專利名稱：從含氫混合氣中分離特純氫的膜單元和膜設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從含氫混合氣中分離特純氫的膜單元和膜設(shè)備，它是用通過金屬(鈀的)薄膜的氫選擇擴散的方法進行的。它可以用于冶金工業(yè)，例如，在由高合金鋼制備鋼材料時要在特純的氫介質(zhì)中進行熱處理，也可以用于化學工業(yè)、機械工業(yè)、食品工業(yè)和電子工業(yè)。
已知的分離特純氫的設(shè)備(US.A.3779711)是管形結(jié)構(gòu)，其中使用由鈀基合金所制成的無縫毛細管作為膜單元。
設(shè)備有外殼，帶有供給含氫混合氣的進氣管，用以排放特純氫的排氣管和排放廢的穩(wěn)流氣體的排氣管。設(shè)備的內(nèi)腔用管柵分成高壓和低壓兩個室，其中安裝成束并安置在高壓室中的無縫毛細管用本身的端部固定。
進入高壓(～10-15MPa)室的含氫混合氣諸成分吸附在每個膜單元(管子)的外表面，這時，在鈀合金上只有氫分子分解成原子，失去電子，溶解在固體種板中并在濃度梯度的作用下由管的外表面向內(nèi)部擴散，在此發(fā)生結(jié)合和解吸的過程。
這樣得到的特純氫沿著管子排入低壓室，然后送交用戶。
在這種設(shè)備中，由于管子緊密包裝成束，更換一個失去密封的管子是很復(fù)雜的。因此，必須或者焊下?lián)p壞了的管子，或者更換整個全部管束，這樣，當然會導(dǎo)致大大地降低整個設(shè)備的生產(chǎn)率。照例，這樣的膜單元通過2-3個熱循環(huán)就會損壞。在管柵的鋼單元上固定薄壁管的結(jié)合點在操作過程(高壓高溫)中要經(jīng)受很大的應(yīng)力，導(dǎo)致上述結(jié)合點漏氣，其原因是在變換溫度的條件下這些材料的力學性質(zhì)有很大差別。為了增加這種設(shè)備的使用壽命，必需限制工藝的溫度最高到350～400℃，這也使其生產(chǎn)率下降。所使用的薄壁鈀管直徑小，因此為組裝高生產(chǎn)能力的設(shè)備需要大量的鈀管。
使用滲透原理制備蒸餾水的膜設(shè)備(US.A.3367504)也是已知的。
設(shè)備有園柱小室，室內(nèi)有同軸裝置的中空收集器，由半滲透膜片制成的薄殼呈螺旋形卷繞其上，半滲透膜由通氣襯板片分開。沿著薄殼全部寬度裝有多孔管，與供給要純化的水的裝置相連。配有薄殼的收集器按膜單元原則運行。
要純化的水(例如海水)通過所說的管子送入殼內(nèi)空間，并通過膜去除鹽分。已強化的水進入收集器，然后送給用戶。
在獲得特純氫所必需的高壓高溫條件下，膜單元是低效的。首先，由于在長距離上的不同質(zhì)量的材料之間的接縫很快失去密封，第二，對這種結(jié)構(gòu)，其特征是高流體阻力和低效率的“直流”質(zhì)量轉(zhuǎn)移方式，這就不可能建立高效率的設(shè)備和可靠的運行。
已知的膜單元(GB.A.1140952)包括在鎳平板的兩面裝有由鈀基合金制成的氫滲透膜(沿邊用焊接固定)和特純氫的排放管，該管與膜之間的空隙相通。膜具有波形表面。膜單元具有高流體阻力，不能保證設(shè)備有制取特純氫的高生產(chǎn)率。
本發(fā)明的基本任務(wù)是改善分離特純氫的膜單元，在其中這樣安置排放特純氫的管道和襯板使其具有低流體阻力以保證在其運行條件下最大效率的分離氫，以及改善用這些膜單元的從含氫混合氣中分離特純氫的膜設(shè)備，這些膜單元是這樣相互安排的以保證實現(xiàn)逆流質(zhì)量轉(zhuǎn)移方式，這種方式導(dǎo)致大大地提高設(shè)備的生產(chǎn)率。
