用于氫分離的多層模塊的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種使用抗壓室的用于氫分離的多層模塊，以使得使用只允許氫選擇性通過(guò)的金屬分離膜的單位元件被層疊以改善分離效率，混合氣體被均勻地供入每個(gè)單位元件中。在所述多層模塊中，所述單位元件互相層疊，所述混合氣體被供入腔室內(nèi)。另外，每一個(gè)混合氣體輸入端口都被設(shè)置在所述單位元件的側(cè)面中以提供所述混合氣體。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于氫分離的多層模塊
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于氫分離的多層模塊，更具體地涉及使用壓力室的用于氫分離的多層模塊，包含用于使氫選擇性通過(guò)的金屬分離膜的單位元件被層壓于所述壓力室內(nèi)，從而以改善的分離效率向每個(gè)單位元件均勻地提供混合氣體。
【背景技術(shù)】
[0002]作為用于從氫混合氣體中分離氫的技術(shù)，可以使用不同的方法例如PSA、深度冷凍、化學(xué)吸附和分離膜。
[0003]上述技術(shù)中，就能源效率而言，使用分離膜的分離方法已知是最好的。最近，正在開(kāi)發(fā)一種使用氫膜以商業(yè)化超大型精煉部分(例如預(yù)熱CCS(碳捕捉和儲(chǔ)存))的分離方法。
[0004]為完成上述方法，一種模塊構(gòu)型技術(shù)是關(guān)鍵，通過(guò)所述模塊構(gòu)型技術(shù)可以提供高效率和耐久性，從而，首先分離膜自身的氫滲透速度和耐久性得以保證，其次分離膜的性能可以很好地表現(xiàn)出來(lái)。
[0005]已經(jīng)有很多對(duì)于使用分離膜的氫精煉模塊構(gòu)型的研究，而且，這種研究是從保證獲得已滲透過(guò)分離膜的高濃度氫的角度來(lái)進(jìn)行的。
[0006]但是，在應(yīng)用分離膜的方法中，該方法需要在預(yù)熱CCS中同時(shí)滿(mǎn)足氫精煉和CO2濃度，除非保持高的氫回收率，否則不能得到一定水平或更高水平的殘留氣體濃度。也就是說(shuō)，當(dāng)從混合氣體中移除氫時(shí)，對(duì)于分離膜的氫移除效率而言，分離膜上方的物質(zhì)的擴(kuò)散充當(dāng)著主導(dǎo)因素，原因是沒(méi)有滲透過(guò)分離膜的殘留氣體中的氫濃度逐漸下降。因此，分離膜的構(gòu)型施加著絕對(duì)的影響。
[0007]單元模塊需要最小化混合氣體流動(dòng)空間，從而可以根據(jù)上述構(gòu)型最小化傳質(zhì)阻力，并且伴隨具有這樣構(gòu)型的單位元件而言，需要一種提高具有多階段構(gòu)型的模塊的處理量的方法，從而可以向每個(gè)單位元件均勻地提供混合氣體。
[0008]美國(guó)專(zhuān)利第6，319, 305號(hào)和第5，997, 594號(hào)公開(kāi)了一種單兀模塊擴(kuò)展方法。在上述發(fā)明專(zhuān)利中，因?yàn)闅怏w供應(yīng)單元與排放單元通過(guò)一個(gè)連通孔相連，所以，隨著將被層壓的單位元件的數(shù)量的增加，被傳送的氣體供應(yīng)壓力中可能存在差異。因此，隨著距離供應(yīng)孔越來(lái)越遠(yuǎn)，供應(yīng)到單位元件的混合氣體的進(jìn)料速率逐漸降低。當(dāng)然，可以通過(guò)無(wú)限地增大連通孔的尺寸來(lái)最小化這樣問(wèn)題的影響，但是，隨著單元模塊橫截面積的增加，精煉設(shè)備的成本和尺寸將極大地增加而導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)力下降一半。
[0009]另外，可以通過(guò)各組件板的擴(kuò)散聯(lián)接或在模塊的上方和下方加裝蓋子而后通過(guò)多個(gè)螺栓緊固來(lái)密封上述多層模塊。但是，上述構(gòu)型難以保證耐久性，原因是隨著高壓混合氣體被供應(yīng)到模塊，膨脹壓力被施加于單位元件的連接部件。尤其在預(yù)熱CCS的情況中，分離工藝的壓力以68bar作為開(kāi)發(fā)目標(biāo)。因此，開(kāi)發(fā)能夠承受高壓的模塊是必不可少的。
[0010]另外，最近，一種方法越來(lái)越受歡迎，在所述方法中，來(lái)自氫混合氣體的氫和混合于其中的氣體需要被富集至一定濃度。典型地，在預(yù)熱CCS領(lǐng)域中，大家都在為解決一個(gè)技術(shù)難題而努力，即在分離氫的同時(shí)，將CO2(其為不可滲透氣體)富集到令人滿(mǎn)意的程度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011][本發(fā)明將解決的問(wèn)題]
[0012]因此，考慮到上述情形，本發(fā)明的目的是提供一種使用壓力室的用于氫分離的多層模塊，包含用于使氫選擇性滲透的金屬分離膜的單位元件被層壓于所述壓力室內(nèi)，從而以改善的分離效率向每個(gè)單位元件均勻地提供混合氣體。
[0013]本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用于氫分離的多層模塊，通過(guò)將所述模塊以如下方式構(gòu)造而使所述模塊易于組裝和密封:在分離工藝操作中，膨脹壓力不被施加于單位元件的聯(lián)接件或密封件中。
