[发明专利]非稳态下由含氢气体制备高纯氢气的装置及方法

说明书

本发明涉及高纯氢气制备领域，具体涉及非稳态下由含氢气体制备高纯氢气的装置及方法。装置包括：含氢气体供给单元(9)、变压吸附单元(1)、氢气吸收单元(2)、氢气储存单元(3)和再生气体回流管线(4)。方法包括：(1)在吸附压力下，将含氢气体中的重组分气体吸附，得含氢中间产品气；(2)将中间产品气与储氢合金接触，对其中的氢气吸收；(3)在解析条件下，将吸收的氢气解析，得产品气；(4)将吸附的重组分气体解吸，得再生气体；含氢气体含有再生气体。本发明所得产品气纯度高，纯度为99.999％；工艺流程简单，操作方便，无需复杂的预处理，可以处理多种复杂的气源；氢气回收率高；重组分气体可作为副产品气回收。

技术领域

本发明涉及高纯氢气制备领域，具体涉及一种非稳态下由含氢气体制备高纯氢气的装置及方法。

背景技术

氢气是一种重要的化工原料、工业保护气、清洁燃料，例如，氢气是合成氨工业中的主要原料之一，在炼油工业中氢气被广泛用于对石脑油、粗柴油、燃料油、重油的脱硫以及不饱和烃等的加氢精制以提高油品的质量；在电子和冶金工业中，氢气主要用作还原气；在燃料电池汽车房爷，氢是重要的燃料。随着环保法规要求的日益严格以及氢气所具有的良好的燃烧性能，未来市场对氢气具有巨大的潜在需求。工业生产中对氢气的纯度要求较高，比如电子工业需要纯度大于99.999％，在某些情况下甚至要求更高。因此需要对含氢原料气进行分离提纯以满足不同的生产需求。目前已开发的氢气分离方法有变压吸附法、深冷法、膜分离法、金属氢化物法。

1.变压吸附法：变压吸附(Pressure Swing Adsorption，PSA)分离技术的基本原理是利用不同气体组分在固体材料上吸附特性差异及吸附量随压力变化的特性，通过周期性的改变吸附床层的压力实现气体的分离或提纯。然而对于制备高纯气体而言，产品气的纯度与产品的回收率是逆相关的，再追求高纯度的产品氢气的同时，必然会降低氢气的回收率。因此通过变压吸附制备高纯氢气，尤其是原料气杂中惰性组分，如N₂、Ar等杂质气体含量较高的情况，存在产品氢气收效率过低的问题。

2.深冷分离法：深冷分离法又称低温精馏法，是一种低温分离工艺，其原理是利用原料中各组分相对挥发度的差异，通过气体透平膨胀制冷，在低温下将干气中各组分按工艺要求冷凝下来，然后用精馏法将其中的各类烃依其沸点的不同逐一加以分离。该工艺的特点是：有效地把原料分成多股物流，氢气回收率也较高。但其投资较高，装置启动时间长，而且原料气在进入深冷设备前需先将水分及CO₂等杂质脱除，以免在低温下堵塞设备等问题，因此当含氢原料气气量较小时，采用深冷分离工艺变得很不经济。

3.膜分离法：膜分离是一项新兴的高效分离技术,它是用膜作为选择障碍层，在膜的两侧存在一定量的能量差作为动力，允许某些组分透过而保留混合物中其它组分，各组分透过膜的迁移率不同，从而达到分离目的的技术。膜分离的工艺流程非常简单、操作方便、投资少；但制膜技术(如膜的均匀性、稳定性、抗老化性、耐热性等)有待不断改进，膜的使用寿命短，而且要求原料气不含固体和油滴以防止损坏膜组件。产品的纯度一般不高(<99％),但所需原料气的压力较高，采用两级膜分离器产品氢纯度可到99％。

4.金属氢化物法：金属氢化物净化法是利用储氢材料在低温下吸氢，高温下释放氢的特点实现氢气的纯化，产品氢气的纯度很高，但它对原料气中氢纯度要求大于99.99％，而且储氢金属材料多次循环使用会产生脆裂粉化现象，生产规模也不大，因而不适合粗氢及含氢尾气的大规模分离提纯。

因此，开发出一种能够兼顾回收率以及氢气纯度的方法显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的如上问题，提供一种非稳态下由含氢气体制备高纯氢气的装置及方法，利用该装置和方法的氢气收率高，且产品氢气浓度大于99.999％，氢气的回收率可高达75％以上。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种非稳态下由含氢气体制备高纯氢气的装置，该装置包括：