RU189769U1

RU189769U1 - DIFFUSION HYDROGEN SEPARATOR

Info

Publication number: RU189769U1
Application number: RU2018147354U
Authority: RU
Inventors: Вениамин Богданович Аваков; Сергей Анатольевич Живулько; Игорь Казимирович Ландграф; Владимир Валентинович Силин; Джавдат Анвярович Хайров
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр"
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2019-06-03

Abstract

Полезная модель относится к водородной энергетике, в частности к мембранным технологиям получения особо чистого водорода из газовых смесей, содержащих водород, и может использоваться в энергетических установках, потребляющих водород, например, в установках на топливных элементах, а также в химической, электронной и других отраслях промышленности.Задачей полезной модели является снижение трудоемкости изготовления диффузионного отделителя водорода, повышение его надежности, обеспечение его ремонтопригодности.Технический результат полезной модели достигается использованием плоской (негофрированной) предварительно напряженной мембраны из палладия или его сплавов, скрепленной с рамкой путем сварки или пайки при близких по величине коэффициентах термического расширения рамки и мембраны. При этом предварительно напряженное состояние мембраны достигается специальным алгоритмом сварки (пайки), зависящим от материала мембраны и рамки, благодаря чему мембрана в ходе эксплуатации находится под воздействием растягивающих напряжений, величина которых может уменьшаться по мере наводораживания и воздействия водородной делатации, но не доходит до нуля и, тем более, до отрицательных значений, т.е. до напряжения сжатия, при которых неизбежно вспучивание мембраны и образование складок. Использование плоской (негофрированной) предварительно напряженной мембраны позволяет не только существенно сократить трудоемкость изготовления (за счет отказа от штамповки) и повысить надежность и работоспособность мембраны (за счет исключения концентраторов напряжения и неравномерности дилатации водорода), но также создать необходимые условия для обеспечения ремонтопригодности диффузионного отделителя водорода благодаря тому, что мембрана является плоской, т.е. на ее поверхности нет гофр и складок, препятствующих повторной сварке мембраны по окружности меньшего диаметра.The utility model relates to hydrogen energy, in particular, to membrane technologies for producing highly pure hydrogen from gas mixtures containing hydrogen, and can be used in energy installations that consume hydrogen, for example, in fuel cell installations, as well as in chemical, electronic and other industries. industry. The task of the utility model is to reduce the complexity of manufacturing a diffusion hydrogen separator, increasing its reliability, ensuring its maintainability. Technical result p Leznov model is achieved using a flat (non-corrugated) prestressed membrane made of palladium or alloys thereof, bonded to the frame by welding or soldering at almost equal coefficients of thermal expansion of the frame and the membrane. At the same time, the pre-stressed state of the membrane is achieved by a special welding (soldering) algorithm, depending on the material of the membrane and the frame, due to which the membrane during operation is under the influence of tensile stresses, the magnitude of which may decrease with hydrogen absorption and the effect of hydrogen delation, but does not reach zero and, moreover, to negative values, i.e. to compressive stress, at which inevitable swelling of the membrane and the formation of folds. The use of a flat (non-crimped) pre-tensioned membrane allows not only to significantly reduce the laboriousness of manufacturing (by eliminating stamping) and improve the reliability and performance of the membrane (by eliminating voltage concentrators and non-uniformity of hydrogen dilatation), but also create the necessary conditions to ensure maintainability of the diffusion separator hydrogen because the membrane is flat, i.e. on its surface there are no corrugations and folds that prevent re-welding of the membrane around a circumference of smaller diameter.

