer surface of the end plate of the device 10. In such a configuration, the fluid conduits and / or the coupling and / or flow regulator structure 70 will typically be projected from the outer surface of the plate end 124. Another suitable configuration is indicated at 140 in broken lines in Figures 15 and 16. As shown, port 140 extends from the inner surface of the end plate and then through the perimeter 130 instead of the surface exterior 124. Accordingly, port 140 allows gas to be delivered or removed from the perimeter of the end plate instead of the outer surface of the end plate. It should be understood that ports 64-68 may have these configurations illustrated by ports 138 and 140. Of course, ports 64-68 may also have any other suitable port configuration, which includes a port that extends through the cover. 62 or a portion of the cover. For simplicity, the ports will not be illustrated on many of the end plates described below, as they were not illustrated in Figures 5 and 6.
También se muestra en líneas discontinuas en las Figuras 13-15 son estructuras de guía 144. Las estructuras de guía 144 se extienden en el compartimiento 18 y proporcionan soportes que pueden usarse para posicionar y/o alinear la unidad de separación 20, tales como las membranas 46. En algunas modalidades, las estructuras de guía 144 pueden formar las sujeciones 52 para la unidad de separación. En otras modalidades, el dispositivo incluye sujeciones distintas de las estructuras de guía 144. Las estructuras de guía pueden usarse con cualquiera de las placas de extremo ilustradas, incorporadas y/o descritas en la presente descripción, independientemente de si se muestra alguna de tales estructuras de guía en una figura de dibujo particular. Sin embargo, también debe entenderse que los dispositivos de purificación de hidrógeno pueden formarse sin estructuras de guía 144. En las modalidades del dispositivo 10 que incluyen estructuras de guía 144 que se extienden en o a través del compartimiento 18, la cantidad de tales estructuras puede variar desde un único soporte hasta dos o más soportes. De manera similar, mientras que las estructuras de guía 144 se han ilustrado como nervios o proyecciones cilíndricas, pueden usarse otras formas y configuraciones.Also shown in broken lines in Figures 13-15 are guide structures 144. Guide structures 144 extend in compartment 18 and provide supports that can be used to position and / or align the separation unit 20, such as membranes 46. In some embodiments, guide structures 144 may form fasteners 52 for the separation unit. In other embodiments, the device includes fasteners other than the guide structures 144. The guide structures can be used with any of the end plates illustrated, incorporated and / or described in the present description, regardless of whether any such structure is shown guide in a particular drawing figure. However, it should also be understood that hydrogen purification devices can be formed without guide structures 144. In the embodiments of device 10 that include guide structures 144 extending in or through compartment 18, the amount of such structures may vary. from a single support to two or more supports. Similarly, while guide structures 144 have been illustrated as cylindrical ribs or projections, other shapes and configurations can be used.
Las estructuras de guía 144 pueden formarse a partir de los mismos materiales que las placas de extremo correspondientes. Adicional o alternativamente, las estructuras de guía pueden incluir un recubrimiento o capa de un material diferente. Las estructuras de guía 144 pueden formarse o bien por separado de las placas de extremo y posteriormente unirse a las mismas, o formarse integralmente con las mismas. Las estructuras de guía 144 pueden acoplarse a las placas de extremo mediante cualquier mecanismo adecuado, que incluyen unir las estructuras de guía a las superficies interiores de las placas de extremo, insertar las estructuras de guía en orificios que se extienden parcialmente a través de las placas de extremo desde las superficies interiores de las mismas, o insertar las estructuras de guía a través de los orificios que se extienden completamente a través de las placas de extremo. En las modalidades en las que las placas de extremo incluyen orificios que se extienden completamente a través de las placas de extremo (que se ilustran gráficamente con fines ilustrativos en 146 en la Figura 14), las estructuras de guía pueden fijarse posteriormente a las placas de extremo. Alternativamente, las estructuras de guía pueden insertarse a través del compartimiento 18 hasta que la unidad de separación se asigne y se asegure correctamente en el mismo, y luego las estructuras de guía pueden retirarse y sellarse los orificios (por ejemplo, mediante soldadura) para evitar fugas.The guide structures 144 can be formed from the same materials as the corresponding end plates. Additionally or alternatively, the guide structures may include a coating or layer of a different material. The guide structures 144 can be formed either separately from the end plates and subsequently attached to them, or formed integrally with them. The guide structures 144 can be coupled to the end plates by any suitable mechanism, including joining the guide structures to the inner surfaces of the end plates, inserting the guide structures into holes that partially extend through the plates end from the inner surfaces thereof, or insert the guide structures through the holes that extend completely through the end plates. In embodiments in which the end plates include holes that extend completely through the end plates (which are illustrated graphically for illustrative purposes in 146 in Figure 14), the guide structures can be subsequently attached to the plates. extreme. Alternatively, the guide structures can be inserted through the compartment 18 until the separation unit is properly assigned and secured therein, and then the guide structures can be removed and the holes sealed (for example, by welding) to avoid leaks
En las Figuras 17 y 18, se muestra otra placa de extremo 60 construida de acuerdo con la presente invención y generalmente se indica en 150. A menos que se especifique de cualquier otra manera, debe entenderse que las placas de extremo 150 pueden tener cualquiera de los miembros, submiembros y variaciones como cualquiera de las otras placas de extremo mostradas, descritas y/o incorporadas en la presente descripción. Similar a la placa de extremo 120', la placa 150 incluye una superficie exterior 124 con una región eliminada 132 (y/o estructura de reducción de tensión 134) que tiene un perímetro circular con un diámetro de 82,6 mm (3,25 pulgadas). La superficie exterior 124 incluye además una región exterior eliminada 152 que se extiende desde la región central 126 hasta la porción perimetral 128. La región exterior eliminada 152 disminuye en grosor a medida que se aproxima al perímetro 130. En la modalidad ilustrada, la región 152 tiene una reducción generalmente lineal en el grosor, aunque pueden usarse otras transiciones lineales y arqueadas. Por ejemplo, una variación de la placa de extremo 150 se muestra en las Figuras 19 y 20 y generalmente se indica en 150'. La placa de extremo 150' también incluye las regiones central y exterior eliminadas 132 y 152, con la superficie exterior 124 que tiene una configuración generalmente semitoroidal ya que se extiende desde la región central 126 hasta la región perimetral 128. Para demostrar que el tamaño de la región 132 (que también se denominará como una región central eliminada, tal como cuando se incorpora en una placa de extremo que también incluye una región externa eliminada), puede variar, la placa de extremo 150' incluye una región central eliminada que tiene un diámetro de 76,2 mm (3 pulgadas).In Figures 17 and 18, another end plate 60 constructed in accordance with the present invention is shown and generally indicated at 150. Unless otherwise specified, it should be understood that end plates 150 may have any of members, sub-members and variations as any of the other end plates shown, described and / or incorporated in the present description. Similar to end plate 120 ', plate 150 includes an outer surface 124 with a removed region 132 (and / or tension reduction structure 134) having a circular perimeter with a diameter of 82.6 mm (3.25 inches). The outer surface 124 further includes a removed outer region 152 which extends from the central region 126 to the perimeter portion 128. The removed outer region 152 decreases in thickness as it approaches perimeter 130. In the embodiment illustrated, region 152 It has a generally linear reduction in thickness, although other linear and arched transitions can be used. For example, a variation of end plate 150 is shown in Figures 19 and 20 and is generally indicated at 150 '. The end plate 150 'also includes the removed central and outer regions 132 and 152, with the outer surface 124 having a generally semitoroidal configuration since it extends from the central region 126 to the perimeter region 128. To demonstrate that the size of region 132 (which will also be referred to as a deleted central region, such as when incorporated into an end plate that also includes a removed outer region), may vary, end plate 150 'includes a deleted central region having a diameter of 76.2 mm (3 inches).
Para fines de comparación, ambas placas de extremo 150 y 150' tienen pesos reducidos en comparación con las placas de extremo 120, 120' y 120". La placa 150 pesaba 2,1 kg (4,7 libras) y la placa 150' pesaba 2,3 kg (5,1 libras). Ambas placas de extremo 150 y 150' experimentaron tensiones máximas de 172,4 mPa (25 000 psi) o menos cuando se les sometió a los parámetros de funcionamiento descritos anteriormente (400 °C y 1206,6 kPa (175 psi)), con la placa 150' que tiene un 5 % menos de tensión que la placa 150 (163,8 mPa (23 750 psi) en comparación con 172,4 mPa (25 000 psi)). La desviación máxima de las placas fue 0,249 mm (0,0098 pulgadas) y 0,203 mm (0,008 pulgadas), respectivamente, y el desplazamiento en las regiones perimetrales 90 fue 0,155 mm (0,0061 pulgadas) y 0,150 mm (0,0059 pulgadas), respectivamente.For comparison purposes, both end plates 150 and 150 'have reduced weights compared to end plates 120, 120' and 120 ". Plate 150 weighed 2.1 kg (4.7 pounds) and plate 150 ' Weighed 2.3 kg (5.1 lbs.) Both 150 and 150 'end plates experienced maximum stresses of 172.4 mPa (25,000 psi) or less when subjected to the operating parameters described above (400 ° C and 1206.6 kPa (175 psi)), with 150 'plate which has 5% less tension than the 150 plate (163.8 mPa (23 750 psi) compared to 172.4 mPa (25 000 psi)). The maximum deviation of the plates was 0.249 mm (0.0098 inches) and 0.203 mm (0.008 inches), respectively, and the displacement in the 90 perimeter regions was 0.155 mm (0.0061 inches) and 0.155 mm (0.0059 inches) ), respectively.
Otra placa de extremo60 se muestra en las Figuras21-24 y generalmente indicada como 160. Amenos que se especifique de cualquier otra manera, la placa de extremo 160 puede tener los mismos miembros, submiembros y variaciones que las otras placas de extremo ilustradas y/o descritas en la presente descripción. La placa de extremo 160 puede denominarse como una placa de extremo reforzada con armaduras debido a que incluye un ensamble de armadura 162 que se extiende desde la superficie exterior de la placa de extremo 124. Como se muestra, la placa de extremo 160 tiene una placa base 164 con una configuración generalmente plana, similar a las placas de extremo mostradas en las Figuras 2-5. Sin embargo, el ensamble de armadura 162 permite, pero no requiere, que la placa base pueda tener una construcción más delgada y, al mismo tiempo, proporcionar tensiones y deflexiones máximas comparables, aunque no reducidas. Cualquiera de las otras placas de extremo ilustradas y/o descritas en la presente descripción también puede incluir un ensamble de armadura 162.Another end plate60 is shown in Figures 21-24 and generally indicated as 160. Unless otherwise specified, the end plate 160 may have the same members, sub members and variations as the other end plates illustrated and / or described in this description. The end plate 160 may be referred to as an armature reinforced end plate because it includes an armature assembly 162 extending from the outer surface of the end plate 124. As shown, the end plate 160 has a plate base 164 with a generally flat configuration, similar to the end plates shown in Figures 2-5. However, the armature assembly 162 allows, but does not require, that the base plate can have a thinner construction and, at the same time, provide comparable maximum but not reduced stresses and deflections. Any of the other end plates illustrated and / or described in the present description may also include an armature assembly 162.
El ensamble de armadura 162 se extiende desde la superficie exterior 124 de la placa base 164 e incluye una pluralidad de nervios salientes 166 que se extienden desde la superficie exterior 124. En las Figuras 21-24, puede observarse que los nervios 166 se separan radialmente alrededor de la superficie 124. Nueve costillas 166 se muestran en las Figuras 21 y 23, pero está dentro del alcance de la invención que el ensamble de armadura 162 pueda formarse con más o menos nervios. De manera similar, en la modalidad ilustrada, los nervios 166 tienen configuraciones arqueadas e incluyen bridas 168 que se extienden entre los nervios y la superficie 124. Las bridas 168 también pueden describirse como aletas de transferencia de calor debido a que agregan un área considerable de transferencia de calor a la placa de extremo. El ensamble de armadura 162 incluye además un collar de tensión 170 que interconecta los nervios. Como se muestra, el collar 170 se extiende generalmente paralelo a la placa base de la superficie 164 y tiene una región central abierta 172. El collar 170 puede formarse con una porción central cerrada o que se proyecta interna o externamente. Para ilustrar este punto, los miembros 174 se muestran en líneas discontinuas que se extienden a través del collar 170 en la Figura 21. De manera similar, el collar 170 puede tener configuraciones distintas a la configuración circular mostrada en las Figuras 21 24. Como una alternativa adicional, la placa base 164 se ha indicado en líneas discontinuas parciales en la Figura 22 para ilustrar gráficamente que la placa base puede tener una variedad de configuraciones, tales como las descritas e ilustradas en la presente descripción, que incluye la configuración mostrada si la región discontinua se elimina.The armature assembly 162 extends from the outer surface 124 of the base plate 164 and includes a plurality of projecting ribs 166 extending from the outer surface 124. In Figures 21-24, it can be seen that the ribs 166 are radially separated around surface 124. Nine ribs 166 are shown in Figures 21 and 23, but it is within the scope of the invention that the armature assembly 162 can be formed with more or less ribs. Similarly, in the illustrated embodiment, ribs 166 have arcuate configurations and include flanges 168 extending between ribs and surface 124. Flanges 168 can also be described as heat transfer fins because they add a considerable area of heat transfer to the end plate. The armature assembly 162 further includes a tension collar 170 that interconnects the ribs. As shown, the collar 170 generally extends parallel to the base plate of the surface 164 and has an open central region 172. The collar 170 can be formed with a closed central portion or that projects internally or externally. To illustrate this point, members 174 are shown in broken lines that extend through collar 170 in Figure 21. Similarly, collar 170 may have different configurations than the circular configuration shown in Figures 21 24. As a additional alternative, the base plate 164 has been indicated in partial broken lines in Figure 22 to graphically illustrate that the base plate can have a variety of configurations, such as those described and illustrated in the present description, which includes the configuration shown if the discontinuous region is removed.
La placa de extremo 160 puede adicional o alternativamente, describirse como que tiene un soporte 170 que se extiende en una relación separada más allá de la superficie exterior 124 de la placa base 164 y que se adapta para proporcionar rigidez y/o resistencia adicional a la placa base. Aún otra descripción adicional o alternativa de la placa de extremo 160 es que la placa de extremo incluye una estructura de transferencia de calor 162 que se extiende lejos de la superficie exterior de la placa base, y que la estructura de transferencia de calor incluye una superficie 170 que está separada de la superficie 124 de manera que una corriente de fluido caliente pueda pasar entre las superficies.The end plate 160 may additionally or alternatively be described as having a support 170 that extends in a separate relationship beyond the outer surface 124 of the base plate 164 and that is adapted to provide additional stiffness and / or resistance to the motherboard Still another additional or alternative description of the end plate 160 is that the end plate includes a heat transfer structure 162 that extends away from the outer surface of the base plate, and that the heat transfer structure includes a surface 170 which is separated from the surface 124 so that a stream of hot fluid can pass between the surfaces.
El ensamble de armadura 162 también puede denominarse como un ejemplo de una estructura de reducción de la desviación debido a que reduce la desviación que, de cualquier otra manera, se produciría si la placa base 164 se formara sin el ensamble de armadura. De manera similar, el ensamble de armadura 162 también puede proporcionar otro ejemplo de una estructura de reducción de tensiones debido a que reduce las tensiones máximas que de cualquier otra manera se impartirían a la placa base. Además, el diseño abierto del ensamble de armadura aumenta el área de transferencia de calor de la placa base sin agregar un peso significativo a la placa base.The armature assembly 162 can also be referred to as an example of a deviation reduction structure because it reduces the deviation that, in any other way, would occur if the base plate 164 were formed without the armature assembly. Similarly, armature assembly 162 may also provide another example of a stress reduction structure because it reduces the maximum stresses that would otherwise be imparted to the base plate. In addition, the open design of the reinforcement assembly increases the heat transfer area of the motherboard without adding significant weight to the motherboard.