任務(wù)是這樣解決的，提供分離特純氫的膜單元，它包括安置在通氣襯板兩面的由鈀基合金制成的氫滲透膜，該膜沿邊固定，和用于排放氫氣的引出管，它與膜間的空隙相通，其中，按照本發(fā)明，引出管布有穿孔的部分放置在膜之間，靠近其一邊，實際上放置在通氣襯板的全部長度上并從外面被這個襯板所包圍，從引出管起在一段距離上構(gòu)成加厚段。
這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的膜單元，第一，可以實現(xiàn)按最短的距離甚至從單元的最遠端由膜內(nèi)表面向引出管排放氫氣。第二，在襯板加厚段上，單元橫截面的面積(進入通道)增至兩倍，這就降低了所分離的氫在鄰近引出管區(qū)段上的運動速度，這兩個因素減少了膜單元的流體阻力，保證了分離氫的最大效率并導(dǎo)致提高其單位生產(chǎn)率。
當然，為防止膜在高壓和變溫的膜單元運行條件下被損傷，引出管穿孔段端部做成扁形。最好對扁端裝保護外殼，以予防在頻繁的熱循環(huán)條件下膜被損傷。
同時，還提供由含氫混合氣中分離特純氫的膜設(shè)備，它包括帶有供給含氫混合氣的管道以及排出特純氫的管道的園柱體，其內(nèi)部有管柵和放置在管柵下面的膜單元，在每個膜單元中引出管沿著柱體縱軸定向并以其自由端部固定在管柵中，與氫氣的出口管相通，按照發(fā)明，其中柱體內(nèi)部在管柵下面安置具有穿孔壁的園筒，該穿孔壁與柱體壁一起形成環(huán)形通道用于通過氣體混合物，在園筒中安置有通過其底部的廢氣混合物收集器和上述膜單元，每個膜單元以自身遠離引出管的端邊朝向園筒內(nèi)部。
這種結(jié)構(gòu)實施的設(shè)備，可以實現(xiàn)逆流質(zhì)量轉(zhuǎn)移方式，根據(jù)膜單元的數(shù)目和運行條件，這種方式可以導(dǎo)致增加本發(fā)明設(shè)備的氫生產(chǎn)率到1000M3/小時。
根據(jù)所需的設(shè)備生產(chǎn)率和要加工的原料氣混合物中的氫濃度，在筒中最好要這樣安裝膜單元，使其引出管至少沿四周安置一排，并且遠離它們的端邊朝向收集器，該收集器是按柱體的縱軸安放的。同樣的目的，一排膜單元對于另一排膜單元最好是以棋盤次序排列，或者建議將膜單元列成幾排，這時，在鄰近收集器的排中，膜單元的遠離引出管的端邊朝向收集器，該收集器是按柱體縱軸安放的，而每下一排膜單元的端邊朝向上排相鄰單元的引出管，使得膜單元形成螺旋狀的通道。
在這種膜單元安置的情形下，根據(jù)本發(fā)明膜設(shè)備的工作容量建立了質(zhì)量轉(zhuǎn)移最佳條件。
下面通過引用附圖詳細描述本發(fā)明的由含氫混合氣中分離特純氫的膜單元和膜設(shè)備來說明本發(fā)明，其中

圖1-本發(fā)明膜單元的簡圖，有局部剖面;
圖2-圖1
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剖面的放大比例圖;
圖3-圖1
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剖面的放大比例圖;
圖4-本發(fā)明的分離特純氫的膜設(shè)備，是等比例的，有剖面;
圖5-圖4Ⅴ-Ⅴ剖面簡圖;
圖6、7-圖4Ⅵ-Ⅵ，Ⅶ-Ⅶ剖面中，在筒中的膜單元排列的其它方案簡圖。
