RU2697454C1

RU2697454C1 - Diffusive hydrogen separator

Info

Publication number: RU2697454C1
Application number: RU2018115847A
Authority: RU
Inventors: Вениамин Богданович Аваков; Сергей Анатольевич Живулько; Игорь Казимирович Ландграф; Джавдат Анвярович Хайров
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр"
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2019-08-14

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: invention relates to membrane technologies for producing especially pure hydrogen from gas mixtures containing hydrogen. Diffusion hydrogen separator containing membranes from palladium or its alloys, tightly connected to frames, which in their turn are tightly connected to each other; gas-permeable separator installed in cavity between two membranes, and hydrogen discharge branch pipe from this cavity, wherein the frames are pre-welded to each other and to the hydrogen discharge branch pipe, forming a hydrogen separator housing, into which a gas-permeable separator is placed, after which the membranes are connected to the frames alternately on each side or simultaneously, wherein the material of the frames and the branch pipe must comply with the following conditions: σ_pm<σ^t _pm at σ_pm≥0, σ_pm<σ^inst _pm at σ_pm<0, where σ_pm=k|ε_p ^t-(ε_pm ^t+ε_pm ^H)|E_pm.

EFFECT: invention improves reliability and service life of the diffusion hydrogen separator.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение 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.The invention 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 power plants consuming hydrogen, for example, in installations on fuel cells, as well as in chemical, electronic and other industries industry.

В настоящее время основным способом промышленного производства водорода является риформинг углеводородного сырья с последующим фильтрационным выделением водорода из полученного в результате риформинга синтез-газа. При этом для получения особо чистого водорода предпочтительно используют тонкие плоские мембраны из палладия и его сплавов, скрепленные с конструктивными деталями мембранного элемента с помощью пайки или сварки. Известно, что палладий и его сплавы обладают высокой проницаемостью для водорода. Процесс диффузионной фильтрации сопровождается растворением водорода в материале мембраны, приводящим к дилатации, т.е. к разбуханию и деформации мембраны. Кроме того мембрана так же, как и рамка, к которой приварена плоская мембрана, деформируется под воздействием температуры. При этом материалы мембраны и рамки могут иметь различные температурные коэффициенты линейного расширения.Currently, the main method for the industrial production of hydrogen is the reforming of hydrocarbons, followed by filtration of hydrogen from the resulting synthesis gas reforming. At the same time, thin flat membranes made of palladium and its alloys, bonded to the structural parts of the membrane element by soldering or welding, are preferably used to obtain highly pure hydrogen. It is known that palladium and its alloys are highly permeable to hydrogen. The diffusion filtration process is accompanied by the dissolution of hydrogen in the membrane material, leading to dilatation, i.e. swelling and deformation of the membrane. In addition, the membrane, like the frame to which the flat membrane is welded, deforms under the influence of temperature. In this case, the membrane materials and frames can have different temperature coefficients of linear expansion.

Известны аналоги мембранных элементов для выделения особо чистого водорода (авторское свидетельство СССР №1611421 от 25.01.1989 г.), водородопроницаемых мембран, фильтрующих элементов и мембранных аппаратов (патент РФ №2416460 от 09.08.2005 г.).Known analogues of membrane elements for the separation of very pure hydrogen (USSR author's certificate No. 1611421 of January 25, 1989), hydrogen permeable membranes, filtering elements and membrane devices (RF patent No. 2416460 of August 09, 2005).

Известно устройство для выделения особо чистого водорода «Водородопроницаемая мембрана, фильтрующий элемент и мембранный аппарат» (патент РФ №2416460 от 09.08.2005 г.), содержащее водородопроницаемую мембрану на основе палладиевого сплава с рельефной наружной поверхностью с чередующимися выступами и окружающими каждый выступ впадинами, при этом геометрические размеры выступов находятся в зависимости от пластичности мембранного сплава. Мембрана со стороны подачи газовой смеси имеет металлическую рамку, при этом металлическая рамка выполнена из металла с коэффициентом теплового расширения, отличного от коэффициента теплового расширения палладиевого сплава.A device for the separation of highly pure hydrogen "Hydrogen-permeable membrane, filter element and membrane apparatus" (RF patent No. 2416460 from 09.08.2005), containing a hydrogen-permeable membrane based on a palladium alloy with a relief outer surface with alternating protrusions and depressions surrounding each protrusion, while the geometric dimensions of the protrusions are dependent on the ductility of the membrane alloy. The membrane on the supply side of the gas mixture has a metal frame, while the metal frame is made of metal with a coefficient of thermal expansion other than the coefficient of thermal expansion of the palladium alloy.