Continuando con las comparaciones anteriores entre las placas de extremo, la placa 160 se sometió a los mismos parámetros de funcionamiento que las placas de extremo descritas anteriormente. Las tensiones máximas impartidas a la placa base 164 fueron de 68,9 mPa (10000 psi) o menos. De manera similar, la desviación máxima de la placa base fue de solo 0,155 mm (0,0061 pulgadas), con una desviación de 0,142 mm (0,0056 pulgadas) en la región perimetral 90. Debe señalarse que la placa base 160 logró esta reducción significativa en la tensión máxima mientras que pesaba solo 1,50 kg (3,3 libras). De manera similar, la placa base 164 experimentó un desplazamiento máximo más pequeño y un desplazamiento perimetral comparable o reducido, pero tenía una placa base de solo 6,35 mm (0,25 pulgadas) de grosor. Por supuesto, la placa 160 puede construirse con placas base más gruesas, pero la placa probada demostró ser lo suficientemente fuerte y rígida bajo los parámetros de funcionamiento con los que se usó.Continuing with the previous comparisons between the end plates, the plate 160 was subjected to the same operating parameters as the end plates described above. The maximum stresses imparted to the motherboard 164 were 68.9 mPa (10,000 psi) or less. Similarly, the maximum deviation of the base plate was only 0.155 mm (0.0061 inches), with a deviation of 0.142 mm (0.0056 inches) in the perimeter region 90. It should be noted that the base plate 160 achieved this significant reduction in maximum tension while weighing only 1.50 kg (3.3 pounds). Similarly, the base plate 164 experienced a smaller maximum displacement and a comparable or reduced perimeter displacement, but had a base plate only 6.35 mm (0.25 inches) thick. Of course, the plate 160 can be constructed with thicker base plates, but the tested plate proved to be strong and rigid enough under the operating parameters with which it was used.
Como se describió, el recinto 12 puede incluir un par de placas de extremo 60 y una cubierta perimetral. En la Figura 25, un ejemplo de un recinto 12 formado con un par de placas de extremo 160 se muestra con fines ilustrativos y se indica generalmente en 180. Aunque el recinto 180 tiene un par de placas de extremo reforzadas con armaduras 160, un recinto puede tener placas de extremo que tienen diferentes construcciones y/o configuraciones. De hecho, en algunos entornos operativos puede ser beneficioso formar el recinto 12 con dos tipos diferentes de placas de extremo. En otros, puede ser beneficioso que las placas de extremo tengan la misma construcción.As described, enclosure 12 may include a pair of end plates 60 and a perimeter cover. In Figure 25, an example of an enclosure 12 formed with a pair of end plates 160 is shown for illustrative purposes and is generally indicated at 180. Although enclosure 180 has a pair of end plates reinforced with reinforcements 160, an enclosure It can have end plates that have different constructions and / or configurations. In fact, in some operating environments it may be beneficial to form enclosure 12 with two different types of end plates. In others, it may be beneficial for the end plates to have the same construction.
En las Figuras 26 y 27, otro ejemplo de un recinto 12 se muestra y generalmente se indica en 190 e incluye las placas de extremo 120"'. La placa de extremo 120''' tiene una configuración similar a la de las Figuras 13-16, excepto que se muestra la región eliminada 132 que tiene un diámetro de 101,6 mm (4 pulgadas) para ilustrar aún más que la forma y el tamaño de la región eliminada pueden variar. Ambas placas de extremo incluyen porciones de cubierta 63 que se extienden integralmente desde las mismas para ilustrar que cualquiera de las placas de extremo ilustradas y/o descritas en la presente descripción puede incluir una porción de cubierta 63 que se extiende integralmente desde las mismas. Para ilustrar que cualquiera de las placas de extremo descritas y/o ilustradas en la presente descripción también pueden incluir ensambles de armadura (o estructura de transferencia de calor) 162 y/o soportes salientes 170 o estructura de reducción de la desviación, se muestran los miembros 194 que se proyectan a través de la región eliminada 132 en una configuración separada de la superficie exterior 124 de la placa de extremo. El recinto 12 puede incluir estructuras de reducción de tensión y/o desviación que se extienden dentro del compartimiento 18 en oposición a, o además de, las estructuras correspondientes que se extienden desde la superficie exterior de las placas de extremo. En las Figuras 28-30, se muestran placas de extremo 60 que ilustran ejemplos de estas estructuras. Por ejemplo, en la Figura 28, la placa de extremo 60 incluye una región eliminada 132 que se extiende hacia la placa de extremo desde la superficie interior 122 de la placa de extremo. Debe entenderse que la región 132 puede tener cualquiera de las configuraciones descritas y/o ilustradas en la presente descripción con respecto a las regiones eliminadas que se extienden desde la superficie exterior de una placa base. De manera similar, en líneas discontinuas en 170 en la Figura 28, se muestran los soportes que se extienden a través de la región 132 para proporcionar soporte adicional y/o rigidez a la placa de extremo. En la Figura 29, la placa de extremo 60 incluye soportes internos 196 que se adaptan para extenderse en el compartimiento 18 para interconectar la placa de extremo con la placa de extremo correspondiente en el otro extremo del compartimiento. Como se describió, las estructuras de guía 144 pueden formartal soporte. En la Figura 30, se muestra un ensamble de armadura que sobresale internamente 162. El dispositivo 10 puede incluir placas de extremo 60 que exhiban al menos una de las siguientes propiedades o combinaciones de propiedades en comparación con una placa de extremo formada por una losa sólida de grosor uniforme del mismo material que la placa de extremo 60 y expuesta a los mismos parámetros de funcionamiento:In Figures 26 and 27, another example of an enclosure 12 is shown and generally indicated in 190 and includes end plates 120 "." End plate 120 "has a configuration similar to that of Figures 13- 16, except that the deleted region 132 that has a diameter of 101.6 mm (4 inches) is shown to illustrate even more than the shape and the Deleted region size may vary. Both end plates include cover portions 63 that extend integrally therefrom to illustrate that any of the end plates illustrated and / or described herein may include a cover portion 63 that extends integrally therefrom. To illustrate that any of the end plates described and / or illustrated in the present description may also include reinforcement assemblies (or heat transfer structure) 162 and / or protruding supports 170 or deviation reduction structure, the members 194 projecting through the removed region 132 in a configuration separate from the outer surface 124 of the end plate. Enclosure 12 may include stress reduction and / or deflection structures that extend into compartment 18 as opposed to, or in addition to, corresponding structures that extend from the outer surface of the end plates. In Figures 28-30, end plates 60 are shown illustrating examples of these structures. For example, in Figure 28, the end plate 60 includes a removed region 132 that extends toward the end plate from the inner surface 122 of the end plate. It should be understood that region 132 may have any of the configurations described and / or illustrated in the present description with respect to the removed regions that extend from the outer surface of a base plate. Similarly, in broken lines at 170 in Figure 28, supports are shown that extend through region 132 to provide additional support and / or rigidity to the end plate. In Figure 29, the end plate 60 includes internal brackets 196 that are adapted to extend in the compartment 18 to interconnect the end plate with the corresponding end plate at the other end of the compartment. As described, guide structures 144 may form the support. In Figure 30, an internally protruding armature assembly 162 is shown. The device 10 may include end plates 60 that exhibit at least one of the following properties or combinations of properties compared to an end plate formed by a solid slab of uniform thickness of the same material as the end plate 60 and exposed to the same operating parameters:
un ensamble de armadura sobresaliente;an outstanding armor assembly;
un soporte que sobresale internamente;a support that stands out internally;
un soporte que sobresale externamente;a support that protrudes externally;
una región externa eliminada;an external region removed;
una región interna eliminada;an internal region removed;
una porción de cubierta integral;an integral cover portion;
una cubierta integral;an integral cover;
una masa reducida y una tensión máxima reducida;a reduced mass and a reduced maximum tension;
una masa reducida y un desplazamiento máximo reducido;a reduced mass and a reduced maximum displacement;
una masa reducida y desplazamiento perimetral reducido;a reduced mass and reduced perimeter displacement;
una masa reducida y un área de transferencia de calor aumentada;a reduced mass and an increased heat transfer area;
una masa reducida y soportes que sobresalen internamente;a reduced mass and internally protruding supports;
una masa reducida y soportes que sobresalen externamente;a reduced mass and externally protruding supports;
una tensión máxima reducida y un desplazamiento máximo reducido;a reduced maximum tension and a reduced maximum displacement;
una tensión máxima reducida y un desplazamiento del perímetro reducido;a reduced maximum tension and a reduced perimeter offset;
una tensión máxima reducida y un área de transferencia de calor aumentada;a reduced maximum voltage and an increased heat transfer area;
una tensión máxima reducida y un ensamble de armadura sobresaliente;a reduced maximum tension and an outstanding reinforcement assembly;
una tensión máxima reducida y una región eliminada;a reduced maximum voltage and a region removed;
un desplazamiento máximo reducido y un desplazamiento del perímetro reducido;a reduced maximum displacement and a reduced perimeter displacement;
un desplazamiento máximo reducido y un área de transferencia de calor aumentada;a reduced maximum displacement and an increased heat transfer area;
un desplazamiento del perímetro reducido y un área de transferencia de calor aumentada;a reduced perimeter offset and an increased heat transfer area;
un desplazamiento del perímetro reducido y un ensamble de armadura sobresaliente;a reduced perimeter offset and an outstanding armor assembly;
un desplazamiento del perímetro reducido y una región eliminada;a reduced perimeter offset and a region removed;
una relación de desplazamiento masa/máximo que es menor de 0,0987 kg/Pa (1500 lb/psi);a mass / maximum displacement ratio that is less than 0.0987 kg / Pa (1500 lb / psi);
una relación de desplazamiento masa/máximo que es menor que 0,0658 kg/Pa (1000 lb/psi); una relación de desplazamiento masa/máximo que es menor que 0,0493 kg/Pa (750 lb/psi); una relación de desplazamiento masa/máximo que es menor que 0,0329 kg/Pa (500 lb/psi); una relación de desplazamiento masa/máximo que es menor que 0,132 kg/Pa (2000 lb/psi);a mass / maximum displacement ratio that is less than 0.0658 kg / Pa (1000 lb / psi); a mass / maximum displacement ratio that is less than 0.0493 kg / Pa (750 lb / psi); a mass / maximum displacement ratio that is less than 0.0329 kg / Pa (500 lb / psi); a mass / maximum displacement ratio that is less than 0.132 kg / Pa (2000 lb / psi);
una relación de desplazamiento masa/perímetro que es menor que 0,0987 kg/Pa (1500 lb/psi);a mass / perimeter displacement ratio that is less than 0.0987 kg / Pa (1500 lb / psi);
una relación de desplazamiento masa/perímetro que es menor que 0,0658 kg/Pa (1000 lb/psi);a mass / perimeter displacement ratio that is less than 0.0658 kg / Pa (1000 lb / psi);
una relación de desplazamiento masa/perímetro que es menor que 0,0526 kg/Pa (800 lb/psi);a mass / perimeter displacement ratio that is less than 0.0526 kg / Pa (800 lb / psi);
una relación de desplazamiento masa/máximo que es menor que 0,0395 kg/Pa (600 lb/psi);a mass / maximum displacement ratio that is less than 0.0395 kg / Pa (600 lb / psi);
una relación de área de sección transversal/masa que es de al menos 8534,0 mm2/ kg (6 en2/libra);a cross-sectional area / mass ratio that is at least 8534.0 mm2 / kg (6 in2 / pound);
una relación de área de sección transversal/masa que es al menos 9956,3 mm2/ kg (7 en2/libra); y/oa cross-sectional area / mass ratio that is at least 9956.3 mm2 / kg (7 in2 / pound); I
una relación de área de sección transversal/masa que es de al menos 14223,3 mm2/ kg (10 en2/libra).a cross-sectional area / mass ratio that is at least 14223.3 mm2 / kg (10 in2 / pound).
Como se describió, el recinto 12 contiene un compartimiento interno 18 que aloja la unidad de separación 20, tal como una o más membranas de separación 46, que se soportan dentro del recinto por una sujeción adecuada 52. En los ejemplos ilustrativos mostrados en las Figuras 2 y 4, las membranas de separación 46 se representaron como membranas planas o tubulares independientes. Las membranas pueden disponerse en pares que definen la región de permeado 32 entre las mismas. En tal configuración, los pares de membranas pueden denominarse como una envoltura de la membrana, en el sentido de que definen una región de permeado común 32 en forma de un conducto de recolección, o trayectoria de flujo, que se extiende entre los mismos y desde la cual la corriente rica en hidrógeno 34 puede recogerse. As described, the enclosure 12 contains an internal compartment 18 housing the separation unit 20, such as one or more separation membranes 46, which are supported within the enclosure by a suitable fastener 52. In the illustrative examples shown in the Figures 2 and 4, the separation membranes 46 were represented as independent flat or tubular membranes. The membranes can be arranged in pairs that define the permeate region 32 between them. In such a configuration, the pairs of membranes can be referred to as a membrane envelope, in the sense that they define a common permeate region 32 in the form of a collection conduit, or flow path, which extends between them and from which the hydrogen rich stream 34 can be collected.
Un ejemplo de una envoltura de la membrana se muestra en la Figura 31 y generalmente se indica en 200. Debe entenderse que los pares de membranas pueden tomar una variedad de formas adecuadas, tales como envolturas planas y envolturas tubulares. De manera similar, las membranas pueden soportarse independientemente, tal como con respecto a una placa de extremo o alrededor de un pasaje central. Para fines de ilustración, la siguiente descripción y las ilustraciones asociadas describirán que la unidad de separación incluye una o más envolturas de la membrana 200. Debe entenderse que las membranas que forman la envoltura pueden ser dos membranas separadas, o pueden ser una sola membrana doblada, enrollada o configurada de cualquier otra manera para definir dos regiones de membrana, o superficies, 202 con superficies de permeado 50 que se orientan una hacia la otra para definir un conducto 204 entre los cuales puede recogerse y extraerse el gas permeado rico en hidrógeno. El conducto 204 puede formar por sí mismo la región de permeado 32, o un dispositivo 10 de acuerdo con la presente invención puede incluir una pluralidad de envolturas de la membrana 200 y los correspondientes conductos 204 que definen colectivamente la región de permeado 32.An example of a membrane wrap is shown in Figure 31 and is generally indicated at 200. It should be understood that the pairs of membranes can take a variety of suitable shapes, such as flat wrap and tubular wrap. Similarly, membranes can be supported independently, such as with respect to an end plate or around a central passage. For purposes of illustration, the following description and associated illustrations will describe that the separation unit includes one or more envelopes of the membrane 200. It should be understood that the membranes that form the envelope can be two separate membranes, or they can be a single folded membrane , wound or configured in any other way to define two membrane regions, or surfaces, 202 with permeate surfaces 50 that are oriented towards each other to define a conduit 204 between which hydrogen-rich permeate gas can be collected and extracted. The conduit 204 may itself form the permeate region 32, or a device 10 according to the present invention may include a plurality of membrane sheaths 200 and the corresponding conduits 204 that collectively define the permeate region 32.
