專利名稱：一種基于高溫預(yù)熱的鈀膜氫氣分離裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于從含氫的合成氣中分離、生產(chǎn)高純度氫氣的膜分離裝置，特別是涉及采用高溫氣體預(yù)熱、恒溫、易于加熱、溫控效果較好的膜分離裝置。該裝置能從含氫混合氣中生產(chǎn)高純度的氫氣。
背景技術(shù)：
目前世界上90%的氫氣來(lái)自于碳?xì)浠衔?天然氣，煤，生物質(zhì)等)的重整，氣化或
裂解等化學(xué)過(guò)程后經(jīng)過(guò)純化得到，合成氣的提純是其中一個(gè)關(guān)鍵的工藝過(guò)程?？捎玫奶峒?br> 技術(shù)有變壓吸附，高分子膜分離，鈀膜分離，低溫分離等。與其他分離技術(shù)相比，鈀膜
分離可以生產(chǎn)只含ppb級(jí)別雜質(zhì)的高純度氫氣，尤其適應(yīng)燃料電池的要求；另外鈀膜分離
裝置占地小，在小型化方面也較其他幾種分離方法容易。
氫氣在鈀膜中的傳遞服從所謂的"溶解一擴(kuò)散"(Solution-diffusion)機(jī)理,它包含以下幾
個(gè)過(guò)程氫氣從邊界層中擴(kuò)散到鈀膜表面；氫氣在膜表面分解成氫原子；氫原子被鈀膜溶
解；氫原子在鈀膜中從高壓側(cè)擴(kuò)散到低壓側(cè)；氫原子在鈀膜低壓側(cè)重新合成為氫分子；氫
氣擴(kuò)散離開(kāi)膜表面。根據(jù)上述理論，氫氣在鈀膜中的穿透率與膜的溫度，厚度，合金成分，
以及氫氣在膜兩側(cè)的分壓有關(guān)，并可用Sieverts'Law來(lái)表達(dá)
m = a-/,;-尸/)
丄
式中
i :氣體常數(shù)；r:溫度；A膜面積；膜厚度；活化能；/V氫氣高壓側(cè)分壓;P/:氫氣低壓側(cè)分壓；w:壓力指數(shù)；)t:指數(shù)函數(shù)前系數(shù)；M:透過(guò)率。
應(yīng)用鈀膜分離生產(chǎn)氫氣需要在鈀膜的工作溫度下進(jìn)行，對(duì)鈀膜分離器進(jìn)行升溫的方法有以下幾種方式，如可以通過(guò)在鈀膜組件上加工一些微尺度通道，通過(guò)這些微尺度通道采用電加熱或者熱流體加熱，該方法升溫速率較快，且可以進(jìn)行很好的溫度控制，但是在鈀膜組件上加工微尺度通道有一定的難度。另外為防止鈀膜組件的溫度散失可以在鈀膜組件的外側(cè)放置絕熱材料，如陶瓷等。對(duì)膜分離器則可以通過(guò)其輔助組件進(jìn)行加熱，該加熱方式加工相對(duì)簡(jiǎn)單，應(yīng)用比較方便。
中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)"一種生產(chǎn)高純度氫氣的膜分離裝置"(申請(qǐng)?zhí)?00810199114.8) 公開(kāi)了一種生產(chǎn)高純度氫氣的膜分離裝置，包括鈀膜組件、合成氣流通框架、盲板法蘭、 石墨墊片、連接螺栓及螺母；在兩盲板法蘭之間設(shè)有多個(gè)鈀膜組件，盲板法蘭與鈀膜組件 之間及鈀膜組件與鈀膜組件之間設(shè)有合成氣流通框架，盲板法蘭與合成氣流通框架之間及 合成氣流通框架與鈀膜組件之間安裝石墨墊片；合成氣流通框架為方形框架，中間為空腔； 方形框架與盲板法蘭或鈀膜組件形成封閉的空間，在合成氣流通框架設(shè)有含氫合成氣導(dǎo)入 和導(dǎo)出管，導(dǎo)入和導(dǎo)出管與鈀膜組件的氣體流通空間連通；在合成氣流通框架四周設(shè)有凸 臺(tái)。但是該裝置的預(yù)熱或恒溫需要靠流過(guò)合成氣流通框架的高溫惰性氣體或高溫含氫合成 氣本身的熱量來(lái)實(shí)現(xiàn)。
