ITRM20090023U1

ITRM20090023U1 - PURIFICATION SYSTEM FOR HYDROGEN GENERATORS

Info

Publication number: ITRM20090023U1
Authority: IT
Inventors: Rodolfo Borelli; Silvano Tosti
Original assignee: Enea Ente Nuove Tec
Priority date: 2009-02-10
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2010-08-11

Description

Descrizione del modello di utilità dal titolo: APPARATO DI PURIFICAZIONE PER GENERATORI DI IDROGENO; Description of the utility model entitled: PURIFICATION APPARATUS FOR HYDROGEN GENERATORS;

La presente innovazione riguarda il settore della purificazione dell’idrogeno proveniente da una qualsiasi sorgente di idrogeno, come ad esempio: generatori di idrogeno e/o bombole di idrogeno e/o flussi di idrogeno e/o miscele di gas contenenti idrogeno. This innovation concerns the sector of hydrogen purification from any source of hydrogen, such as: hydrogen generators and / or hydrogen cylinders and / or hydrogen streams and / or gas mixtures containing hydrogen.

Più specificamente, la presente innovazione è relativa ad una particolare configurazione di membrane tubolari, preferibilmente in lega Pd-Ag 25% in peso, da utilizzare per la purificazione dell’idrogeno prodotto, ad esempio, da dispositivi che utilizzano celle elettrolitiche (portata fino a 1 L min<-1>). More specifically, the present innovation relates to a particular configuration of tubular membranes, preferably in Pd-Ag alloy 25% by weight, to be used for the purification of the hydrogen produced, for example, by devices that use electrolytic cells (range up to 1 L min <-1>).

Uno dei possibili motivi per cui l’idrogeno prodotto da questi dispositivi deve essere purificato, è quello di preservare le apparecchiature di laboratorio cui è asservito (in genere gascromatografi). Attualmente, i prodotti commerciali che utilizzano cartucce filtranti producono idrogeno con un grado di purezza fino a 99.99999%, mentre l’introduzione dei purificatori in Pd-Ag è in grado di assicurare la produzione di idrogeno con purezza assoluta (100%) One of the possible reasons why the hydrogen produced by these devices must be purified is to preserve the laboratory equipment to which it is enslaved (generally gas chromatographs). Currently, commercial products that use filter cartridges produce hydrogen with a degree of purity up to 99.99999%, while the introduction of Pd-Ag purifiers is able to ensure the production of hydrogen with absolute purity (100%)

Nello specifico, la soluzione tecnica oggetto del modello ha riguardato la progettazione del modulo di separatore a membrana ed è stata validata mediante prove di permeazione condotte in laboratorio. Specifically, the technical solution object of the model concerned the design of the membrane separator module and was validated through permeation tests conducted in the laboratory.

STATO DELLA TECNICA STATE OF THE TECHNIQUE

Oggetto del modello è un prodotto innovativo che ha applicazione nel campo dei generatori di gas per laboratorio, ma non solo. Il mercato di questi dispositivi è in forte crescita in quanto nelle applicazioni presentano i seguenti vantaggi: The subject of the model is an innovative product that has applications in the field of laboratory gas generators, but not only. The market for these devices is growing rapidly as they have the following advantages in applications:

- si evita l’uso e lo stoccaggio di recipienti in pressione (bombole) riducendo significativamente il rischio di eventi quali (a seconda della natura dei gas in questione): l’esplosione, l’incendio, il soffocamento e l’avvelenamento; - si riducono significativamente i costi di consumo e di gestione dei gas. - the use and storage of pressure vessels (cylinders) is avoided, significantly reducing the risk of events such as (depending on the nature of the gases in question): explosion, fire, suffocation and poisoning; - gas consumption and management costs are significantly reduced.

Attualmente, le aziende produttrici di generatori di idrogeno hanno la necessità di incrementare la purezza dell’idrogeno prodotto da questi dispositivi: per fare questo è necessario introdurre una nuova tecnologia basata sull’utilizzo di membrane dense in lega di palladio. Tra i metalli, le leghe di palladio sono studiate e applicate per la separazione di idrogeno da miscele gassose: infatti, questi materiali presentano elevati valori di permeabilità all’idrogeno ed una buona stabilità (resistenza all’infragilimento conseguente ai cicli di idrogenazione). Currently, companies producing hydrogen generators need to increase the purity of the hydrogen produced by these devices: to do this it is necessary to introduce a new technology based on the use of dense palladium alloy membranes. Among metals, palladium alloys are studied and applied for the separation of hydrogen from gas mixtures: in fact, these materials have high hydrogen permeability values and good stability (resistance to embrittlement resulting from hydrogenation cycles).