Para soportar las membranas contra altas presiones de alimentación, se usa un soporte 54. El soporte 54 debe permitir que el gas que penetra a través de las membranas 46 fluya a través del mismo. El soporte 54 incluye las superficies 211 contra las que se soportan las superficies de permeado 50 de las membranas. En el contexto de un par de membranas que forman una envoltura de la membrana, el soporte 54 también puede describirse como que define el conducto de recolección 204. En el conducto 204, el gas permeado preferentemente puede fluir tanto de manera transversal como paralela a la superficie de la membrana a través de la cual pasa el gas, tal como se ilustra esquemáticamente en la Figura 31. El gas permeado, que es al menos sustancialmente gas hidrógeno puro, en donde el gas hidrógeno sustancialmente puro tiene una pureza superior al 90 %, luego puede recogerse o retirarse de cualquier otra manera de la envoltura para formar una corriente rica en hidrógeno 34. Debido a que las membranas se apoyan sobre el soporte, es conveniente que el soporte no obstruya el flujo de gas a través de las membranas selectivas de hidrógeno. El gas que no pasa a través de las membranas forma una o más corrientes de subproducto 36, como se ilustra esquemáticamente en la Figura 31. To support the membranes against high feed pressures, a support 54 is used. The support 54 must allow the gas penetrating through the membranes 46 to flow through it. The support 54 includes the surfaces 211 against which the permeate surfaces 50 of the membranes are supported. In the context of a pair of membranes that form a membrane envelope, the support 54 can also be described as defining the collection conduit 204. In the conduit 204, the permeated gas can preferably flow both transversely and parallel to the surface of the membrane through which the gas passes, as schematically illustrated in Figure 31. The permeate gas, which is at least substantially pure hydrogen gas, wherein the substantially pure hydrogen gas has a purity greater than 90% , then it can be collected or removed in any other way from the envelope to form a stream rich in hydrogen 34. Because the membranes rest on the support, it is convenient that the support does not obstruct the flow of gas through the selective membranes of hydrogen. The gas that does not pass through the membranes forms one or more by-product streams 36, as schematically illustrated in Figure 31.
Un ejemplo de un soporte adecuado 54 para las envolturas de la membrana 200 se muestra en la Figura 32 en forma de una estructura de pantalla 210. La estructura de pantalla 210 incluye múltiples miembros de pantalla 212. En la modalidad ilustrada, los miembros de pantalla incluyen una pantalla de malla gruesa 214 intercalada entre las pantallas de malla fina 216. Debe entenderse que los términos "fina" y "gruesa" son términos relativos. Preferentemente, los miembros de pantalla externa se seleccionan para soportar las membranas 46 sin perforar las membranas y sin tener suficientes aberturas, bordes u otras proyecciones que puedan perforar, debilitar o dañar de cualquier otra manera la membrana en las condiciones de funcionamiento con las que funciona el dispositivo 10. Debido a que la estructura de pantalla debe proporcionar un flujo del gas permeado generalmente paralelo a las membranas, es conveniente usar un miembro de pantalla interno relativamente más grueso para proporcionar conductos de flujo paralelo mejorados o más grandes. En otras palabras, las pantallas de malla más fina proporcionan una mejor protección para las membranas, mientras que la pantalla de malla más gruesa proporciona un mejor flujo generalmente paralelo a las membranas y, en algunas modalidades, pueden seleccionarse para ser más rígidas o menos flexibles, que las pantallas de malla más fina.An example of a suitable support 54 for membrane sheaths 200 is shown in Figure 32 in the form of a screen structure 210. The screen structure 210 includes multiple screen members 212. In the illustrated embodiment, the screen members they include a thick mesh screen 214 interspersed between the fine mesh screens 216. It should be understood that the terms "thin" and "thick" are relative terms. Preferably, the outer screen members are selected to support the membranes 46 without perforating the membranes and without having sufficient openings, edges or other projections that can pierce, weaken or otherwise damage the membrane in the operating conditions with which it operates. the device 10. Because the screen structure must provide a permeate gas flow generally parallel to the membranes, it is convenient to use a relatively thicker internal screen member to provide improved or larger parallel flow ducts. In other words, the finer mesh screens provide better protection for the membranes, while the thicker mesh screen provides a better flow generally parallel to the membranes and, in some modalities, can be selected to be more rigid or less flexible. , than the finest mesh screens.
Los miembros de pantalla pueden ser similares o de la misma construcción, y pueden usarse más o menos miembros de pantalla de lo que se muestra en la Figura 32. Preferentemente, el soporte 54 se forma de un material resistente a la corrosión que no perjudicará el funcionamiento del dispositivo de purificación de hidrógeno y otros dispositivos con los que se usa el dispositivo 10. Los ejemplos de materiales adecuados para los miembros de pantalla metálicos incluyen aceros inoxidables, titanio y aleaciones de los mismos, zirconio y aleaciones de los mismos, aleaciones resistentes a la corrosión, que incluyen las aleaciones Inconel™, tal como 800H™ y aleaciones Hastelloy™, y aleaciones de cobre y níquel, tal como Monel™. Las aleaciones Hastelloy™ e Inconel™ son aleaciones a base de níquel. Las aleaciones Inconel™ típicamente contienen níquel aleado con cromo y hierro. Las aleaciones Monel™ son típicamente aleaciones de níquel, cobre, hierro y manganeso. Los ejemplos adicionales de estructura para los soportes 54 incluyen cerámica porosa, carbono poroso, metal poroso, espuma cerámica, espuma de carbono y espuma metálica, ya sea solos o en combinación con uno o más miembros de pantalla 212. Como otro ejemplo, algunos o todos los miembros de pantalla pueden formarse a partir de metal expandido en lugar de un material de malla tejida.The screen members may be similar or of the same construction, and more or less screen members may be used than is shown in Figure 32. Preferably, the support 54 is formed of a corrosion resistant material that will not harm the operation of the hydrogen purification device and other devices with which the device 10 is used. Examples of suitable materials for the metal screen members include stainless steels, titanium and alloys thereof, zirconium and alloys thereof, resistant alloys to corrosion, which include Inconel ™ alloys, such as 800H ™ and Hastelloy ™ alloys, and copper and nickel alloys, such as Monel ™. Hastelloy ™ and Inconel ™ alloys are nickel based alloys. Inconel ™ alloys typically contain nickel alloyed with chromium and iron. Monel ™ alloys are typically nickel, copper, iron and manganese alloys. Additional examples of structure for the supports 54 include porous ceramic, porous carbon, porous metal, ceramic foam, carbon foam and metallic foam, either alone or in combination with one or more screen members 212. As another example, some or All screen members can be formed from expanded metal instead of a woven mesh material.
Durante la fabricación de las envolturas de la membrana, puede usarse adhesivo para asegurar las membranas 46 a la estructura de pantalla y/o para asegurar los componentes de la estructura de pantalla 210 juntos, como se describe en más detalle en la solicitud de patente de Estados Unidos con número de serie 09/812,499. Para fines de ilustración, el adhesivo se indica generalmente en líneas discontinuas en 218 en la Figura 32. Un ejemplo de un adhesivo adecuado se vende por 3M bajo el nombre comercial SUPER 77. Típicamente, el adhesivo se elimina al menos sustancialmente, si no completamente, después de la fabricación de la envoltura de la membrana para no interferir con la permeabilidad, selectividad y trayectorias de flujo de las envolturas de la membrana. Un ejemplo de un método adecuado para eliminar el adhesivo de las membranas y/o estructuras de pantalla u otros soportes es mediante la exposición a condiciones oxidantes antes del funcionamiento inicial del dispositivo 10. El objetivo del acondicionamiento oxidativo es quemar el adhesivo sin oxidar excesivamente la membrana de aleación de paladio. Un procedimiento adecuado para tal oxidación se describe en la solicitud de patente anterior.During the fabrication of the membrane wraps, adhesive can be used to secure the membranes 46 to the screen structure and / or to secure the components of the screen structure 210 together, as described in more detail in the patent application. United States with serial number 09 / 812,499. For illustration purposes, the adhesive is generally indicated on broken lines at 218 in Figure 32. An example of a suitable adhesive is sold by 3M under the trade name SUPER 77. Typically, the adhesive is removed at least substantially, if not completely , after fabrication of the membrane wrap so as not to interfere with the permeability, selectivity and flow paths of the membrane envelopes. An example of a suitable method for removing adhesive from membranes and / or screen structures or other supports is by exposure to oxidizing conditions before the initial operation of the device 10. The objective of oxidative conditioning is to burn the adhesive without excessively oxidizing the palladium alloy membrane. A suitable procedure for such oxidation is described in the previous patent application.
Los soportes 54, que incluyen la estructura de pantalla 210, pueden incluir un recubrimiento 219 en las superficies 71 que se acoplan a las membranas 46, tal como se indica en las líneas de rayas y puntos en la Figura 32. Los ejemplos de recubrimientos adecuados incluyen óxido de aluminio, carburo de tungsteno, nitruro de tungsteno, carburo de titanio, nitruro de titanio y mezclas de los mismos. Estos recubrimientos se caracterizan generalmente por ser termodinámicamente estables con respecto a la descomposición en presencia de hidrógeno. Los recubrimientos adecuados se forman a partir de materiales, tales como óxidos, nitruros, carburos o compuestos intermetálicos, que pueden aplicarse como un recubrimiento y que son termodinámicamente estables con respecto a la descomposición en presencia de hidrógeno bajo los parámetros de funcionamiento (temperatura, presión, etc.) bajo el cual funcionará el dispositivo de purificación de hidrógeno. Los métodos adecuados para aplicar tales recubrimientos a la pantalla o al miembro de pantalla de metal expandido incluyen deposición química en fase de vapor, pulverización catódica, evaporación térmica, pulverización térmica y, en el caso de al menos óxido de aluminio, deposición del metal (por ejemplo, aluminio) seguido de oxidación del metal para dar óxido de aluminio. En al menos algunas modalidades, los recubrimientos pueden describirse como que previene la difusión intermetálica entre las membranas selectivas de hidrógeno y la estructura de pantalla.The supports 54, which include the screen structure 210, can include a coating 219 on the surfaces 71 that fit the membranes 46, as indicated in the dashed lines and dots in Figure 32. Examples of suitable coatings include aluminum oxide, tungsten carbide, tungsten nitride, titanium carbide, titanium nitride and mixtures thereof. These coatings are generally characterized by being thermodynamically stable with respect to decomposition in the presence of hydrogen. Suitable coatings are formed from materials, such as oxides, nitrides, carbides or intermetallic compounds, which can be applied as a coating and which are thermodynamically stable with respect to decomposition in the presence of hydrogen under the operating parameters (temperature, pressure , etc.) under which the hydrogen purification device will work. Suitable methods for applying such coatings to the screen or to the expanded metal screen member include chemical vapor deposition, sputtering, thermal evaporation, thermal spraying and, in the case of at least aluminum oxide, metal deposition ( for example, aluminum) followed by oxidation of the metal to give aluminum oxide. In at least some embodiments, the coatings can be described as preventing intermetallic diffusion between the selective hydrogen membranes and the screen structure.
Los dispositivos de purificación de hidrógeno 10 descritos, ilustrados y/o incorporados en la presente descripción pueden incluir una o más envolturas de la membrana 200, típicamente junto con puertos de entrada y salida adecuados a través de los cuales se entrega la corriente de gas mixto y de los cuales se eliminan las corrientes ricas en hidrógeno y de subproductos. En algunas modalidades, el dispositivo puede incluir una pluralidad de envolturas de la membrana. Cuando la unidad de separación incluye una pluralidad de envolturas de la membrana, puede incluir conductos de fluido que interconectan las envolturas, tal como para entregar una corriente de gas mixto a los mismos, para extraer la corriente rica en hidrógeno de los mismos y/o para retirar el gas que no pasa a través de las membranas de la región del gas mixto 30. Cuando el dispositivo incluye una pluralidad de envolturas de la membrana, la corriente de permeado, la corriente de subproducto, o ambas, desde una primera envoltura de la membrana puede enviarse a otra envoltura de la membrana para una purificación adicional. La envoltura o la pluralidad de envolturas y puertos, soportes, conductos asociados y similares pueden denominarse como módulo de membrana 220.The hydrogen purification devices 10 described, illustrated and / or incorporated in the present description may include one or more membrane envelopes 200, typically together with suitable inlet and outlet ports through which the mixed gas stream is delivered and of which the currents rich in hydrogen and by-products are eliminated. In some embodiments, the device may include a plurality of membrane envelopes. When the separation unit includes a plurality of membrane wraps, it can include fluid conduits that interconnect the wraps, such as to deliver a mixed gas stream thereto, to extract the hydrogen-rich stream from them and / or to remove the gas that does not pass through the membranes of the mixed gas region 30. When the device includes a plurality of membrane envelopes, permeate stream, byproduct stream, or both, from a first shell of The membrane can be sent to another membrane wrap for further purification. The envelope or the plurality of envelopes and ports, supports, associated conduits and the like can be referred to as membrane module 220.
La cantidad de envolturas de la membrana 200 usadas en un dispositivo particular 10 depende en cierto grado de la velocidad de alimentación de la corriente de gas mixto 24. Por ejemplo, un módulo de membrana 220 que contiene cuatro envolturas 200 ha demostrado ser efectivo para una corriente de gas mixto entregada al dispositivo 10 a un régimen de flujo de 20 litros/minuto. A medida que aumenta el régimen de flujo, puede aumentar la cantidad de envolturas de la membrana, tal como en una relación generalmente lineal. Por ejemplo, un dispositivo 10 adaptado para recibir la corriente de gas mixto 24 a un régimen de flujo de 30 litros/minuto puede incluir preferentemente seis envolturas de la membrana. Sin embargo, estas cantidades ilustrativas de envolturas se proporcionan con fines ilustrativos, y puede usarse una mayor o menor cantidad de envolturas. Por ejemplo, los factores que pueden afectar la cantidad de envolturas que se usarán incluyen el flujo de hidrógeno a través de las membranas, el área superficial efectiva de las membranas, el régimen de flujo de la corriente de gas mixto 24, la pureza deseada de la corriente rica en hidrógeno 34, la eficiencia deseada a la que se elimina el gas hidrógeno de la corriente de gas mixto 24, las preferencias del usuario, las dimensiones disponibles del dispositivo 10 y el compartimiento 18, etc.The amount of membrane sheaths 200 used in a particular device 10 depends to some extent on the feed rate of the mixed gas stream 24. For example, a membrane module 220 containing four shells 200 has proven effective for a mixed gas stream delivered to device 10 at a flow rate of 20 liters / minute. As the flow rate increases, the amount of membrane envelopes may increase, such as in a generally linear relationship. For example, a device 10 adapted to receive the mixed gas stream 24 at a flow rate of 30 liters / minute may preferably include six membrane envelopes. However, these illustrative amounts of envelopes are provided for illustrative purposes, and a greater or lesser amount of envelopes can be used. For example, factors that may affect the amount of envelopes that will be used include the flow of hydrogen through the membranes, the effective surface area of the membranes, the flow regime of the mixed gas stream 24, the desired purity of the hydrogen-rich stream 34, the desired efficiency at which hydrogen gas is removed from the mixed gas stream 24, the user's preferences, the available dimensions of the device 10 and the compartment 18, etc.
