Pet膜分離氫氣、氦氣裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明：PET膜分離氫氣、氦氣裝置，旨在解決當前工業(yè)制取氦氣主要采用分離液態(tài)空氣或天然氣深冷分離的方法，對設(shè)備要求高，能耗較大的問題。本發(fā)明設(shè)計了一種利用PET(常見礦泉水瓶的主要原料)膜分離天然氣中的氦氣并綜合利用混合氣體中的氫氣的裝置，通過擴大膜表面積的其中幾個實施例有：分支細管方案(能最徹底分離原料氣中的氫氣與氦氣)；雙層薄壁夾細管陣方案(受機械破壞時漏氣最少)；三維正交堆疊雙層管方案(獲取單位體積氫氣或氦氣成本最低)；盤曲折疊多層薄膜方案(裝置制造成本最低)可在較低的溫度、壓強下分離，具有分離簡便快捷，能耗低，成本低，產(chǎn)物純度高的優(yōu)點，前景較好。
【專利說明】
PET膜分禹氫氣)、氦氣)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及利用PET半透膜分離混合氣體中氫氣、氦氣的方法和加快分離系數(shù)較 小的半透膜的分離速率的方法，與采用這些方法的設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002] 國內(nèi)當前工業(yè)制取純氦氣主要采用分離液態(tài)空氣或天然氣深冷分離的方法，對設(shè) 備要求高，能耗較大。就世界范圍來看，氦氣在空氣中比例較低，在天然氣中分布不均。目 前，多國"氦氣庫"供不應求，氦氣、液氦、氦空氣制品價格昂貴。如何降低獲取氦氣的成本， 成為亟待解決的問題。
[0003] 從分子結(jié)構(gòu)來看，有機聚合物塑料一般都存在較大的分子間隙，如聚對苯二甲酸 乙二酯(Poly Ethylene Terephthalate，以下簡稱PET)的分子間隙半徑大于氫氣、氦氣的 分子半徑(數(shù)量級約為O.lnm)，決定了氫氣分子、氦氣分子等半徑較小的分子可以透過。
[0004] 實驗觀察發(fā)現(xiàn)，當用一定容積(0.5L)內(nèi)外壁光滑的圓柱形PET容器密閉一定壓強 (2atm)純氫氣或氦氣，則氣體在恒定室溫(298K)下透過相同形狀、大小，內(nèi)外表面積，容器 壁厚度（lmm)PET半透膜容器，瓶內(nèi)壓強變?yōu)閘atm所需時間約為10h。約5d后，若保持容器體 積不變，則PET瓶內(nèi)壓強可降至O.latm以下。且該現(xiàn)象可以重復70次以上。
[0005] 半透膜法具有分離簡便快捷，能耗低，成本低，產(chǎn)物純度高的優(yōu)點，前景較好。同 時，PET價格低廉，常用的塑料飲料瓶即采用該種材料做成。因此，利用PET膜的選擇透過性 設(shè)計制造的氣體分離裝置，可以在較低的成本與能耗下獲取當前價格昂貴的氦氣，但當前 未見相關(guān)可被檢索到的其它專利。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明目的在于提供分離混合氣體中氫氣、氦氣簡便快捷，能耗低，成本低，產(chǎn)物 純度高的氫氣、氦氣分離方法和分離裝置。同時，本發(fā)明目的也在于通過膜結(jié)構(gòu)的改進使半 透膜的過濾效率的提高，并將應用擴大到針對分離系數(shù)較小而分離因子較高的一類半透 膜，尤其是PET膜的過濾效率的提高。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，提供一種利用PET膜分離氫氣和氦氣的裝置，其特征在于，其包 括:洗氣設(shè)備，依次除去原料氣中的氧氣、硫化氫、氨、水蒸氣等有害組分至體積分數(shù)〇. 05 % 以下；壓縮設(shè)備，加壓洗氣后的原料氣至4atm以上，150atm以下，以增大氫氣、氦氣的分壓； 抽氣設(shè)備，減壓形成局部真空，并可充入再抽取易洗去的運載氣（如二氧化碳)運輸走擴散 至低壓空間的氫氣、氦氣;濾氣設(shè)備，采用增大表面積的PET半透膜從原料氣過濾出氫氣、氦 氣或其混合氣，必要時，原料氣要經(jīng)過多級濾氣設(shè)備；回收設(shè)備，用分子篩或儲氫材料，或堿 金屬回收氫、氦混合氣中的氫氣;成品設(shè)備，儲存、加工濾過后富集了氫氣、氦氣的氣體，制 成不同氣體產(chǎn)品，如純氦氣、純氫氣、氦空氣(氦氣與氧氣體積比78:22的混合氣體）、其它含 氫或含氦的混合氣等。