[0014]尤其，作為用于商業(yè)化大處理量工藝而言必不可少的一項(xiàng)，需要模塊放大技術(shù)。因此，本發(fā)明提供一種通過(guò)層壓?jiǎn)挝辉姆糯蠹夹g(shù)。
[0015][解決問(wèn)題的途徑]
[0016]本發(fā)明的主要特征是單位元件被層壓于壓力室內(nèi)，并且，將混合氣體供入所述壓力室中。另外，每個(gè)單位元件都包括混合氣體輸入端口，從而將所述混合氣體供應(yīng)到所述單位元件的側(cè)面。因此，壓力室的內(nèi)部空間的壓力通過(guò)供應(yīng)到所述壓力室中的所述混合氣體而提高，并借此起到抵消所述壓力室中要向外界膨脹的壓力的作用。
[0017]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種用于氫分離的多層模塊，其包括:壓力室，具有設(shè)置在其側(cè)面上的混合氣體供應(yīng)管以與所述壓力室連通；和安裝在所述壓力室內(nèi)的分離單元，其中，所述分離單元包括:至少兩個(gè)層壓的單位元件，所述單位元件被構(gòu)造成從混合氣體中分離氫；上部板，被置于所述層壓的單位元件的最上面；和下部板，被置于所述層壓的單位元件的最下面，所述上部板和所述下部板中的至少一個(gè)包括設(shè)置在其上的氫氣排放管以排放自所述分離單元分離出的氫，所述上部板和所述下部板中的至少一個(gè)包括設(shè)置在其上的滯留氣體排放管以排放殘留的滯留氣體，通過(guò)所述分離單元已從所述殘留的滯留氣體中分離出氫，每個(gè)所述單位元件都與所述壓力室的內(nèi)部空間連通。
[0018]優(yōu)選地,所述單位元件包括:元件體,構(gòu)成所述單位元件的主體；支撐突起物，形成于所述元件體的上部嵌入部分；氫分離板，設(shè)置在所述支撐突起物上以?xún)H讓氫通過(guò)所述氫分離板；混合氣體連通孔、滯留氣體連通孔和氫氣連通孔，它們?cè)谒鲈w中環(huán)繞所述氫分離板形成，從而互相間隔開(kāi)；混合氣體輸入端口，形成于所述元件體的環(huán)狀表面中以與所述混合氣體連通孔連通，并暴露于所述壓力室的內(nèi)部空間以與所述壓力室連通；混合氣體排出孔，通過(guò)混合氣體通道與所述混合氣體連通孔連通，并形成于所述元件體的底部以暴露于與所述混合氣體排出孔相鄰的單位元件的氫分離板；滯留氣體輸入孔，通過(guò)滯留氣體通道與滯留氣體連通孔相通，并形成于所述元件體的底部以暴露于與所述滯留氣體輸入孔相鄰的單位元件的氫分離板；氫氣進(jìn)入孔，形成于所述支撐突起和所述氫分離板的下部之間，并通過(guò)氫氣通道與氫氣連通孔連通，所述氫氣排放管與所述氫氣連通孔相通，所述滯留氣體排放管與滯留氣體連通孔連通，并且在上部的單位元件的下表面和相鄰的單位元件中的氫分離板之間形成空隙，從而通過(guò)所述空隙使所述混合氣體排出孔和所述滯留氣體輸入孔連通。
[0019]可選地，當(dāng)所述上部板或所述下部板中的一個(gè)具有與所述單位元件相同的構(gòu)型時(shí)，與此同時(shí)合適地封閉所述氣體連通孔時(shí)，可以提高所述下部板的使用。為此，所述上部板或所述下部板中的一個(gè)具有與所述單位元件相同的構(gòu)型，所述混合氣體連通孔被封閉，其中沒(méi)有插入所述氫氣排放管的所述氫氣連通孔被封閉，并且，其中沒(méi)有插入所述滯留氣體排放管的所述滯留氣體排放孔被封閉。
[0020]另外，可以在所述下部板的上表面和所述單位元件的下表面之間設(shè)置墊片。鑒于此，可以防止所述混合氣體在所述下部板的上表面和所述單位元件的下表面之間形成流動(dòng)。
[0021]優(yōu)選地，所述滯留氣體輸入孔的直徑小于所述混合氣體排出孔的直徑。因此，通過(guò)提高施加于來(lái)自所述滯留氣體輸入孔的滯留氣體上的壓力，通過(guò)提高壓力可以使氫容易地穿過(guò)所述氫分離板移動(dòng)。
[0022]優(yōu)選地，所述混合氣體供應(yīng)管的直徑大于所述滯留氣體排放孔的直徑。由于在滯留氣體排放側(cè)的壓力差的生成度高于滯留氣體供應(yīng)側(cè)，所以，總是可以將混合氣體均勻地供應(yīng)到具有改善的穩(wěn)定性的氫分離板的表面。
[0023]根據(jù)具有上述構(gòu)型的本發(fā)明，用經(jīng)由所述壓力室供應(yīng)的混合氣體對(duì)所述單位元件加壓，并將混合氣體經(jīng)由混合氣體輸入端口供入每個(gè)單位元件中，所述混合氣體輸入端口在所述單位元件的環(huán)狀表面中形成。因此，膨脹壓力不會(huì)施加到模塊中的聯(lián)接和密封區(qū)域，并且，以相同的壓力將混合物輸送到每個(gè)單位元件中。鑒于此，可以提供具有改善的耐久性的高效大尺寸模塊。
[0024][本發(fā)明的效果]
[0025]根據(jù)本發(fā)明，可以解決氫分離膜的性能降低和壽命縮短的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題是由傳統(tǒng)氫分離膜和單位元件之間的擴(kuò)散聯(lián)接引起的，通過(guò)使用內(nèi)部密封和外部密封來(lái)防止由于高溫運(yùn)行過(guò)程中外部氧氣的流入和伴隨內(nèi)部氫外流的危險(xiǎn)因素而引起的對(duì)分離膜的傷害。
[0026]另外，通過(guò)采用上部法蘭和下部法蘭代替外罩室，具有可以將氫精煉分離膜模塊構(gòu)造成具有簡(jiǎn)單且緊湊的結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)此方式，可以降低系統(tǒng)構(gòu)型的成本并易于組裝和拆分所述系統(tǒng)。