Данный аналог имеет следующие недостатки. Данный аналог имеет следующие недостатки. Не определены соотношения (критерии) выбора коэффициента теплового расширения металлической рамки по отношению к коэффициенту теплового расширения мембраны из палладиевого сплава, а также не учтен эффект дилатации мембраны из палладиевого сплава в среде водорода, что в конечном счете сказывается на ресурсе устройства выделения водорода, содержащего металлическую рамку и мембрану из палладиевого сплава.This analogue has the following disadvantages. This analogue has the following disadvantages. The relationships (criteria) for choosing the coefficient of thermal expansion of the metal frame with respect to the coefficient of thermal expansion of the palladium alloy membrane are not defined, and the effect of dilatation of the palladium alloy membrane in hydrogen medium is not taken into account, which ultimately affects the resource of the hydrogen evolution device containing metal palladium alloy frame and membrane.

Наиболее близким аналогом и принятым за прототип является мембранный разделительный узел (а.с. СССР №1611421, B01D 63/00, 1989), 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 (около 10 МПа) и температурах (около 700 К) за счет компенсации термических напряжений и дилатации и, как следствие, исключение возникновения значительных механических напряжений в мембранном элементе - диффузионном отделителе водорода.The closest analogue and adopted for the prototype is a membrane separation unit (AS USSR No. 1611421, B01D 63/00, 1989), which contains membranes, frames, a separation element and a pipe for removing pure hydrogen. In this case, straight and circular corrugations were made on the frame, and on the membrane - straight corrugations at an angle of 5-30 degrees to the radial direction. In addition, the frames and the nozzle are made of a material with a temperature coefficient of linear expansion greater than that of the membrane material. The use of the described construction allows, in the authors' opinion, to increase the operating time of the element by more than an order of magnitude at high pressures (about 10 MPa) and temperatures (about 700 K) by compensating thermal stresses and dilatation and, as a result, eliminating the occurrence of significant mechanical stresses in membrane element - diffusion separator of hydrogen.

Недостатками указанного прототипа являются:The disadvantages of this prototype are:

1 Рамка выполнена из материала с коэффициентом термического расширения большим, чем у материала мембран и данное соотношение справедливо только для параметров (10 МПа и 700 К). Для других сочетаний параметров, в том числе, параметров характерных для конверторов энергоустановок на топливных элементах (парциальное давление водорода 4-8 бар, температура конструкции 900-950 К), следование этому условию при выборе материалов мембраны и рамки может привести к тому, что в мембране будут иметь место^- недопустимые относительные деформации растяжения, вместо существенно меньших деформаций сжатия в случае близких по величине температурных коэффициентов линейного расширения мембраны и рамки. При этом отсутствие критериев, позволяющих при выбранных материалах мембраны и рамки, имеющих конкретные значения температурных коэффициентов линейного расширения, не дают выбрать оптимальные условия эксплуатации диффузионного отделителя водорода либо при заданных условиях эксплуатации диффузионного отделителя водорода, в том числе уровнях рабочих температур ДОВ и величине парциального давления водорода, выбрать материалы для изготовления рамок и мембран с соответствующим соотношением температурных коэффициентов линейного расширения;1 The frame is made of a material with a coefficient of thermal expansion greater than that of the membrane material and this ratio is valid only for parameters (10 MPa and 700 K). For other combinations of parameters, including parameters characteristic of converters of power plants on fuel cells (partial pressure of hydrogen 4-8 bar, design temperature 900-950 K), following this condition when choosing materials of the membrane and frame can lead to the membrane will have ^- unacceptable relative tensile deformations, instead of significantly lower compression deformations in the case of close-in temperature coefficients of linear expansion of the membrane and frame. At the same time, the absence of criteria allowing for selected membranes and frames with specific values of the temperature coefficients of linear expansion, does not allow us to choose the optimal operating conditions for the diffusion hydrogen separator or for the given operating conditions of the diffusion hydrogen separator, including the operating temperature levels of the DOC and the partial pressure hydrogen, select materials for the manufacture of frames and membranes with the corresponding ratio of temperature coefficients of linear expansion rhenium;