[0008] 單層膜棱柱密鋪方案，為一種增大半透膜面積來提高半透膜過濾效率的方法，其 特征在于:針對分離系數(shù)較小而分離因子較高的半透膜，尤其是如PET膜一類的半透膜，采 用蜂巢狀的單層半透膜棱柱結(jié)構(gòu)，其截面為密鋪的正六邊形，分為通運載介質(zhì)流體(如溶液 或運載氣）的低濃度柱形空腔和通原料混合流體的高濃度柱形空腔，過濾時低濃度柱形空 腔包圍高濃度柱形空腔，實現(xiàn)目標產(chǎn)物自原料向運載介質(zhì)流體(如溶液或運載氣)擴散。
[0009]三維正交堆疊雙層管方案，為一種增大半透膜面積來提高半透膜選擇透過效率， 同時改進結(jié)構(gòu)來保證加壓時半透膜穩(wěn)定不破裂的方法，其特征在于:針對半透膜，尤其是如 PET膜一類分離系數(shù)較小而分離因子較高的半透膜，采用外側(cè)棱柱形半透膜管套內(nèi)側(cè)圓柱 形半透膜管，制成半透膜雙層管;雙層管間接觸關(guān)系為內(nèi)切而不粘連，即圓柱形管的橫截面 恰是外接多邊形的內(nèi)切圓；將以沿橫向，縱向，豎向的半透膜雙層管為單位，三維正交相間 堆疊，置于厚壁空腔內(nèi)；每個單位末端用個數(shù)與棱柱形管棱數(shù)相同的圓臺側(cè)面形細管連接 抽真空區(qū)域并插入圓柱形管與棱柱形管間縫隙，同時起到固定和將濾過產(chǎn)物導向容器外的 作用。
[0010]優(yōu)選地，上述三維正交堆疊雙層管方案，其特征在于:執(zhí)行選擇透過氣體或溶質(zhì)的 操作時，夾于圓柱形管外側(cè)和棱柱形管內(nèi)側(cè)之間的縫隙為低壓空間，通入運載氣或抽真空； 圓柱形管內(nèi)側(cè)和棱柱形管外側(cè)均為高壓空間，通入加壓原料氣；出現(xiàn)損壞時，只用更換單個 損壞的雙層管。
[0011] 雙層薄壁夾細管陣方案，為一種減少半透膜受機械破壞時泄漏的方案，其特征在 于:所述雙層薄壁夾細管陣方案，由橫截面為菱形密鋪格子狀的半透膜內(nèi)切而不粘連管形 半透膜，依據(jù)流體目標產(chǎn)物組分的濃度不同分為高濃度腔與低濃度腔，加壓透過時高濃度 腔、低濃度腔相間分布，管形半透膜均為高濃度腔，并每隔7-16層格子設(shè)置一個無管層。
[0012] 盤曲折疊多層薄膜方案，為一種增大半透膜腔比表面積的方案，其特征在于:所述 方案盤曲折疊多層薄膜折疊半透膜呈連續(xù)褶皺狀，表面具形狀為半徑大于膜厚小于等于一 級褶皺軸面間距的凹下或凸起的次級褶皺，依據(jù)流體目標產(chǎn)物組分的濃度不同分為高濃度 腔與低濃度腔，進行透過操作時高濃度腔、低濃度腔相間分布，流體分別向相反方向流動。
[0013] 分支細管方案，為一種增大半透膜腔比表面積的方案，其特征在于:所述方案將半 透膜制成分支狀管狀，分支不超過8次，并將最細分支匯合呈束狀;進行透過操作時高濃度 流體、低濃度流體相向流動，盛裝高濃度流體、低濃度流體的最細分支分別被包裹于盛裝低 濃度流體、高濃度流體的主干分支。特別地，當細管材料為PET，分支的管壁膜厚小于0.07mm 時，匯聚所有末端分支，設(shè)氣囊暫存混合氣，直到其體積不再減小?；蛘哂妹毷⒉ＡЧ?將氫氣、氦氣一步提出。從而最徹底分離原料氣中的氫氣與氦氣。
