專利名稱：一種氫氣分離器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬氫氣分離技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種氫氣分離器。該分離器能自動(dòng)識(shí)別正常分離狀況和其它緊急狀況并采取相應(yīng)措施，從而避免分離組件的不可逆變損傷。
背景技術(shù)：
對(duì)于鈀復(fù)合膜，只有氫氣能很容易透過，而其它氣體不能透過，正是這一特性可使基于鈀復(fù)合膜的分離器進(jìn)行氫氣的分離，鈀復(fù)合膜的透氫機(jī)理如下所述。氫氣透過鈀復(fù)合膜是個(gè)復(fù)雜的過程，屬于溶解一擴(kuò)散機(jī)理，包括以下五個(gè)步驟，如附圖I所示。①氫分子在膜表面進(jìn)行化學(xué)吸附，并解離；②表面氫原子溶解于鈀膜；③氫原子在壓差的作用下從一側(cè)擴(kuò)散到另一側(cè)；④氫原子從膜滲透測(cè)析出；呈化學(xué)吸附態(tài)；⑤表面氫原子結(jié)合成氫分子并脫附。 鈀復(fù)合膜透氫時(shí)需要在高溫條件下，當(dāng)?shù)陀?00°C下，會(huì)出現(xiàn)“氫脆問題”，即氫氣溶于膜后會(huì)形成晶格常數(shù)不同的α相和β相兩種固溶體，其中β相晶格常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于α相。在上述步驟②③④過程中α相和β相會(huì)相互轉(zhuǎn)變，致使晶格膨脹或收縮造成膜的韌性和強(qiáng)度下降并最終導(dǎo)致膜的開裂，使其對(duì)氣體無選擇性而無法進(jìn)行氫氣分離。故需要一種在溫度低于300°C之前把氫氣清除出分離系統(tǒng)的方法，來避免鈀復(fù)合膜不必要的破裂。通常人們采用氮?dú)獯祾叩姆椒▽⒎蛛x體系內(nèi)的氫氣吹除出去，來避免“氫脆問題”的發(fā)生。但該方法并不能完全清除掉體系中各個(gè)死角中的氫氣。如附圖3所示，當(dāng)用氮?dú)獯祾吖艿罆r(shí)，死角內(nèi)的氣體并不被氮?dú)獯底撸炊坏獨(dú)鈹D壓在死角，最后體系中還是留有氫氣對(duì)鈀復(fù)合膜造成損壞。同時(shí)氮?dú)獯祾咝枋褂玫獨(dú)怃撈康认嚓P(guān)配件，既浪費(fèi)氮?dú)赓Y源，又不易攜帶。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種采用真空泵抽除體系中的氫氣并為高溫工作環(huán)境提供預(yù)熱的一種新型氫氣分離器，以解決死角區(qū)域內(nèi)氣體不易清除等問題并避免鈀復(fù)合膜因“氫脆問題”而發(fā)生開裂導(dǎo)致膜損壞。本發(fā)明為解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下一種氫氣分離器，包括防爆電磁控制閥、分離組件、換熱器、質(zhì)量流量控制、真空泵、單向閥、壓力傳感器；所述的分離組件SI工作溫度為150 500°C，其中起分離作用的關(guān)鍵材料為鈀復(fù)合膜，即多孔材料負(fù)載型鈀和鈀合金膜；所述的真空泵Pl為防止鈀復(fù)合膜在升溫過程中氧化或在降溫過程中氫脆，將對(duì)整個(gè)體系中的氣體抽除，其真空度為50 IOOkPa ;所述的換熱器El對(duì)系統(tǒng)中的原料氫和高純氫氣進(jìn)行換熱。