中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)"一種電預(yù)熱與恒溫的生產(chǎn)高純度氫氣的膜分離裝置"(申請(qǐng)?zhí)?200810218798.1)公開(kāi)了一種采用電加熱生產(chǎn)高純度氫氣的膜分離裝置，該裝置在兩盲板 法蘭之間設(shè)有多個(gè)鈀膜組件，盲板法蘭與鈀膜組件之間及鈀膜組件與鈀膜組件之間設(shè)有合 成器流通框架，盲板法蘭與合成氣流通框架之間及合成氣流通框架與盲板法蘭之間安裝石 墨墊片；合成氣流通框架為方形框架，中間為空腔；方形框架與盲板法蘭或鈀膜組件形成 封閉的空間，在合成氣流通框架設(shè)有含氫合成氣導(dǎo)入和導(dǎo)出管；在合成氣流通框架四周設(shè) 有凸臺(tái)，四壁設(shè)有凹槽，凹槽內(nèi)設(shè)有電加熱絲，電加熱絲的外面設(shè)有絕緣保溫材料。該裝 置通過(guò)電加熱來(lái)預(yù)熱或恒溫膜分離器，適合實(shí)驗(yàn)室規(guī)模實(shí)用。對(duì)于大規(guī)模工業(yè)化使用，利 用最高品質(zhì)的電能來(lái)加熱或恒溫膜分離器比較浪費(fèi)高品質(zhì)能源。工業(yè)規(guī)模制氫工藝一般有 高溫?zé)煔猱a(chǎn)生，利用高溫?zé)煔鈦?lái)預(yù)熱或恒溫膜分離器是一個(gè)可行的選擇。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型針對(duì)化工生產(chǎn)中制得的含氫合成氣，以鈀膜組件為主要部件，以高溫氣體 加熱為主要加熱方式，提供了一種適合有高溫?zé)煔忸A(yù)熱并保持恒溫的鈀膜分離裝置，提高 能源利用效率。
本實(shí)用新型的主要實(shí)施方案如下
一種基于高溫預(yù)熱的鈀膜氫氣分離裝置，在兩盲板法蘭之間設(shè)有多個(gè)鈀膜組件，盲板 法蘭與鈀膜組件之間及鈀膜組件與鈀膜組件之間設(shè)有合成氣流通框架，盲板法蘭與合成氣 流通框架之間及合成氣流通框架與鈀膜組件之間安裝石墨墊片；所述盲板法蘭為方形板； 在盲板法蘭和鈀膜組件與合成氣流通框架連接的一面四周分別設(shè)有凹槽，凹槽內(nèi)設(shè)有石墨 墊圈，合成氣流通框架的凸臺(tái)與盲板法蘭和鈀膜組件上的凹槽密封連接；所述合成氣流通框架為方形框架，中間為空腔；方形框架與盲板法蘭或鈀膜組件形成封閉的空間，在合成 氣流通框架設(shè)有含氫合成氣導(dǎo)入和導(dǎo)出管，導(dǎo)入和導(dǎo)出管與鈀膜組件的合成氣流通框架中 的空腔連通；在合成氣流通框架四周設(shè)有凸臺(tái)、高溫氣體導(dǎo)入管、導(dǎo)出管和高溫氣體流通 通道；所述高溫氣體流通通道的通道橫截面為圓形，其直徑為3-5毫米，或者所述高溫氣 體流通通道的通道橫截面為矩形，邊長(zhǎng)為3-5毫米。
為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的，所述鈀膜組件的膜支撐框架兩側(cè)分別有多孔燒結(jié)金屬 支撐體和鈀合金膜，膜支撐框架內(nèi)含有被凈化氫氣氣流流通通道，該通道為兩對(duì)稱的矩形 齒狀組合，通道寬度為3-5毫米，通道之間的支撐框架為3-5毫米，氣體導(dǎo)出口設(shè)置在支撐 框架上下兩端，與氣流通道連通；所述的膜支撐框架的四周加工一用于與合成氣流通框架 密封的長(zhǎng)方形凹槽，所述凹槽寬3-7毫米、深l-3毫米。
所述盲板法蘭的四周上開(kāi)圓孔，用于組裝時(shí)螺栓固定。
所述盲板法蘭和鈀膜組件與合成氣流通框架連接的一面四周分別設(shè)有凹槽為長(zhǎng)方形凹 槽，所述凹槽寬度為3-7毫米、深度為l-3毫米。
所述合成氣流通框架的凸臺(tái)寬度比盲板法蘭和鈀膜組件的凹槽的寬度窄0.3-0.7毫米， 高度與盲板法蘭和鈀膜組件的凹槽深度相同。
所述石墨墊圈為由耐高溫的石墨制成的長(zhǎng)方形墊圈，寬度與盲板法蘭和鈀膜組件的凹 槽的寬度相同，厚0.3-0.5毫米。