[0027]特別地，因?yàn)榭梢宰杂傻剡x擇氫氣排放管和滯留氣體排放管的安裝位置，所以，可以提高所述系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自由度。
[0028]由于本發(fā)明的模塊擴(kuò)展技術(shù)，使得構(gòu)造一個(gè)如在氫精煉和CCS中那樣能夠富集未穿過(guò)分離膜的氣體的大尺寸模塊成為可能。因此，氫精煉，尤其是，使用于富集不可滲透氣體CCS領(lǐng)域的實(shí)現(xiàn)變得可能。因此，可以向用于收集使全球變暖氣體(例如CO2)同時(shí)生產(chǎn)氫能源的方法提供一種核心技術(shù)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案用于氫分離的多層模塊的立體圖。
[0030]圖2是如從上部看到的圖1的用于氫分離的多層模塊的分離單元的分解立體圖。
[0031]圖3是如從上部看到的圖1的用于氫分離的多層模塊的單位元件的立體圖。
[0032]圖4是如從下部看到的圖1的用于氫分離的多層模塊的分離單元的分解立體圖。
[0033]圖5是如從下部看到的圖1的用于氫分離的多層模塊的單位元件的立體圖。
[0034]圖6是取自圖1的線(xiàn)A-A的分離單元的垂直剖面視圖。[0035]圖7是取自圖1的線(xiàn)B-B的分離單元的垂直剖面視圖。
[0036]圖8是圖1中所示分離單元的改造實(shí)例的垂直剖面視圖。
[0037]圖9是取自垂直方向的圖8的分離單元的垂直剖面視圖。
[0038]圖10是圖1中所示分離單元的另一個(gè)改造實(shí)例的垂直剖面視圖。
[0039]圖11是取自垂直方向的圖10的分離單元的垂直剖面視圖。
[0040]附圖標(biāo)記的說(shuō)明
[0041]100:用于氫分離的多層模塊，102:壓力室
[0042]104:混合氣體供應(yīng)管，106:緊固件
[0043]107、108:分離單元，110:上部板
[0044]112:上部連通孔，114,204,214:滯留氣體排放孔
[0045]115,215:滯留氣體排放管，116:上部輸入端口
[0046]118:上部固定孔，120、130、140、150、190:單位元件
[0047]121、123、131、133、141、143、151、153、191、193、211、213:氫氣連通孔
[0048]122、132、142、152:混合氣體連通孔，124、134、154、164:滯留氣體連通孔
[0049]125、135、145、155、195:支撐突起物，126、136、146、156:混合氣體輸入端口
[0050]128、138、148、158:單位元件固定孔，161、163、191、193:氫氣排放孔
[0051]167、169、197、199、217、219:氫氣排放管
[0052]168:下部固定孔，171、172、173、174、176:氫分離板
[0053]175:墊片，1101:上部板體
[0054]1111、1121、1131、1141、1211、1221、1231、1241、1311、1321、1331、1341、1411、
1421、1431、1441、1511、1521、1531、1541、1611、1621、1631、1641:上部外環(huán)座
[0055]1112、1122、1132、1142、1212、1222、1232、1242、1312、1322、1332、1342、1412、
1422、1432、1442、1512、1522、1532、1542、1612、1622、1632、1642:下部外環(huán)座
[0056]1162:上部進(jìn)入通道，1164:上部排出通道
[0057]1172:上部排出孔，1174:上部進(jìn)入孔
[0058]1201、1301、1401、1501:元件體
[0059]1261、1263、1361、1363、1461、1463、1561、1563、1961、1963:氫氣通道
[0060]1262、1362、1462、1562:混合氣體通道，1264、1364、1464、1564:滯留氣體通道
[0061]1271、1273、1371、1373、1471、1473、1571、1573:氫氣進(jìn)入孔
[0062]1272、1372、1472、1572:混合氣體排出孔
[0063]1274、1374、1574、1674:滯留氣體輸入孔
[0064]1291、1391、1491、1591、1691:上部徑向內(nèi)環(huán)座
[0065]1292、1392、1492、1592、1692:上部徑向外環(huán)座
[0066]1193、1293、1393、1493、1593:下部徑向內(nèi)環(huán)座
[0067]1194、1294、1394、1494、1594:下部徑向外環(huán)座
[0068]1601:下部板體
[0069]1811、1821、1831、1841、1851:徑向內(nèi)環(huán)
[0070]1812、1822、1832、1842、1852:徑向外環(huán)
[0071]1813、1823、1833、1843、1853:外環(huán)【具體實(shí)施方式】
[0072]本下文中，將結(jié)合示出本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行的附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方案。
[0073]圖1不出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的用于氫分離的多層模塊100。