本發(fā)明的膜單元1(圖1)包括安裝在通氣襯板1a的兩面的由鈀基合金制成的氫滲透膜2，用焊接固定在端邊3上，和用于排放氫氣的引出管4，該管與膜2之間的空隙相通。在部分引出管4上有孔5，并將管置于膜2之間，靠近膜的一端，實際上是在通氣襯板1a的全長度上。引出管4的穿孔部分被襯板1a從外面包圍使從管4起在一段距離上構(gòu)成加厚段6(圖2)。
最適宜的是這樣組裝本發(fā)明的膜單元，通過將一個膜2折疊成兩重的方法疊置膜2，并在折彎處放置用襯板1a包圍的管4。在這種情況下，膜只要按3端邊焊接而不是4端邊。這種方案示于圖2。
這樣完成和安置的引出管4，在由膜2內(nèi)表面向起收集作用的引出管4排放氫氣時，保證了最短的路線，它不超過膜單元的寬度。在這種情況下，流體阻力實際上是降低了，在通氣襯板1a的加厚段6上，膜單元的橫截面積增加一倍，這樣可以降低氫在向管4排放時的運動速度(在管4中氫氣流最大)，因而總的說來減少了單元的流體阻力。
為了防止膜2在高壓下熱循環(huán)和運行時受損害，管4的穿孔段的終端7使之成扁形并給它安裝保護外殼8，如圖3所示。因為擴散阻抗和動力阻抗之比(決定氫轉(zhuǎn)移到膜單元的過程的強度)取決于膜2的厚度，其厚度建議等于或小于0.1毫米。管4和保護外殼8的材料，其體積膨脹系數(shù)應(yīng)當接近于相應(yīng)的膜2材料的系數(shù)。這樣就保證了全部膜單元的可靠性。
根據(jù)本發(fā)明，由含氫混合氣中分離特純氫的膜設(shè)備包括園柱體9(圖4)，其頂蓋10和底部11。頂蓋10裝有排放特純氫的排氣管12，而底部11裝有供給含氫混合氣的供氣管13。
在園柱體9的腔內(nèi)裝有管柵14，在管柵下面安裝帶有穿孔壁16的園筒15，該穿孔壁16和園柱體9的柱壁17一起形成環(huán)形通道18，用以通過含氫混合氣。在園筒15內(nèi)裝有穿過其底部19的收集器20，保證從園筒15排放廢混合氣。在所建議的方案中，收集器20是按園柱體9的縱軸安裝的，并同時起排放所說混合氣的排氣管的作用，而且它是園柱形并在沿園筒15長度上有穿孔壁。在園筒15內(nèi)裝有本發(fā)明的膜單元1，每個膜單元從其遠離引出管4的端邊21朝向園筒15的內(nèi)部。每個膜單元1的管4的方向是順著園柱體9的縱軸的，并使用過渡套管(在圖4中沒有表示出)以本身的自由端22固定在管柵14中。端部22通過由頂蓋10和管柵14形成的小室23與排氣管12連通，管12用于向用戶排放特純氫。園柱體9和收集器20的形狀，后者的裝配以及通道18的寬度，都只取決于方便安裝和便于在最佳狀態(tài)下組織質(zhì)量轉(zhuǎn)移，同時這不是必要的條件。對于小量的生產(chǎn)和在由混合氣中提取特純氫的小提取系數(shù)時推薦本設(shè)備，其中在園筒15中的膜單元1要這樣安裝，使引出管沿四周至少排成一排24(圖5)，這時，遠離引出管的端邊21朝向按園柱體9縱軸安置的接受器20。
一排中的相鄰膜單元1的外表面形成輸送通道25，保證了在園筒15中的含氫混合氣沿著其膜2向收集器20運動。這個方案示于圖4和簡圖5。對于具有高生產(chǎn)率和由氣體混合物中分離特純氫具有大提取系數(shù)的設(shè)備，推薦另外的方案，將膜單元1列成幾排其引出管4按園周排列。
在圖6，膜單元1列成二排24，26，這時，排24的膜單元1對另一排26的膜單元1是按棋盤次序排列的。遠離引出管4的單元1的端邊21朝向按園柱體9縱軸安置的收集器20。
列在排24和排26中的相鄰膜單元1的外表面形成通道27，保證了在園筒15中的含氫混合氣順著它們的膜2(在圖6中未表示)向收集器20運動。