2 Наличие сварного соединения палладиевых мембран, герметизирующего полость с очищенным водородом, ограничивает длительность работы мембранного узла. При этом отсутствуют в изобретении указания о том, каким образом обеспечить герметичность соединения элементов корпуса ДОВ, состоящего из двух рамок и патрубка отвода водорода, не внося недопустимых повреждений в зону соединения мембраны с рамкой и свободную поверхность мембраны, через которую осуществляется транспорт водорода.2 The presence of a welded joint of palladium membranes, sealing the cavity with purified hydrogen, limits the duration of the membrane unit. At the same time, there are no instructions in the invention on how to ensure the tightness of the connection of the elements of the DOV housing, consisting of two frames and a hydrogen outlet pipe, without introducing unacceptable damage into the zone of connection of the membrane with the frame and the free surface of the membrane through which hydrogen is transported.

Первый недостаток вызван ограниченной информацией по варианту с использованием рамки с температурными коэффициентами линейного расширения большими, чем у материала мембраны. Эта рекомендация правомерна для вполне конкретного сочетания значений температур конструкции и парциальных давлений водорода. Дело в том, что деформация мембраны складывается из двух составляющих - температурной, которая прямо пропорциональна изменению температуры и дилатационной, связанной с растворением водорода в материале мембраны, пропорциональной квадратному корню из парциального давления водорода при коэффициенте пропорциональности экспоненциально уменьшающемся с ростом температуры. На фиг. 1 приведена зависимость степени результирующей деформации (температурная и дилатационная) мембраны из палладиевого сплава (сжатие либо растяжение) от материала рамки, температуры соединенных друг с другом рамки и мембраны и парциального давления водорода. Очевидно, что критерий, заложенный в основу изобретения №1611421, - коэффициент термического расширения рамки должен быть больше коэффициента термического расширения мембраны, не является универсальным. Он справедлив для параметров (10 МПа и 700 К), приведенных в указанном изобретении, и при определенных соотношениях коэффициентов температурных расширений мембраны и рамки. Для других сочетаний параметров, в том числе, для параметров характерных для конверторов энергоустановок на топливных элементах (парциальное давление водорода 0,4-0,8 МПа, температура конструкции 900-950 К), следование этому критерию при выборе материалов мембраны и рамки может привести к тому, что в мембране будут иметь место недопустимые относительные деформации растяжения, вместо существенно меньших деформаций сжатия в случае близких по величине температурных коэффициентов линейного расширения мембраны и рамки.The first drawback is caused by limited information on the option using a frame with linear expansion temperature coefficients greater than that of the membrane material. This recommendation is valid for a very specific combination of structural temperatures and partial hydrogen pressures. The fact is that the membrane deformation consists of two components: the temperature component, which is directly proportional to the temperature change and dilatation associated with the dissolution of hydrogen in the membrane material, which is proportional to the square root of the partial pressure of hydrogen with a proportionality coefficient decreasing exponentially with increasing temperature. In FIG. Figure 1 shows the dependence of the degree of resulting deformation (temperature and dilatation) of a palladium alloy membrane (compression or tension) on the material of the frame, the temperature of the frame and membrane connected to each other, and the partial pressure of hydrogen. It is obvious that the criterion laid down in the basis of the invention No. 1611421, the coefficient of thermal expansion of the frame should be greater than the coefficient of thermal expansion of the membrane, is not universal. It is valid for the parameters (10 MPa and 700 K) given in the specified invention, and with certain ratios of the coefficients of thermal expansion of the membrane and frame. For other combinations of parameters, including parameters characteristic for converters of power plants on fuel cells (partial pressure of hydrogen 0.4-0.8 MPa, design temperature 900-950 K), following this criterion when choosing membrane and frame materials can lead to the fact that in the membrane there will be unacceptable relative tensile deformations, instead of substantially lower compression deformations in the case of close-in temperature coefficients of linear expansion of the membrane and frame.

