[发明专利]一种含有陶瓷隔热层及利用小尺度通道换热的钯膜组件

说明书

技术领域

本发明涉及高纯度氢气生产技术，特别是涉及一种含有陶瓷隔热层及利用小尺度通道换热的钯膜组件，该组件在应用中可耦合于碳氢化合物制氢过程，但其中的钯膜的操作温度可异于碳氢化合物制氢的反应温度。

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，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，钯膜分离的操作温度较高(450-600℃)，可以与合成气生产过程耦合，从而打破反应平衡转化率，加大氢气产率，缩短工艺流程，减少生产设备；钯膜可以生产只含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。

中国发明专利(申请号：200710031743.5)公开了一种利用小尺度通道传热的快速启动钯膜组件，包括膜支撑框架、多孔金属支撑片及钯合金膜，两多孔金属支撑片及钯合金膜分别依次位于含膜支撑框架的两侧，其特征在于，所述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，连接小尺度通道的通道入口和出口设在含膜支撑框架上；支撑片上氢气气流通道为矩形齿状，气体导出口设置在支撑框架上端，与气流通道连通。所述的矩形齿状氢气气流通道宽度为3-5毫米，通道之间的膜支撑框架的宽度为3-5毫米，支撑框架1为不锈钢制成；支撑框架1与烧结金属支撑片4采用焊接连接，钯合金膜采用钯银合金膜，膜的厚度为10-50微米。合金膜与金属支撑框架及烧结金属支撑片之间采取金属扩散的方法密封连接在一起，或者采用法兰将钯合金膜的边缘与金属支撑框架通过压力密封在一起。

钯膜的适宜操作温度一般为450-600℃，温度过低，钯膜的透过率低；温度过高，膜的寿命受影响。碳氢化合物制氢的适宜温度往往有别于钯膜的适宜操作温度。例如天然气水蒸汽重整制氢的典型操作温度为800-900℃，所以在目前的将钯膜氢气分离耦合于天然气重整过程一步法生产高纯度氢气的工艺中，如果采用上述专利技术所加工的膜组件，由于膜表面没有任何隔热层，直接暴露于天然气重整制氢的反应环境中，膜的温度必然与制氢的反应温度相同。为了保证膜的透氢性能和寿命，必须将天然气重整的温度降低到600℃以下，其代价是天然气重整的平衡转化率的降低。再比如甲醇重整制氢，典型的操作温度为200-300℃，低于钯膜的适宜工作温度，如果采用上述专利技术所加工的膜组件，则必须把甲醇重整制氢的操作温度提高到膜的适宜操作温度450℃以上，所以目前尚未有将甲醇重整制氢与钯膜分离过程耦合的报道。

发明内容