Diverse tipologie di membrane sono state studiate: membrane in forma di dischi e di tubi, film di palladio depositati su supporti porosi, membrane dense (di vario spessore) e così via. Le applicazioni considerate vanno dalla separazione e purificazione dell’idrogeno da miscele gassose alla produzione di idrogeno ultrapuro mediante reattori a membrana (dispositivi in grado di operare contemporaneamente sia la reazione di deidrogenazione che la separazione dell’idrogeno prodotto) [1-6]. Utilizzando l’esperienza pluriennale nel campo delle tecnologie con membrane di palladio, secondo la presente innovazione è stato concepito un dispositivo che prevede l’impiego di membrane tubolari di Pd-Ag nei generatori o sorgenti di idrogeno al fine di aumentare la purezza del gas prodotto. Attualmente, i prodotti commerciali che utilizzano cartucce filtranti producono idrogeno con un grado di purezza fino a 99.99999%, mentre l’introduzione dei purificatori in Pd-Ag è in grado di assicurare la produzione di idrogeno con purezza assoluta (100%). Different types of membranes have been studied: membranes in the form of discs and tubes, palladium films deposited on porous supports, dense membranes (of various thickness) and so on. The applications considered range from the separation and purification of hydrogen from gaseous mixtures to the production of ultra-pure hydrogen using membrane reactors (devices capable of simultaneously operating both the dehydrogenation reaction and the separation of the hydrogen produced) [1-6]. Using many years of experience in the field of technologies with palladium membranes, according to the present innovation a device was conceived that provides for the use of tubular membranes of Pd-Ag in generators or hydrogen sources in order to increase the purity of the gas produced. . Currently, commercial products that use filter cartridges produce hydrogen with a degree of purity up to 99.99999%, while the introduction of Pd-Ag purifiers is able to ensure the production of hydrogen with absolute purity (100%).

DESCRIZIONE COMPLESSIVA DELL’INNOVAZIONE OVERALL DESCRIPTION OF THE INNOVATION

I generatori di idrogeno che utilizzano per la purificazione dell’idrogeno prodotto mediante elettrolisi delle cartucce filtranti sono in grado di garantire un grado di purezza di idrogeno non assoluto. The hydrogen generators that use for the purification of hydrogen produced by electrolysis of filter cartridges are able to guarantee a degree of hydrogen purity that is not absolute.

Scopo principale del modello, è quello di fornire un apparato di purificazione che prevede l’impiego di tubi densi preferibilmente in lega Pd-Ag al fine di elevare la purezza dell’idrogeno prodotto fino al 100% grazie alla completa selettività del processo di permeazione dell’idrogeno attraverso pareti dense metalliche (i.e., una parete metallica densa si lascia attraversare solo dall’idrogeno). The main purpose of the model is to provide a purification apparatus which involves the use of dense tubes preferably in Pd-Ag alloy in order to raise the purity of the hydrogen produced up to 100% thanks to the complete selectivity of the permeation process. 'hydrogen through dense metal walls (i.e., a dense metal wall is only allowed to pass through by hydrogen).

Un altro scopo del modello è quello di purificare anche portate di idrogeno di considerevole entità, adatte per uso industriale e non solo di laboratorio. Another purpose of the model is to purify also considerable hydrogen flow rates, suitable for industrial and not only laboratory use.

Ciò è stato ottenuto, secondo la presente innovazione, prevedendo di realizzare un apparato comprendente almeno un tubo permeatore di adeguato spessore di parete, atto a funzionare ed operare in condizioni di elevata pressione e temperatura. In generale, si può dire che i tubi permeatori secondo la presente innovazione hanno preferibilmente uno spessore più elevato rispetto ai tubi ottenuti mediante la tecnica di laminazione a freddo e saldatura per diffusione [1,2]. This has been achieved, according to the present innovation, by providing for an apparatus comprising at least one permeator tube of adequate wall thickness, capable of operating and operating in conditions of high pressure and temperature. In general, it can be said that the permeator tubes according to the present invention preferably have a higher thickness than the tubes obtained by the cold rolling and diffusion welding technique [1,2].

Una migliore comprensione del modello si avrà con la seguente descrizione dettagliata e con riferimento alle figure allegate che illustrano, a puro scopo esemplificativo e non già limitativo, alcune preferite forme di realizzazione. A better understanding of the model will be obtained with the following detailed description and with reference to the attached figures which illustrate, purely by way of example and not limiting, some preferred embodiments.