Рассмотрим фиг. 1 подробнее. На ней изображены:Consider FIG. 1 more details. It depicts:

- кривая А, представляющая собой зависимость суммарной относительной деформации (температурной плюс дилатационной) палладиево - серебряного сплава В-1 от температуры при давлении водорода перед мембраной 10 МПА, характерном для условий изобретения по авторскому свидетельству №1611421;- curve A, representing the dependence of the total relative deformation (temperature plus dilatation) of the palladium-silver alloy B-1 on temperature at a hydrogen pressure in front of the membrane of 10 MPA, which is typical for the conditions of the invention according to copyright certificate No. 1611421;

- кривая В, представляющая собой ту же зависимость, что и кривая А, но при давлении водорода перед мембраной 0,04 МПа, характерном для условий работы энергоустановок на топливных элементах;- curve B, which is the same dependence as curve A, but at a hydrogen pressure in front of the membrane of 0.04 MPa, which is typical for the operating conditions of power plants on fuel cells;

- кривые С и D, представляющие собой зависимость относительной деформации (только тепловой, т.к. дилатационная составляющая практически равна 0) сталей AISI-430 и AISI-304 соответственно от температуры.- curves C and D, representing the dependence of the relative deformation (only thermal, since the dilatation component is practically equal to 0) of AISI-430 and AISI-304 steels, respectively, on temperature.

Далее рассмотрим два сечения графика, а именно:Next, we consider two sections of the graph, namely:

- сечение I-I в сочетании с кривыми А, С и Э, отражающими условия работы палладиево - серебряной мембраны, изложенные в изобретении по авторскому свидетельству №1611421 (10 МПа, 700 К);- section I-I in combination with curves A, C and E, reflecting the working conditions of the palladium-silver membrane, described in the invention according to the copyright certificate No. 1611421 (10 MPa, 700 K);

- сечение II-II в сочетании с кривыми В, С и D, отражающими условия работы мембраны, характерных, например, для конверторов энергоустановок на топливных элементах (0,4 МПа, 932 К). Уместно сделать несколько допущений:- section II-II in combination with curves B, C and D, reflecting the operating conditions of the membrane, characteristic, for example, for converters of power plants on fuel cells (0.4 MPa, 932 K). It is appropriate to make several assumptions:

- до начала эксплуатации мембрана находится в разгруженном состоянии, т.е. напряжения в ней равны нулю;- before the start of operation, the membrane is in the unloaded state, i.e. stresses in it are equal to zero;

- толщина рамки и ее жесткость на порядок больше, чем у мембраны, поэтому относительная деформация сборки "рамка - мембрана" определяется только относительной деформацией рамки, а в мембране возникают соответствующие напряжения, эквивалентные модулю упругости материала мембраны, умноженному на разность относительных деформаций рамки и мембраны в свободном состоянии;- the thickness of the frame and its rigidity are an order of magnitude greater than that of the membrane; therefore, the relative deformation of the frame-membrane assembly is determined only by the relative deformation of the frame, and the corresponding stresses appear in the membrane, which are equivalent to the elastic modulus of the membrane material times the difference in the relative deformations of the frame and membrane in a free state;

- усредненные коэффициенты температурного расширения для заданного диапазона изменения температур приняты равными 14*10^-6 град^-1 для мембраны и 12*10^-6 град^-1 и 18*10^-6 град^-1 для сталей AISI-430 и AISI-304 соответственно.- the average coefficients of thermal expansion for a given range of temperature changes are taken equal to 14 * 10 ^-6 deg ^-1 for the membrane and 12 * 10 ^-6 deg ^-1 and 18 * ^10-6 deg ^-1 for steels AISI-430 and AISI-304, respectively .

Как видно из графика относительная деформация мембраны в свободном состоянии в условиях, рассмотренных в изобретении по авторскому свидетельству №1611421 (точка А1 на кривой А в сечении I-I) составила бы 1,25%. В этих же условиях относительная деформация рамки из стали AISI-430 (точка С1 на кривой С в сечении I-I составляет 0.5%, а рамки из стали AISI-304 - 0,75%. С учетом принятых выше допущений реальная деформация мембраны, приваренной к рамке будет равна:As can be seen from the graph, the relative deformation of the membrane in a free state under the conditions considered in the invention according to copyright certificate No. 1611421 (point A1 on curve A in section I-I) would be 1.25%. Under the same conditions, the relative deformation of the frame made of AISI-430 steel (point C1 on curve C in section II is 0.5%, and the frame made of AISI-304 steel is 0.75%. Given the above assumptions, the actual deformation of the membrane welded to the frame will be equal to:

- в случае рамки из стали AISI-430- in the case of an AISI-430 steel frame

0,5% - 1,25% = -0,75%;0.5% - 1.25% = -0.75%;

- в случае рамки из стали AISI-304- in the case of AISI-304 steel frame

0,75% - 1,25% = -0,5%.0.75% - 1.25% = -0.5%.