Description

Полезная модель относится к водородной энергетике, в частности, к мембранным технологиям получения особо чистого водорода из газовых смесей, содержащих водород, и может использоваться в энергетических установках, потребляющих водород, например, в установках на топливных элементах, а также в химической, электронной и других отраслях промышленности. При этом речь идет об использовании для получения особо чистого водорода тонких мембран из палладия, его сплавов или другого металла, способного избирательно пропускать водород, фольги толщиной 20…100 микрон (а не о напылении палладия и его сплавов толщиной несколько микрон на пористые подложки), соединенной с конструктивными деталями мембранного элемента с помощью пайки или сварки.The utility model relates to hydrogen energy, in particular, to membrane technologies for the production of highly pure hydrogen from gas mixtures containing hydrogen, and can be used in energy installations that consume hydrogen, for example, in installations on fuel cells, as well as in chemical, electronic and other industries. Here we are talking about the use of thin membranes made of palladium, its alloys or another metal capable of selectively passing hydrogen, foils 20 ... 100 microns thick (and not spraying palladium and its alloys several microns thick on porous substrates) to obtain highly pure hydrogen, connected to the structural details of the membrane element by soldering or welding.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является мембранный разделительный узел (а.с. СССР №1611421), который содержит мембраны, рамки, разделительный элемент и патрубок отвода чистого водорода. При этом на рамках выполнены прямые и кольцевые гофры, а на мембране - прямые гофры под углом 5…30 градусов к радиальному направлению. Кроме того, рамки и патрубок выполнены из материала с температурным коэффициентом линейного расширения большим, чем у материала мембраны. Использование описанной конструкции позволяет, по мнению авторов, более чем на порядок повысить время эксплуатации элемента при высоких давлениях (ок. 10 МПа) и температурах (ок. 700 К) за счет компенсации термических расширений и дилатации под воздействием растворенного водорода и, как следствие, уменьшения механических напряжений в мембранном элементе диффузионного отделителя водорода.The closest analogue, adopted for the prototype, is a membrane separation unit (AS USSR №1611421), which contains membranes, frames, separation element and the pipe outlet of pure hydrogen. In this case, the frames are made with straight and ring corrugations, and on the membrane - straight corrugations at an angle of 5 ... 30 degrees to the radial direction. In addition, the frame and the pipe is made of a material with a temperature coefficient of linear expansion greater than that of the membrane material. Using the described construction allows, according to the authors, to increase the operating time of the element at high pressures (approx. 10 MPa) and temperatures (approx. 700 K) by more than an order of magnitude by compensating for thermal expansion and dilatation under the influence of dissolved hydrogen and, as a result, reduce mechanical stresses in the membrane element of the diffusion hydrogen separator.

Действительно, гофры позволяют повысить компенсационные способности мембраны, когда она испытывает дилатацию (разбухает) под воздействием растворенного в ней водорода. Улучшает ситуацию с напряженным состоянием мембраны и рамка из материала с коэффициентом температурного расширения большим, чем у мембраны, т.к. уменьшает перемещения, которые нужно компенсировать.Indeed, corrugations make it possible to increase the compensating ability of the membrane when it experiences dilatation (swells) under the influence of hydrogen dissolved in it. Improves the situation with the stress state of the membrane and the frame made of material with a coefficient of thermal expansion greater than that of the membrane, because reduces movements that need to be compensated.

Вместе с тем известная конструкция диффузионного отделителя водорода обладает рядом существенных недостатков:However, the well-known design of the diffusion separator of hydrogen has a number of significant drawbacks:

- известная конструкция многодельна, технологически сложна. Идея оребрения мембраны возникла как способ борьбы с неуправляемым процессом соединения тонкой мембраны с рамкой, в результате которого присоединенная к рамке мембрана получает избыточную поверхность, теряет устойчивость под воздействием сжимающих напряжений и деформируется в виде купола большей или меньшей высоты. Чтобы использовать избыточную поверхность мембраны, придать ей определенную форму и жесткость, мембрану после присоединения к рамке подвергают штамповке с образованием гофр.- well-known construction is busy, technologically complex. The idea of membrane finning arose as a way to combat the uncontrollable process of connecting a thin membrane with a frame, as a result of which the membrane attached to the frame gains an excess surface, loses stability under the effect of compressive stresses and deforms as a dome of greater or lesser height. To use the excess surface of the membrane, to give it a certain shape and rigidity, the membrane after attaching to the frame is stamped to form a corrugation.

