[发明专利]一种集电加热和氢气分离于一体的钯膜组件

说明书

本发明公开了一种集电加热和氢气分离于一体的钯膜组件，该组件包括电加热模块和氢气分离模块，在电加热模块和氢气分离模块之间安装石墨垫片；电加热模块由支撑框架、多孔烧结金属片、电加热管和隔板组成；氢气分离模块由支撑框架、钯及钯合金膜、柔性多孔陶瓷片和多孔烧结金属支撑体组成；本发明将含氢原料气直接引入钯膜组件，经加热模块预热后通过钯膜分离获得高纯氢气，该钯膜组件在钯及钯合金膜和多孔烧结金属支撑体之间引入柔性多孔陶瓷中间层，可避免高温使用时支撑体中的金属组分迁移到钯膜表面进而导致钯膜对氢气的选择渗透性降低的风险，且结构紧凑、升温速率快、温控效果好，特别适用于小规模氢气分离与纯化。

技术领域

本发明涉及一种结构紧凑、升温速率快、预热效果好、且能避免高温使用时支撑体中的金属组分迁移到钯膜表面的风险的钯膜组件，该组件集电加热和氢气分离于一体，特别适用于小规模氢气分离与纯化。

背景技术

随着电子信息、半导体和LED制造等产业的迅速发展，促进了对超纯氢气(纯度>99.9999％)的需求量日益增加(陈自力等，多晶硅生产中氢气的来源与净化,低温与特气,30(2012)21-23)，同时对氢气分离与纯化技术提出了更高要求。钯及其合金膜由于对氢气具有独特的选择渗透性，良好的机械和热稳定性等特性，使其在氢气分离与纯化应用中备受青睐，且理论上非氢气体无法透过钯膜，因此采用钯膜分离技术可以获得只含ppb级杂质的超高纯度氢气，是目前常见的一种制备超高纯度氢气的优化方案。

通常认为，氢气透过钯膜遵循溶解-扩散机理，它包含以下几个过程：

(1)扩散过程：在浓度差的推动下，高压侧气相中的氢分子越过边界层向钯膜表面扩散；

(2)吸附解离过程：氢分子在钯膜表面发生化学吸附并迅速解离成两个氢原子。假定氢分子的吸附与解离是个快速过程，则存在气相中氢分子和膜表面氢原子之间的平衡，此过程遵循Sieverts规则，

(3)溶解-扩散过程：膜表面吸附的氢原子溶解到钯晶格内并迅速解离为H⁺和电子，穿过体相后扩散到低压侧的膜表面并迅速结合成氢原子；

(4)结合脱附过程：低压侧钯膜表面的氢原子结合成氢分子后脱离钯膜的表面并扩散到边界层；

(5)扩散过程：边界层内的氢分子向低压端气体体相中的扩散。

由于钯膜在低于300℃时与H₂接触会发生“氢脆现象”，破坏钯膜的完整性和致密性，使其无法进行氢气的分离与纯化，因此采用钯膜进行氢气分离与纯化时，其工作温度一般要求高于300℃。目前钯膜分离器和原料氢的升温方法主要有电加热(集成在钯膜组件内)、热流体加热或辅助组件进行加热等，如中国发明专利“一种电预热与恒温的生产高纯度氢气的膜分离装置”(申请号：200810218798.1)公开了一种钯膜分离装置，该装置包括盲板法兰、钯膜组件、合成气流通框架、密封石墨垫片和紧固螺栓等，其中在合成气流通框架的四壁凹槽内设有电加热丝，用于装置的加热和恒温，该方法升温速率比较快，且可以进行很好地温度控制，但是原料氢通过合成气流通框架上的导入管引入装置后直接与钯膜接触，可能导致钯膜表面温差较大，进而影响钯膜的使用寿命；如中国发明专利“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)和“一种含有陶瓷隔热层及利用小尺度通道换热的钯膜组件”(申请号：200810029464.X)都涉及在钯膜组件上添加微尺度加热通道，利用热流体在微尺度通道内的流动传热将钯膜组件进行快速升温和恒温，该方法升温速率比较快，且可以进行很好地温度控制，节约材料，但在钯膜组件上加工微尺度通道还存在一定的难度。