[0014]額外地，依據(jù)與PET膜分離氫氣、氦氣裝置相同的原理，設(shè)計一種以PET膜為外殼收 集氦同位素的采樣器，其特征在于:所述采樣器形狀為球形，外殼為由PET膜制成的不薄于 0.025mm，不厚于0.581mm，厚薄均勾的球殼，球殼內(nèi)附菱沸石夾層，內(nèi)壁附無釉的陶制球殼， 內(nèi)部填充支撐材料為菱沸石顆粒;填充物體積不小于采樣器容積的43.59%，不大于球殼容 積的78.53%;使用前抽成真空并浸泡保存于蒸餾水密閉于容器中，使用時在采樣地放置至 少4h，使用后浸泡保存于蒸餾水密閉于容器中暫存時間不超過15h。
[0015]配套地，提供一種用于過濾小分子氣體的PET薄膜-沸石分子篩復合材料，其特征 在于:所述PET薄膜-沸石分子篩復合材料分外層、中層、內(nèi)層，外層采用模具吸塑成型；中層 采用濾紙浸潤混合了不粗于200目的菱沸石粉末的含水的二氧化硅凝膠經(jīng)貼附、干燥的操 作附于外層膜內(nèi)壁，所浸潤凝膠固相含菱沸石不低于58%，混合前的二氧化硅凝膠含水量 不低于31%;干燥完成后以前兩步成型的容器為模具吹塑成型。
[0016] 本發(fā)明提供的PET膜分離氫氣、氦氣裝置，其濾氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)特征在于:所述濾氣 設(shè)備的分離方案可選用單層膜棱柱密鋪方案，三維正交堆疊雙層管方案，雙層薄壁夾細管 陣方案，盤曲折疊多層薄膜方案，分支細管方案中的任意一種方案，單個濾氣設(shè)備只能選一 種方案；同時所選用PET膜可采用厚度普通PET薄膜，或前述配套本發(fā)明設(shè)計的PET薄膜-沸 石分子篩復合材料，膜厚不大于1mm，不小于〇.〇7mm，工作溫度不高于65°C不低于30°C。
[0017] 以下實驗方案、實驗過程與數(shù)據(jù)記錄，可作為前述特征的一些依據(jù)。
[0018] 原料氣制備
[0019] 氦氣在空氣中比例較低，約為5.24ppm。但在部分氣藏中的體積分數(shù)可達4 %~ 7%，即空氣中體積分數(shù)的一萬倍左右。因此，本實驗選用天然氣作為提取氦的原料氣。參考 某天然氣氣藏中的氣體成分配制原料氣?；旌蠚怏w成分見表-1。
[0020] 表-1混合氣體成分
[0021]
[0022] PET膜測試實驗材料選擇
[0023]選取多個相同的某品牌飲料專用PET瓶，容積約為0.5L，濾氣后實驗裁取1 X lOcmPET長條的位置瓶壁厚約0.7mm。
[0024]混合氣分離實驗
[0025] 按照表-1混合氣體成分制備混合氣體，將latm的混合氣體用圖-1所示的容器密 封，每組五個相同的容器，分別在不同溫度下實驗。令氣體在空氣中自由透過一段時間后用 排飽和亞硫酸氫鈉溶液的方法測得剩余氣體體積，考慮溫度對氣體體積影響，理想最終穩(wěn) 定值為92.5 %。實驗結(jié)果如表-2:
[0026]表-2不同溫度測定容器內(nèi)混合氣體剩余體積百分數(shù)/%
[0027]
[0028] 由實驗結(jié)果可知，初始壓強一定時，在一定溫度范圍內(nèi)，隨著溫度提升，混合氣體 內(nèi)的氫氣、氦氣透過速率加快，最終趨于穩(wěn)定。但溫度過高時，混合氣體中的其它成分也會 透過，而溫度過低時，分離速率較慢。因此實際生產(chǎn)過程中，工作溫度不建議超過65°C，不建 議低于30°C。同時可以增大原料氣壓強，采用C0 2等容易被洗去而不容易透過半透膜的氣體 作運載氣，來增大膜兩側(cè)氦氣分壓差，減小混合氣體壓強差，保證分離過程持續(xù)穩(wěn)定，降低 膜的載荷。
[0029]氫脆、氦脆的檢驗