Preferentemente, pero no necesariamente, la estructura de pantalla y las membranas que se incorporan en una envoltura de la membrana 200 incluyen miembros de marco 230, o placas, que se adaptan para sellar, soportar y/o interconectar las envolturas de la membrana. En la Figura 33 se muestra un ejemplo ilustrativo de miembros de marco adecuados 230. Como se muestra, la estructura de pantalla 210 se ajusta dentro de un miembro de marco 230 en forma de un marco de permeado 232. La estructura de pantalla y el marco 232 pueden denominarse colectivamente como placa de pantalla o placa de permeado 234. Cuando la estructura de pantalla 210 incluye miembros de metal expandido, los miembros de pantalla de metal expandido pueden ajustarse o bien dentro del marco de permeado 232 o extenderse al menos parcialmente sobre la superficie del marco. Los ejemplos adicionales de miembros de marco 230 incluyen marcos de soporte, placas de alimentación y/o juntas. Estos marcos, juntas u otras estructuras de soporte también pueden definir, al menos en parte, los conductos de fluido que interconectan las envolturas de la membrana en una modalidad de la unidad de separación 20 que contiene dos o más envolturas de la membrana. Los ejemplos de juntas adecuadas son las juntas de grafito flexibles, que incluyen las vendidas bajo el nombre comercial GRAFOIL™ por Union Carbide, aunque pueden usarse otros materiales, tal como que dependen de las condiciones de funcionamiento en las que se usa el dispositivo 10.Preferably, but not necessarily, the screen structure and the membranes that are incorporated into a membrane wrap 200 include frame members 230, or plates, which are adapted to seal, support and / or interconnect the membrane envelopes. An illustrative example of suitable frame members 230 is shown in Figure 33. As shown, the screen structure 210 fits within a frame member 230 in the form of a permeate frame 232. The screen structure and the frame 232 may collectively be referred to as a screen plate or permeate plate 234. When the screen structure 210 includes expanded metal members, the expanded metal screen members may fit either within the permeate frame 232 or extend at least partially over the frame surface. Additional examples of frame members 230 include support frames, feed plates and / or gaskets. These frames, joints or other support structures can also define, at least in part, the fluid conduits that interconnect the membrane envelopes in an embodiment of the separation unit 20 containing two or more membrane envelopes. Examples of suitable gaskets are flexible graphite gaskets, which include those sold under the trade name GRAFOIL ™ by Union Carbide, although other materials may be used, such as depending on the operating conditions in which the device 10 is used.
Continuando con la ilustración anterior de los miembros de marco ilustrativos 230, las juntas de permeado 236 y 236' se unen al marco de permeado 232, preferentemente pero no necesariamente, mediante el uso de otra aplicación delgada de adhesivo. A continuación, las membranas 46 se apoyan contra la estructura de pantalla 210 y/o se unen a la estructura de pantalla 210 mediante el uso de una aplicación delgada de adhesivo, tal como pulverizando o aplicando de cualquier otra manera el adhesivo a cualquiera de las membranas y/o la estructura de pantalla. Se debe tener cuidado de asegurarse de que las membranas estén planas y firmemente unidas al miembro de pantalla correspondiente 212. Las placas de alimentación, o juntas, 238 y 238' se unen opcionalmente a las juntas 236 y 236', tal como, mediante el uso de otra aplicación delgada de adhesivo. La envoltura de la membrana resultante 200 se posiciona luego dentro del compartimiento 18, tal como por una sujeción adecuada 52. Opcionalmente, dos o más envolturas de la membrana pueden apilarse o apoyarse de cualquier otra manera juntas dentro del compartimiento 18.Continuing with the previous illustration of the illustrative frame members 230, the permeate joints 236 and 236 'are attached to the permeate frame 232, preferably but not necessarily, by using another thin application of adhesive. Next, the membranes 46 rest against the screen structure 210 and / or join the screen structure 210 by using a thin application of adhesive, such as spraying or otherwise applying the adhesive to any of the membranes and / or screen structure. Care should be taken to ensure that the membranes are flat and firmly attached to the corresponding screen member 212. The feed plates, or joints, 238 and 238 'are optionally joined to the joints 236 and 236', such as, by means of the use of another thin application of adhesive. The resulting membrane wrap 200 is then positioned within the compartment 18, such as by a suitable fastener 52. Optionally, two or more membrane envelopes can be stacked or otherwise supported together within the compartment 18.
Como una alternativa adicional, cada membrana 46 puede fijarse a un miembro de marco 230, tal como un marco de metal 240, como se muestra en la Figura 34. Si es así, la membrana se fija al marco, por ejemplo, mediante soldadura ultrasónica u otro mecanismo de unión adecuado. El ensamble del marco de la membrana puede, pero no se requiere, unirse a la estructura de pantalla 210 mediante el uso de adhesivo. Otros ejemplos de mecanismos de unión que logran sellos herméticos al gas entre las placas que forman la envoltura de la membrana 200, así como también entre las envolturas de la membrana, incluyen uno o más de soldadura fuerte, sellado y soldadura. La membrana y el marco unido pueden denominarse colectivamente como una placa de membrana 242. Está dentro del alcance de la invención que los diversos marcos descritos en la presente descripción no tienen que formarse todos a partir de los mismos materiales y/o que los marcos pueden no tener las mismas dimensiones, tales como los mismos grosores. Por ejemplo, los marcos de permeado y de alimentación pueden formarse de acero inoxidable u otro miembro estructural adecuado, mientras que la placa de membrana puede formarse de un material diferente, tal como cobre, aleaciones de los mismos y otros materiales descritos en las patentes y solicitudes anteriores. Adicional y/o alternativamente, la placa de membrana puede, pero no se requiere que sea, más delgada que las placas de alimentación y/o de permeado.As an additional alternative, each membrane 46 can be fixed to a frame member 230, such as a metal frame 240, as shown in Figure 34. If so, the membrane is fixed to the frame, for example, by ultrasonic welding or other suitable joining mechanism. The membrane frame assembly can, but is not required, join screen structure 210 by using adhesive. Other examples of joining mechanisms that achieve gas-tight seals between the plates that form the membrane wrap 200, as well as between the membrane wraps, include one or more brazing, sealing and welding. The membrane and the attached frame can be collectively referred to as a membrane plate 242. It is within the scope of the invention that the various frames described in the present description do not all have to be formed from the same materials and / or that the frames can not have the same dimensions, such as the same thicknesses. For example, permeate and feed frames can be formed of stainless steel or other suitable structural member, while the membrane plate can be formed of a different material, such as copper, alloys thereof and other materials described in the patents and previous requests. Additionally and / or alternatively, the membrane plate may, but is not required to be, thinner than the feed and / or permeate plates.
Con fines ilustrativos, se describe una geometría adecuada del flujo de fluido a través de la envoltura de la membrana 200 con respecto a la modalidad de la envoltura 200 que se muestra en la Figura 33. Como se muestra, la corriente de gas mixto 24 se entrega a la envoltura de la membrana y entra en contacto con las superficies exteriores 50 de las membranas 46. El gas rico en hidrógeno que penetra a través de las membranas entra en el conducto de recolección 204. El conducto de recolección está en comunicación continua con los conductos 250 a través de los cuales puede extraerse la corriente de permeado de la envoltura de la membrana. La porción de la corriente de gas mixto que no pasa a través de las membranas fluye a un conducto 252 a través del cual este gas puede extraerse como una corriente de subproducto 36. En la Figura 33, se muestra un solo conducto de subproducto 252, mientras que en la Figura 34 se muestra un par de conductos 252 para ilustrar que cualquiera de los conductos descritos en la presente descripción puede incluir alternativamente más de un pasaje de fluido. Debe entenderse que las flechas usadas para indicar el flujo de las corrientes 34 y 36 se han ilustrado esquemáticamente, y que la dirección del flujo a través de los conductos 250 y 252 puede variar, tal como, en dependencia de la configuración de una envoltura de la membrana particular 200, módulo 220 y/o dispositivo 10.For illustrative purposes, a suitable geometry of the fluid flow through the envelope of the membrane 200 is described with respect to the embodiment of the envelope 200 shown in Figure 33. As shown, the mixed gas stream 24 is delivered to the membrane envelope and comes into contact with the outer surfaces 50 of the membranes 46. The hydrogen-rich gas that penetrates through the membranes enters the collection conduit 204. The collection conduit is in continuous communication with the ducts 250 through which the permeate stream can be extracted from the membrane envelope. The portion of the mixed gas stream that does not pass through the membranes flows to a conduit 252 through which this gas can be extracted as a byproduct stream 36. In Figure 33, a single byproduct conduit 252 is shown, while a pair of ducts 252 is shown in Figure 34 to illustrate that any of the ducts described in the present description may alternatively include more than one fluid passage. It should be understood that the arrows used to indicate the flow of streams 34 and 36 have been schematically illustrated, and that the direction of flow through conduits 250 and 252 may vary, such as, depending on the configuration of a wrapper the particular membrane 200, module 220 and / or device 10.
En la Figura 35, se muestra otro ejemplo de una envoltura de la membrana adecuada 200. Para ilustrar gráficamente que las placas de extremo 60 y la cubierta 62 pueden tener una variedad de configuraciones, se muestra la envoltura 200 que tiene una configuración generalmente rectangular. La envoltura de la Figura 35 también proporciona otro ejemplo de una envoltura de la membrana que tiene un par de conductos de subproducto 252 y un par de conductos de hidrógeno 250. Como se muestra, la envoltura 200 incluye las placas de alimentación, o separador, 238 como los marcos más externos en la envoltura. Generalmente, cada una de las placas 238 incluye un marco 260 que define una región interior abierta 262. Cada región interior abierta 262 se acopla lateralmente a los conductos 252. Los conductos 250, sin embargo, están cerrados con relación a la región abierta 262, lo que aísla de esta manera la corriente rica en hidrógeno 34. Las placas de membrana 242 se encuentran adyacentes e interiores a las placas 238. Las placas de membrana 242 cada una incluye como una porción central de la misma una membrana selectiva de hidrógeno 46, que puede asegurarse a un marco exterior 240, que se muestra con fines de ilustración gráfica. En las placas 242, todos los conductos están cerrados con relación a la membrana 46. Cada membrana se encuentra adyacente a una correspondiente de las regiones abiertas 262, es decir, adyacente al flujo de gas mixto que llega a la envoltura. Esto proporciona una oportunidad para que el gas hidrógeno pase a través de la membrana, con los gases que no se permean, es decir, los gases que forman la corriente de subproducto 36, dejando la región abierta 262 a través del conducto 252. La placa de pantalla 234 se posiciona intermedia entre las membranas 46 y/o las placas de membrana 242, es decir, en el interior o lado de permeado de cada una de las membranas 46. La placa de pantalla 234 incluye una estructura de pantalla 210 u otro soporte adecuado 54. Los conductos 252 están cerrados con relación a la región central de la placa de pantalla 234, lo que aísla de esta manera la corriente de subproducto 36 y la corriente de gas mixto 24 de la corriente rica en hidrógeno 34. Los conductos 250 están abiertos hacia la región interior de la placa de pantalla 234. El gas hidrógeno, que ha pasado a través de las membranas adyacentes 46, se desplaza a lo largo y a través de la estructura de pantalla 210 a los conductos 250 y, finalmente, a un puerto de salida como la corriente rica en hidrógeno 34.In Figure 35, another example of a suitable membrane wrap 200 is shown. To graphically illustrate that the end plates 60 and the cover 62 can have a variety of configurations, the wrap 200 is shown having a generally rectangular configuration. The envelope of Figure 35 also provides another example of a membrane envelope having a pair of by-product ducts 252 and a pair of hydrogen ducts 250. As shown, the envelope 200 includes the feed plates, or separator, 238 as the outermost frames in the envelope. Generally, each of the plates 238 includes a frame 260 defining an open inner region 262. Each open inner region 262 is coupled laterally to the ducts 252. The ducts 250, however, are closed relative to the open region 262, which thus isolates the hydrogen rich stream 34. The membrane plates 242 are adjacent and internal to the plates 238. The membrane plates 242 each include as a central portion thereof a hydrogen selective membrane 46, which can be secured to an outer frame 240, which is shown for graphic illustration purposes. In the plates 242, all the ducts are closed relative to the membrane 46. Each membrane is adjacent to a corresponding one of the open regions 262, that is, adjacent to the mixed gas flow that reaches the envelope. This provides an opportunity for hydrogen gas to pass through the membrane, with gases that do not permeate, that is, gases that form the by-product stream 36, leaving the open region 262 through conduit 252. The plate screen 234 is positioned intermediate between the membranes 46 and / or the membrane plates 242, that is, inside or permeate side of each of the membranes 46. The screen plate 234 includes a screen structure 210 or other suitable support 54. The ducts 252 are closed relative to the central region of the display plate 234, thereby isolating the by-product stream 36 and the mixed gas stream 24 from the hydrogen-rich stream 34. The ducts 250 are open towards the inner region of the screen plate 234. The hydrogen gas, which has passed through the adjacent membranes 46, travels along and through the screen structure 210 to the conduits 250 and Finally, to an outlet port such as hydrogen-rich current 34.
Como se describió, el dispositivo 10 puede incluir una membrana única 46 dentro de la cubierta 62, una pluralidad de membranas dentro de la cubierta 62, una o más envolturas de la membrana 200 dentro de la cubierta 62 y/u otras unidades de separación 20. En la Figura 36, una envoltura de la membrana 200 similar a la que se muestra en la Figura 34 se muestra posicionada dentro de la cubierta 62 para ilustrar este punto. Debe entenderse que la envoltura 200 también puede representar esquemáticamente un módulo de membrana 220 que contiene una pluralidad de envolturas de la membrana, y/o una placa de membrana única 242. También se muestra con fines ilustrativos un ejemplo de una posición adecuada para las estructuras de guía 144. Como se describió, las estructuras 144 también representan un ejemplo de soportes internos 196. La Figura 36 también ilustra gráficamente un ejemplo de posiciones adecuadas para los puertos 64-68. Para ilustrar adicionalmente las posiciones adecuadas de las placas de membrana y/o envolturas de la membrana dentro de los dispositivos 10 que contienen placas de extremo de acuerdo con la presente invención, las Figuras 37 y 38 ilustran, respectivamente, en líneas discontinuas, una placa de membrana 242, una envoltura de la membrana 200 y/o un módulo de membrana 220 posicionado dentro de un dispositivo 10 que incluye las placas de extremo mostradas en las Figuras 13-14 y 21-25.As described, the device 10 may include a single membrane 46 within the cover 62, a plurality of membranes within the cover 62, one or more membrane wraps 200 within the cover 62 and / or other separation units 20 In Figure 36, a membrane wrap 200 similar to that shown in Figure 34 is shown positioned within the cover 62 to illustrate this point. It should be understood that the envelope 200 can also schematically represent a membrane module 220 containing a plurality of membrane envelopes, and / or a single membrane plate 242. An example of a suitable position for the structures is also shown for illustrative purposes. Guide 144. As described, structures 144 also represent an example of internal supports 196. Figure 36 also graphically illustrates an example of suitable positions for ports 64-68. To further illustrate suitable positions of the membrane plates and / or membrane envelopes within the devices 10 containing end plates according to the present invention, Figures 37 and 38 illustrate, respectively, in broken lines, a plate of membrane 242, a membrane wrap 200 and / or a membrane module 220 positioned within a device 10 that includes the end plates shown in Figures 13-14 and 21-25.