Nei disegni: In the drawings:

La Fig. 1 è uno schema dell'impianto utilizzato per l'esecuzione delle prove di permeazione sperimentali; Fig. 1 is a diagram of the plant used for carrying out the experimental permeation tests;

La Fig. 2 è un "Arrhenius graph" della permeabilità all'idrogeno misurata per un tubo permeatore secondo il modello, costituito da una membrana di spessore di parete 150 μm; Fig. 2 is an "Arrhenius graph" of the hydrogen permeability measured for a permeator tube according to the model, consisting of a membrane with a wall thickness of 150 μm;

La Fig. 3 è un grafico del flusso di permeazione in funzione della pressione all'interno del tubo di prova; Fig. 3 is a graph of the permeation flow as a function of the pressure inside the test tube;

La Fig. 4 mostra un esempio di ingombro massimo del sistema di purificazione dei generatori di idrogeno commerciali; Fig. 4 shows an example of maximum overall dimensions of the purification system of commercial hydrogen generators;

La Fig. 5 è uno schema generale del modulo di membrana secondo il modello; Fig. 5 is a general diagram of the membrane module according to the model;

La Fig. 6 mostra il particolare della connessione del tubo Pd-Ag con il modulo di membrana. Fig. 6 shows the detail of the connection of the Pd-Ag tube with the membrane module.

La Fig. 7, analoga alla fig. 5 mostra una seconda forma di realizzazione del modulo di membrana, in cui il gas proveniente dalla cella elettrolitica viene alimentato nel mantello del modulo stesso; Fig. 7, analogous to fig. 5 shows a second embodiment of the membrane module, in which the gas coming from the electrolytic cell is fed into the shell of the module itself;

La Fig. 8 è uno schema relativo ad una variante della figura precedente, relativa a più tubi permeatori collegati in parallelo. Fig. 8 is a diagram relating to a variant of the previous figure, relating to several permeator tubes connected in parallel.

In particolare, la permeazione dell’idrogeno attraverso una parete metallica densa è un processo di trasferimento di materia regolato dalla legge di Sievert: In particular, the permeation of hydrogen through a dense metal wall is a process of transfer of matter governed by Sievert's law:

dove “Pe” è la permeabilità dell’idrogeno attraverso il metallo, [mol m<-1>s<-1>Pa<-0.5>], “J” è il flusso di permeazione di idrogeno, [mol s<-1>], “d” è lo spessore della parete metallica (i.e, spessore del tubo), [m], “pF” è la pressione parziale di idrogeno lato alimentazione, [Pa], “pP” è la pressione parziale di idrogeno a valle della parete metallica (lato permeato), [Pa], “A” è la superficie di permeazione, [m<2>]. where "Pe" is the permeability of hydrogen through the metal, [mol m <-1> s <-1> Pa <-0.5>], "J" is the permeation flow of hydrogen, [mol s <-1 >], "D" is the thickness of the metal wall (i.e, thickness of the pipe), [m], "pF" is the partial pressure of hydrogen on the supply side, [Pa], "pP" is the partial pressure of hydrogen at valley of the metal wall (permeate side), [Pa], “A” is the permeation surface, [m <2>].

Il processo di permeazione dell’idrogeno è un tipico processo di attivazione: conseguentemente, la dipendenza della permeabilità, Pe, dalla temperatura è regolata dalla legge di Arrhenius:: The hydrogen permeation process is a typical activation process: consequently, the dependence of permeability, Pe, on the temperature is regulated by Arrhenius's law:

dove “Pe0” è detto fattore pre-esponenziale, [m<3>mol s<-1>Pa<-0.5>], “Ea” è l’energia di attivazione, [J mol<-1>], “R” è la costante dei gas, [J mol<-1>K<-1>] e “T” la temperatura assoluta, [K]. where "Pe0" is called the pre-exponential factor, [m <3> mol s <-1> Pa <-0.5>], "Ea" is the activation energy, [J mol <-1>], "R ”Is the gas constant, [J mol <-1> K <-1>] and“ T ”the absolute temperature, [K].

La separazione e purificazione dell’idrogeno può essere realizzata in dispositivi che utilizzano permeatori (tubolari) in lega Pd-Ag (le leghe di palladio presentano tra i metalli i più alti valori di permeabilità e sono inoltre caratterizzate da buona resistenza al fenomeno di infragilimento da idrogeno) una volta che: The separation and purification of hydrogen can be carried out in devices that use permeators (tubular) in Pd-Ag alloy (palladium alloys have the highest permeability values among the metals and are also characterized by good resistance to the phenomenon of embrittlement caused by hydrogen) once:

- vengono adottate temperature superiori ai 300°C (sia per avere significativi valori della permeabilità e sia per evitare fenomeni di avvelenamento da parte di alcuni gas come CO e composti dello zolfo), - temperatures above 300 ° C are adopted (both to have significant permeability values and to avoid poisoning phenomena by some gases such as CO and sulfur compounds),

- sia stabilita una adeguata differenza di pressioni parziali dell’idrogeno ("driving force" del processo di permeazione) a monte e a valle della membrana di Pd-Ag. - an adequate difference in partial hydrogen pressures ("driving force" of the permeation process) is established upstream and downstream of the Pd-Ag membrane.