[0074]用于氫分離的多層模塊100大體上包括壓力室102和安裝于壓力室102中的分離單元107。
[0075]壓力室102具有安裝在其側(cè)面上的混合氣體供應(yīng)管104以向所述壓力室中供應(yīng)混合氣體。混合氣體供應(yīng)管104與混合氣體供應(yīng)源(未示出)相連，而且，從混合氣體供應(yīng)管104供應(yīng)的混合氣體應(yīng)該有使氫足以地通過(guò)氫分離板171、172、173和174的壓力。
[0076]壓力室102可以具有本領(lǐng)域公知的壓力容器的結(jié)構(gòu)形狀，并且，應(yīng)該具有足夠的空間以將分離單元107安裝在所述壓力室中。
[0077]分離單元107包括單位元件120、130、140和150，所述單位元件被層壓于兩層或更多層之中以將氫從混合氣體中分離；上部板110，被置于單位元件120、130、140和150的最上面，并在所述上部板的上表面上設(shè)有滯留氣體排放管115 ;以及，下部板160，被置于單位元件120、130、140和150的最下面，并在所述下部板的下表面上設(shè)有氫氣排放管167和169。
[0078]滯留氣體排放管115的一端和氫氣排放管167和169各自的一端都穿過(guò)壓力室102的壁體以暴露于所述壁體的外部。
[0079]具體而言，單位元件120、130、140和150各自都與壓力室102的內(nèi)部空間連通。本文中，優(yōu)選上部板110與壓力室102的內(nèi)部空間連通，從而在單位元件120、130、140和150最上面的單位元件120中進(jìn)行氫滲透反應(yīng)。
[0080]單位元件120、130、140和150具有元件體1201、1301、1401和1501，并且，元件體1201、1301、1401和1501各自都是具有多邊形、圓形或橢圓形橫截面的板。
[0081]單位元件120、130、140和150包括:支撐突起物125、135、145和155，形成于元件體1201、1301、1401和1501的上部嵌入部分；氫分離板171、172、173和174，設(shè)置在支撐突起物125、135、145和155上以?xún)H讓氫通過(guò)所述氫分離板；以及，混合氣體連通孔122、132、142和152、滯留氣體連通孔124、134、144和154與氫氣連通孔121、123、131、133、141、143、151和153，它們?cè)谠w1201、1301、1401和1501中環(huán)繞氫分離板171、172、173和174形成，從而互相間隔開(kāi)。
[0082]單位元件120、130、140和150包括:混合氣體輸入端口 126、136、146和156，形成于元件體1201、1301、1401和1501的環(huán)狀表面上以與混合氣體連通孔122、132、142和152連通，并暴露于壓力室102的內(nèi)部空間以與所述壓力室連通；混合氣體排出孔1272、1372、1472和1572，通過(guò)混合氣體通道1262、1362、1462和1562與混合氣體連通孔122、132、142和152連通，并形成于元件體1201、1301、1401和1501的底部以暴露于下面；滯留氣體輸入孔1274、1374、1474和1574，通過(guò)滯留氣體通道1264、1364、1464和1564與滯留氣體連通孔124、134、144和154連通，并形成于元件體1201、1301、1401和1501的底部以暴露于下面；以及，氫氣進(jìn)入孔1271、1273、1371、1373、1471、1473、1571和1573，形成于支撐突起物125、135、145和155和氫分離板171、172、173和174的下部之間，并通過(guò)氫氣通道1261、1263、1361、1363、1461、1463、1561 和 1563 與氫氣連通孔連通 121、123、131、133、141、143、151 和153連通。
[0083]單位元件120、130、140和150以相同的方向設(shè)置，也就是說(shuō)，以使得相鄰的單位元件120、130、140和150的混合氣體連通孔122、132、142和152與單位元件120、130、140和150的滯留氣體連通孔124、134、144和154 —致的方式設(shè)置。
[0084]因?yàn)樾纬闪硕鄠€(gè)支撐突起物125、135、145和155，甚至當(dāng)氫分離板171、172、173和174的上部被封閉時(shí)，氣體也可以流過(guò)由支撐突起物125、135、145和155提供的空間。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，所述支撐突起物形成多個(gè)同心圓弧中，每個(gè)圓弧以一定的間隔具有完全不同的曲率。另外，氫氣進(jìn)入孔1271、1273、1371、1373、1471、1473、1571和1573暴露于支撐突起物125、135、145和155之間。
[0085]氫分離板171、172、173和174具有公知的構(gòu)型，并使氫選擇性地穿過(guò)所述氫分離板?？梢詫浞蛛x板171、172、173和174制成薄膜的形式，或可以通過(guò)例如噴濺涂覆法涂覆、非電解鍍層、電解鍍層、噴涂、電子束等涂覆方法涂覆在由多孔金屬或多孔陶瓷制成的多孔載體上。