所述氫氣分離器其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為分離組件SI進(jìn)氣端與換熱器El冷端出口相連并經(jīng)換熱器El冷端進(jìn)口與進(jìn)氣閥V3相互串聯(lián)；分離組件SI尾氣端與壓力傳感器PI01、控制閥VI、單向閥Cl進(jìn)氣端連接；分離組件SI出氣端與壓力傳感器PI02、控制閥V2、換熱器El熱端進(jìn)口連接；單向閥Cl出氣端與質(zhì)量流量控制器Fl串聯(lián)；出氣閥V4與換熱器El熱端出口相連；真空泵Pl進(jìn)氣端與控制閥1V1、控制閥2V2連接；真空泵Pl與質(zhì)量流量控制器Fl各出氣端管線合并一路。所述氫氣分離器正常工作時(shí)，進(jìn)氣閥V3、出氣閥V4置于打開狀態(tài)，質(zhì)量流量控制器設(shè)定好尾氣流量，控制閥VI、控制閥V2、真空泵Pl置于關(guān)閉狀態(tài)；原料氫經(jīng)打開的進(jìn)氣閥V3、換熱器El冷端進(jìn)入鈀復(fù)合膜氫氣分離組件中，進(jìn)行分離后產(chǎn)生的高純氫氣經(jīng)換熱器El熱端、出氣閥V4后輸出，未透過鈀復(fù)合膜的雜質(zhì)尾氣經(jīng)單向閥Cl、質(zhì)量流量控制器Fl后排出。當(dāng)所述分離組件溫度低于低報(bào)溫度時(shí)，控制閥VI、控制閥V2置于打開狀態(tài)，其它閥門置于關(guān)閉狀態(tài)，真空泵Pi置于啟動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)停止氫氣分離，系統(tǒng)中已產(chǎn)生的高純氫和原料氫分別通過控制閥V2、控制閥Vl被真空泵Pl抽至雜質(zhì)尾氣端口排出。所述氫氣分離器處于鈀復(fù)合膜氣密性檢測(cè)時(shí)，控制閥V2置為打開狀態(tài)，其他閥門 關(guān)閉，開啟真空泵P1，待分離組件內(nèi)側(cè)被抽至負(fù)壓且保持負(fù)壓值不變，則關(guān)閉所述的控制閥V2、真空泵P1，并查看壓力傳感器PI02檢測(cè)值是否持續(xù)增大，以此判斷鈀復(fù)合膜的性能。有益效果本發(fā)明能在分離組件的溫度低于低報(bào)溫度之前自動(dòng)啟動(dòng)真空泵Pl及打開相應(yīng)閥門對(duì)鈀復(fù)合膜內(nèi)外側(cè)的氣體進(jìn)行抽除，使吸附在膜內(nèi)外側(cè)的氫分子迅速被抽至裝置外，直至由溶于膜中氫原子經(jīng)溶解一擴(kuò)散形成的膜表面氫分子也被抽除，再保持真空狀態(tài)。由此即可避免鈀復(fù)合膜因“氫脆問題”導(dǎo)致膜的開裂這一不必要的損傷，亦大大延長(zhǎng)了氫氣分離器的壽命。


圖I為背景技術(shù)中鈀復(fù)合膜透氫機(jī)理2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)流程3為氮?dú)獯祾邎D
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖2，對(duì)本發(fā)明所述的分離器的具體實(shí)施例進(jìn)行說明。本發(fā)明一種氫氣分離器包括防爆電磁控制閥、分離組件、換熱器、質(zhì)量流量控制、真空泵、單向閥、壓力傳感器。其中所述分離組件SI進(jìn)氣端與換熱器El冷端出口相連并經(jīng)換熱器El冷端進(jìn)口與進(jìn)氣閥V3相互串聯(lián)；分離組件SI尾氣端與壓力傳感器PI01、控制閥VI、單向閥Cl進(jìn)氣端連接；分離組件SI出氣端與壓力傳感器PI02、控制閥V2、換熱器El熱端進(jìn)口連接；單向閥Cl出氣端與質(zhì)量流量控制器Fl串聯(lián)；出氣閥V4與換熱器El熱端出口相連；真空泵Pl進(jìn)氣端與控制閥IVl、控制閥2V2連接；真空泵Pl與質(zhì)量流量控制器Fl各出氣端管線合并一路。