Nel corso degli ultimi anni, le membrane in lega di Pd-Ag sono state studiate dagli inventori considerando diverse tipologie di membrane (membrane in forma di dischi e di tubi, film di palladio depositati su supporti porosi, membrane dense di vario spessore) e di configurazioni dei moduli di membrana (tubo-in-tubo). Il know-how già acquisto riguarda le tecniche di deposizione di film sottili di palladio, la giunzione di fogli di lega Pd-Ag, il design di moduli di membrana e l’ottimizzazione di processi per l’impiego di membrane e reattori a membrana. In particolare, è stato dimostrato che le membrane sviluppate sono completamente selettive all’idrogeno, sono stabili nel tempo (è evitato il fenomeno di infragilimento da idrogeno) ed il loro costo è competitivo in molte applicazioni industriali. Over the last few years, Pd-Ag alloy membranes have been studied by the inventors considering different types of membranes (membranes in the form of discs and tubes, palladium films deposited on porous supports, dense membranes of various thicknesses) and membrane module configurations (tube-in-tube). The know-how already acquired concerns the deposition techniques of thin palladium films, the joining of Pd-Ag alloy sheets, the design of membrane modules and the optimization of processes for the use of membranes and membrane reactors. In particular, it has been shown that the developed membranes are completely selective to hydrogen, are stable over time (the phenomenon of hydrogen embrittlement is avoided) and their cost is competitive in many industrial applications.

Il disegno specifico del modulo di membrana da applicare ai generatori di idrogeno prevede una configurazione del tubo permeatore in lega Pd-Ag di tipo tubo-in-tubo ed uno speciale sistema di connessione della membrana al modulo. The specific design of the membrane module to be applied to hydrogen generators provides a configuration of the permeator tube in Pd-Ag alloy of the tube-in-tube type and a special system for connecting the membrane to the module.

Per la specifica applicazione illustrata a puro titolo esemplificativo (purificazione idrogeno di generatori elettrolitici) sono stati considerati tubi in lega Pd-Ag 25% wt in grado di operare con una differenza di pressione transmembrana fino a 15 bar a temperature di 350-400°C. Prove di laboratorio sono state eseguite su tubi in lega Pd-Ag ottenuti mediante estrusione a freddo, i quali sono caratterizzati da spessori più elevati rispetto ai tubi ottenuti mediante la tecnica di laminazione a freddo e saldatura per diffusione. For the specific application illustrated purely by way of example (hydrogen purification of electrolytic generators) tubes in 25% wt Pd-Ag alloy were considered capable of operating with a transmembrane pressure difference up to 15 bar at temperatures of 350-400 ° C . Laboratory tests were performed on Pd-Ag alloy tubes obtained by cold extrusion, which are characterized by higher thicknesses than tubes obtained by the cold rolling and diffusion welding technique.

Nello specifico le caratteristiche dei tubi oggetto delle prove sperimentali sono: Specifically, the characteristics of the tubes subject to the experimental tests are:

- lunghezza 150 mm, diametro esterno 10 mm e spessore di parete 150 μm, - length 150 mm, external diameter 10 mm and wall thickness 150 μm,

- lunghezza 150 mm, diametro esterno 10 mm e spessore di parete 200 μm. - length 150 mm, external diameter 10 mm and wall thickness 200 μm.

I tubi sono stati provati presso un impianto sperimentale che è schematicamente rappresentato in fig. 1. The tubes were tested at an experimental plant which is schematically represented in fig. 1.

In questo impianto, la membrana tubolare è stata provata in condizioni controllate di temperatura e di pressione. La temperatura è controllata mediante il riscaldamento di una resistenza elettrica avvolta attorno al tubo oggetto della prova, mentre la pressione è regolata agendo su una valvola (V2) posta all’uscita del retentato (vent). L’idrogeno di prova è alimentato all’interno della membrana mediante un regolatore di portata gassosa (MFC1), mentre la portata dell’idrogeno non-permeato (retentato) viene misurata mediante un misuratore di portata gassosa (MFM): la differenza tra le due portate (in ingresso ed in uscita dal tubo di Pd-Ag) corrisponde al flusso di permeato (J). Nel mantello del modulo (in vetro Pyrex) un flusso di azoto (misurato dal regolatore di portata gassosa MFC2) provvede al recupero dell’idrogeno permeato. In this plant, the tubular membrane was tested under controlled conditions of temperature and pressure. The temperature is controlled by heating an electric resistance wrapped around the test tube, while the pressure is regulated by acting on a valve (V2) placed at the retentate outlet (vent). The test hydrogen is fed into the membrane by means of a gas flow regulator (MFC1), while the flow of non-permeate (retentate) hydrogen is measured by means of a gas flow meter (MFM): the difference between the two flow rates (in and out of the Pd-Ag tube) correspond to the permeate flow (J). In the shell of the module (in Pyrex glass) a nitrogen flow (measured by the gas flow regulator MFC2) provides for the recovery of the permeated hydrogen.