鈀膜分離器組裝完畢后，外面包覆保溫材料以減少散熱損失。保溫材料選用耐高溫陶 瓷纖維或其他材料，材料厚度以保證保溫材料外表面溫度不高于環(huán)境溫度10。C計(jì)算確定。
本實(shí)用新型中對(duì)分離器采用高溫氣體加熱，升溫速率較快，溫度易于控制，特別適用 于有高溫尾氣排放的應(yīng)用場(chǎng)合。

圖1為生產(chǎn)高純度氫氣的膜分離裝置組裝圖。
圖2為圖1的局部放大圖。
圖3為鈀膜組件半剖圖。
圖4為圖3中鈀膜組件A-A剖面圖。
圖5為圖3中鈀膜組件B-B剖面圖。
圖6-1為合成氣流通框架右視圖。
圖6-2為圖6-1合成氣流通框架D-D剖面圖。
圖6-3為圖6-2合成氣流通框架C-C剖面圖。圖7-l為盲板法蘭結(jié)構(gòu)示意圖。 圖7-2.為圖7-1盲板法蘭結(jié)構(gòu)E-E剖面圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，所舉的實(shí)例， 其作用只是進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)特征，而不是限定本實(shí)用新型。
如圖l、 2所示， 一種基于高溫預(yù)熱的鈀膜氫氣分離裝置，包括鈀膜組件l、合成氣流 通框架2、盲板法蘭3、石墨墊圈4、螺栓及螺母5、高溫氣體流通通道204。在兩盲板法 蘭3之間設(shè)有多個(gè)鈀膜組件1，盲板法蘭3與鈀膜組件1之間及鈀膜組件與鈀膜組件之間 設(shè)有合成氣流通框架2，用合成氣流通框架2將兩者分隔，為保持密封，盲板法蘭與合成 氣流通框架之間及合成氣流通框架與鈀膜組件之間安裝石墨墊片。鈀膜組件的數(shù)量可根據(jù) 所需的氫氣產(chǎn)量、分離器的操作條件(溫度、壓力等)、鈀膜的面積、厚度等幾何尺寸來(lái)決 定。若整個(gè)裝置所需要的鈀膜組件的數(shù)量為N，則所需要的合成氣流通框架的數(shù)量為N+1， 石墨墊片的數(shù)量為2N+2，盲板法蘭數(shù)量為2。為給膜分離器加熱，在合成氣流通框架四周 的高溫氣體流通通道204內(nèi)通入高溫氣體。合成氣流通框架、鈀膜組件、盲板法蘭通過(guò)連 接螺栓和螺母5固定。
如圖3~5所示，鈀膜組件1包括膜支撐框架101、多孔燒結(jié)金屬支撐體105、鈀合金膜 106及氫氣導(dǎo)出管104。膜支撐框架101兩側(cè)分別有多孔燒結(jié)金屬支撐體105和鈀合金膜 106，膜支撐框架101內(nèi)含有被凈化氫氣氣流流通通道102，該通道為兩對(duì)稱的矩形齒狀組 合，通道寬度為3-5毫米，優(yōu)選4毫米，通道之間的支撐框架為3-5毫米，優(yōu)選4毫米，氣 體導(dǎo)出口 104設(shè)置在支撐框架101上下兩端，與氣流通道102連通。支撐框架101采用不 銹鋼，多孔燒結(jié)金屬支撐體105采用燒結(jié)不銹鋼。支撐框架與燒結(jié)金屬之間采用焊接連接。 鈀合金膜106采用鈀銀合金膜，膜的厚度為10-50微米，此處采用25微米的鈀銀合金膜。 鈀合金膜106與金屬支撐框架101和多孔燒結(jié)金屬支撐體105之間采用金屬擴(kuò)散的方法密 封連接在一起，該方法是將該組件至于高溫高壓環(huán)境下，使得鈀合金膜106的分子與金屬 支撐框架101的分子相互擴(kuò)散，從而達(dá)到密封的效果。膜支撐框架101四周加工凹槽103， 寬為3-7毫米，優(yōu)選5毫米，深為l-3毫米，優(yōu)選l毫米；組裝時(shí)，凹槽103內(nèi)加厚度0.4 毫米寬度為5毫米的石墨墊片4，與合成氣流通框架2的凸臺(tái)203對(duì)接(圖2)。