[0086]氫分離板171、172、173和174被置于支撐突起物125、135、145和155上，所述支撐突起物形成于元件體1201、1301、1401和1501的上部嵌入部分，并且，元件體1201、1301、1401和1501以使其中心部分向下突出的方式構(gòu)造，從而在氫分離板171、172、173和174的上面提供預(yù)設(shè)的空隙。當(dāng)然，可以將元件體1201、1301、1401和1501的下部制成平面的形式，并且，氫分離板171、172、173和174的上表面可以設(shè)置在比元件體1201、1301、1401和1501的上表面更靠下的位置。但是，為提供有效的封閉效果，優(yōu)選元件體1201、1301、1401和1501具有如本實(shí)施方案中所圖示的方式那樣的其中心部分向下突出的構(gòu)型。
[0087]混合氣體連通孔122、132、142和152，滯留氣體連通孔124、134、144和154以及氫氣連通孔121、123、131、133、141、143、151和153互相間隔開(kāi)，并且環(huán)繞支撐突起物125、135、145和155設(shè)置。本發(fā)明中，為在從混合氣體中過(guò)濾氫氣的過(guò)程中增加氫氣與氫分離板171、172、173和174的接觸面積，將混合氣體連通孔122、132、142和152與滯留氣體連通孔124、134、144和154互相面對(duì)面地設(shè)置在所述元件體的徑向方向上，并且，將氫氣連通孔121、123、131、133、141、143、151和153以垂直于連接混合氣體連通孔122、132、142和152與滯留氣體連通孔124、134、144和154的假想直線(xiàn)的方向設(shè)置。
[0088]可能僅一個(gè)氫氣連通孔121、123、131、133、141、143、151或153就足以排放氫氣，但是，為了有效地排放被分離出的氫氣以及避免壓力的積聚，在每個(gè)單位元件120、130、140或150中都形成一對(duì)氫氣連通孔以彼此對(duì)稱(chēng)。
[0089]如圖7中所示，氫氣連通孔121、123、131、133、141、143、151和153通過(guò)氫氣通道 1261、1263、1361、1363、1461、1463、1561 和 1563 與氫氣進(jìn)入孔 1271、1273、1371、1373、1471、1473、1571 和 1573 連通。沒(méi)有特別限定氫氣通道 1261、1263、1361、1363、1461、1463、1561和1563的形狀，并且優(yōu)選氫氣連通孔121、123、131、133、141、143、151和153與氫氣進(jìn)入孔1271、1273、1371、1373、1471、1473、1571和1573以最短的距離連通，同時(shí)具有容易加工的形狀。
[0090]混合氣體從混合氣體排出孔1272、1372、1472和1572或上部進(jìn)入孔1172流入氫分離板171、172、173和174的上表面和單位元件120、130和140或置于氫分離板171、172、173和174上的上部板110之間的空隙，所述混合氣體排出孔形成于單位元件120、130和140的下部，所述上部進(jìn)入孔形成于上部板110的下表面。從混合氣體中分離且被供入氫分離板171、172、173和174的上表面和單位元件120、130和140或置于氫分離板171、172、173和174上的上部板110之間的空隙的殘留的滯留氣體經(jīng)由滯留氣體輸入孔1274、1374、1474和1574或上部排出孔1174排放，所述滯留氣體輸入孔形成于單位元件120、130和140的下部，所述上部排出孔形成于上部板110的下表面。因此，混合氣體排出孔1272、1372、1472和1572通過(guò)形成于其中的空隙與滯留氣體輸入孔1274、1374、1474和1574連通。
[0091]因此，混合氣體排出孔1272、1372、1472和1572靠近混合氣體連通孔122、132、142和152設(shè)置，并且滯留氣體輸入孔1274、1374、1474和1574靠近滯留氣體連通孔124、134、144和154設(shè)置?；旌蠚怏w排出孔1272、1372、1472和1572通過(guò)混合氣通道1262、1362、1462和1562與混合氣體連通孔122、132、142和152連通，并且，滯留氣體輸入孔1274、1374、1474和1574通過(guò)滯留氣體通道1264、1364、1464和1564與滯留氣體連通孔124、134、144和154連通。
[0092]混合氣體輸入端口 126、136、146和156形成于單位元件120、130、140和150的元件體1201、1301、1401和1501的側(cè)壁上，從而暴露于壓力室102的內(nèi)部空間，并且，混合氣體輸入端口 126、136、146和156與混合氣體連通孔122、132、142和152連通。因此，混合氣體可以通過(guò)混合氣體連通孔122、132、142和152流入壓力室102的內(nèi)部。
[0093]上部板110包括滯留氣體排放孔114，滯留氣體排放孔114的一個(gè)端部與單位元件120、130、140和150的滯留氣體連通孔124、134、144和154連通，而滯留氣體排放孔114的另一個(gè)端部與滯留氣體排放管115連通。
[0094]上部板110包括上部連通孔112，與單位元件120、130、140和150的混合氣體連通孔連通；上部輸入端口 116，與上部連通孔112連通并形成于上部板110的側(cè)面部分以暴露于壓力室102的內(nèi)部空間從而與所述壓力室連通；上部排出孔1172，通過(guò)上部進(jìn)入通道1162與上部連通孔112連通，并暴露于上部板110的下面；以及，上部進(jìn)入孔1174，通過(guò)上部排出通道1164與滯留氣體排放孔114連通，并暴露于上部板110的下面。上部進(jìn)入孔1174通過(guò)上部板110的下表面和氫分離板171的上表面之間的空隙與上部排出孔1172連通。
