[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种结构紧凑、易于扩展，用于从含氢的合成其中分离、生产高纯度氢气的膜分离器，特别涉及到采用电预热、恒温、易于加热、温控效果较好的膜分离器。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-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需要在钯膜的工作温度下进行，对钯膜分离器进行升温的方法有好几种，如可以通过在钯膜组件上加工一些微尺度通道，通过这些微尺度通道可以采用电加热或者热流体加热，该方法升温速率比较快，且可以进行很好的温度控制，但是在钯膜组件上加工微尺度通道有一定的难度。另外为防止钯膜组件的温度散失可以在钯膜组件的外侧放置绝热材料，如陶瓷等。对膜分离器则可以通过其辅助组件进行加热，该加热方 式加工相对简单，应用起来也比较方便。 

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)公开了一种钯膜组件，该钯膜组件包括膜支撑框架、多孔金属支撑体及钯合金膜，两多孔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(一般为450-600度)，进一步减少了升温时间，降低了钯合金膜组件的金属含量。 

中国发明专利“一种含有陶瓷隔热层及利用小尺度通道换热的钯膜组件”(申请号：200810029464.X)公开了另外一种钯膜组件。该组件在膜支撑框架两侧从内到外依次设有多孔金属支撑片及钯膜，膜支撑框架内含被净化氢气流通通道和小尺度通道，小尺度通道为穿行与膜支撑框架内部的一个加热用气体流通通道，其截面为矩形，连接小尺度通道的通道入口和出口设在含膜支撑框架上；膜支撑框架氢气气流通道位于膜支撑框架中心两个对称的矩形齿状组合，在两钯合金膜外侧分别设有陶瓷隔热层。该组件利用小尺度通道内的高温或低温流体的流通传热以及陶瓷层的隔热作用，可使膜的运行温度异于组件外介质的工作温度，从而保证即使膜在最佳运行温度(一般为450-600℃)下运行，又使组件外的制氢过程在其最佳温度下运行。