如圖6-l、 6-2、 6-3所示，合成氣流通框架2為一不銹鋼方形框架，中間為空腔、四壁 為一長(zhǎng)方形凹槽。安裝后，與其兩側(cè)的盲板法蘭及鈀膜組件形成封閉的空間201，合成氣 可在此空間流動(dòng)。在合成氣流通框架2兩端焊接含氫合成氣導(dǎo)入和導(dǎo)出管202，導(dǎo)入和導(dǎo)出管202與氣體流通空間201連通。在框架兩側(cè)加工一寬4.5毫米、高1毫米的凸臺(tái)203， 用于合成氣流通框架2與鈀膜組件1或盲板法蘭3安裝組合時(shí)密封(圖2)。在合成氣流通 框架2的四周加工橫截面為圓形的高溫氣體流通通道204用來(lái)對(duì)膜分離器的預(yù)熱以及恒溫， 其直徑為3-5毫米，優(yōu)選5毫米。該高溫氣體流通通道204的通道橫截面還可為矩形，邊 長(zhǎng)可為3-5毫米。高溫氣體流通通道204的設(shè)置有利于采用高溫氣體加熱，升溫速率較快， 溫度易于控制，特別適用于有高溫尾氣排放的應(yīng)用場(chǎng)合。
如圖7-l、 7-2所示，盲板法蘭3為一方形不銹鋼板301，厚度為15毫米。在盲板法蘭 的四周上開(kāi)圓孔303，用于組裝時(shí)螺栓5固定(圖1)。在盲板法蘭3與合成氣流通框架2 連接的一面加工寬為5毫米，深為1毫米的長(zhǎng)方形凹槽302;在組裝時(shí)(圖1)，凹槽302 內(nèi)加厚度0.4毫米寬度為5毫米的石墨墊圈4，再與合成氣流通框架2的凸臺(tái)203密封。
石墨墊圈4為一長(zhǎng)方形墊圈，由耐高溫的石墨制成。該墊圈寬5毫米，厚0.3-0.5毫米， 優(yōu)選0.4毫米。
鈀膜的適宜工作溫度是450—60(TC，鈀膜分離器組裝完畢后，外面包覆保溫材料以減 少散熱損失。保溫材料可選用耐高溫的陶瓷纖維或其他材料，材料厚度以保證保溫材料外 表面溫度不高于環(huán)境溫度io"c計(jì)算確定。
如圖1 2所示，含有2個(gè)鈀膜組件的鈀膜分離裝置的組裝順序?yàn)槊ぐ宸ㄌm、石墨墊 片、合成氣流通框架，石墨墊片、鈀膜組件、石墨墊片、合成氣流通框架，石墨墊片、鈀 膜組件、石墨墊片、合成氣流通框架，石墨墊片、盲板法蘭；整個(gè)裝置的部件通過(guò)連接螺 栓及螺母固定。當(dāng)需要增加鈀膜組件數(shù)量時(shí)，可在盲板法蘭內(nèi)依次添加石墨墊片、合成氣 流通框架，鈀膜組件即可。
工作時(shí)，首先利用高溫氣體通道204對(duì)膜分離器進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)溫度升高至鈀膜的工作 溫度(一般在450-60(fC)時(shí)，將高壓的含氫混合氣體由合成氣流通框架2的導(dǎo)入管202引 入，在含氫氣體流通通道中，混合氣體中的氫氣與鈀膜106接觸，通過(guò)鈀膜106、燒結(jié)金 屬105傳遞到氫氣流通通道102，再由氫氣引出管104引出鈀膜分離裝置，成為高純度的 產(chǎn)品氫氣。在膜分離器的恒溫階段，通過(guò)降低高溫氣體的流量或者混入常溫空氣實(shí)現(xiàn)。
在通常的膜分離器的加熱方式一般采用高溫的惰性氣體或者在鈀膜組件內(nèi)部加工為尺 度孔道，由于制備高溫惰性氣體造價(jià)高，在鈀膜組件上加工微尺度通道在加工技術(shù)上還存 在一定的困難。本實(shí)用新型可望充分利用高溫尾氣中的大量熱量，在合成氣流通框架的四 周加工圓形或矩形流通通道對(duì)膜分離器預(yù)熱和保持恒溫，特別適用于與有高溫尾氣排放的 裝置聯(lián)合使用，提高能源利用效率。