La cubierta 62 se ha descrito como que interconecta las placas de extremo para definir con ello el compartimiento interno 18. Está dentro del alcance de la invención que la cubierta puede formarse a partir de una pluralidad de placas interconectadas 230. Por ejemplo, un módulo de membrana 220 que incluye una o más envolturas de la membrana 200 puede formar una cubierta 62 debido a que las regiones perimetrales de cada una de las placas pueden formar un sello hermético al fluido, o al menos sustancialmente hermético al fluido entre las mismas. Un ejemplo de tal construcción se muestra en la Figura 39, en la que se muestra un módulo de membrana 220 que incluye tres envolturas de la membrana 200. Debe entenderse que la cantidad de envolturas de la membrana puede variar, desde una envoltura única o incluso una placa de membrana única 242, hasta una docena o más. En la Figura 39, las placas de extremo 60 se representan esquemáticamente con configuraciones generalmente rectangulares para ilustrar que otras configuraciones distintas de las configuraciones circulares están dentro del alcance de la invención. Debe entenderse que las placas de extremo 60 representadas esquemáticamente pueden tener cualquiera de las configuraciones de placa de extremo descritas, ilustradas y/o incorporadas en la presente descripción.The cover 62 has been described as interconnecting the end plates to thereby define the internal compartment 18. It is within the scope of the invention that the cover can be formed from a plurality of interconnected plates 230. For example, a module of membrane 220 that includes one or more envelopes of membrane 200 can form a cover 62 because the perimeter regions of each of the plates can form a seal fluid tight, or at least substantially fluid tight between them. An example of such a construction is shown in Figure 39, in which a membrane module 220 is shown that includes three envelopes of the membrane 200. It should be understood that the amount of membrane envelopes may vary, from a single envelope or even a single membrane plate 242, up to a dozen or more. In Figure 39, end plates 60 are schematically depicted with generally rectangular configurations to illustrate that other configurations than circular configurations are within the scope of the invention. It should be understood that end plates 60 schematically represented may have any of the end plate configurations described, illustrated and / or incorporated in the present description.
En la descripción anterior, se han descrito ejemplos ilustrativos de materiales de construcción adecuados para los componentes de los dispositivos de purificación de hidrógeno de acuerdo con la presente invención. Debe entenderse que los ejemplos no están destinados a representar una lista exclusiva o cerrada de materiales y métodos ilustrativos, y que está dentro del alcance de la invención que puedan usarse otros materiales. Por ejemplo, en muchos de los ejemplos anteriores, se presentan características o propiedades convenientes para proporcionar una guía para seleccionar materiales adicionales. Esta guía también pretende ser una ayuda ilustrativa, en lugar de enumerar los requisitos esenciales para todas las modalidades.In the above description, illustrative examples of suitable building materials for the components of the hydrogen purification devices according to the present invention have been described. It should be understood that the examples are not intended to represent an exclusive or closed list of illustrative materials and methods, and that it is within the scope of the invention that other materials may be used. For example, in many of the examples above, features or properties are presented that are convenient to provide guidance for selecting additional materials. This guide is also intended as an illustrative aid, rather than listing the essential requirements for all modalities.
Como se describió, en las modalidades del dispositivo 10 que incluye una unidad de separación que incluye membranas permeables al hidrógeno 46 y/o selectivas de hidrógeno, los materiales adecuados para las membranas 46 incluyen aleaciones de paladio y paladio. Como también se describió, las membranas pueden estar soportadas por marcos y/o soportes, tal como los marcos descritos anteriormente 240, los soportes 54 y la estructura de pantalla 210. Además, los dispositivos 10 a menudo funcionan con parámetros de operación seleccionados que incluyen temperaturas y presiones elevadas. En tal aplicación, los dispositivos típicamente comienzan en un estado de inicio o funcionamiento inicial, en el que los dispositivos están típicamente a temperatura ambiente y presión, tal como la presión atmosférica y una temperatura de aproximadamente 25 °C. A partir de este estado, el dispositivo se calienta (tal como con la unidad de calentamiento 42) y se presuriza (a través de cualquier mecanismo adecuado) a los parámetros de operación seleccionados, tal como temperaturas de 200 °C o más, y presiones de operación seleccionadas, tal como la presión de 344,7 kPa (50 psi) o más.As described, in the embodiments of the device 10 which includes a separation unit that includes hydrogen permeable membranes 46 and / or hydrogen selective, suitable materials for membranes 46 include palladium and palladium alloys. As also described, the membranes may be supported by frames and / or supports, such as the frames described above 240, the supports 54 and the screen structure 210. In addition, the devices 10 often operate with selected operating parameters that include high temperatures and pressures. In such an application, the devices typically begin in a state of initial onset or operation, in which the devices are typically at room temperature and pressure, such as atmospheric pressure and a temperature of approximately 25 ° C. From this state, the device is heated (such as with the heating unit 42) and pressurized (through any suitable mechanism) to the selected operating parameters, such as temperatures of 200 ° C or more, and pressures of selected operation, such as the pressure of 344.7 kPa (50 psi) or more.
Cuando los dispositivos 10 se calientan, los componentes de los dispositivos se expandirán. El grado en que los componentes se amplían o expanden se define en gran medida por el coeficiente de expansión térmica (CTE) de los materiales a partir de los cuales se forman los componentes. En consecuencia, estas diferencias en los CTE tenderán a hacer que los componentes se expandan a diferentes velocidades, lo que ejerce de esta manera tensión o compresión adicional en algunos componentes y/o reduce la tensión o compresión en otros.When the devices 10 become hot, the components of the devices will expand. The degree to which the components are expanded or expanded is largely defined by the coefficient of thermal expansion (CTE) of the materials from which the components are formed. Consequently, these differences in CTEs will tend to cause the components to expand at different speeds, thereby exerting additional tension or compression on some components and / or reducing tension or compression on others.
Por ejemplo, considere una membrana selectiva de hidrógeno 46 formada a partir de una aleación de 60 % en peso de paladio y 40 % en peso de cobre (Pd-40Cu). Tal membrana tiene un coeficiente de expansión térmica de 14,9 |jm/m)/°C. Además, considere que la membrana se asegura a un marco estructural 230 u otra sujeción, o se retiene contra un soporte 54 formado a partir de un material que tiene un CTE diferente al de Pd-40Cu u otro material del cual se forma la membrana 46. Cuando un dispositivo 10 en el que se hacen funcionar estos componentes se calienta a partir de una configuración ambiente o de reposo, los componentes se expandirán a diferentes velocidades. Típicamente, el dispositivo 10 tiene un ciclo térmico dentro de un rango de temperatura de al menos 200 °C, y a menudo dentro de un rango de al menos 250 °C, 300 °C o más. Si el CTE de la membrana es menor que el CTE del componente estructural adyacente, entonces la membrana tenderá a estirarse a medida que se calientan los componentes.For example, consider a selective hydrogen membrane 46 formed from an alloy of 60% by weight of palladium and 40% by weight of copper (Pd-40Cu). Such a membrane has a coefficient of thermal expansion of 14.9 | jm / m) / ° C. Also, consider that the membrane is secured to a structural frame 230 or other fastener, or retained against a support 54 formed from a material having a CTE different from that of Pd-40Cu or other material from which the membrane 46 is formed When a device 10 in which these components are operated is heated from an ambient or idle configuration, the components will expand at different speeds. Typically, the device 10 has a thermal cycle within a temperature range of at least 200 ° C, and often within a range of at least 250 ° C, 300 ° C or more. If the CTE of the membrane is less than the CTE of the adjacent structural component, then the membrane will tend to stretch as the components heat up.
Además de este estiramiento inicial, debe considerarse que los dispositivos de purificación de hidrógeno experimentan típicamente ciclos térmicos cuando se calientan para su uso, luego se enfrían o se dejan enfriar cuando no están en uso, luego se recalientan, se vuelven a enfriar, etc. En tal aplicación, la membrana estirada puede arrugarse a medida que se comprime hacia su configuración original a medida que la membrana y otro(s) componente(s) estructural(es) se enfrían. In addition to this initial stretching, hydrogen purification devices should typically be considered to undergo thermal cycles when heated for use, then cooled or allowed to cool when not in use, then reheated, re-cooled, etc. In such an application, the stretched membrane may wrinkle as it compresses into its original configuration as the membrane and other structural component (s) cool.
Por otro lado, si el CTE de la membrana es mayor que el CTE del componente estructural adyacente, luego la membrana tenderá a comprimirse durante el calentamiento del dispositivo, y esta compresión puede causar arrugas en la membrana. Durante el enfriamiento, o cuando los componentes se enfrían, la membrana vuelve a su configuración original.On the other hand, if the CTE of the membrane is greater than the CTE of the adjacent structural component, then the membrane will tend to compress during heating of the device, and this compression can cause wrinkles in the membrane. During cooling, or when the components cool, the membrane returns to its original configuration.
Como ejemplo ilustrativo, considere la placa de membrana 242 que se muestra en la Figura 34. Si el CTE de la membrana 46 es mayor que el CTE del miembro del marco 230, que típicamente tiene una composición diferente a la membrana 46, entonces la membrana tenderá a expandirse más rápido cuando se calienta que el marco. En consecuencia, se impartirán fuerzas de compresión a la membrana desde el marco 230, y estas fuerzas pueden producir arrugas en la membrana. Por el contrario, si el CTE de la membrana 46 es menor que el CTE del marco 230, entonces el marco se expandirá más rápido cuando se calienta que la membrana 46. A medida que esto ocurre, se impartirán fuerzas de expansión a la membrana, ya que la expansión del marco en esencia trata de estirar la membrana. Si bien ninguna de estas situaciones es conveniente, en comparación con una modalidad en la que el marco y la membrana tienen el mismo o esencialmente el mismo CTE, el primer escenario puede ser el más conveniente de los dos en algunas modalidades debido a que puede ser menos probable que produzca arrugas en la membrana. As an illustrative example, consider the membrane plate 242 shown in Figure 34. If the CTE of the membrane 46 is larger than the CTE of the frame member 230, which typically has a different composition than the membrane 46, then the membrane It will tend to expand faster when heated than the frame. Consequently, compression forces will be imparted to the membrane from the frame 230, and these forces can produce wrinkles in the membrane. On the contrary, if the CTE of the membrane 46 is smaller than the CTE of the frame 230, then the frame will expand faster when heated than the membrane 46. As this occurs, expansion forces will be imparted to the membrane, since the expansion of the frame essentially tries to stretch the membrane. While neither of these situations is convenient, compared to an embodiment in which the frame and the membrane have the same or essentially the same CTE, the first scenario may be the most convenient of the two in some modalities because it may be less likely to produce wrinkles in the membrane.
El arrugamiento de la membrana 46 puede causar agujeros y grietas en la membrana, especialmente a lo largo de las arrugas donde la membrana se fatiga. En regiones donde dos o más arrugas se intersecan, la probabilidad de que se formen agujeros y/o grietas aumenta debido a que esa porción de la membrana se ha arrugado en al menos dos direcciones diferentes. Debe entenderse que los agujeros y las grietas disminuyen la selectividad de la membrana para el gas hidrógeno debido a que los agujeros y/o las grietas no son selectivos para el gas hidrógeno y, en cambio, permiten que cualquiera de los componentes de la corriente de gas mixto pase a los mismos. Durante los ciclos térmicos repetidos de la membrana, estos puntos o regiones de falla tenderán a aumentar de tamaño, lo que disminuirá de esta manera aún más la pureza de la corriente rica en hidrógeno o de permeado. Debe entenderse además que estas arrugas pueden ser causadas por fuerzas impartidas a la membrana desde porciones del dispositivo 10 que entran en contacto con la membrana directamente, y que en consecuencia pueden denominarse como porciones o estructura en contacto con la membrana, o por otras porciones del dispositivo que no entran en contacto con la membrana pero que al expandirse y/o enfriarse imparten fuerzas que se transmiten a la membrana. Los ejemplos de estructura en contacto con la membrana incluyen marcos u otras sujeciones 52 y soportes 54 sobre los cuales se monta la membrana o con los cuales la membrana 46 está en contacto incluso si la membrana no está realmente asegurada o montada de cualquier otra manera en la misma. Los ejemplos de porciones del dispositivo 10 que pueden, al menos en algunas modalidades, impartir fuerzas inductoras de arrugas a la membrana 46 incluyen el recinto 12, y porciones del mismo tal como una o más placas de extremo 60 y/o la cubierta 62. Otros ejemplos incluyen juntas y separadores entre las placas de extremo y los marcos u otras sujeciones para la membrana, y en las modalidades del dispositivo 10 que incluyen una pluralidad de membranas, entre los marcos adyacentes u otros soportes o sujeciones para las membranas.The wrinkling of the membrane 46 can cause holes and cracks in the membrane, especially along the wrinkles where the membrane is fatigued. In regions where two or more wrinkles intersect, the likelihood of holes and / or cracks forming increases because that portion of the membrane has wrinkled in at least two different directions. It should be understood that holes and cracks decrease the selectivity of the membrane for hydrogen gas because the holes and / or cracks are not selective for hydrogen gas and, instead, allow any of the components of the flow stream. mixed gas pass to them. During repeated thermal cycles of the membrane, these points or regions of failure will tend to increase in size, which will further decrease the purity of the hydrogen-rich or permeate stream. It should also be understood that these wrinkles can be caused by forces imparted to the membrane from portions of the device 10 that come into contact with the membrane directly, and which can therefore be referred to as portions or structure in contact with the membrane, or by other portions of the device that does not come into contact with the membrane but that when expanding and / or cooling impart forces that are transmitted to the membrane. Examples of structure in contact with the membrane include frames or other fasteners 52 and brackets 54 on which the membrane is mounted or with which the membrane 46 is in contact even if the membrane is not really secured or otherwise mounted in the same. Examples of portions of device 10 that can, at least in some embodiments, impart wrinkle inducing forces to membrane 46 include enclosure 12, and portions thereof such as one or more end plates 60 and / or cover 62. Other examples include seals and spacers between the end plates and the frames or other fasteners for the membrane, and in the embodiments of the device 10 that include a plurality of membranes, between adjacent frames or other supports or fasteners for the membranes.
Un enfoque para protegerse contra la falla de la membrana debido a las diferencias en el CTE entre las membranas y los componentes estructurales adyacentes es colocar juntas deformables entre la membrana y cualquier componente del dispositivo 10 que haga contacto con la membrana y tenga suficiente rigidez o estructura para impartir fuerzas de compresión o tracción a la membrana que pueden arrugar la membrana. Por ejemplo, en la Figura 33, la membrana 46 se muestra intercalada entre la placa de alimentación 238 y la junta de permeado 236, ambas pueden formarse de un material deformable. En tal modalidad y con tal construcción, las juntas deformables amortiguan, o absorben, al menos una porción significativa de las fuerzas de compresión o de tracción que de cualquier otra manera se ejercerían sobre la membrana 46.One approach to protect against membrane failure due to differences in CTE between membranes and adjacent structural components is to place deformable joints between the membrane and any component of the device 10 that contacts the membrane and has sufficient rigidity or structure. to impart compression or tensile forces to the membrane that can wrinkle the membrane. For example, in Figure 33, the membrane 46 is shown sandwiched between the feed plate 238 and the permeate joint 236, both of which can be formed of a deformable material. In such an embodiment and with such construction, the deformable joints dampen, or absorb, at least a significant portion of the compression or tensile forces that would otherwise be exerted on the membrane 46.