Т.е. применение рамки из стали AISI-304 с коэффициентом термического расширения большим, чем у мембраны приводит к снижению деформации (а следовательно и напряжения) в 1,5 раза, что подтверждает правомерность рекомендации изобретения по авторскому свидетельству №1611421 для параметров приведенных в указанном изобретении.Those. the use of a frame made of AISI-304 steel with a coefficient of thermal expansion greater than that of the membrane leads to a decrease in deformation (and therefore stress) by 1.5 times, which confirms the validity of the recommendation of the invention according to copyright certificate No. 1611421 for the parameters given in the specified invention.

Правда, для обоих типов рамок деформация мембраны имеет знак это соответствует сжатию мембраны и приведет в конечном итоге к потере ее устойчивости с образованием складок или купола. В качестве средства борьбы с указанным явлением авторы изобретения по авторскому свидетельству №1611421 использовали штамповку гофр на мембранах после их приварки к рамкам.True, for both types of frames, the deformation of the membrane has a sign that corresponds to the compression of the membrane and will ultimately lead to the loss of its stability with the formation of folds or a dome. As a means of combating this phenomenon, the inventors according to copyright certificate No. 1611421 used stamping corrugations on the membranes after welding them to the frames.

Совсем другой результат получается в условиях, отличных от условий, описанных в изобретении по авторскому свидетельству №1611421 и соответствующих, например, условиям работы конверторов энергоустановок на топливных элементах.A completely different result is obtained under conditions different from the conditions described in the invention according to copyright certificate No. 1611421 and corresponding, for example, to the operating conditions of converters of power plants on fuel cells.

В этом случае относительная деформация мембраны в свободном состоянии составила бы 0,9% (точка В1 на кривой B в сечении II-II), рамок из сталей AISI-430 (точка С2 на кривой С) и AISI-304 (точка D1 на кривой D) - 0,75% и 1,15% соответственно, а деформация мембраны приваренной к рамке:In this case, the relative deformation of the membrane in the free state would be 0.9% (point B1 on curve B in section II-II), frames made of AISI-430 steels (point C2 on curve C) and AISI-304 (point D1 on the curve D) - 0.75% and 1.15%, respectively, and the deformation of the membrane welded to the frame:

- 0,75% - 0,9% = -0,15% для рамки из стали AISI-430;- 0.75% - 0.9% = -0.15% for the AISI-430 steel frame;

- 1,05% - 0,9% = 0,25% для рамки из стали AISI-304.- 1.05% - 0.9% = 0.25% for an AISI-304 steel frame.

Т.е. использование для изготовления рамки из стали AISI-304 с коэффициентом термического расширения, превышающим коэффициент термического расширения мембраны, не только не улучшит ситуацию, а приведет к недопустимым по уровню напряжения и растяжения вместо умеренного по величине напряжения сжатия.Those. the use of AISI-304 steel frames with a thermal expansion coefficient exceeding the thermal expansion coefficient of the membrane will not only not improve the situation, but will lead to unacceptable stress and tensile levels instead of moderate compression stresses.

Строго говоря, с точки зрения ресурса желательно, чтобы при эксплуатации мембрана находилась под воздействием допустимых по уровню напряжений растяжения, т.к. при напряжении сжатия и под воздействием давления внешней среды расширение материала мембраны будет компенсироваться образованием складок, которые, как любой концентратор, снизят ее ресурс. При напряжениях растяжения образование складок исключено, но величина этих напряжений не должна превышать предела текучести материала мембраны, чтобы исключить остаточные деформации. Избежать деформации сжатия мембраны можно обеспечив в ней при изготовлении определенный уровень напряжения растяжения, т.е. обеспечив предварительно напряженное состояние мембраны.Strictly speaking, from the point of view of the resource, it is desirable that during operation the membrane is under the influence of tensile stresses that are permissible in terms of under compression stress and under the influence of environmental pressure, the expansion of the membrane material will be compensated by the formation of folds, which, like any concentrator, will reduce its life. At tensile stresses, the formation of folds is excluded, but the magnitude of these stresses should not exceed the yield strength of the membrane material to eliminate residual deformation. Membrane compression strain can be avoided by providing a certain level of tensile stress in it during manufacture, i.e. providing a prestressed state of the membrane.