其中閥門V1、V2為抽吸控制閥，Vl控制雜質(zhì)尾氣端，V2控制高純氫氣端；閥門V3、V4分別用于控制原料氫的輸入、高純氫氣的輸出；分離組件SI為分離器的核心組件，用于氫氣的分離；換熱器El用于高溫高純氫氣與低溫原料氫的換熱，既節(jié)能又為原料氫的分離預(yù)熱；質(zhì)量流量控制器Fl用于控制雜質(zhì)尾氣的流量，以此調(diào)節(jié)分離組件內(nèi)膜兩側(cè)壓差；真空泵Pl用于抽除分離系統(tǒng)中氣體，以此保護(hù)分離組件延長(zhǎng)分離器壽命；單向閥為雜質(zhì)尾氣控制閥，氣體只能排出不能進(jìn)入分離系統(tǒng)；壓力傳感器用于檢測(cè)各處的壓力。氫氣分離器的具體正常工作過程如下當(dāng)分離組件溫度達(dá)到工作溫度上時(shí)，將原料氫輸入分離器，同時(shí)打開閥門V3、V4，通過質(zhì)量流量控制器Fl設(shè)定尾氣的流量，關(guān)閉其它閥門及真空泵Pl。原料氫經(jīng)V3進(jìn)入換熱器El冷端進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱后的原料氫進(jìn)入分離組件進(jìn)行氫氣分離。未透過鈀復(fù)合膜的氫和其它雜質(zhì)氣體經(jīng)單向閥Cl和質(zhì)量流量控制器Fl以設(shè)定的流量排出分離器。分離產(chǎn)生的高純氫氣則進(jìn)入換熱器El熱端對(duì)原料氫預(yù)熱后再經(jīng)V4輸出。氫氣分離器在緊急狀況中具體工作過程如下當(dāng)分離組件溫度低于低報(bào)溫度時(shí)，打開閥門VI、V2，啟動(dòng)真空泵P1，關(guān)閉其它閥門。此時(shí)原料氫不再進(jìn)入分離器，而分離器中氣體則都被真空泵Pl抽至分離器外。真空泵Pl對(duì)分離系統(tǒng)抽吸一段時(shí)間直至系統(tǒng)中無氫后，關(guān)閉閥門VI、V2，再關(guān)閉真空泵P1，使分離系統(tǒng)內(nèi)保持真空狀態(tài)，避免出現(xiàn)“氫脆問題”。氫氣分離器在檢測(cè)鈀復(fù)合膜性能時(shí)的具體工作過程如下打開V2，關(guān)閉其它閥 門，開啟真空泵P1，待分離組件內(nèi)側(cè)被抽至負(fù)壓且保持負(fù)壓值不變時(shí)，關(guān)閉V2、再關(guān)閉真空泵P1，并查看壓力傳感器P102檢測(cè)值是否持續(xù)增大，如持續(xù)增大且增速較快則可判斷鈀復(fù)合膜的性能下降。
權(quán)利要求
1.一種氫氣分離器，包括防爆電磁控制閥、分離組件、換熱器、質(zhì)量流量控制、真空泵、單向閥、壓力傳感器，其特征在于所述的分離組件SI工作溫度為150 500°C，其中起分離作用的關(guān)鍵材料為鈀復(fù)合膜，即多孔材料負(fù)載型鈀和鈀合金膜；所述的真空泵Pl為防止鈀復(fù)合膜在升溫過程中氧化或在降溫過程中氫脆，將對(duì)整個(gè)體系中的氣體抽除，其真空度為50 IOOkPa ;所述的換熱器El對(duì)系統(tǒng)中的原料氫和高純氫氣進(jìn)行換熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種氫氣分離器，其特征在于分離組件SI進(jìn)氣端與換熱器El冷端出口相連并經(jīng)換熱器El冷端進(jìn)口與進(jìn)氣閥V3相互串聯(lián)；分離組件SI尾氣端與壓力傳感器PI01、控制閥VI、單向閥Cl進(jìn)氣端連接；分離組件SI出氣端與壓力傳感器PI02、控制閥V2、換熱器El熱端進(jìn)口連接；單向閥Cl出氣端與質(zhì)量流量控制器Fl串聯(lián)；出氣閥V4與換熱器El熱端出口相連；真空泵Pl進(jìn)氣端與控制閥VI、控制閥V2連接；真空泵Pl與質(zhì)量流量控制器Fl各出氣端管線合并一路。