En las modalidades donde cualquiera o ambos de estos marcos no se forman a partir de un material deformable (es decir, un material elástico que puede comprimirse o expandirse a medida que las fuerzas se imparten al mismo y que vuelve a su configuración original al eliminarse esas fuerzas), cuando se monta la membrana 46 en una placa 242 que tiene un grosor y/o composición que puede ejercer las fuerzas de tracción o compresión de arrugamiento descritas anteriormente en la membrana 46, o cuando el soporte 54 se une (o se asegura bajo la presión de funcionamiento seleccionada) a la membrana 46, puede usarse adicional o alternativamente un enfoque diferente. Más específicamente, la vida útil de las membranas se puede aumentar formando componentes del dispositivo 10 que de cualquier otra manera impartirían fuerzas de arrugamiento, ya sea de tracción o de compresión, a la membrana 46 a partir de materiales que tienen un CTE que es igual o similar al del material o materiales a partir de los cuales se forma la membrana 46.In the modalities where either or both of these frames are not formed from a deformable material (i.e., an elastic material that can be compressed or expanded as the forces are imparted thereto and returns to its original configuration upon elimination of those forces), when the membrane 46 is mounted on a plate 242 having a thickness and / or composition that can exert the tensile or wrinkle compression forces described above in the membrane 46, or when the support 54 is attached (or secured under the selected operating pressure) to the membrane 46, a different approach can be used additionally or alternatively. More specifically, the life of the membranes can be increased by forming components of the device 10 that would otherwise impart wrinkling forces, either tensile or compressive, to the membrane 46 from materials having a CTE that is equal or similar to that of the material or materials from which the membrane 46 is formed.
Por ejemplo, el acero inoxidable Tipo 316 tiene un CTE de 16,0. En consecuencia, el acero inoxidable Tipo 316 tiene un CTE que es aproximadamente un 8 % mayor que el de Pd-40Cu. Puede ser conveniente tener un CTE que sea igual que el CTE del material a partir del cual se forma la membrana 46, o un material que tenga un CTE que esté dentro de un rango seleccionado del CTE del material a partir del cual se selecciona la membrana 46, tal como dentro de ± 0,5 %, 1 %, 2 % o 5 %. Expresado de otra manera, en al menos algunas modalidades, puede ser conveniente formar las porciones en contacto con la membrana u otros elementos del dispositivo a partir de un material o materiales tienen un CTE que está dentro de ± 1,2, 1, 0,5, 0,2, 0,1 o menos de 0,1 jm/m/°C del c Te a partir del cual se forma la membrana 46 al menos sustancialmente. Los materiales que tienen una de las composiciones y/o CTE anteriores con relación al CTE de la membrana 46 pueden referirse en la presente descripción como uno de los CTE seleccionados dentro del contexto de esta descripción.For example, Type 316 stainless steel has a CTE of 16.0. Consequently, Type 316 stainless steel has a CTE that is approximately 8% higher than that of Pd-40Cu. It may be convenient to have a CTE that is the same as the CTE of the material from which the membrane 46 is formed, or a material that has a CTE that is within a selected range of the CTE of the material from which the membrane is selected 46, such as within ± 0.5%, 1%, 2% or 5%. In other words, in at least some embodiments, it may be convenient to form the portions in contact with the membrane or other elements of the device from a material or materials having a CTE that is within ± 1.2, 1.0, 5, 0.2, 0.1 or less than 0.1 jm / m / ° C of the Te from which membrane 46 is formed at least substantially. Materials having one of the above compositions and / or CTE in relation to the CTE of the membrane 46 may be referred to herein as one of the CTE selected within the context of this description.
En la siguiente tabla, se presentan aleaciones ilustrativas y sus correspondientes CTE y composiciones. Debe entenderse que los materiales enumerados en la siguiente tabla se proporcionan con fines ilustrativos.In the following table, illustrative alloys and their corresponding CTE and compositions are presented. It should be understood that the materials listed in the following table are provided for illustrative purposes.
Tabla 1Table 1
De la información anterior, puede observarse que las aleaciones tales como el acero inoxidable Tipo 330 e Incoloy 800 tienen CTE que están dentro de aproximadamente el 3 % del CTE de Pd40Cu, y Monel 400 y los aceros inoxidables Tipos 310S tienen CTE que se desvían del CTE de Pd40Cu en menos del 7 %.From the above information, it can be seen that alloys such as Type 330 and Incoloy 800 stainless steel have CTE that are within approximately 3% of the Pd40Cu CTE, and Monel 400 and Type 310S stainless steels have CTE that deviate from CTE of Pd40Cu in less than 7%.
Para ilustrar que la selección de materiales puede variar con el CTE de la membrana en particular que se usa, considere un material para la membrana 46 que tenga un coeficiente de expansión térmica de 13,8 jm/m/°C. En la tabla anterior, puede observarse que las aleaciones Monel e Inconel 600 tienen CTE que se desvían, o difieren del CTE de la membrana en 0,1 |jm/m/°C. Como otro ejemplo, considere una membrana que tiene un CTE de 13,4 jm/m/°C. Hastelloy X tiene un CTE que corresponde al de la membrana, y que las aleaciones de Monel e Inconel 601 tienen CTE que están dentro de aproximadamente el 1 % del CTE de la membrana. Del ejemplo ilustrativo de los materiales enumerados en la tabla, todas las aleaciones distintas de Hastelloy X, Incoloy 800 y las series Tipo 300 de aleaciones de acero inoxidable tienen CTE que están dentro del 2 % del CTE de la membrana y todas las aleaciones excepto las aleaciones de acero inoxidable Tipo 304, 316 y 310S tienen CTE que están dentro del 5 % del CTE de la membrana.To illustrate that the selection of materials may vary with the CTE of the particular membrane being used, consider a material for membrane 46 that has a thermal expansion coefficient of 13.8 jm / m / ° C. In the table above, it can be seen that the Monel and Inconel 600 alloys have CTE that deviate, or differ from the membrane CTE by 0.1 | jm / m / ° C. As another example, consider a membrane that has a CTE of 13.4 jm / m / ° C. Hastelloy X has a CTE that corresponds to that of the membrane, and that the Monel and Inconel 601 alloys have CTE that are within approximately 1% of the membrane CTE. From the illustrative example of the materials listed in the table, all alloys other than Hastelloy X, Incoloy 800 and Type 300 series of stainless steel alloys have CTEs that are within 2% of the membrane CTE and all alloys except Type 304, 316 and 310S stainless steel alloys have CTE that are within 5% of the membrane CTE.
Los ejemplos de componentes del dispositivo 10 que pueden formarse a partir de un material que tiene un CTE seleccionado con relación a la membrana 46, tal como un CTE correspondiente a o dentro de uno de los rangos seleccionados del CTE de la membrana 46, incluyen uno o más de los siguientes: soporte 54, miembros de pantalla 212, pantalla fina o exterior o miembro de metal expandido 216, miembro de pantalla interior 214, marco de membrana 240, marco de permeado 232, placa de permeado 234, placa de alimentación 238. Por lo anterior, debe entenderse que uno de los componentes anteriores puede formarse a partir de tal material, más de uno de los componentes anteriores puede formarse a partir de tal material, pero que no se requiere que ninguno de los componentes anteriores se forme a partir de tal material. De manera similar, las membranas 46 pueden formarse a partir de materiales distintos de Pd-40Cu, y como tales, los CTE seleccionados variarán en dependencia de la composición particular de las membranas 46.Examples of components of device 10 that can be formed from a material having a selected CTE relative to membrane 46, such as a CTE corresponding to or within one of the selected ranges of the CTE of membrane 46, include one or more of the following: support 54, screen members 212, thin or outer screen or expanded metal member 216, inner screen member 214, membrane frame 240, permeate frame 232, permeate plate 234, feed plate 238. By the foregoing, it should be understood that one of the above components may be formed from such material, more than one of the above components may be formed from such material, but that it is not required that any of the above components be formed from of such material. Similarly, the membranes 46 may be formed from materials other than Pd-40Cu, and as such, the selected CTEs will vary depending on the particular composition of the membranes 46.
A modo de ilustración adicional, un dispositivo 10 puede formarse con un módulo de membrana 220 que incluye una o más envolturas de la membrana 200 con un soporte que incluye una estructura de pantalla que se forma completamente de un material que tiene uno de los CTE seleccionados. Como otro ejemplo, solo los miembros de pantalla externos, o en contacto con la membrana (tal como los miembros 216) pueden formarse a partir de un material que tiene uno de los CTE seleccionados, con el miembro o miembros internos que se forman a partir de un material que no tiene uno de los CTE seleccionados. Como otro ejemplo ilustrativo, el miembro de pantalla interior 214 puede formarse a partir de un material que tiene uno de los CTE seleccionados, con los miembros en contacto con la membrana que se forman a partir de un material que no tiene uno de los CTE seleccionados, etc.By way of further illustration, a device 10 can be formed with a membrane module 220 that includes one or more membrane envelopes 200 with a support that includes a screen structure that is completely formed of a material having one of the selected CTEs. . As another example, only the outer screen members, or in contact with the membrane (such as members 216) can be formed from a material having one of the selected CTEs, with the inner member or members that are formed from of a material that does not have one of the selected CTEs. As another illustrative example, the inner screen member 214 may be formed from a material that has one of the selected CTEs, with the members in contact with the membrane that are formed from a material that does not have one of the selected CTEs. , etc.
En algunas modalidades, puede ser suficiente que solo las porciones del soporte que tienen la rigidez suficiente para causar arrugas en las membranas durante el ciclo térmico y otros usos previstos del dispositivo de purificación se formen a partir de un material que tenga uno de los CTE seleccionados. Como ejemplo ilustrativo, considere la estructura de pantalla 210, que se muestra en la Figura 32. En la modalidad ilustrativa, la estructura de pantalla se adapta para posicionarse entre un par de membranas 46, y la estructura de pantalla incluye un par de miembros de pantalla externos o en contacto con la membrana 216, y un miembro de pantalla interno 214 que no está en contacto con las membranas. Típicamente, pero no exclusivamente, los miembros de pantalla externa se forman por un material que es menos rígido y, a menudo, más fino que el miembro de pantalla interno, que tiende a tener una construcción más rígida y, a menudo, más gruesa. En tal modalidad, el miembro de pantalla interno puede formarse a partir de un material que tiene uno de los CTE seleccionados, tal como una aleación que incluye níquel y cobre, tal como Monel, con los miembros de pantalla externos que se forman de acero inoxidable convencional, tal como acero inoxidable Tipo 304 o Tipo 316. Tal estructura de pantalla también puede describirse como que tiene un miembro de pantalla en contacto con la membrana con un CTE que difiere del CTE de la membrana 46 más que el CTE del material del que se forma el miembro de pantalla interno. Sin embargo, como se describió, también está dentro del alcance de la invención que todos los miembros de pantalla puedan formarse a partir de una aleación que incluya níquel y cobre, tal como Monel, u otro material que tenga uno de los CTE seleccionados.In some embodiments, it may be sufficient that only portions of the support that have sufficient rigidity to cause wrinkles in the membranes during the thermal cycle and other intended uses of the purification device are formed from a material having one of the selected CTEs . As an illustrative example, consider the screen structure 210, shown in Figure 32. In the illustrative mode, the screen structure is adapted to be positioned between a pair of membranes 46, and the screen structure includes a pair of members of external screen or in contact with the membrane 216, and an internal screen member 214 that is not in contact with the membranes. Typically, but not exclusively, the external screen members are formed by a material that is less rigid and often thinner than the internal screen member, which tends to have a more rigid and often thicker construction. In such an embodiment, the internal screen member may be formed from a material having one of the selected CTEs, such as an alloy that includes nickel and copper, such as Monel, with the screen members external that are formed of conventional stainless steel, such as Type 304 or Type 316 stainless steel. Such a screen structure can also be described as having a screen member in contact with the membrane with a CTE that differs from the CTE of the membrane 46 plus than the CTE of the material from which the internal screen member is formed. However, as described, it is also within the scope of the invention that all screen members can be formed from an alloy that includes nickel and copper, such as Monel, or other material having one of the selected CTEs.
Esta construcción también puede aplicarse a soportes que incluyen más de un miembro o capa de pantalla, pero que solo soportan una membrana. Por ejemplo, y con referencia a la Figura 2, el soporte puede incluir una capa o miembro de pantalla en contacto con la membrana 214', que puede tener una construcción como la de un miembro de pantalla 214. La capa 214' se acopla y se extiende a través de al menos una porción sustancial de la cara de la membrana, pero típicamente no proporciona suficiente apoyo a la membrana cuando el dispositivo de purificación se presuriza y está en uso. El soporte puede incluir además una segunda capa o segundo miembro de pantalla 216', que puede tener una construcción similar al miembro de pantalla 216 y que se extiende generalmente paralelo a la primera capa pero en el lado opuesto de la primera capa de la membrana. Esta segunda capa es más rígida que la primera capa, de manera que proporciona una estructura de pantalla compuesta que tiene suficiente resistencia, o rigidez, para soportar la membrana cuando está en uso. Cuando se usa tal construcción, puede (pero no se requiere) implementarse con la segunda capa, o el miembro de pantalla se formará a partir de una aleación de níquel y cobre, tal como Monel, u otro material que tenga un CTE seleccionado, y con la capa en contacto con la membrana, o miembro de pantalla, que se forma a partir de un material que tiene un CTE que difiere del CTE de la membrana en una cantidad mayor que el material del cual se forma la segunda capa. Además, la capa en contacto con la membrana puede describirse como que se forma a partir de un material que no incluye una aleación de níquel y cobre.This construction can also be applied to supports that include more than one member or screen layer, but only support one membrane. For example, and with reference to Figure 2, the support may include a layer or screen member in contact with the membrane 214 ', which may have a construction like that of a screen member 214. The layer 214' is coupled and It extends through at least a substantial portion of the membrane face, but typically does not provide sufficient support to the membrane when the purification device is pressurized and in use. The support may further include a second layer or second screen member 216 ', which may have a construction similar to screen member 216 and which generally extends parallel to the first layer but on the opposite side of the first layer of the membrane. This second layer is more rigid than the first layer, so that it provides a composite screen structure that has sufficient strength, or stiffness, to support the membrane when in use. When such a construction is used, it can (but is not required) be implemented with the second layer, or the screen member will be formed from a nickel-copper alloy, such as Monel, or other material having a selected CTE, and with the layer in contact with the membrane, or screen member, which is formed from a material having a CTE that differs from the membrane CTE in an amount greater than the material from which the second layer is formed. In addition, the layer in contact with the membrane can be described as being formed from a material that does not include a nickel-copper alloy.
Otro ejemplo de configuraciones ilustrativas, un dispositivo 10 puede tener una única membrana 46 soportada entre las placas de extremo 60 del recinto mediante una o más sujeciones 52 y/o uno o más soportes 54. Las sujeciones y/o los soportes pueden formarse a partir de un material que tiene uno de los CTE seleccionados. De manera similar, al menos una porción del recinto 12, tal como una o ambas placas de extremo 60 o cubierta 62, pueden formarse a partir de un material que tenga uno de los CTE seleccionados.Another example of illustrative configurations, a device 10 may have a single membrane 46 supported between the end plates 60 of the enclosure by one or more fasteners 52 and / or one or more supports 54. The fasteners and / or the supports can be formed from of a material that has one of the selected CTEs. Similarly, at least a portion of the enclosure 12, such as one or both end plates 60 or cover 62, can be formed from a material having one of the selected CTEs.
En las modalidades del dispositivo 10 en las cuales hay componentes del dispositivo que no entran en contacto directo con la membrana 46, estos componentes todavía pueden formarse a partir de un material que tiene uno de los CTE seleccionados. Por ejemplo, una porción o la totalidad del recinto 12, tal como una o ambas placas de extremo 60 o cubierta 62, pueden formarse a partir de un material, que incluye una de las aleaciones enumeradas en la Tabla 1, que tienen uno de los CTE seleccionados con respecto al CTE del material a partir del cual se forma la membrana 46, aun cuando estas porciones no entren directamente en contacto con la membrana 46.In the modalities of the device 10 in which there are components of the device that do not come into direct contact with the membrane 46, these components can still be formed from a material having one of the selected CTEs. For example, a portion or all of the enclosure 12, such as one or both end plates 60 or cover 62, may be formed from a material, which includes one of the alloys listed in Table 1, which have one of the CTE selected with respect to the CTE of the material from which membrane 46 is formed, even if these portions do not come directly in contact with membrane 46.