Второй недостаток заключается в том, что не учитывается тот факт, что если соединение (приварка, пайка, склеивание) рамок ДОВ между собой производить с использованием рамок, уже соединенных с мембранами, то это может привести к внесению недопустимой повреждаемости как в зону соединения мембраны с рамкой, так и в свободную поверхность мембраны, через которую осуществляется транспорт водорода. Особенно опасна с точки зрения внесения дополнительной повреждаемости узла уплотнения приварка трубки, отводящей водород. Кардинальное решение этой проблемы возможно только в случае приварки мембран к уже сваренным между собой рамкам и отводящей водород трубки, формирующим корпус ДОВ, или к конструкции корпуса, аналогичной сварной, но выполненной другим не сварным способом (литой, штампованной, механической обработкой из сплошной заготовки и т.д.).The second drawback is that it does not take into account the fact that if the connection (welding, soldering, gluing) of the DOV frames to each other is carried out using frames already connected to the membranes, this can lead to the introduction of unacceptable damage as in the zone of connection of the membrane with frame, and into the free surface of the membrane through which hydrogen is transported. It is especially dangerous from the point of view of introducing additional damage to the sealing unit of the welding pipe for hydrogen removal. A radical solution to this problem is possible only if the membranes are welded to the frames already welded to each other and the hydrogen removal tube forming the DOV body, or to the body structure similar to the welded one, but made by another non-welded method (cast, stamped, machined from a continuous billet and etc.).

Задачей изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а также повышение надежности и срока службы диффузионного отделителя водорода.The objective of the invention is to eliminate the above disadvantages, as well as improving the reliability and service life of the diffusion separator of hydrogen.

Поставленная задача решается благодаря тому, что диффузионный отделитель водорода, содержащий мембраны из палладия или его сплавов, плотно соединенные (сваркой, пайкой, склеиванием и др.) с рамками, которые в свою очередь плотно соединены между собой; газопроницаемый разделитель, установленный в полости между двумя мембранами, и патрубок отвода водорода из этой полости, имеет следующие отличия: рамки предварительно сварены между собой и с патрубком отвода водорода, образуя корпус отделителя водорода, в который помещен газопроницаемый разделитель, после чего производится соединение (сварка, пайка, склеивание) мембран с рамками поочередно с каждой стороны или одновременно, при этом материал рамок и патрубка должен соответствовать условиям:The problem is solved due to the fact that the diffusion separator of hydrogen containing membranes of palladium or its alloys, tightly connected (by welding, soldering, gluing, etc.) with frames, which in turn are tightly interconnected; the gas-permeable separator installed in the cavity between the two membranes and the hydrogen outlet pipe from this cavity has the following differences: the frames are pre-welded together and with the hydrogen outlet pipe, forming a hydrogen separator body into which the gas-permeable separator is placed, after which the connection is made (welding , soldering, gluing) of membranes with frames alternately on each side or simultaneously, while the material of the frames and pipe must meet the conditions:

где

Where

Кроме того, корпус диффузионного отделителя водорода формируется путем отливки, штамповки или механической обработки сплошной заготовки.In addition, the body of the diffusion hydrogen separator is formed by casting, stamping, or machining a continuous billet.

Техническим результатом изобретения являются:The technical result of the invention are:

- критерии, позволяющие по температурным коэффициентам линейного расширения материалов мембраны и рамки, а также по уровню их температур и парциальному давлению водорода обеспечить для заданных условий эксплуатации требуемый ресурс диффузионного отделителя водорода (ДОВ);- criteria that allow for the temperature coefficients of linear expansion of the membrane and frame materials, as well as for the level of their temperatures and the partial pressure of hydrogen, to provide the required life of the diffusion hydrogen separator (DOV) for the given operating conditions;

- конструкция и технологические приемы изготовления ДОВ, исключающие внесение недопустимой повреждаемости в зону соединения мембран с рамками и в свободную поверхность мембран, через которую осуществляется транспорт водорода при условии предварительного плотного соединения (сварка, пайка, склеивание) рамок между собой и с отводящей водород трубкой.- the design and manufacturing methods for the manufacture of DOCs, excluding the introduction of unacceptable damage to the zone of connection of the membranes with the frames and to the free surface of the membranes through which hydrogen is transported under the condition of preliminary tight connection (welding, soldering, gluing) of the frames between themselves and with a hydrogen removal tube.