- известная конструкция ненадежна, т.к. штамповка гофр неизбежно приводит, по крайней мере, к двум отрицательным явлениям, а именно - к локальным утонениям материала мембраны и к появлению концентраторов напряжения.- known construction is unreliable, since stamping of the corrugations inevitably leads to at least two negative phenomena, namely, local thinning of the membrane material and the appearance of stress concentrators.

Очевидно, что исходная форма мембраны с начала разогрева и до подачи водородосодержащего газа должна быть плоской, без избытка поверхности, приводящего к выпучиванию мембраны и образованию на ней складок под воздействием перепада давления. Поэтому оптимальным следует считать такое исходное напряженное состояние, при котором мембрана в исходном состоянии и вплоть до начала подачи водородосодержащей смеси при t>350°С находится под воздействием растягивающих напряжений. Уровень этих растягивающих напряжений должен падать по мере увеличения количества растворенного в материале мембраны водорода, не снижаясь до нулевых значений и, тем более, до отрицательных, т.к. в этом случае неизбежны образования складок и ускоренный процесс потери плотности мембран. Таким образом, предварительное напряженное состояние мембраны обеспечивает повышение ее компенсационной способности, но в отличие от гофрирования, не имеет указанных выше недостатков, связанных со штамповкой гофров.It is obvious that the initial form of the membrane from the beginning of heating and before the supply of hydrogen-containing gas should be flat, without excess surface, leading to a bulging of the membrane and the formation of folds on it under the influence of pressure drop. Therefore, the initial stress state should be considered optimal, in which the membrane in the initial state and up to the beginning of the supply of the hydrogen-containing mixture at t> 350 ° C is under the influence of tensile stresses. The level of these tensile stresses should fall as the amount of the hydrogen membrane dissolved in the material of the membrane increases, without decreasing to zero values and, especially, to negative values, since in this case, wrinkling and the accelerated process of loss of membrane density are inevitable. Thus, the pre-stressed state of the membrane provides an increase in its compensating ability, but, unlike corrugation, it does not have the above-mentioned disadvantages associated with the stamping of corrugations.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности диффузионного отделителя водорода.The objective of the proposed technical solution is to increase the reliability of the diffusion separator of hydrogen.

Поставленная задача выполняется за счет того, что диффузионный отделитель водорода, состоящий из двух рамок с мембранами из металла, способного избирательно пропускать водород, газопроницаемого разделителя, установленного между мембранами, и патрубка отвода чистого водорода, сваренных в единую газоплотную конструкцию, имеет следующие отличия: мембрана выполнена плоской и находится в напряженном состоянии растяжения.The task is performed due to the fact that the diffusion separator of hydrogen, consisting of two frames with metal membranes capable of selectively passing hydrogen, a gas-permeable separator installed between the membranes, and a branch pipe of clean hydrogen, welded into a single gas-tight structure, has the following differences: membrane made flat and is in a tense state of stretching.

Плоская мембрана в процессе присоединения к рамке приведена в напряженное состояние растяжения, сохраняющееся на всех режимах эксплуатации, в том числе при дилатации под воздействием водорода.In the process of attaching to the frame, the flat membrane is brought into a stressed state of tension, which persists in all modes of operation, including during dilatation under the influence of hydrogen.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен диффузионный отделитель водорода после сборки. На чертеже обозначено:The essence of the utility model is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 shows the diffusion separator for hydrogen after assembly. In the drawing indicated:

1 - рамка;1 - frame;

2 - патрубок отвода водорода;2 - hydrogen outlet pipe;

3 - плоская мембрана;3 - flat membrane;

4 - газопроницаемый разделитель;4 - gas permeable separator;

Диффузионный отделитель водорода состоит из корпуса, сформированного из двух рамок и патрубка отвода чистого водорода 2, двух плоских мембран 3 из металла, способного избирательно пропускать водород, присоединенных к рамке и в процессе присоединения приводящихся в напряженное состояние, и газопроницаемого разделителя 4, расположенного в пространстве между мембранами.The diffusion separator of hydrogen consists of a body formed of two frames and a branch pipe for discharging pure hydrogen 2, two flat membranes 3 made of metal, capable of selectively passing hydrogen attached to the frame and in the process of attachment resulting in a stressed state, and a gas-permeable separator 4 located in space between membranes.