Le prove sono state condotte con pressioni di idrogeno all’interno del tubo di prova fino a 5 bar nell’intervallo di temperatura 200-450°C verificando al completa selettività delle membrane. I risultati delle prove di permeazione per la membrana tubolare di spessore di parete 150 μm sono riportati nel grafico di fig. 2. The tests were conducted with hydrogen pressures inside the test tube up to 5 bar in the temperature range of 200-450 ° C, verifying the complete selectivity of the membranes. The results of the permeation tests for the tubular membrane with a wall thickness of 150 μm are shown in the graph in fig. 2.

Il valore di Pe0misurato è stato di 3,94·10<-8>(mol m<-1>s<-1>Pa<-0,5>), mentre Ea (energia di attivazione) è stata calcolata 649,91 (K<-1>). The measured Pe0 value was 3.94 10 <-8> (mol m <-1> s <-1> Pa <-0.5>), while Ea (activation energy) was calculated 649.91 (K <-1>).

Alcuni risultati delle prove di permeazione per il tubo di spessore di parete 150 μm, sono riportati nel grafico di fig. 3 dove viene evidenziata la dipendenza del flusso di idrogeno permeato in funzione della pressione all’interno del tubo per il caso di lavaggio nel mantello con un flusso azoto di 1 L min<-1>alla pressione atmosferica. Some results of the permeation tests for the pipe with a wall thickness of 150 μm are shown in the graph in fig. 3 where the dependence of the permeated hydrogen flow as a function of the pressure inside the tube is highlighted for the case of washing in the shell with a nitrogen flow of 1 L min <-1> at atmospheric pressure.

Le prove condotte hanno dimostrato l’applicabilità di tubi di Pd-Ag prodotti mediante estrusione a freddo per la purificazione dell’idrogeno prodotto dai generatori elettrolitici: in particolare, tubi di Pd-Ag di lunghezza 200 mm, diametro interno 10 mm e spessore di parete 150 μm sono in grado di purificare fino a 0,5 L min<-1>di idrogeno operando a circa 400°C con un salto di pressione di circa 2-3 bar. The tests carried out demonstrated the applicability of Pd-Ag tubes produced by cold extrusion for the purification of the hydrogen produced by electrolytic generators: in particular, Pd-Ag tubes with a length of 200 mm, an internal diameter of 10 mm and a thickness of wall 150 μm are able to purify up to 0.5 L min <-1> of hydrogen operating at about 400 ° C with a pressure jump of about 2-3 bar.

MODULO DI MEMBRANA MEMBRANE MODULE

Nelle sperimentazioni si è provveduto a realizzare un modulo di membrana atto ad essere installato all’interno del generatore di idrogeno. Come dimensioni massime di ingombro del modulo di membrana sono state considerate le dimensioni degli attuali elementi filtranti (cosiddette cartucce "filtranti") attualmente in uso in generatori di idrogeno commerciali: in fig. 4 è riportato l’ingombro massimo con riferimento ad apparati della Ditta DBS. In the experiments, a membrane module was created to be installed inside the hydrogen generator. The dimensions of the current filtering elements (so-called "filtering" cartridges) currently in use in commercial hydrogen generators have been considered as the maximum overall dimensions of the membrane module: in fig. 4 shows the maximum dimensions with reference to the equipment of the DBS Company.

Il modulo di membrana secondo il modello utilizza una configurazione del tipo tubo-in-tubo: in questo modo il tubo in lega di palladio è connesso al modulo di membrana ad una sola estremità ed il gas proveniente dalla cella elettrolitica (o da altra sorgente di idrogeno o miscela di gas contenente idrogeno) è alimentato mediante un tubo in acciaio di piccolo diametro posto all’interno del tubo permeatore di palladio. In questo modo, evidentemente, l’interno del tubo permeatore è ad una pressione più elevata rispetto all’esterno: questa situazione è preferibile soprattutto nel caso di tubi permeatori a parete sottile, che potrebbero accartocciarsi se la pressione al loro interno fosse inferiore rispetto a quella esterna. The membrane module according to the model uses a tube-in-tube configuration: in this way the palladium alloy tube is connected to the membrane module at only one end and the gas coming from the electrolytic cell (or from another source of hydrogen or gas mixture containing hydrogen) is fed through a small diameter steel tube placed inside the palladium permeator tube. In this way, evidently, the inside of the permeator tube is at a higher pressure than the outside: this situation is preferable especially in the case of thin-walled permeator tubes, which could curl up if the pressure inside them were lower than in the case of the external one.