Технический результат изобретения достигается при соблюдении следующих критериев, обеспечивающих требуемый ресурс ДОВ:The technical result of the invention is achieved by observing the following criteria, providing the required life of the disabled children:

где

- предел текучести материала мембраны;Where

- yield strength of the membrane material;

- предел усталости материала мембраны для заданного количества циклов.

- fatigue limit of the membrane material for a given number of cycles.

Напряжение материала мембраны вычисляется по формуле:The stress of the membrane material is calculated by the formula:

где

- относительное температурное расширение рамки;Where

- relative thermal expansion of the frame;

- относительное температурное расширение мембраны;

- relative thermal expansion of the membrane;

- относительное расширение мембраны в насыщенном водородом состоянии (дилатация);

- relative expansion of the membrane in a hydrogen-saturated state (dilatation);

где

- коэффициент температурного расширения рамки;Where

- coefficient of thermal expansion of the frame;

- коэффициент температурного расширения мембраны;

- coefficient of thermal expansion of the membrane;

к - коэффициент, учитывающий концентрацию напряжения;k is a coefficient taking into account the concentration of voltage;

β - постоянный коэффициент, характеризующий химический состав конкретного палладиевого сплава;β is a constant coefficient characterizing the chemical composition of a particular palladium alloy;

р - парциальное давление водорода;p is the partial pressure of hydrogen;

Т - температура мембраны и рамки;T is the temperature of the membrane and frame;

ΔT - изменение температуры;ΔT is the temperature change;

Е_пм - модуль Юнга мембраны.E _pm - Young's modulus of the membrane.

Случай, когда σ_пм>0 при напряжении ниже предела текучести, предпочтителен, т.к. мембрана при этом будет находиться в растянутом состоянии, исключающем образование морщин и концентраторов. При σ_пм<0 мембрана находится в сжатом состоянии и, как следствие, неизбежно образование складок и концентраторов, а ее ресурс (количество циклов) будет определяться уровнем изгибных напряжений.The case when σ _pm > 0 at a stress below the yield strength is preferable, because the membrane will be in a stretched state, eliminating the formation of wrinkles and concentrators. At σ _pm <0, the membrane is in a compressed state and, as a result, the formation of folds and concentrators is inevitable, and its life (number of cycles) will be determined by the level of bending stresses.

Кроме того, технический результат изобретения достигается тем, что в предлагаемой конструкции ДОВ формирующие его две рамки вместе с патрубком отвода водорода первоначально отдельно образуют корпус диффузионного отделителя, затем в него вставляется газопроницаемый разделитель, после чего производится соединение (сварка, пайка, склеивание) мембран с рамками поочередно или одновременно с обеих сторон.In addition, the technical result of the invention is achieved by the fact that in the proposed design of DOM, the two frames forming it together with the hydrogen exhaust pipe initially separately form the diffusion separator body, then a gas-permeable separator is inserted into it, after which the membranes are joined (welding, soldering, gluing) with frames alternately or simultaneously on both sides.

Конструктивное исполнение диффузионного отделителя водорода иллюстрируется чертежом фиг. 2. На чертеже обозначено:The design of the diffusion hydrogen separator is illustrated in FIG. 2. The drawing indicates:

1 - рамка;1 - frame;

2 - патрубок отвода водорода;2 - a branch pipe of hydrogen removal;

3 - мембрана;3 - membrane;

4 - газопроницаемый разделитель.4 - gas permeable separator.