[0030]氫氣和氦氣分子透過固體材料分子空隙時，可能會導致材料的物理、化學性質(zhì)發(fā) 生改變，從而改變材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對材料的強度有所影響，這種現(xiàn)象常稱為材料的氫脆或氦 脆。PET半透膜過濾氫氣或氦氣過程中是否會發(fā)生顯著的氫脆或氦脆，必須通過實驗確認。 [0031]由于在實際濾氣過程中，易知PET膜的應力狀態(tài)為張應力，一種材料楊氏模量的大 小和抗張強度呈正相關(guān)，因此擬采用動態(tài)法測濾氣后PET的楊氏模量，來確定PET膜在濾氣 前后強度的變化。
[0032]每組取十個相同的PET瓶，五個盛裝2atm的純氫氣，另五個盛裝2atm的純氦氣，并 設(shè)僅承受濾氣組相應溫度、相同時間而不濾氣的空白實驗組，一共22組。在盛有l(wèi)atm的⑶2 飽和碳酸氫鈉溶液液封的容器中令瓶內(nèi)氣體透過，至瓶內(nèi)壓強（25°C)為latm為止。實驗溫 度選擇見表-3,其中前四個溫度值在氣溫下實現(xiàn)，后三個溫度在熔化的十水硫酸鈉保溫條 件下實現(xiàn)。濾氣完成后，采用動態(tài)法測濾氣后PET的楊氏模量，每組5個取平均值，觀察濾氣 前后材料的性能變化，測試結(jié)果如表-3。
[0033]表-3不同溫度、濾氣次數(shù)PET膜透過等量純氫氣、氦氣后的楊氏模量/109Ν·πΓ2
[0034]
[0035] 由以上數(shù)據(jù)可知，當透過純氫氣或氦氣50次以內(nèi)時，同一工作溫度、壓強的PET膜 的楊氏模量并未隨透過次數(shù)增加而顯著下降，可以認為在透過純氫氣或氦氣50次以內(nèi)時 PET并未發(fā)生顯著的氫脆、氦脆。注意到溫度升高時PET的楊氏模量下降顯著，這也說明了工 作溫度不宜高于65 °C。
[0036] 考慮到在氫氣存在時，〇2、NH3、H2S等為有害組分，且PET有親水性，濕的混合氣體會 降低其透過性，所以通入氣體前應先除去〇 2、NH3、H2S等有害成分并干燥。因此，在實際生產(chǎn) 過程中，混合氣體必須進行洗氣、干燥等預處理，除去其有害成分。
[0037] 結(jié)合對同一厚度、溫度、壓強差，不同濾氣時間的PET膜測定楊氏模量的實驗，未見 PET膜在濾氣50次以內(nèi)發(fā)生顯著的氫脆與氦脆，但考慮到承壓濾過的安全性，建議濾氣裝置 生產(chǎn)前通過實驗測試確認所采用PET膜質(zhì)量是否可靠。
[0038] 從上述關(guān)于發(fā)明：PET膜分離氫氣、氦氣裝置的描述、實踐內(nèi)容可知，本申請?zhí)峁┑?PET膜分離氫氣、氦氣裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果在于:PET價格低廉，常用的塑料飲 料瓶即采用該種材料做成。當前用真空熱塑模具一次成膜技術(shù)成熟，天然氣洗氣技術(shù)成熟， 氣體加壓與真空技術(shù)成熟，因此擴大膜面積并不至于令設(shè)備成本過高，原料氣的洗氣和容 器的成型、加壓、真空均可以在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)實施。因此，利用PET膜的選擇透過性設(shè)計制造 的氣體分離裝置，可以在較低的成本與能耗下提純氫氣，或從天然氣、深冷分離制液氮尾氣 等含氦原料氣中分離獲取當前價格昂貴的氦氣。據(jù)2014-2015年的一系列試驗，本發(fā)明成本 較高的實施例"薄膜-分子篩復合材料方案"單次獲取-271Γ下1L液氦當量(約20g)的氦氣 平均僅需約30.2元(2014年美國液氦報價折合人民幣約305元/L，2015年約為331元/L)，成 本僅為近兩年售價的約十分之一，因此本發(fā)明可以大幅降低生產(chǎn)氦氣的成本，在新能源市 場、氦氣與氦空氣市場、天然氣工業(yè)市場前景較好。本發(fā)明可應用于科研教學、氫能源、天然 氣開發(fā)、化學工業(yè)、潛水器械、飛艇制造、核工業(yè)、航天業(yè)等有氫氣和氦氣需求的領(lǐng)域。