Предложенная конструкция диффузионного отделителя водорода (см. чертеж фиг. 1) работает следующим образом.The proposed design of the diffusion separator of hydrogen (see the drawing of Fig. 1) works as follows.

Предварительно напряженное состояние мембраны 3 достигается специальным алгоритмом соединения, зависящим от материала мембраны и рамки, благодаря чему мембрана в ходе эксплуатации находится под воздействием растягивающих напряжений, величина которых может уменьшаться по мере наводораживания и воздействия водородной дилатации, но не доходит до нуля и, тем более, до отрицательных значений, т.е. до напряжения сжатия, при котором неизбежно вспучивание мембраны и образование складок. Использование плоской предварительно напряженной мембраны 3 позволяет существенно повысить надежность мембраны за счет исключения концентраторов напряжения и неравномерности дилатации водорода.The prestressed state of membrane 3 is achieved by a special compounding algorithm, depending on the material of the membrane and the frame, due to which the membrane during operation is under the influence of tensile stresses, the magnitude of which may decrease with hydrogen accumulation and the effect of hydrogen dilatation, but does not reach zero and, especially , to negative values, i.e. up to compression stress, at which inevitable swelling of the membrane and the formation of folds. The use of a flat pre-stressed membrane 3 can significantly improve the reliability of the membrane by eliminating the voltage concentrators and the non-uniformity of hydrogen dilatation.

Сборка конструкции диффузионного отделителя водорода происходит следующим образом: две рамки с вставленным в них газопроницаемым разделителем первоначально отдельно образуют корпус диффузионного отделителя с патрубком отвода водорода, после чего производится соединение мембран с собранным корпусом поочередно или одновременно с каждой стороны (рис. 1).The construction of the diffusion hydrogen separator is assembled as follows: two frames with a gas-permeable separator inserted into them initially form the diffusion separator body separately with a hydrogen outlet pipe, after which the membranes are connected to the assembled body alternately or simultaneously on each side (Fig. 1).

Полученный в конверторе синтез-газ, содержащий водород, омывает диффузионный отделитель водорода с внешней стороны рамки 1, фильтруется на плоской мембране 3, что исключает концентраторы напряжения и неравномерность дилатации водорода, и через газопроницаемый разделитель 4 поступает к патрубку отвода водорода 2 (рис. 1).Hydrogen-containing synthesis gas produced in the converter is washed by a diffusion hydrogen separator on the outside of frame 1, filtered on a flat membrane 3, which eliminates voltage concentrators and non-uniformity of hydrogen dilatation, and through a gas-permeable separator 4 enters the hydrogen outlet pipe 2 (Fig. 1 ).

Таким образом, предлагаемая конструкция диффузионного отделителя водорода за счет использования плоских мембран из металлов избирательно проводящих водород, позволяет создать конструкцию диффузионного отделителя водорода, обеспечивающую повышение его надежности, что выгодно отличает ее от прототипа.Thus, the proposed design of the diffusion separator of hydrogen through the use of flat membranes made of metals selectively conducting hydrogen, allows you to create a design of the diffusion separator of hydrogen, providing an increase in its reliability, which distinguishes it from the prototype.

Claims

A diffusion hydrogen separator consisting of two frames with metal membranes capable of selectively passing hydrogen, a gas-permeable separator installed between the membranes, and a pipe for draining pure hydrogen welded into a single gas-tight structure, characterized in that the membrane is flat and in a stressed state of tension .