Questa configurazione permette al tubo di palladio di espandersi (e contrarsi) liberamente come conseguenza dell’assorbimento (e desorbimento) dell’idrogeno all’interno del reticolo cristallino del metallo che avviene quando vengono operati cicli termici in presenza di idrogeno in pressione. This configuration allows the palladium tube to expand (and contract) freely as a result of the absorption (and desorption) of hydrogen within the crystal lattice of the metal that occurs when thermal cycles are operated in the presence of hydrogen under pressure.

Le caratteristiche del modulo sono riportate negli schemi di fig. 5 (generale) e fig. 6 (particolare della giunzione membrana tubolare/connessione tipo Swagelok). In alternativa, i tubi permeatori in lega di palladio possono essere collegati direttamente alla camera superiore del modulo o apparato fin qui descritto. Ad esempio mediante saldatura o brasatura. The characteristics of the module are shown in the diagrams of fig. 5 (general) and fig. 6 (detail of the tubular membrane / Swagelok connection). Alternatively, the palladium alloy permeator tubes can be connected directly to the upper chamber of the module or apparatus described up to now. For example by welding or brazing.

Nella figura 5, viene mostrato un sistema di controllo dell’evacuazione delle impurezze (vent): nell’esempio illustrato si prevede un controllo di pressione PC, nella camera superiore che raccoglie il retentato (non permeato), atto ad agire sulla valvola che regola la portata del vent Figure 5 shows a control system for the evacuation of impurities (vent): in the example shown, a PC pressure control is provided, in the upper chamber that collects the retentate (not permeate), adapted to act on the valve that regulates the flow rate of the vent

Per la specifica applicazione che si descrive, il modulo di membrana è preferibilmente dotato di un sistema di riscaldamento e controllo in grado di garantire durante il normale funzionamento una temperatura nell’intervallo di 300-400°C. For the specific application described, the membrane module is preferably equipped with a heating and control system capable of guaranteeing a temperature in the range of 300-400 ° C during normal operation.

Il modulo di membrana secondo l’innovazione è di immediata applicabilità per la purificazione dell’idrogeno prodotto dai generatori elettrolitici in commercio o da qualunque altra sorgente di idrogeno o di flusso di gas contenente idrogeno. The membrane module according to the innovation is immediately applicable for the purification of hydrogen produced by electrolytic generators on the market or from any other source of hydrogen or gas flow containing hydrogen.

E’ utile osservare che questa soluzione tecnica permette di sostituire il sistema attuale di purificazione ("cartucce filtranti") con un sistema in grado di assicurare una maggiore purezza dell’idrogeno prodotto senza aumentare i costi di produzione. It is useful to note that this technical solution allows you to replace the current purification system ("filter cartridges") with a system capable of ensuring greater purity of the hydrogen produced without increasing production costs.

Tra i potenziali soggetti interessati vi sono numerose ditte nazionali ed internazionali che operano nel settore dei generatori di idrogeno per applicazioni di laboratorio. Infatti, una caratteristica molto importante di questi dispositivi è il grado di purezza dell’idrogeno prodotto: attualmente molte aziende del settore stanno introducendo sistemi ad elevata purezza che utilizzano membrane di palladio. Il modulo di membrana oggetto del modello risponde alle specifiche più avanzate del mercato ed è competitivo in termini di costi già con i sistemi tradizionali (che producono però idrogeno meno puro). Among the potential stakeholders there are numerous national and international companies operating in the sector of hydrogen generators for laboratory applications. In fact, a very important feature of these devices is the degree of purity of the hydrogen produced: currently many companies in the sector are introducing high purity systems that use palladium membranes. The membrane module object of the model responds to the most advanced specifications of the market and is competitive in terms of costs already with traditional systems (which however produce less pure hydrogen).

Vantaggiosamente, l’elevato spessore dei tubi permeatori secondo il modello consente di realizzare apparati di purificazione di idrogeno utilizzabili in applicazioni a livello commerciale e industriale, nelle quali sono richieste portate notevoli e funzionamento a pressioni e temperature elevate. Advantageously, the high thickness of the permeator tubes according to the model allows for the creation of hydrogen purification equipment that can be used in commercial and industrial applications, in which considerable flow rates and operation at high pressures and temperatures are required.