[0095]因此，上部板110具有向最上面的氫分離板171提供混合氣體的功能和排放殘留的滯留氣體的功能，其中已經(jīng)從混合氣體中分離出氫。因此，上部排出孔1172具有與混合氣體排出孔1272、1372、1472和1572相同的位置和形狀，上部進(jìn)入孔1174具有與滯留氣體輸入孔1274、1374、1474和1574相同的位置和形狀，并且，上部連通孔112和滯留氣體排放孔114具有與單位元件120、130和140的混合氣體連通孔122、132、142和152和滯留氣體連通孔124、134、144和154相同的位置和形狀。
[0096]下部板160包括氫氣排放孔161和163，氫氣排放孔161和163各自的一個(gè)端部與單位元件150的氫氣連通孔151和153連通，氫氣排放孔161和163各自的另一個(gè)端部分別與氫氣排放管167和169連通。
[0097]特別地，下部板160應(yīng)該防止單位元件150的反應(yīng)氣體輸入孔152和氫排出孔孔154之間的連通。為此，在本發(fā)明的實(shí)施方案中，在下部板160的上表面和單位元件150的下表面之間設(shè)置墊片175。也就是說(shuō)，墊片175被設(shè)置對(duì)應(yīng)于氫分離板171、172、173和174的位置，以防止單位元件150的混合氣體排出孔1572與滯留氣體輸入孔1574之間的連通。
[0098]優(yōu)選滯留氣體輸入孔1274、1374、1474和1574與上部排出孔1172具有小于混合氣體排出孔1272、1372、1472和1572與上部進(jìn)入孔1174的直徑。借此，提高了從滯留氣體輸入孔1274、1374、1474和1574排放的滯留氣體的壓力，從而使氫可以容易地流過(guò)氫分離板 171、172、173、174 和 176。
[0099]為改善密封效果，在本發(fā)明的實(shí)施方案中，每個(gè)單位元件都包括一對(duì)徑向內(nèi)環(huán)1811、1821、1831、1841 和 1851 與徑向外環(huán) 1812、1822、1832、1842 和 1852，它們環(huán)繞支撐突起物125、135、145和155設(shè)置。另外，每個(gè)單位元件都包括外環(huán)1813、1823、1833、1843和1853，它們被設(shè)置在混合氣體連通孔122、132、142和152、滯留氣體連通孔124、134、144和154 與氫氣連通孔 121、123、131、133、141、143、151 和 153 的外部。
[0100]為安裝徑向內(nèi)環(huán)和徑向外環(huán)，每個(gè)單位元件都包括上部徑向內(nèi)環(huán)座1291、1391、1491和1591與上部徑向外環(huán)座1292、1392、1492和1592，它們環(huán)繞支撐突起物125、135、145和155形成階梯形狀；以及，下部徑向內(nèi)環(huán)座1293、1393、1493和1593與下部徑向外環(huán)座1294、1394、1494和1594，它們形成于單位元件120、130和140的下部。上部板110包括下部徑向內(nèi)環(huán)座1193和下部徑向外環(huán)座1194，它們形成于上部板110的下表面上；以及，上部徑向內(nèi)環(huán)座1691和上部徑向外環(huán)座1692，它們形成于下部板160的上表面上。
[0101]為安裝外環(huán)，下部板160與單位元件120、130、140和150包括上部外環(huán)座1111、I121、I131、I141、1211、1221、1231、1241、1311、1321、1331、1341、1411、1421、1431、1441、1511、1521、1531、1541、1611、1621、1631和1641，它們分別形成于下部板與單位元件120、
130、140和150的上表面上的各自的連通孔中。另外，上部板110與單位元件120、130、140和 150 包括下部外環(huán)座 1112、1122、1132、1142、1212、1222、1232、1242、1312、1322、1332、1342、1412、1422、1432、1442、1512、1522、1532、1542、1612、1622、1632 和 1642，它們分別形成于上部板與單位元件120、130、140和150的下表面上的各自的連通孔中。
[0102]優(yōu)選地，徑向內(nèi)環(huán)1811、1821、1831、1841 和 1851 與徑向外環(huán) 1812、1822、1832、1842和1852包括金屬環(huán)。通常地，金屬環(huán)指由金屬材料(例如鎳、鋼等)制成的密封件。為提高密封力，優(yōu)選用金、銀、鎳等涂覆所述環(huán)的外表面。進(jìn)一步優(yōu)選地，徑向內(nèi)環(huán)1811、1821、1831、1841和1851與徑向外環(huán)1812、1822、1832、1842和1852包括選自由金屬管制成并具有環(huán)形橫截面的金屬O形環(huán)、具有向氫分離板171、172、173和174的中心刺入的C形橫截面的金屬C形環(huán)和具有至少一個(gè)向具有環(huán)形截面的氫分離板171的中心刺入的孔的金屬O形環(huán)的任意一種。