Диффузионный отделитель водорода состоит из корпуса, сформированного из двух рамок 1 и патрубка отвода водорода 2, двух мембран 3 и газопроницаемого разделителя 4, расположенного в пространстве между мембранами. Для исключения отмеченной выше недопустимой повреждаемости мембран при плотном соединении рамок между собой, корпус ДОВ формируют до соединения мембран 3c рамками 1, а соединение (сваркой, пайкой или склеиванием) мембран 3 с рамками 1 осуществляется после вложения в него газопроницаемого разделителя 4 осуществляется поочередно с каждой стороны или одновременно.The diffusive hydrogen separator consists of a body formed of two frames 1 and a hydrogen outlet pipe 2, two membranes 3 and a gas permeable separator 4 located in the space between the membranes. To eliminate the unacceptable damage to the membranes noted above when the frames are tightly connected to each other, the DOV body is formed before the membranes 3c are connected by frames 1, and the membranes 3 are connected to the frames 1 by welding, soldering or gluing after the gas-permeable separator 4 is inserted into it, one after another side or at the same time.

В качестве варианта корпус ДОВ формируется путем отливки, штамповки или механической обработки сплошной заготовки.As an option, the DOV body is formed by casting, stamping, or machining a continuous billet.

За счет выбора материала для рамок и патрубка в зависимости от механических свойств материала мембраны исключается потеря герметичности ДОВ ввиду отсутствия коробления и разрывов мембраны в процессе работы ДОВ, тем самым повышается его надежность и срок службы. Кроме того, исключаются технологические операции, описанные в прототипе, по предварительному разогреву ДОВ в вакууме или в среде инертного газа до начала пуска ДОВ в рабочий режим. Полученный в конверторе синтез-газ, содержащий водород, омывает диффузионный отделитель водорода с внешней стороны рамки 1, фильтруется на мембране 3 и через газопроницаемый разделитель 4 поступает к патрубку отвода водорода 2, при этом исключается коробление мембраны, а сам диффузионный отделитель водорода сохраняет герметичность и работоспособность.Due to the choice of material for the frames and the nozzle, depending on the mechanical properties of the membrane material, the loss of tightness of the DOM is eliminated due to the lack of warpage and rupture of the membrane during the operation of the DOV, thereby increasing its reliability and service life. In addition, excluded are the technological operations described in the prototype for preheating the DOC in a vacuum or in an inert gas medium before starting the start of the DOC in operation. The synthesis gas containing hydrogen obtained in the converter washes the hydrogen diffusion separator from the outside of the frame 1, is filtered on the membrane 3, and through the gas-permeable separator 4 it passes to the hydrogen exhaust pipe 2, while the membrane is warped, and the diffusion hydrogen separator itself remains tight and working capacity.

Таким образом, предлагаемое изобретение за счет выбора материала для рамок и патрубка в зависимости от механических свойств материала мембраны, а также за счет определенной последовательности сборки ДОВ позволяет повысить надежность и срок службы диффузионного отделителя водорода, что выгодно отличает его от прототипа.Thus, the present invention, due to the choice of material for the frames and the nozzle, depending on the mechanical properties of the membrane material, as well as due to a certain assembly sequence of DOM, improves the reliability and service life of the diffusion hydrogen separator, which distinguishes it from the prototype.

Claims

1. A diffusive hydrogen separator containing membranes of palladium or its alloys connected to frames, which in turn are interconnected, a gas-permeable separator installed in the cavity between the two membranes, and a pipe for removing hydrogen from this cavity, characterized in that the frames are preliminarily are welded together and with a hydrogen outlet pipe, forming a hydrogen separator housing in which a gas-permeable separator is placed, after which the membranes are connected to the frames alternately on each side or one temporarily, with frames and pipe material must meet the following conditions:

σ _pm <σ ^t _pm for σ _pm ≥0

σ _pm <σ ^mouth _pm for σ _pm <0

where σ _pm is the stress in the membrane material;

σ ^t _pm - yield strength of the membrane material;

σ ^mouth _pm - fatigue limit of the membrane material for a given number of cycles;

k is a coefficient taking into account the concentration of voltage;

ε _P ^t is the relative thermal expansion of the frame;

ε _pm ^t is the relative thermal expansion of the membrane;

ε _pm ⁿ is the relative expansion of the membrane in a hydrogen-saturated state (dilatation);

E _pm - Young's modulus of the membrane.

2. The diffusion hydrogen separator according to claim 1, characterized in that the housing of the diffusion hydrogen separator is formed by casting, stamping or machining of a continuous billet.