Un dispositivo de purificación de hidrógeno 10 puede acoplarse a, o estar en comunicación continua con, cualquier fuente de gas hidrógeno impuro. Los ejemplos de estas fuentes incluyen dispositivos de almacenamiento de gas, tales como lechos de hidruros y tanques presurizados. Otra fuente es un aparato que produce como un subproducto, escape o corriente de desecho una corriente de gas desde la cual puede recuperarse gas hidrógeno. Aún otra fuente es un procesador de combustible, que, como se usa en la presente descripción, se refiere a cualquier dispositivo que se adapta para producir una corriente de gas mixto que contiene gas hidrógeno de al menos una corriente de alimentación que contiene una materia prima. Típicamente, el gas hidrógeno formará una mayoría o al menos una porción sustancial de la corriente de gas mixto producida por un procesador de combustible.A hydrogen purification device 10 can be coupled to, or be in continuous communication with, any source of impure hydrogen gas. Examples of these sources include gas storage devices, such as hydride beds and pressurized tanks. Another source is an apparatus that produces as a byproduct, exhaust or waste stream a gas stream from which hydrogen gas can be recovered. Yet another source is a fuel processor, which, as used herein, refers to any device that is adapted to produce a mixed gas stream containing hydrogen gas of at least one feed stream containing a raw material. . Typically, the hydrogen gas will form a majority or at least a substantial portion of the mixed gas stream produced by a fuel processor.
Un procesador de combustible puede producir una corriente de gas mixto 24 a través de una variedad de mecanismos. Los ejemplos de mecanismos adecuados incluyen reformado al vapor y reformado autotérmico, en el que los catalizadores de reformado se usan para producir gas hidrógeno a partir de una corriente de alimentación que contiene una materia prima que contiene carbono y agua. Otros mecanismos adecuados para producir gas hidrógeno incluyen pirólisis y oxidación parcial catalítica de una materia prima que contiene carbono, en cuyo caso la corriente de alimentación no contiene agua. Aún otro mecanismo adecuado para producir gas hidrógeno es la electrólisis, en cuyo caso la materia prima puede ser agua. Los ejemplos de materias primas que contienen carbono adecuadas incluyen al menos un hidrocarburo o alcohol. Los ejemplos de hidrocarburos adecuados incluyen metano, propano, gas natural, diésel, keroseno, gasolina y similares. Los ejemplos de alcoholes adecuados incluyen metanol, etanol, y polioles, tal como etilenglicol y propilenglicol.A fuel processor can produce a mixed gas stream 24 through a variety of mechanisms. Examples of suitable mechanisms include steam reforming and autothermal reforming, in which reforming catalysts are used to produce hydrogen gas from a feed stream containing a raw material containing carbon and water. Other suitable mechanisms for producing hydrogen gas include pyrolysis and catalytic partial oxidation of a carbon-containing raw material, in which case the feed stream does not contain water. Yet another suitable mechanism for producing hydrogen gas is electrolysis, in which case the raw material can be water. Examples of suitable carbon-containing raw materials include at least one hydrocarbon or alcohol. Examples of suitable hydrocarbons include methane, propane, natural gas, diesel, kerosene, gasoline and the like. Examples of suitable alcohols include methanol, ethanol, and polyols, such as ethylene glycol and propylene glycol.
En la Figura 40 se muestra esquemáticamente un dispositivo de purificación de hidrógeno 10 adaptado para recibir la corriente de gas mixto 24 de un procesador de combustible. Como se muestra, el procesador de combustible generalmente se indica en 300, y la combinación de un procesador de combustible y un dispositivo de purificación de hidrógeno puede denominarse como un sistema de procesamiento de combustible 302. También se muestra en líneas discontinuas en 42 una unidad de calentamiento, que como se describe proporciona calor al dispositivo 10 y puede tomar una variedad de formas. El procesador de combustible 300 puede tomar cualquiera de las formas descritas anteriormente. Para ilustrar gráficamente que un dispositivo de purificación de hidrógeno también puede recibir una corriente de gas mixto 24 de fuentes distintas al procesador de combustible 300, se ilustra esquemáticamente un dispositivo de almacenamiento de gas en 306 y un aparato que produce una corriente de gas mixto 24 como una corriente de residuos o subproductos en el curso de la producción de una corriente de producto diferente 308 se muestra en 310. Debe entenderse que la representación esquemática del procesador de combustible 300 pretende incluir cualquier unidad de calentamiento asociada, sistemas de suministro de materia prima, sistemas de suministro de aire, fuentes o suministros de corriente de alimentación, etc.A hydrogen purification device 10 adapted to receive the mixed gas stream 24 from a fuel processor is schematically shown in Figure 40. As shown, the fuel processor is generally indicated at 300, and the combination of a fuel processor and a hydrogen purification device can be referred to as a fuel processing system 302. A unit is also shown in broken lines at 42 heating, which as described provides heat to device 10 and can take a variety of forms. The fuel processor 300 can take any of the forms described above. To graphically illustrate that a hydrogen purification device can also receive a mixed gas stream 24 from sources other than the fuel processor 300, a gas storage device 306 and an apparatus producing a mixed gas stream 24 are schematically illustrated. as a stream of waste or by-products in the course of producing a different product stream 308 is shown in 310. It must It is understood that the schematic representation of the fuel processor 300 is intended to include any associated heating unit, raw material supply systems, air supply systems, power supply sources or supplies, etc.
Los procesadores de combustible a menudo se hacen funcionar a temperaturas y/o presiones elevadas. Como resultado, puede ser conveniente integrar al menos parcialmente el dispositivo de purificación de hidrógeno 10 con el procesador de combustible 300, a diferencia de tener el dispositivo 10 y el procesador de combustible 300 conectados por conductos de transporte de fluido externos. Un ejemplo de tal configuración se muestra en la Figura 42, en la que el procesador de combustible incluye una cubierta o carcasa 312, cuyo dispositivo 10 forma una porción de y/o se extiende al menos parcialmente dentro. En tal configuración, el procesador de combustible 300 puede describirse como que incluye el dispositivo 10. La integración del procesador de combustible u otra fuente de corriente de gas mixto 24 con el dispositivo de purificación de hidrógeno 10 permite que los dispositivos se muevan más fácilmente como una unidad. También permite que los componentes del procesador de combustible, que incluye el dispositivo 10, se calienten mediante una unidad de calentamiento común y/o al menos algunos, si no todos, los requisitos de calentamiento del dispositivo 10 deben satisfacerse con el calor generado por el procesador 300.Fuel processors are often operated at high temperatures and / or pressures. As a result, it may be convenient to at least partially integrate the hydrogen purification device 10 with the fuel processor 300, as opposed to having the device 10 and the fuel processor 300 connected by external fluid transport conduits. An example of such a configuration is shown in Figure 42, in which the fuel processor includes a cover or housing 312, whose device 10 forms a portion of and / or extends at least partially inside. In such a configuration, the fuel processor 300 can be described as including the device 10. The integration of the fuel processor or other mixed gas stream source 24 with the hydrogen purification device 10 allows the devices to move more easily as a unit. It also allows the components of the fuel processor, which includes the device 10, to be heated by a common heating unit and / or at least some, if not all, the heating requirements of the device 10 must be satisfied with the heat generated by the 300 processor
Como se describió, el procesador de combustible 300 es cualquier dispositivo adecuado que produce una corriente de gas mixto que contiene gas hidrógeno, y preferentemente una corriente de gas mixto que contiene una mayoría de gas hidrógeno. Para propósitos de ilustración, la siguiente descripción describirá el procesador de combustible 300 que se adapta para recibir una corriente de alimentación 316 que contiene una materia prima que contiene carbono 318 y agua 320, como se muestra en la Figura 42. Sin embargo, el procesador de combustible 300 puede tomar otras formas, como se describió anteriormente, y esa corriente de alimentación 316 puede tener otras composiciones, tales como que contengan solo una materia prima que contiene carbono o solo agua.As described, the fuel processor 300 is any suitable device that produces a mixed gas stream containing hydrogen gas, and preferably a mixed gas stream containing a majority of hydrogen gas. For illustration purposes, the following description will describe the fuel processor 300 that is adapted to receive a feed stream 316 containing a raw material containing carbon 318 and water 320, as shown in Figure 42. However, the processor Fuel 300 may take other forms, as described above, and that feed stream 316 may have other compositions, such as containing only a raw material containing carbon or only water.
La corriente de alimentación 316 puede entregarse al procesador de combustible 300 a través de cualquier mecanismo adecuado. En la Figura 42 se muestra una sola corriente de alimentación 316, pero debe entenderse que puede usarse más de una corriente 316 y que estas corrientes pueden contener los mismos componentes o componentes diferentes. Cuando la materia prima que contiene carbono 318 es miscible con agua, la materia prima se entrega típicamente con el componente de agua de la corriente de alimentación 316, tal como se muestra en la Figura 42. Cuando el material de alimentación que contiene carbono no es miscible o solo ligeramente miscible con agua, estos componentes se entregan típicamente al procesador de combustible 300 en corrientes separadas, tal como se muestra en líneas discontinuas en la Figura 42. En la Figura 42, se muestra la corriente de alimentación 316 que se entrega al procesador de combustible 300 por un sistema de suministro de corriente de alimentación 317. El sistema de suministro 317 incluye cualquier mecanismo adecuado, dispositivo o combinación de los mismos que entrega la corriente de alimentación al procesador de combustible 300. Por ejemplo, el sistema de suministro puede incluir una o más bombas que entregan los componentes de la corriente 316 desde un suministro. Adicional o alternativamente, el sistema 317 puede incluir un conjunto de válvulas adaptado para regular el flujo de los componentes desde un suministro presurizado. Los suministros pueden localizarse fuera del sistema de célula de combustible, o pueden contenerse dentro o adyacentes al sistema.The supply current 316 can be delivered to the fuel processor 300 through any suitable mechanism. A single supply current 316 is shown in Figure 42, but it should be understood that more than one current 316 can be used and that these currents may contain the same or different components. When the carbon-containing raw material 318 is miscible with water, the raw material is typically delivered with the water component of the feed stream 316, as shown in Figure 42. When the carbon-containing feed material is not miscible or only slightly miscible with water, these components are typically delivered to the fuel processor 300 in separate streams, as shown in broken lines in Figure 42. In Figure 42, the feed stream 316 is shown that is delivered to the fuel processor 300 by a power supply system 317. The supply system 317 includes any suitable mechanism, device or combination thereof that delivers the feed current to the fuel processor 300. For example, the supply system it may include one or more pumps that deliver the components of current 316 from a supply. Additionally or alternatively, system 317 may include a set of valves adapted to regulate the flow of the components from a pressurized supply. Supplies may be located outside the fuel cell system, or they may be contained within or adjacent to the system.
Como se indica generalmente en 312 en la Figura 42, el procesador de combustible 300 incluye una región productora de hidrógeno en la que la corriente de gas mixto 24 se produce a partir de la corriente de alimentación 316. Como se describió, puede utilizarse una variedad de procesos diferentes en la región productora de hidrógeno. Un ejemplo de tal proceso es el reformado al vapor, en el que la región 312 incluye un catalizador de reformado al vapor 334. Alternativamente, la región 312 puede producir la corriente 24 mediante reformado autotérmico, en cuyo caso la región 312 incluye un catalizador de reformado autotérmico. En el contexto de un reformador al vapor o autotérmico, la corriente de gas mixto 24 también puede denominarse como corriente de reformado. Preferentemente, el procesador de combustible se adapta para producir gas hidrógeno sustancialmente puro, y aún con mayor preferencia, el procesador de combustible se adapta para producir gas hidrógeno puro. Para los fines de la presente invención, el gas hidrógeno sustancialmente puro tiene una pureza superior al 90 %, preferentemente una pureza mayor que 95 %, con mayor preferencia una pureza mayor que 99 %, e aún con mayor preferencia una pureza mayor que 99,5 %. Los ejemplos de procesadores de combustible adecuados se describen en la patente de Estados Unidos núm. 6,221,117solicitud de patente de Estados Unidos pendiente con número de serie 09/802,361, que se presentó el 8 de marzo de 2001, y se titula "Fuel Processor and Systems and Devices Containing the Same" y la solicitud de patente de Estados Unidos pendiente con número de serie 09/812,499, que se presentó el 19 de marzo de 2001, y se titula "Hydrogen-Selective Metal Membrane Modules and Method of Forming the Same,".As generally indicated in 312 in Figure 42, the fuel processor 300 includes a hydrogen producing region in which the mixed gas stream 24 is produced from the feed stream 316. As described, a variety can be used. of different processes in the hydrogen producing region. An example of such a process is steam reforming, in which region 312 includes a steam reforming catalyst 334. Alternatively, region 312 can produce stream 24 by autothermal reforming, in which case region 312 includes a catalyst of autothermal reforming. In the context of a steam or autothermal reformer, the mixed gas stream 24 can also be referred to as the reforming stream. Preferably, the fuel processor is adapted to produce substantially pure hydrogen gas, and even more preferably, the fuel processor is adapted to produce pure hydrogen gas. For the purposes of the present invention, the substantially pure hydrogen gas has a purity greater than 90%, preferably a purity greater than 95%, more preferably a purity greater than 99%, and even more preferably a purity greater than 99, 5 %. Examples of suitable fuel processors are described in U.S. Patent No. 6,221,117 pending US patent application with serial number 09 / 802,361, which was filed on March 8, 2001, and is entitled "Fuel Processor and Systems and Devices Containing the Same" and the pending United States patent application with Serial number 09 / 812,499, which was filed on March 19, 2001, and is titled "Hydrogen-Selective Metal Membrane Modules and Method of Forming the Same,".