[0103]當(dāng)將徑向內(nèi)環(huán)1811、1821、1831、1841和1851安裝在氫分離板171、172、173和174上時(shí)，優(yōu)選徑向內(nèi)環(huán)1811、1821、1831、1841和1851的直徑大于形成于氫分離板171、172、173和174上的預(yù)設(shè)空隙的高度。由此，可以形成徑向內(nèi)環(huán)1811、1821、1831、1841和1851，并可以改善密封效果。
[0104]另外，優(yōu)選外環(huán)1813、1823、1833、1843和1853包括可以在550°C或更高的溫度下操作的金屬環(huán)或石墨環(huán)。圖6和圖7中，外環(huán)1813、1823、1833、1843和1853具有矩形截面，但不局限于此。
[0105]另外，上部板110、下部板160和單位元件120、130、140和150包括分別形成于它們的外圍邊緣處的上部固定孔118、下部固定孔168和單位元件固定孔128、138、148和158，從而，通過(guò)插入上述孔中的緊固件106使分離單元107形成為一體。緊固件106可以使用公知的螺栓和螺母。另外，上部板110、下部板160和單位元件120、130、140和150可以通過(guò)擴(kuò)散粘結(jié)或焊接進(jìn)行結(jié)合。
[0106]基本按如上所述的那樣構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案用于氫分離的多層模塊100。下面將描述用于氫分離的多層模塊100的操作方法。
[0107]如圖6和圖7所示，分離單元107具有四個(gè)垂直形成于其中的管狀體。也就是說(shuō)，分離單元107具有由與滯留氣體排放管115和滯留氣體排放孔114連通的滯留氣體連通孔124、134、144和154形成的第二管狀體；由混合氣體連通孔122、132、142和152與上部連通孔112形成的第一管狀體；由分別與氫氣排放管167和169連通的氫氣連通孔121、123、
131、133、141、143、151、153、191和193與氫氣排放孔161和163形成的第三管狀體和第四管狀體。
[0108]首先，從混合氣體供應(yīng)管104供應(yīng)的混合氣體填充壓力室102的內(nèi)部空間以提高內(nèi)部壓力，并通過(guò)上部輸入端口 116與混合氣體輸入端口 126、136、146和156流入由混合氣體連通孔122、132、142和152與上部連通孔112形成的第一管狀體。
[0109]混合氣體均勻地分布在第一管狀體中，流入上部進(jìn)入通道1162和混合氣體通道
1262、1362、1462和1562，并從混合氣體排出孔1272、1372、1472和1572與上部排出孔1172供入氫分離板171、172、173和174中的空隙。
[0110]進(jìn)一步，被供入所述空隙的混合氣體通過(guò)氫分離板171、172、173和174朝支撐突起物125、135、145和155輸送。就此而言，被移除了氫的滯留氣體通過(guò)滯留氣體輸入孔1274、1374、1474和1574與上部進(jìn)入孔1174流入滯留氣體通道1264、1364、1464和1564與上部排出通道1164，被供入第四管狀體，并通過(guò)滯留氣體排放管115被排放到外部。
[0111]另外，穿過(guò)氫分離板171、172、173和174朝支撐突起物125、135、145和155輸送的氫氣通過(guò)氫氣進(jìn)入孔1271、1273、1371、1373、1471、1473、1571和1573流入氫氣通道1261、
1263、1361、1363、1461、1463、1561和1563中，供入第三管狀體和第四管狀體，并通過(guò)氫氣排放管167和169被排放到外部。
[0112]可以將氫氣排放管167和169并入壓力室102外部的一個(gè)管子中，或只有一個(gè)氫氣排放管可以被設(shè)置于分離單元107上。
[0113]根據(jù)上述構(gòu)型和操作，用通過(guò)壓力室102供應(yīng)的混合氣體將單位元件120、130、140和150加壓。本文中，混合氣體經(jīng)由在單位元件120、130、140和150的環(huán)形表面上形成的混合氣體輸入端口 126、136、146和156被供入各個(gè)單位元件120、130、140和150。因此，膨脹壓未被施加于模塊的連接或密封區(qū)域，并且，以相同的壓力將混合物輸送至各個(gè)單位元件中。因此，可以提供具有改善的耐久性的高效大尺寸模塊。
[0114]另外，如圖8和圖9(圖8和圖9為示出了根據(jù)改造實(shí)例的分離單元108的剖面視圖)所示，當(dāng)使用具有與單位元件120、130、140和150相同的構(gòu)型且同時(shí)防止混合氣體在所述單位元件之間流動(dòng)的下部板190時(shí)，可以提高下部板190的使用。為此，在單位元件120、130、140和150中，下部板將滯留氣體連通孔、混合氣體連通孔、混合氣體排出孔、滯留氣體輸入孔和混合氣體輸入端口封閉，并包括設(shè)置在氫氣連通孔191和193下方的氫氣排放管197和199。另外,將氫分離板176設(shè)置于位于單位兀件150與下部板190之間的空隙中的下部板190的支撐突起物195上。通過(guò)這種構(gòu)型，可以將在制造工廠中通過(guò)額外工藝同樣制造的單位元件制成下部板，而且氫分離反應(yīng)也可以在下部板190中發(fā)生。