[0039]另外，以PET膜為外殼收集氦同位素的采樣器，較現(xiàn)有纖維素硝酸酯采樣器而言， 現(xiàn)有采樣器采樣前不抽真空，容易導致樣品污染，且纖維素硝酸酯化學性質(zhì)不穩(wěn)定，易燃易 爆，本申請?zhí)峁┑牟蓸悠骰瘜W性質(zhì)穩(wěn)定，采樣前抽真空，能較好地保存氦同位素氣體樣本。
【附圖說明】
[0040]圖1是本發(fā)明其中一個實施例涉及的PET膜分離氫氣、氦氣裝置工作流程示意圖。 [0041]圖2是本發(fā)明涉及的單層膜棱柱密鋪方案的其中一個實施例的濾氣設(shè)備橫截面示 意圖。
[0042]圖3是本發(fā)明涉及的三維正交堆疊雙層管方案的其中一個實施例的濾氣設(shè)備橫截 面示意圖。
[0043] 圖4是本發(fā)明涉及的雙層薄壁夾細管陣方案的其中一個實施例的濾氣設(shè)備橫截面 示意圖。
[0044] 圖5是本發(fā)明涉及的一種以PET膜收集氦同位素的采樣器的其中一個實施例橫截 面示意圖。
[0045] 附圖標記：1:高分壓腔;2:低分壓腔;3:無管層;4:外殼;5:菱沸石夾層;6:陶制球 殼;7:填充物。
【具體實施方式】
[0046] 為了令本發(fā)明的目的、特征、優(yōu)點更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖中涉及的具體實施 方式對本發(fā)明的實施例進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅為本發(fā)明的一部分 實施例，而不是全部實施例。基于本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在未進行創(chuàng)造性勞動前 提下獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0047] -種利用PET膜分離氫氣和氦氣的裝置，其特征在于，其包括:洗氣設(shè)備，依次除去 原料氣中的氧氣、硫化氫、氨、水蒸氣等有害組分至體積分數(shù)0.05%以下;壓縮設(shè)備，加壓洗 氣后的原料氣至4atm以上，150atm以下，以增大氫氣、氦氣的分壓;抽氣設(shè)備，減壓形成局部 真空，并可充入再抽取易洗去的運載氣(如二氧化碳)運輸走擴散至低壓空間的氫氣、氦氣； 濾氣設(shè)備，采用增大表面積的PET半透膜從原料氣過濾出氫氣、氦氣或其混合氣，必要時，原 料氣要經(jīng)過多級濾氣設(shè)備；回收設(shè)備，用分子篩或儲氫材料，或堿金屬回收氫、氦混合氣中 的氫氣;成品設(shè)備，儲存、加工濾過后富集了氫氣、氦氣的氣體，制成不同氣體產(chǎn)品，如純氦 氣、純氫氣、氦空氣(氦氣與氧氣體積比78:22的混合氣體）、其它含氫或含氦的混合氣等。
[0048] 單層膜棱柱密鋪方案，為一種增大半透膜面積來提高半透膜過濾效率的方法，其 特征在于:針對分離系數(shù)較小而分離因子較高的半透膜，尤其是如PET膜一類的半透膜，采 用蜂巢狀的單層半透膜棱柱結(jié)構(gòu)，其截面為密鋪的正六邊形，分為通運載介質(zhì)流體(如溶液 或運載氣）的低濃度柱形空腔(2:低分壓腔)和通原料混合流體的高濃度柱形空腔（1:高分 壓腔），過濾時低濃度柱形空腔(2:低分壓腔)包圍高濃度柱形空腔（1:高分壓腔），實現(xiàn)目標 產(chǎn)物自原料向運載介質(zhì)流體(如溶液或運載氣)擴散。
[0049]三維正交堆疊雙層管方案，為一種增大半透膜面積來提高半透膜選擇透過效率， 同時改進結(jié)構(gòu)來保證加壓時半透膜穩(wěn)定不破裂的方法，其特征在于:針對半透膜，尤其是如 PET膜一類分離系數(shù)較小而分離因子較高的半透膜，采用外側(cè)棱柱形半透膜管套內(nèi)側(cè)圓柱 形半透膜管，制成半透膜雙層管;雙層管間接觸關(guān)系為內(nèi)切而不粘連，即圓柱形管的橫截面 恰是外接多邊形的內(nèi)切圓；將以沿橫向，縱向，豎向的半透膜雙層管為單位，三維正交相間 堆疊，置于厚壁空腔內(nèi)；每個單位末端用個數(shù)與棱柱形管棱數(shù)相同的圓臺側(cè)面形細管連接 抽真空區(qū)域并插入圓柱形管與棱柱形管間縫隙，同時起到固定和將濾過產(chǎn)物導向容器外的 作用。