權(quán)利要求1、一種基于高溫預(yù)熱的鈀膜氫氣分離裝置，在兩盲板法蘭之間設(shè)有多個(gè)鈀膜組件，盲板法蘭與鈀膜組件之間及鈀膜組件與鈀膜組件之間設(shè)有合成氣流通框架，盲板法蘭與合成氣流通框架之間及合成氣流通框架與鈀膜組件之間安裝石墨墊片；所述盲板法蘭為方形板；在盲板法蘭和鈀膜組件與合成氣流通框架連接的一面四周分別設(shè)有凹槽，凹槽內(nèi)設(shè)有石墨墊圈，合成氣流通框架的凸臺(tái)與盲板法蘭和鈀膜組件上的凹槽密封連接；其特征在于所述合成氣流通框架為方形框架，中間為空腔；方形框架與盲板法蘭或鈀膜組件形成封閉的空間，在合成氣流通框架設(shè)有含氫合成氣導(dǎo)入和導(dǎo)出管，導(dǎo)入和導(dǎo)出管與鈀膜組件的合成氣流通框架中的空腔連通；在合成氣流通框架四周設(shè)有凸臺(tái)、高溫氣體導(dǎo)入管、導(dǎo)出管和高溫氣體流通通道；所述高溫氣體流通通道的通道橫截面為圓形，其直徑為3-5毫米，或者所述高溫氣體流通通道的通道橫截面為矩形，邊長(zhǎng)為3-5毫米。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高溫預(yù)熱的鈀膜氫氣分離裝置，其特征在于所述鈀膜 組件的膜支撐框架兩側(cè)分別有多孔燒結(jié)金屬支撐體和鈀合金膜，膜支撐框架內(nèi)含有被凈化 氫氣氣流流通通道，該通道為兩對(duì)稱的矩形齒狀組合，通道寬度為3-5毫米，通道之間的 支撐框架為3-5毫米，氣體導(dǎo)出口設(shè)置在支撐框架上下兩端，與氣流通道連通；所述的膜 支撐框架的四周加工一用于與合成氣流通框架密封的長(zhǎng)方形凹槽，所述凹槽寬3-7毫米、 深1-3毫米。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高溫預(yù)熱的鈀膜氫氣分離裝置，其特征在于所述盲板 法蘭的四周上開(kāi)圓孔，用于組裝時(shí)螺栓固定。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高溫預(yù)熱的鈀膜氫氣分離裝置，其特征在于所述盲板 法蘭和鈀膜組件與合成氣流通框架連接的一面四周分別設(shè)有凹槽為長(zhǎng)方形凹槽，所述凹槽 寬度為3-7毫米、深度為1-3毫米。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高溫預(yù)熱的鈀膜氫氣分離裝置，其特征在于所述合成 氣流通框架的凸臺(tái)寬度比盲板法蘭和鈀膜組件的凹槽的寬度窄0.3-0.7毫米，高度與盲板法 蘭和鈀膜組件的凹槽深度相同。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高溫預(yù)熱的鈀膜氫氣分離裝置，其特征在于所述石墨 墊圈為由耐高溫的石墨制成的長(zhǎng)方形墊圈，寬度與盲板法蘭和鈀膜組件的凹槽的寬度相同， 厚0.3-0.5毫米。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于高溫預(yù)熱的鈀膜氫氣分離裝置，該裝置在兩盲板法蘭之間設(shè)有多個(gè)鈀膜組件，盲板法蘭與鈀膜組件之間及鈀膜組件與鈀膜組件之間設(shè)有合成氣流通框架，合成氣流通框架為方形框架，中間為空腔；方形框架與盲板法蘭或鈀膜組件形成封閉的空間，在合成氣流通框架四周設(shè)有凸臺(tái)、高溫氣體導(dǎo)入管、導(dǎo)出管和高溫氣體流通通道；高溫氣體流通通道的通道橫截面為圓形，其直徑為3-5毫米，或者所述高溫氣體流通通道的通道橫截面為矩形，邊長(zhǎng)為3-5毫米。本實(shí)用新型將高溫?zé)煔庖氲胶铣蓺饪蚣艿臍怏w流通通道來(lái)預(yù)熱及恒溫膜分離器，升溫速率快、溫控效果好，特別適用于與有高溫尾氣排放的裝置聯(lián)合使用，提高能源利用效率。
文檔編號(hào)C01B3/56GK201400568SQ200920053349
公開(kāi)日2010年2月10日 申請(qǐng)日期2009年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月25日
發(fā)明者寧 張, 解東來(lái) 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)