[0115]另外，如圖10和圖11 (圖10和圖11為示出了根據(jù)另一個(gè)改造實(shí)例的分離單元109的剖面視圖)所示，滯留氣體排放管和氫氣排放管被同時(shí)設(shè)置在上部板和下部板中的任意一個(gè)的相同側(cè)面上。就此而言，當(dāng)一個(gè)壓力室中的分離單元109的數(shù)目增加時(shí)，可以容易地設(shè)計(jì)管道和增加設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)中的自由度。在圖10和圖11中，將所有氫氣排放管217和219與滯留氣體排放管215都設(shè)置在下部板的下面，可以以同樣的方式將這些管設(shè)置在上部板的上面。
[0116]就此而言，上部板200包括上端未暴露于外部的滯留氣體排放孔204。另外，下部板210包括滯留氣體排放孔214，并且，滯留氣體排放管215的一端被插入滯留氣體排放孔214，從而使得氫排放管214與滯留氣體排放孔204和滯留氣體連通孔124、134、144和154連通。分離單元109的另一個(gè)構(gòu)型與分離單元107的構(gòu)型相同。
[0117]雖然已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選的實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本發(fā)明不局限于上述實(shí)施方案，而且相關(guān)技術(shù)人員可以理解，在不偏離所附的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明范圍下可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改造和變化。
【權(quán)利要求】
1.一種用于氫分離的多層模塊，其包含: 壓力室，所述壓力室具有設(shè)置在其側(cè)面上的混合氣體供應(yīng)管以與所述壓力室連通；以及 安裝在所述壓力室內(nèi)的分離單元， 其中，所述分離單元包含:至少兩個(gè)層壓的單位元件，所述單位元件被構(gòu)造成從混合氣體中分離氫；上部板，所述上部板被置于所述層壓的單位元件的最上面；和下部板，所述下部板被置于所述層壓的單位元件的最下面， 所述上部板和所述下部板中的至少一個(gè)包括設(shè)置在其上的氫氣排放管以排放自所述分離單元分離出的氫， 所述上部板和所述下部板中的至少一個(gè)包括設(shè)置在其上的滯留氣體排放管以排放殘留的滯留氣體，通過(guò)所述分離單元已從所述殘留的滯留氣體中分離出氫， 每個(gè)所述單位元件都與所述壓力室的內(nèi)部空間連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于氫分離的多層模塊，其中，所述單位元件包含: 元件體，所述元件體構(gòu)成所述單位元件的主體； 支撐突起物，所述 支撐突起物形成于所述元件體的上部嵌入部分； 氫分離板，所述氫分離板設(shè)置在所述支撐突起物上以?xún)H讓氫通過(guò)所述氫分離板； 混合氣體連通孔、滯留氣體連通孔和氫氣連通孔，它們?cè)谒鲈w中環(huán)繞所述氫分離板形成，從而互相間隔開(kāi)；混合氣體輸入端口，所述混合氣體輸入端口形成于所述單位元件的元件體的環(huán)狀表面中以與所述混合氣體連通孔連通，并暴露于所述壓力室的內(nèi)部空間以與所述壓力室連通；混合氣體排出孔，所述混合氣體排出孔通過(guò)混合氣體通道與所述混合氣體連通孔連通，并形成于所述元件體的底部以暴露于與所述混合氣體排出孔相鄰的單位元件的氫分離板； 滯留氣體輸入孔，所述滯留氣體輸入孔通過(guò)滯留氣體通道與所述滯留氣體連通孔連通，并形成于所述元件體的底部以暴露于與所述滯留氣體輸入孔相鄰的單位元件的氫分離板； 氫氣進(jìn)入孔，所述氫氣進(jìn)入孔形成于所述支撐突起物和所述氫分離板的下部之間，并通過(guò)氫氣通道與所述氫氣連通孔連通， 所述氫氣排放管與所述氫氣連通孔連通， 所述滯留氣體排放管與所述滯留氣體連通孔連通，并且 在上部的單位元件的下表面和相鄰的單位元件中的氫分離板之間形成空隙，從而通過(guò)所述空隙使所述混合氣體排出孔和所述滯留氣體輸入孔連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于氫分離的多層模塊，其中，所述上部板或所述下部板中的一個(gè)具有與所述單位元件相同的構(gòu)型， 所述混合氣體連通孔被封閉，其中沒(méi)有插入所述氫氣排放管的氫氣排放連通孔被封閉，并且，其中沒(méi)有插入所述滯留氣體排放管的滯留氣體排放孔被封閉。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于氫分離的多層模塊，其中，在所述下部板的上表面和所述單位元件的下表面之間設(shè)置墊片。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于氫分離的多層模塊，其中，所述滯留氣體輸入孔的直徑小于所述混合氣體排出孔的直徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于氫分離的多層模塊，其中，所述混合氣體供應(yīng)管的直徑大于滯留氣體排放孔的直徑。
【文檔編號(hào)】C01B3/50GK103958036SQ201280057404
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月1日
【發(fā)明者】樸種洙, 黃敬蘭, 李信根, 李春枎, 李晟旭, 樸晉佑 申請(qǐng)人:韓國(guó)能源技術(shù)研究院