[0050]優(yōu)選地，上述三維正交堆疊雙層管方案，其特征在于:執(zhí)行選擇透過氣體或溶質(zhì)的 操作時，夾于圓柱形管外側(cè)和棱柱形管內(nèi)側(cè)之間的縫隙為低壓空間（2:低分壓腔），通入運 載氣或抽真空；圓柱形管內(nèi)側(cè)和棱柱形管外側(cè)均為高壓空間（1:高分壓腔），通入加壓原料 氣；出現(xiàn)損壞時，只用更換單個損壞的雙層管。
[0051 ]雙層薄壁夾細管陣方案，為一種減少半透膜受機械破壞時泄漏的方案，其特征在 于:所述雙層薄壁夾細管陣方案，由橫截面為菱形密鋪格子狀的半透膜內(nèi)切而不粘連管形 半透膜，依據(jù)流體目標產(chǎn)物組分的濃度不同分為1:高分壓腔、2:低分壓腔，加壓透過時1:高 分壓腔、2:低分壓腔相間分布，管形半透膜均為高濃度腔，并每隔7-16層格子設(shè)置一個3:無 管層。
[0052] 盤曲折疊多層薄膜方案，為一種增大半透膜腔比表面積的方案，其特征在于:所述 方案盤曲折疊多層薄膜折疊半透膜呈連續(xù)褶皺狀，表面具形狀為半徑大于膜厚小于等于一 級褶皺軸面間距的凹下或凸起的次級褶皺，依據(jù)流體目標產(chǎn)物組分的濃度不同分為高濃度 腔與低濃度腔，進行透過操作時高濃度腔、低濃度腔相間分布，流體分別向相反方向流動。
[0053] 分支細管方案，為一種增大半透膜腔比表面積的方案，其特征在于:所述方案將半 透膜制成分支狀管狀，分支不超過8次，并將最細分支匯合呈束狀;進行透過操作時高濃度 流體、低濃度流體相向流動，盛裝高濃度流體、低濃度流體的最細分支分別被包裹于盛裝低 濃度流體、高濃度流體的主干分支。
[0054]額外地，依據(jù)與原理一種以PET膜收集氦同位素的采樣器，其特征在于:所述采樣 器形狀為球形，4:外殼為由PET膜制成的不薄于0.025mm，不厚于0.581mm，厚薄均勾的球殼， 球殼內(nèi)附5:菱沸石夾層，內(nèi)壁附無釉的6:陶制球殼，內(nèi)部7:填充物為菱沸石顆粒;7:填充物 體積不小于采樣器容積的43.59%，不大于球殼容積的78.53%;使用前抽成真空并浸泡保 存于蒸餾水密閉于容器中，使用時在采樣地放置至少4h，使用后浸泡保存于蒸餾水密閉于 容器中暫存時間不超過15h。
[0055] 配套地，提供一種用于過濾小分子氣體的PET薄膜-沸石分子篩復合材料，其特征 在于:所述PET薄膜-沸石分子篩復合材料分外層、中層、內(nèi)層，外層采用模具吸塑成型；中層 采用濾紙浸潤混合了不粗于200目的菱沸石粉末的含水的二氧化硅凝膠經(jīng)貼附、干燥的操 作附于外層膜內(nèi)壁，所浸潤凝膠固相含菱沸石不低于58%，混合前的二氧化硅凝膠含水量 不低于31%;干燥完成后以前兩步成型的容器為模具吹塑成型。
[0056] 優(yōu)選地，其濾氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)特征在于:所述濾氣設(shè)備的分離方案可選用單層膜棱 柱密鋪方案，三維正交堆疊雙層管方案，雙層薄壁夾細管陣方案，盤曲折疊多層薄膜方案， 分支細管方案中的任意一種方案，單個濾氣設(shè)備只能選一種方案；同時所選用PET膜可采用 厚度普通PET薄膜，或前述配套本發(fā)明設(shè)計的PET薄膜-沸石分子篩復合材料，膜厚不大于 1mm，不小于0.07mm，工作溫度不高于65°C不低于30°C。