在圖7，推薦將膜單元1列成三排24，28，29。在靠近收集器20的排24中，遠離引出管4的端邊21朝向按園柱體9縱軸安置的收集器20。每下一排28，29的膜單元1的端邊21朝向上一排24，28的相鄰單元1的管4，這樣，膜單元1形成螺旋通道30(在圖中通道30的予定方向由A箭頭表示)。
根據(jù)本發(fā)明，包括膜單元1的膜設(shè)備按以下方式工作。
將在1～1.8MPa壓力下加熱到600～630℃溫度的含氫混合氣通過供氣管13朝設(shè)備高處等速供入環(huán)形通道18。然后通過園筒15的穿孔壁16的小孔使含氫混合氣沿輸送通道25、27、30順著膜單元1的膜2，從其管4方向向收集器20流入。因為由鈀合金制成的膜2選擇吸附氫，在其表面僅產(chǎn)生將氫分子分解為原子。
失去電子的原子轉(zhuǎn)到膜2材料的固體溶液中(膜2材料的成份、晶格要選擇得只能通過氫)在濃度梯度的作用下，由膜2的外表面向內(nèi)(從單元1體積看)擴散，這里發(fā)生氫原子再結(jié)合成氫分子，從膜單元1體積內(nèi)表面解析的過程。然后單元1體積內(nèi)的特純氫進入引出管4并通過其壁中的小孔5進入其腔內(nèi)，然后引入小室23并通過排氣管12送給用戶。在用膜單元1提取氫部分后，含氫混合氣的剩余部分通過安裝的收集器20也送向用戶。
正如我們所確定的，在選擇膜2的單位面積上，由混合氣中分離出的氫氣量取決于在輸送通道25，27，30中的含氫混合氣的氣流的組織以及在起排放通道作用的單元1的內(nèi)腔中的氫。
在低的排放通道的流體阻力下和沿輸送通道25，27，30的混合物的運動組織的條件下，使用排出通道(單元1的內(nèi)腔)內(nèi)的逆流氫，提取的氫氣量最大。逆流混合物的效率隨著在原料混合物中的氫含量減少而增長并在很大程度上出現(xiàn)于高度提取氫的設(shè)備中。
在我們的方案中，在輸送通道25，27，30中的混合氣向收集器20運動，而在所提及的排出通道中是在對著它的方向。在將膜單元1列成幾排時(圖6，7)，所說輸送通道25，27，30的長度超過所說排出通道的長度，這有效地影響質(zhì)量轉(zhuǎn)移，保證在混合氣中氫濃度低時設(shè)備能高效率地工作。
實施例按照本發(fā)明在膜設(shè)備中進行分離特純氫的工藝，在園筒15中將膜單元1列成一排(如圖4)，共30個。每個單元1的面積為980Cm2。含氫混合氣(75%的分解氨)的消耗是250M3/小時。工藝溫度為600℃，壓力為1.2MPa。設(shè)備生產(chǎn)率(按氫氣)是25M3/小時。特純氫的工業(yè)裝置有6臺這樣的設(shè)備，都與公用收集器接通。
本發(fā)明膜單元的特征是在600～630℃的溫度和10MPa的壓力的運行條件下具有高度密封可靠性，保證每個膜單元的生產(chǎn)率在1-1.8M3/小時范圍內(nèi)。
按照本發(fā)明，具有單元的膜設(shè)備的特征是高效率，這是由于合理的質(zhì)量轉(zhuǎn)移方法組織所致，可以配成有力的擴散裝置，保證氫氣純度不低于99.9999%。設(shè)備結(jié)構(gòu)可以容許實現(xiàn)快速更換損壞的膜單元。
權(quán)利要求