In altre parole, per poter aumentare la pressione dell’idrogeno purificato, è stato aumentato lo spessore dei tubi permeatori ed è stato ideato un innovativo sistema di supporto e di tenuta del tubo permeatore al tubo di contenimento. La portata dell’idrogeno purificato può essere aumentata prevedendo una pluralità di tubi permeatori collegati in parallelo tra loro e disposti all’interno di uno stesso modulo o all’interno di più moduli separati. In other words, in order to increase the pressure of the purified hydrogen, the thickness of the permeator tubes has been increased and an innovative support and seal system for the permeator tube to the containment tube has been devised. The flow rate of purified hydrogen can be increased by providing a plurality of permeator tubes connected in parallel to each other and arranged within the same module or within several separate modules.

La preferita forma di realizzazione del presente modello, comprende un recipiente che contiene almeno un tubo permeatore in materiale metallico selettivamente permeabile all’idrogeno atto a produrre idrogeno ultrapuro, dove detto recipiente comprende due camere superiore ed inferiore unite da una flangia su cui viene fissato il tubo permeatore, in cui: The preferred embodiment of the present model comprises a container which contains at least one permeator tube in metal material selectively permeable to hydrogen suitable for producing ultra-pure hydrogen, where said container comprises two upper and lower chambers joined by a flange on which the permeator tube, in which:

- la camera superiore è attraversata da un tubo in acciaio di piccolo diametro che è inserito all’interno del tubo permeatore e permette l’ingresso della corrente gassosa da purificare proveniente dal generatore di idrogeno; - the upper chamber is crossed by a small diameter steel tube which is inserted inside the permeator tube and allows the entry of the gaseous stream to be purified from the hydrogen generator;

- la camera inferiore contiene il tubo permeatore e la sua estremità chiusa e possiede una apertura per l’estrazione della corrente di idrogeno purificato (cosiddetto permeato). - the lower chamber contains the permeator tube and its closed end and has an opening for the extraction of the purified hydrogen stream (so-called permeate).

Detta camera superiore, che è collegata all’unico lato aperto del tubo permeatore, possiede una apertura che consente l’estrazione della corrente di non-permeato (cosiddetto retentato o vent). Said upper chamber, which is connected to the only open side of the permeator tube, has an opening that allows the extraction of the non-permeate current (so-called retentate or vent).

Le due camere superiore ed inferiore sono collegate mediante connessione filettata, flangiata o mediante saldatura. The two upper and lower chambers are connected by threaded connection, flanged or by welding.

Il tubo in acciaio di piccolo diametro è fissato alla camera superiore mediante saldatura o connessioni flangiate e filettate. The small diameter steel pipe is fixed to the upper chamber by welding or flanged and threaded connections.

Secondo una caratteristica peculiare dell’innovazione, il tubo permeatore è fissato, con il suo lato aperto, alla camera superiore mediante connessione filettata, flangiata ad accoppiamento conico di tipo Swagelock. According to a peculiar feature of the innovation, the permeator tube is fixed, with its open side, to the upper chamber by means of a threaded, flanged connection with a Swagelock type conical coupling.

Detta connessione Swagelock è realizzata direttamente sul tubo permeatore, eventualmente provvisto di una boccola interna di rinforzo, oppure saldando all’estremità aperta del tubo permeatore un codolo di acciaio con connessione Swagelock. Said Swagelock connection is made directly on the permeator tube, possibly provided with an internal reinforcement bushing, or by welding a steel tang with Swagelock connection to the open end of the permeator tube.

Come si è già accennato, il tubo permeatore è realizzato, per estrusione, con un materiale metallico selettivamente permeabile all’idrogeno preferibilmente costituito da Palladio o una sua lega. As already mentioned, the permeator tube is made, by extrusion, with a metal material selectively permeable to hydrogen, preferably consisting of Palladium or one of its alloys.

In quest’ultimo caso, detta lega è una lega di Pd-Ag. In the latter case, said alloy is a Pd-Ag alloy.

In una seconda forma realizzativa del presente modello, mostrata nelle figure 7 e 8, il gas proveniente dalla cella elettrolitica è alimentato nel mantello del modulo anzichè all’interno del tubo permeatore. In a second embodiment of the present model, shown in Figures 7 and 8, the gas coming from the electrolytic cell is fed into the shell of the module instead of inside the permeator tube.