[0057]從上述關(guān)于本發(fā)明的描述、實踐內(nèi)容可知，本發(fā)明提供的PET膜分離氫氣、氦氣裝 置的多種實施例方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果在于:PET價格低廉，常用的塑料飲料瓶 即采用該種材料做成。當前用真空熱塑模具一次成膜技術(shù)成熟，天然氣洗氣技術(shù)成熟，氣體 加壓與真空技術(shù)成熟，因此擴大膜面積并不至于令設(shè)備成本過高，原料氣的洗氣和容器的 成型、加壓、真空均可以在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)實施。因此，利用PET膜的選擇透過性設(shè)計制造的氣 體分離裝置，可以在較低的成本與能耗下提純氫氣，或從天然氣、深冷分離制液氮尾氣等含 氦原料氣中分離獲取當前價格昂貴的氦氣。
[0058]上述方案，僅為本申請較佳的幾個實施方式的描述，但是本申請的保護范圍不僅 限于此，依據(jù)權(quán)利要求書，本發(fā)明對膜結(jié)構(gòu)的改進方案不僅限于采用PET半透膜，被過濾的 原料不僅限于含氫氣、氦氣的天然氣。因此，任何熟悉該技術(shù)的人能在本申請描述的范圍內(nèi) 輕易實現(xiàn)，或不改變權(quán)利要求基本原理的變化或替換，如：只將半透膜的材料全部或部分替 換為物理化學性質(zhì)與PET膜相近的材料，而不改變膜的形狀、結(jié)構(gòu)、組合方式的實施方式，只 替換被過濾原料或產(chǎn)物成分的實施方式，只作為上述設(shè)計的一個或幾個部件并采用權(quán)利要 求書所述濾氣設(shè)備分離方案的產(chǎn)品，都應涵蓋在本申請的保護范圍之內(nèi)，即本申請保護范 圍應以權(quán)利要求保護范圍為準。
【主權(quán)項】
1. 一種膜分離裝置，主要是利用PET膜分離氫氣和氦氣的裝置，其特征在于，其包括： 洗氣設(shè)備，依次除去原料氣中的氧氣、硫化氫、氨、水蒸氣等有害組分至體積分數(shù) 0.05%以下； 壓縮設(shè)備，加壓洗氣后的原料氣至4atm以上，150atm以下，以增大氫氣、氦氣的分壓； 抽氣設(shè)備，減壓形成局部真空，并可充入再抽取易洗去的運載氣（如二氧化碳)運輸走 擴散至低壓空間的氫氣、氦氣； 濾氣設(shè)備，采用增大表面積的半透膜，主要是PET半透膜，從原料氣過濾出氫氣、氦氣或 其混合氣，必要時，原料氣要經(jīng)過多級濾氣設(shè)備； 回收設(shè)備，用分子篩或儲氫材料，或堿金屬回收氫、氦混合氣中的氫氣； 成品設(shè)備，儲存、加工濾過后富集了氫氣、氦氣的氣體，制成不同氣體產(chǎn)品，如純氦氣、 純氫氣、氦空氣(氦氣與氧氣體積比78:22的混合氣體）、其它含氫或含氦的混合氣等。2. 如權(quán)利要求1所述的一種主要利用PET膜分離氫氣和氦氣的裝置，其濾氣設(shè)備的特征 在于： 所述濾氣設(shè)備的分離方案可選用單層膜棱柱密鋪方案，三維正交堆疊雙層管方案，雙 層薄壁夾細管陣方案，盤曲折疊多層薄膜方案，分支細管方案中的任意一種方案，單個濾氣 設(shè)備只能選一種方案;選用PET作為膜材料時，所選用PET膜可采用厚度普通PET薄膜，或一 種PET薄膜-沸石分子篩復合材料，膜厚不大于1mm，不小于0.07mm，工作溫度不高于65°C，不 低于30°C。3. 如權(quán)利要求2所述的單層膜棱柱密鋪方案，為一種增大半透膜面積來提高半透膜過 濾效率的方法，其特征在于： 針對分離系數(shù)較小而分離因子較高的半透膜，采用蜂巢狀的單層半透膜棱柱，其截面 為密鋪的邊長不大于Hmm的正六邊形，分為通運載介質(zhì)流體(如溶液或運載氣）的低濃度柱 形空腔和通原料混合流體的高濃度柱形空腔，過濾時低濃度柱形空腔包圍高濃度柱形空 腔，實現(xiàn)目標產(chǎn)物自原料向運載介質(zhì)流體(如溶液或運載氣)擴散。4. 