El procesador de combustible 300 puede, pero no necesariamente, incluir además una región de pulido 348, tal como se muestra en líneas discontinuas en la Figura 42. La región de pulido 348 recibe la corriente rica en hidrógeno 34 del dispositivo 10 y purifica aún más la corriente mediante la reducción de la concentración o mediante la eliminación de las composiciones seleccionadas en la misma. En la Figura 42, la corriente resultante se indica en 314 y puede denominarse como una corriente de hidrógeno producto o una corriente de hidrógeno purificado. Cuando el procesador de combustible 300 no incluye la región de pulido 348, la corriente rica en hidrógeno 34 forma la corriente de hidrógeno del producto 314. Por ejemplo, cuando la corriente 34 se diseña para su uso en una pila de células de combustible, las composiciones que pueden dañar la pila de células de combustible, tal como el monóxido de carbono y el dióxido de carbono, pueden eliminarse de la corriente rica en hidrógeno, si es necesario. La concentración de monóxido de carbono debe ser inferior a 10 ppm (partes por millón) para evitar que el sistema de control aísle la pila de células de combustible. Preferentemente, el sistema limita la concentración de monóxido de carbono a menos de 5 ppm, y aún con mayor preferencia, a menos de 1 ppm. La concentración de dióxido de carbono puede ser mayor que la del monóxido de carbono. Por ejemplo, las concentraciones de menos de 25 % de dióxido de carbono pueden ser aceptables. Preferentemente, la concentración es inferior al 10 %, aún con mayor preferencia, inferior al 1 %. Las concentraciones especialmente preferidas son menos de 50 ppm. Debe entenderse que las concentraciones mínimas aceptables presentadas en la presente descripción son ejemplos ilustrativos, y que pueden usarse otras concentraciones distintas a las presentadas en la presente descripción y están dentro del alcance de la presente invención. Por ejemplo, los usuarios o fabricantes particulares pueden requerir niveles o rangos de concentración mínimos o máximos que sean diferentes a los identificados en la presente descripción. The fuel processor 300 may, but not necessarily, also include a polishing region 348, as shown in broken lines in Figure 42. The polishing region 348 receives the hydrogen-rich stream 34 from the device 10 and further purifies the current by reducing the concentration or by eliminating the compositions selected therein. In Figure 42, the resulting stream is indicated in 314 and can be referred to as a product hydrogen stream or a purified hydrogen stream. When the fuel processor 300 does not include the polishing region 348, the hydrogen rich stream 34 forms the hydrogen stream of the product 314. For example, when stream 34 is designed for use in a stack of fuel cells, the Compositions that can damage the fuel cell stack, such as carbon monoxide and carbon dioxide, can be removed from the hydrogen-rich stream, if necessary. The concentration of carbon monoxide should be less than 10 ppm (parts per million) to prevent the control system from isolating the fuel cell stack. Preferably The system limits the concentration of carbon monoxide to less than 5 ppm, and even more preferably, to less than 1 ppm. The concentration of carbon dioxide may be greater than that of carbon monoxide. For example, concentrations of less than 25% carbon dioxide may be acceptable. Preferably, the concentration is less than 10%, even more preferably, less than 1%. Especially preferred concentrations are less than 50 ppm. It should be understood that the minimum acceptable concentrations presented in the present description are illustrative examples, and that other concentrations than those presented in the present description can be used and are within the scope of the present invention. For example, particular users or manufacturers may require minimum or maximum concentration levels or ranges that are different from those identified in this description.
La región 348 incluye cualquier estructura adecuada para eliminar o reducir la concentración de las composiciones seleccionadas en la corriente 34. Por ejemplo, cuando la corriente del producto se destina para usarse en una pila de células de combustible PEM u otro dispositivo que se dañará si la corriente contiene más de las concentraciones determinadas de monóxido de carbono o dióxido de carbono, puede ser conveniente incluir al menos un lecho de catalizador de metanización 350. El lecho 350 convierte el monóxido de carbono y el dióxido de carbono en metano y agua, los cuales no dañarán una pila de células de combustible PEM. La región de pulido 348 también puede incluir otra región productora de hidrógeno 352, tal como otro lecho de catalizador de reformado, para convertir cualquier materia prima sin reaccionar en gas hidrógeno. En tal modalidad, es conveniente que el segundo lecho de catalizador de reformado esté aguas arriba del lecho de catalizador de metanización para no reintroducir el dióxido de carbono o el monóxido de carbono aguas abajo del lecho de catalizador de metanización.Region 348 includes any structure suitable for eliminating or reducing the concentration of the selected compositions in stream 34. For example, when the product stream is intended for use in a PEM fuel cell stack or other device that will be damaged if the stream contains more than the determined concentrations of carbon monoxide or carbon dioxide, it may be convenient to include at least one bed of methanization catalyst 350. Bed 350 converts carbon monoxide and carbon dioxide into methane and water, which They will not damage a PEM fuel cell stack. Polishing region 348 may also include another hydrogen producing region 352, such as another bed of reforming catalyst, to convert any unreacted raw material into hydrogen gas. In such an embodiment, it is convenient that the second reforming catalyst bed is upstream of the methanization catalyst bed so as not to reintroduce carbon dioxide or carbon monoxide downstream of the methanization catalyst bed.
Los reformadores al vapor operan típicamente a temperaturas en el rango de 200 °C y 700 °C, y a presiones en el rango de 344,7 kPa (50 psi) y 6894,8 kPa (1000 psi), aunque las temperaturas fuera de este rango dependen del tipo particular y configuración del procesador de combustible que se usa. Puede usarse cualquier mecanismo o dispositivo de calentamiento adecuado para proporcionar este calor, tal como un calentador, un quemador, un catalizador de combustión o similares. La unidad de calentamiento puede ser externa al procesador de combustible o puede formar una cámara de combustión que forma parte del procesador de combustible. El combustible para la unidad de calentamiento puede proporcionarse por el procesamiento de combustible o el sistema de célula de combustible, por una fuente externa, o ambos.Steam reformers typically operate at temperatures in the range of 200 ° C and 700 ° C, and at pressures in the range of 344.7 kPa (50 psi) and 6894.8 kPa (1000 psi), although temperatures outside of this Range depends on the particular type and configuration of the fuel processor used. Any suitable heating mechanism or device can be used to provide this heat, such as a heater, a burner, a combustion catalyst or the like. The heating unit may be external to the fuel processor or it may form a combustion chamber that is part of the fuel processor. The fuel for the heating unit may be provided by the fuel processing or the fuel cell system, by an external source, or both.
En la Figura 42, se muestra el procesador de combustible 300 que incluye una cubierta 312 en la que se contienen los componentes descritos anteriormente. La cubierta 312, que también puede denominarse como carcasa, permite que los componentes del procesador de combustible se muevan como una unidad. También protege los componentes del procesador de combustible contra daños al proporcionar un recinto protector y reduce la demanda de calentamiento del procesador de combustible debido a que los componentes del procesador de combustible pueden calentarse como una unidad. La cubierta 312 puede, pero no necesariamente, incluir material aislante 333, tal como un material aislante sólido, material de capa aislante o una cavidad llena de aire. El procesador de combustible puede formarse sin una carcasa o cubierta. Cuando el procesador de combustible 300 incluye material aislante 333, el material aislante puede ser interno a la cubierta, externo a la cubierta o ambos. Cuando el material aislante es externo a una cubierta que contiene las regiones de reformado, separación y/o pulido descritas anteriormente, el procesador de combustible puede incluir además un recubrimiento exterior o chaqueta externa al aislamiento.In Figure 42, the fuel processor 300 is shown which includes a cover 312 in which the components described above are contained. The cover 312, which can also be referred to as a housing, allows the components of the fuel processor to move as a unit. It also protects the components of the fuel processor against damage by providing a protective enclosure and reduces the heating demand of the fuel processor because the components of the fuel processor can be heated as a unit. The cover 312 may, but not necessarily, include insulating material 333, such as a solid insulating material, insulating layer material or a cavity filled with air. The fuel processor can be formed without a housing or cover. When the fuel processor 300 includes insulating material 333, the insulating material may be internal to the cover, external to the cover or both. When the insulating material is external to a cover containing the reforming, separation and / or polishing regions described above, the fuel processor may further include an outer coating or jacket external to the insulation.
Uno o más de los componentes del procesador de combustible 300 pueden extenderse más allá de la cubierta o localizarse en el exterior, al menos, de la cubierta 312. Por ejemplo, el dispositivo 10 puede extenderse al menos parcialmente más allá de la cubierta 312, como se indica en la Figura 41. Como otro ejemplo, y como se ilustra esquemáticamente en la Figura 42, la región de pulido 348 puede ser una cubierta externa 312 y/o una porción de la región productora de hidrógeno 312 (tal como las porciones de uno o más lechos de catalizadores de reformado) puede extenderse más allá de la cubierta.One or more of the components of the fuel processor 300 may extend beyond the cover or be located at least outside the cover 312. For example, the device 10 may extend at least partially beyond the cover 312, as indicated in Figure 41. As another example, and as schematically illustrated in Figure 42, the polishing region 348 may be an outer shell 312 and / or a portion of the hydrogen producing region 312 (such as the portions of one or more beds of reforming catalysts) can extend beyond the deck.
Como se indicó anteriormente, el procesador de combustible 300 puede adaptarse para entregar la corriente rica en hidrógeno 34 o la corriente de hidrógeno del producto 314 a al menos una pila de células de combustible, que produce una corriente eléctrica desde la misma. En tal configuración, el procesador de combustible y la pila de células de combustible pueden denominarse como un sistema de células de combustible. Un ejemplo de tal sistema se ilustra esquemáticamente en la Figura 43, en la que una pila de células de combustible generalmente se indica en 322. La pila de células de combustible se adapta para producir una corriente eléctrica de la porción de la corriente de hidrógeno del producto 314 entregada a la misma. En la modalidad ilustrada, se muestran y describen un único procesador de combustible 300 y una pila de células de combustible única 322, sin embargo, debe entenderse que puede usarse más de uno o cualquiera de estos dos componentes. También debe entenderse que estos componentes se han ilustrado esquemáticamente y que el sistema de célula de combustible puede incluir componentes adicionales que no se ilustran específicamente en las figuras, tales como bombas de alimentación, sistemas de suministro de aire, intercambiadores de calor, unidades de calentamiento y similares.As indicated above, the fuel processor 300 can be adapted to deliver the hydrogen rich stream 34 or the hydrogen stream of the product 314 to at least one fuel cell stack, which produces an electric current therefrom. In such a configuration, the fuel processor and the fuel cell stack can be referred to as a fuel cell system. An example of such a system is schematically illustrated in Figure 43, in which a fuel cell stack is generally indicated at 322. The fuel cell stack is adapted to produce an electric current from the portion of the hydrogen current of the product 314 delivered to it. In the illustrated embodiment, a single fuel processor 300 and a single fuel cell stack 322 are shown and described, however, it should be understood that more than one or any of these two components can be used. It should also be understood that these components have been schematically illustrated and that the fuel cell system may include additional components that are not specifically illustrated in the figures, such as feed pumps, air supply systems, heat exchangers, heating units and the like
La pila de células de combustible 322 contiene al menos una, y típicamente múltiples, células de combustible 324 que se adaptan para producir una corriente eléctrica a partir de la porción de la corriente de hidrógeno del producto 314 entregada a la misma. Esta corriente eléctrica puede usarse para satisfacer las demandas de energía, o la carga aplicada, de un dispositivo asociado que consume energía 325. Los ejemplos ilustrativos de dispositivos 325 incluyen, pero no deben limitarse a, un vehículo motorizado, un vehículo recreativo, un bote, herramientas, luces o conjuntos de iluminación, aparatos (tal como uno casero u otro aparato), equipos para el hogar, de señalización o de comunicación, etc. Debe entenderse que el dispositivo 325 se ilustra esquemáticamente en la Figura 43 y pretende representar uno o más dispositivos o una colección de dispositivos que se adaptan para extraer corriente eléctrica del sistema de célula de combustible. Una pila de células de combustible incluye típicamente múltiples células de combustible unidas entre las placas de extremo comunes 323, que contienen conductos de suministro/eliminación de fluido (no se muestran). Los ejemplos de células de combustible adecuadas incluyen células de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM) y células de combustible alcalinas. La pila de células de combustible 322 puede recibir la totalidad de la corriente de hidrógeno del producto 314. Una parte o la totalidad de la corriente 314 puede suministrarse adicional o alternativamente, a través de un conducto adecuado, para usar en otro proceso de consumo de hidrógeno, quemado para combustible o calor, o almacenado para su uso posterior.The fuel cell stack 322 contains at least one, and typically multiple, fuel cells 324 that are adapted to produce an electric current from the portion of the hydrogen stream of the product 314 delivered thereto. This electric current can be used to meet the energy demands, or applied load, of an associated device that consumes energy 325. Illustrative examples of devices 325 include, but should not be limited to, a motor vehicle, a recreational vehicle, a boat , tools, lights or lighting sets, appliances (such as a home or other device), home, signaling or communication equipment, etc. It should be understood that the device 325 is schematically illustrated in Figure 43 and is intended to represent one or more devices or a collection of devices that are adapted to extract electric current from the fuel cell system. A fuel cell stack typically includes multiple fuel cells joined between common end plates 323, which contain fluid supply / disposal conduits (not shown). Examples of suitable fuel cells include proton exchange membrane (PEM) fuel cells and alkaline fuel cells. The fuel cell stack 322 can receive all of the hydrogen stream of the product 314. A part or all of the stream 314 can be supplied additionally or alternatively, through a suitable conduit, for use in another process of consumption of hydrogen, burned for fuel or heat, or stored for later use.
Aplicabilidad industrialIndustrial applicability
Los dispositivos de purificación de hidrógeno, los componentes y los sistemas de procesamiento de combustible descritos son aplicables al procesamiento de combustible y otras industrias en las que se produce y/o utiliza gas hidrógeno. The hydrogen purification devices, components and fuel processing systems described are applicable to fuel processing and other industries in which hydrogen gas is produced and / or used.
Aunque la invención se ha descrito en su forma preferida, las modalidades específicas de la misma tal como se describen e ilustran en la presente descripción no deben considerarse en un sentido limitante, ya que son posibles numerosas variaciones. De manera similar, cuando las reivindicaciones enumeran "un" o "un primer" elemento o su equivalente, debe entenderse que tales reivindicaciones incluyen la incorporación de uno o más de tales elementos, que no requieren ni excluyen dos o más de tales elementos. Although the invention has been described in its preferred form, the specific embodiments thereof as described and illustrated in the present description should not be considered in a limiting sense, since numerous variations are possible. Similarly, when the claims enumerate "a" or "a first" element or its equivalent, it should be understood that such claims include the incorporation of one or more such elements, which do not require or exclude two or more such elements.
Claims (8)
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US09/967,172 US6494937B1 (en) | 2001-09-27 | 2001-09-27 | Hydrogen purification devices, components and fuel processing systems containing the same |
US10/067,275 US6562111B2 (en) | 2001-09-27 | 2002-02-04 | Hydrogen purification devices, components and fuel processing systems containing the same |
US10/086,680 US6569227B2 (en) | 2001-09-27 | 2002-02-28 | Hydrogen purification devices, components and fuel processing systems containing the same |
PCT/US2002/009351 WO2003026776A1 (en) | 2001-09-27 | 2002-03-26 | Hydrogen purification devices, components and fuel processing systems containing the same |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
ES2733017T3 true ES2733017T3 (en) | 2019-11-27 |
Family
ID=68618261
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
ES02731167T Expired - Lifetime ES2733017T3 (en) | 2001-09-27 | 2002-03-26 | Use of means to support a selective hydrogen membrane to prevent wrinkling of said membrane |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
ES (1) | ES2733017T3 (en) |
-
2002
- 2002-03-26 ES ES02731167T patent/ES2733017T3/en not_active Expired - Lifetime
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1441837B1 (en) | Use of means for supporting a hydrogen-selective membrane to avoid wrinkling of said membrane | |
US6494937B1 (en) | Hydrogen purification devices, components and fuel processing systems containing the same | |
ES2548436T3 (en) | Hydrogen processing units and hydrogen producing systems and fuel cell systems that include them | |
US6458189B1 (en) | Hydrogen-selective metal membrane modules and method of forming the same | |
AU2002303161A1 (en) | Hydrogen purification devices, components and fuel processing systems containing the same | |
AU2005287286B2 (en) | Hydrogen purification devices, components, and fuel processing systems containing the same | |
US20080210088A1 (en) | Hydrogen purification membranes, components and fuel processing systems containing the same | |
US7052530B2 (en) | Hydrogen purification membranes, components and fuel processing systems containing the same | |
US20060037476A1 (en) | Hydrogen purification devices, components and fuel processing systems containing the same | |
ES2733017T3 (en) | Use of means to support a selective hydrogen membrane to prevent wrinkling of said membrane | |
CA2494680A1 (en) | Hydrogen purification devices, components and fuel processing systems containing the same |