In questo caso, quindi, l'idrogeno attraversa selettivamente il tubo permeatore e viene raccolto nella camera superiore (opzionale) prima di andare alla utilizzazione. In altre parole, a differenza della prima forma di realizzazione, il tubo permeatore viene pressurizzato dall'esterno: essendo questa condizione meno favorevole dal punto di vista della stabilità meccanica, può essere previsto l'utilizzo di più tubi permeatori di diametro inferiore a 10 mm (ad esempio 2-3 mm) posti in parallelo così da avere comunque la superficie necessaria ad assicurare i flussi di permeazione di idrogeno richiesti. In questa configurazione, mostrata in figura 8, la presenza della camera superiore per la raccolta dell'idrogeno permeato all'interno dei tubi diventa indispensabile. In this case, therefore, the hydrogen selectively passes through the permeator tube and is collected in the upper chamber (optional) before going to use. In other words, unlike the first embodiment, the permeator tube is pressurized from the outside: since this condition is less favorable from the point of view of mechanical stability, the use of more permeator tubes with a diameter of less than 10 mm can be envisaged. (for example 2-3 mm) placed in parallel so as to have the surface necessary to ensure the required hydrogen permeation flows. In this configuration, shown in figure 8, the presence of the upper chamber for collecting the permeated hydrogen inside the tubes becomes indispensable.

Infine, giova osservare che, in alternativa al palladio o sue leghe, ciascun tubo permeatore può essere realizzato in Nb, Ta, Va, Mo o loro leghe. Finally, it should be noted that, as an alternative to palladium or its alloys, each permeator tube can be made of Nb, Ta, Va, Mo or their alloys.

La presente innovazione è stata descritta ed illustrata in una sua preferita forma realizzativa ed una variante, ma è evidente che qualunque tecnico del ramo potrà apportarvi modifiche e/o soluzioni tecnicamente e/o funzionalmente equivalenti, senza peraltro esulare dall’ambito di tutela della presente privativa industriale. The present innovation has been described and illustrated in a preferred embodiment and a variant thereof, but it is clear that any person skilled in the art will be able to make changes and / or solutions that are technically and / or functionally equivalent, without however going beyond the scope of protection of the present invention. industrial property rights.

Bibliografia Bibliography

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Claims

CLAIMS: 1. Apparatus for the purification of hydrogen or gaseous streams containing hydrogen, characterized in that it comprises a container which contains at least one permeator tube in metal material selectively permeable to hydrogen suitable for producing ultra-pure hydrogen, where said container comprises at least one lower chamber which contains at least one permeator tube, the only open end of which is connected to the outside of said lower chamber.

2. Apparatus according to the preceding claim, characterized in that it comprises two upper and lower chambers joined by a flange on which the permeator tube is fixed, in which: - the upper chamber is crossed by a small diameter steel tube which is inserted inside the permeator tube and allows the entry of the gaseous stream to be purified from the hydrogen generator; - the lower chamber contains the permeator tube and its closed end and has an opening for the extraction of the purified hydrogen stream; said upper chamber, which is connected to the only open side of the permeator tube, being equipped with an opening that allows the extraction of the non-permeate current (so-called retentate or vent).

3. Apparatus according to the preceding claim, characterized in that said two upper and lower chambers are connected to each other by means of a threaded, flanged connection or by welding.

4. Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that said small diameter steel pipe is fixed to the upper chamber by welding or flanged and threaded connections.

5. Apparatus according to claim 2, characterized in that the permeator tube is fixed, with its open side, to the upper chamber by means of a threaded, flanged connection with a Swagelock type conical coupling; the remaining part of the permeator tube being free to deform inside the second chamber.

6. Apparatus according to the preceding claim, characterized in that said Swagelock connection is made directly on the permeator tube which, at its open end, is provided with an internal reinforcement bushing or is equipped with a steel tang with welded Swagelock connection.

7. Apparatus according to claim 2, characterized in that said permeator tube is made by extrusion, with a metal material selectively permeable to hydrogen.

8. Apparatus according to the previous claim, characterized by the fact that said metal material permeable to hydrogen is made up of Palladium or one of its alloys.

9. Apparatus according to the preceding claim, characterized in that said alloy is a Pd-Ag alloy.

10. Apparatus according to claim 7, characterized by the fact that said metal material permeable to hydrogen consists of Nb, Ta, Va, Mo or their alloys.

11. Apparatus according to claim 7, characterized in that said permeator tube has a thickness of between 100 and 300 μm.

12. Apparatus according to claim 1, characterized by the fact that the gaseous stream to be purified is fed into the shell instead of inside the permeator tube.

13 Apparatus according to the preceding claim, characterized in that it comprises a plurality of permeator tubes connected in parallel, which have their open ends connected to a single upper chamber for collecting the permeate gas.