如權(quán)利要求2所述的三維正交堆疊雙層管方案，為一種增大半透膜面積來提高半透 膜選擇透過效率，同時改進結(jié)構(gòu)來保證加壓時半透膜穩(wěn)定不破裂的方法，其特征在于： 針對選擇透過膜，尤其是分離系數(shù)較小而分離因子較高的半透膜，采用外側(cè)棱柱形半 透膜管套內(nèi)側(cè)圓柱形半透膜管，制成半透膜雙層管;雙層管間接觸關(guān)系為內(nèi)切而不粘連，即 圓柱形管的橫截面恰是外接多邊形的內(nèi)切圓；將以沿橫向，縱向，豎向的半透膜雙層管為單 位，三維正交相間堆疊，置于厚壁空腔內(nèi)；每個單位末端用個數(shù)與棱柱形管棱數(shù)相同的圓臺 側(cè)面形細管連接抽真空區(qū)域并插入圓柱形管與棱柱形管間縫隙，同時起到固定和將濾過產(chǎn) 物導向容器外的作用。5. 如權(quán)利要求2或4所述的三維正交堆疊雙層管方案，其特征在于： 執(zhí)行選擇透過氣體或溶質(zhì)的操作時，夾于圓柱形管外側(cè)和棱柱形管內(nèi)側(cè)之間的縫隙為 低壓空間，通入運載氣或抽真空；圓柱形管內(nèi)側(cè)和棱柱形管外側(cè)均為高壓空間，通入加壓原 料氣；出現(xiàn)損壞時，只用更換單個損壞的雙層管。6. 如權(quán)利要求2所述的雙層薄壁夾細管陣方案，為一種一種增大半透膜面積來提高半 透膜選擇透過效率，同時減少半透膜受機械破壞時泄漏的方案，其特征在于： 所述雙層薄壁夾細管陣方案，由橫截面為菱形密鋪格子狀的半透膜內(nèi)切而不粘連管形 半透膜，依據(jù)流體目標產(chǎn)物組分的濃度不同分為高濃度腔與低濃度腔，加壓透過時高濃度 腔、低濃度腔相間分布，管形半透膜均為高濃度腔，并每隔7-16層格子設(shè)置一個無管層。7. 如權(quán)利要求2所述的盤曲折疊多層薄膜方案，為一種增大半透膜面積來提高半透膜 選擇透過效率的方案，其特征在于： 所述方案盤曲折疊多層薄膜折疊半透膜呈連續(xù)褶皺狀，表面具形狀為半徑大于膜厚小 于等于一級褶皺軸面間距的凹下或凸起的次級褶皺，依據(jù)流體目標產(chǎn)物組分的濃度不同分 為高濃度腔與低濃度腔，進行透過操作時高濃度腔、低濃度腔相間分布，流體分別向相反方 向流動。8. 如權(quán)利要求2所述的分支細管方案，為一種增大半透膜腔比表面積的方案，其特征在 于： 所述方案將半透膜制成分支狀管狀，分支不超過8次，并將最細分支匯合呈束狀;進行 透過操作時高濃度流體、低濃度流體相向流動，盛裝高濃度流體、低濃度流體的最細分支分 別被包裹于盛裝低濃度流體、高濃度流體的主干分支。9. 如權(quán)利要求2所述的一種用于過濾小分子氣體的PET薄膜-沸石分子篩復合材料，其 特征在于： 所述PET薄膜-沸石分子篩復合材料分外層、中層、內(nèi)層，外層采用模具吸塑成型；中層 采用濾紙浸潤混合了不粗于200目的菱沸石粉末的含水的二氧化硅凝膠經(jīng)貼附、干燥的操 作附于外層膜內(nèi)壁，所浸潤凝膠固相含菱沸石不低于58%，混合前的二氧化硅凝膠含水量 不低于31%;干燥完成后以前兩步成型的容器為模具吹塑成型。10. -種以PET膜為外壁，用于收集氦同位素的采樣器，其特征在于： 所述采樣器形狀為球形，外殼為由PET膜制成的不薄于0.025mm，不厚于0.581mm，厚薄 均勻的球殼，球殼內(nèi)附菱沸石夾層，內(nèi)壁附無釉的陶制球殼，內(nèi)部填充支撐材料為菱沸石顆 粒;填充物體積不小于采樣器容積的43.59%，不大于球殼容積的78.53% ;使用前抽成真空 并浸泡保存于蒸餾水密閉于容器中，使用時在采樣地放置至少4h，使用后浸泡保存于蒸餾 水密閉于容器中暫存時間不超過15h。
【文檔編號】C01B23/00GK105883719SQ201610188831
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月30日
【發(fā)明人】楊溢
【申請人】楊溢