1.分離特純氫的膜單元，具有在通氣襯板(1a)的兩面安置的由鈀基合金制成的氫滲透膜(2)，沿端邊(3)固定，和用于排放氫氣的引出管(4)，它與膜(2)之間的空隙相通，其特征在于引出管(4)布有穿孔的部分安置在膜(2)之間，靠近其一個端邊(3)，實際上是在通氣襯板(1a)的整個長度上并被襯板(1a)從外面包圍，從管(4)起在一段距離上構(gòu)成加厚段。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的膜單元，其特征在于管(4)穿孔段的端部(7)做成扁形。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的膜單元，其特征在于已壓扁的管(4)的端部(7)安裝有保護外殼(8)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之任一的用膜單元(1)由含氫混合氣中分離特純氫的膜設(shè)備包括帶有供給含氫混合氣和排放特純氫的管(13，12)的園柱體(9)，園柱體內(nèi)有管柵(14)，并在其下面安裝有膜單元(1)，在每個膜單元中，引出管(4)的方向順著園柱體(9)的縱軸，并用其自由端(22)固定在管柵(14)中，與排放氫的管(12)相通，其特征在于，在園柱體(9)內(nèi)，在管柵(14)下面安裝有穿孔壁(16)的園筒(15)，該穿孔壁和園柱體(9)的壁(17)形成環(huán)形通道(18)，用以通過混合氣，而在園筒(15)中安裝有穿過其底部(19)的廢氣混合物收集器(20)和上述膜單元(1)，每個膜單元以其本身遠離引出管(4)的端邊(21)朝向園筒(15)的內(nèi)部。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的膜設(shè)備，其特征在于在園筒(15)內(nèi)的膜單元(1)是這樣安裝的，引出管(4)至少沿四周列成一排(24)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的膜設(shè)備，其特征在于各個膜單元(1)是這樣安裝的，其遠離引出管(4)的端邊(21)朝向按園柱體(9)的縱軸安裝的收集器(20)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5，6的膜設(shè)備，其特征在于膜單元列成二排(24，26)，這時，一排(24)的膜單元(1)對另一排(26)的膜單元(1)是以棋盤次序安置的。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的膜設(shè)備，其特征在于膜單元(1)列成幾排(24，28，29)，這時在靠近收集器的排(24)中膜單元(1)的遠離引出管(4)的端邊(21)朝向按園柱體(9)的縱軸安裝的收集器(20)，而每下一排(28，29)的膜單元(1)的端邊(21)朝向上一排(24，28)的相鄰膜單元(1)的管(4)，這樣膜單元(1)形成螺旋形通道(30)。
全文摘要
分離特純氫的膜單元(1)具有氫滲透膜(2)，引出管(4)，通氣襯板。引出管(4)的一部分安放在膜(2)中間靠近其中一個端邊(3)，實際上，是在通氣襯板的全部長度上并被襯板從外面包圍，從管(4)起在一段距離上構(gòu)成加厚段。
文檔編號B01D63/08GK1041538SQ88107278
公開日1990年4月25日 申請日期1988年10月5日 優(yōu)先權(quán)日1988年5月20日
發(fā)明者瓦西里·米克哈羅維奇·巴布什, 朱利·亞力山德洛維奇·布維奇, 阿那托里·康斯坦丁諾維奇·埃方, 伊果·瓦西里維奇·克諾斯, 蓋那迪·蓋爾吉維奇·庫利考夫, 維克托·米克哈羅維奇·馬克冬斯基, 戴維德·莫西維奇·波里比斯基, 朱利·亞力山德洛維奇·波波茨夫 申請人:全蘇冶金熱力工程科學研究院