[实用新型]用于制备高纯度氢气的膜分离设备

说明书

技术领域：

本实用新型涉及一种从含氢的合成气中分离、用于制备高纯度氢气的膜分离设备，特 别涉及到一种结构紧凑、易于扩展的膜分离器。该装置能从含氢混合气中生产高纯度的氢 气。

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-AERT(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。

中国发明专利申请“一种利用微尺度通道传热的快速启动钯膜组件”(申请号： 200710031743.5)公开了一种钯膜组件，该组件包括膜支撑框架、多孔金属支撑体及钯合 金膜，两多孔金属支撑体及钯合金膜分别依次位于膜支撑框架的两侧，膜支撑框架内含被 净化氢气气流通道和小尺度通道，所述小尺度通道为穿行于膜支撑框架内部的一个加热用 的气体的流通通道，其截面为矩形，截面尺寸0.2-1.0毫米×0.2-1.0毫米，连接小尺度的 通道入口和出口设在含膜支撑框架上；支撑体上氢气气流通道为矩形齿状，气体到出口设 置在支撑框架上端。该组件利用热流体在小尺度通道内的流动传热可以快速使钯合金膜组 件升温至所需要的工作温度，降低了钯合金膜组件的金属含量，进一步减少了升温时间。

在通常的钯膜分离组件的应用中，一般将钯膜分离组件置于一压力容器内，氢气引出 管通过压力容器法兰引出压力容器。含氢合成气被引入到压力容器内，其中的氢气透过钯 膜后，通过氢气引出管引出压力容器。由于压力容器一般为圆型结构，内置矩型的钯膜 分离组件，该种应用型式一般结构比较庞大，扩展困难。本实用新型在钯膜分离组件的两 侧设矩型合成气流通框架，直接将含氢合成气引入到钯膜分离组件的两侧，组成的钯膜分 离器结构紧凑，易于扩展。

实用新型内容

本实用新型针对化工生产及实验室中制得的含氢合成气，以钯膜组件为主要部件，提 供一种结构紧凑、易于扩展的钯膜分离装置。

本实用新型的主要实施方案如下：