[实用新型]从含氢合成气中生产高纯度氢气的钯膜组件装置

说明书

技术领域：

本实用新型涉及一种从含氢合成气中生产高纯度氢的工艺，特别涉及到利用钯膜分离制备高纯度氢气的方法和装置。

背景技术

目前世界上90％的氢气来自于碳氢化合物(天然气，煤，生物质等)的重整，气化或裂解等化学过程后经过纯化得到，合成气的提纯是其中一个关键的工艺过程。可用的提纯技术有：变压吸附，高分子膜分离，钯膜分离，低温分离等。与其他分离技术相比，钯膜分离可以生产只含ppb级别杂质的高纯度氢气，尤其适应燃料电池的要求；另外钯膜分离装置占地小，在小型化方面也较其他几种分离方法容易。

氢气在钯膜中的传递服从所谓的“溶解-扩散”(Solution-diffusion)机理，它包含以下几个过程：氢气从边界层中扩散到钯膜表面；氢气在膜表面分解成氢原子；氢原子被钯膜溶解；氢原子在钯膜中从高压侧扩散到低压侧；氢原子在钯膜低压侧重新合成为氢分子；氢气扩散离开膜表面。根据上述理论，氢气在钯膜中的穿透率与膜的温度，厚度，合金成分，以及氢气在膜两侧的分压有关，并可用Sievert’s Law来表达：

M=kALe-ΔERT(Phn-Pln)]]>

式中：

R：气体常数；T：温度；A：膜面积；L：膜厚度；E：活化能；P_h：氢气高压侧分压；P_l：氢气低压侧分压；n：压力指数；k：指数函数前系数；M：透过率。

应用钯膜分离生产氢气的方法主要有两种：A)将膜组件与制氢反应器耦合为一体成为膜反应器，利用该反应器一步法从原料气中经过反应和分离得到高纯度的氢气。膜分离与反应过程的耦合可打破反应的热力学平衡，使得反应有利于向产氢的方向进行。但由于反应器中增加了膜分离组件，反应器结构复杂，钯膜与反应介质及催化剂直接接触，运行条件比较恶劣，钯膜寿命较短。B)钯膜分离与制氢反应器分离，制氢反应器生产含氢合成气，其下游采用钯膜分离得到高纯度氢气，该方法工艺简单，操作维修都比较方便。在工业上广泛应用的碳氢化合物水蒸汽重整生产合成气的工艺中，为了防止催化剂积碳及提高碳氢化合物的转化率，水蒸汽经常是大大过量，造成合成气中含有30％以上的水蒸汽。由钯膜分离的Sievert’s Law可知，钯膜分离的动力主要来自有膜内外氢气分压的差别，而在合成气总压力保持不变的情况下，合成气中大量的水蒸汽的存在，大大降低了合成气中氢气的分压，从而降低了膜分离生产氢气的效率。如图2所示，传统的直接膜分离工艺，上游制氢反应器生成的合成气直接经管路P21先进入换热器1换热到膜分离器工作温度(450-600℃)；从换热器1出来经管路P22进入膜分离器5，产品氢气由管路P23输送到下游，尾气由管路P24输送到燃烧器6燃烧，所产生的烟气经管路26输送到上游产生水蒸汽。该工艺存在两方面的问题，一是混合气体中水蒸气含量高，降低钯膜分离效率。二是热能不能有效利用，能耗高。

实用新型内容

本实用新型的目的在于客服现有技术的缺点，提供一种氢气分离效率高、节能的利用钯膜从含氢合成气中生产高纯度氢气的装置。

本实用新型的目的通过如下技术方案实现：

从含氢合成气中生产高纯度氢气的钯膜组件装置，包括换热器、钯膜分离器、燃烧器，所述换热器与钯膜分离器连接，钯膜分离器与燃烧器连接，其特征在于：所述连接换热器与钯膜分离器的管道上依次设有气液分离器、初级加热器和次级加热器，所述钯膜分离器通过初级加热器与燃烧器连接，所述燃烧器还与次级加热器连接。