根據(jù)權(quán)利要求I所述的石墨涂膜機(jī)，其特征在于所述的管體與頂針之間采用橡膠墊將管件邊緣與頂針通過壓力固定在一起，并通過壓力固定在一起，壓力的大小通過調(diào)節(jié)頂針的伸縮距離來控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種氫氣分離器，其特征在于所述裝置正常工作用于氫氣分離時(shí)，進(jìn)氣閥V3、出氣閥V4置于打開狀態(tài)，質(zhì)量流量控制器設(shè)定好尾氣流量，控制閥VI、控制閥V2、真空泵Pl置于關(guān)閉狀態(tài)；原料氫經(jīng)打開的進(jìn)氣閥V3、換熱器El冷端進(jìn)入鈀復(fù)合膜氫氣分離組件中，進(jìn)行分離后產(chǎn)生的高純氫氣經(jīng)換熱器El熱端、出氣閥V4后輸出，未透過鈀復(fù)合膜的雜質(zhì)尾氣經(jīng)單向閥Cl、質(zhì)量流量控制器Fl后排出。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種氫氣分離器，其特征在于所述分離組件溫度低于低報(bào)溫度時(shí)，控制閥VI、控制閥V2置于打開狀態(tài)，其它閥門置于關(guān)閉狀態(tài)，真空泵Pl置于啟動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)停止氫氣分離，系統(tǒng)中已產(chǎn)生的高純氫和原料氫分別通過控制閥V2、控制閥Vl被真空泵Pl抽至雜質(zhì)尾氣端口排出。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種氫氣分離器，其特征在于所述裝置處于鈀復(fù)合膜氣密性檢測(cè)時(shí)，控制閥V2置為打開狀態(tài)，其他閥門關(guān)閉，開啟真空泵P1，待分離組件內(nèi)側(cè)被抽至負(fù)壓且保持負(fù)壓值不變，則關(guān)閉所述的控制閥V2、真空泵P1，并查看壓力傳感器PI02檢測(cè)值是否持續(xù)增大，以此判斷鈀復(fù)合膜的性能。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的分離器正常氫氣分離狀況下，其特征在于原料氫氣通過進(jìn)氣閥V3經(jīng)換熱器El預(yù)熱后，所述的原料氫氣溫度能達(dá)到50 80°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氫氣分離器，由防爆電磁控制閥、分離組件、換熱器、質(zhì)量流量控制、真空泵、單向閥、壓力傳感器等及電氣控制系統(tǒng)組成。其中電氣控制系統(tǒng)控制閥門和真空泵的開關(guān)及質(zhì)量流量控制器的設(shè)置以實(shí)現(xiàn)分離器不同狀況下的操作，并提供了分離組件性能的檢測(cè)技術(shù)方案，甚至于斷電情況下可自動(dòng)啟動(dòng)保護(hù)措施，避免因氫脆而導(dǎo)致分離組件損壞。其中換熱器通過原料氫與高純氫換熱為原料氫預(yù)熱。其中真空泵于在升溫和降溫過程中將整個(gè)體系中的氣體抽除，以防止分離組件中鈀復(fù)合膜因空氣或氫氣的存在而發(fā)生氧化或氫脆，延長(zhǎng)其使用壽命。
文檔編號(hào)B01D53/22GK102963868SQ20121048518
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月26日
發(fā)明者黃彥, 張建長(zhǎng), 胡小娟, 黃韜 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)