專利名稱：一種應(yīng)用小尺度通道換熱與陶瓷隔熱的鈀膜組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及高純度氫氣生產(chǎn)技術(shù)，特別是涉及應(yīng)用小尺度通道換熱于陶瓷隔熱的鈀膜組件，該組件在應(yīng)用中可耦合于碳?xì)浠衔镏茪溥^程，但其中的鈀膜的操作溫度可異于碳?xì)浠衔镏茪涞姆磻?yīng)溫度。
背景技術(shù)：
目前世界上90%的氫氣來自于碳?xì)浠衔?天然氣，煤，生物質(zhì)等)的重整，氣化或裂解等化學(xué)過程，合成氣的提純是其中一個關(guān)鍵的工藝過程?？捎玫奶峒兗夹g(shù)有變壓吸附，高分子膜分離，鈀膜分離，低溫分離等。與其他分離技術(shù)相比，鈀膜分離的操作溫度較高(450—60(fC)，可以與合成氣生產(chǎn)過程耦合，從而打破反應(yīng)平衡轉(zhuǎn)化率，加大氫氣產(chǎn)率，縮短工藝流程，減少生產(chǎn)設(shè)備；鈀膜可以生產(chǎn)只含ppb級別雜質(zhì)的高純度氫氣，尤其適應(yīng)燃料電池的要求；另外鈀膜分離在小型化方面也較其他幾種分離方法容易。
氫氣在鈀膜中的傳遞服從所謂的"溶解—擴(kuò)散"(Solution-diffiision)機理，
它包含以下幾個過程氫氣從邊界層中擴(kuò)散到鈀膜表面；氫氣在膜表面分解成氫原子；氫原子被鈀膜溶解；氫原子在鈀膜中從高壓側(cè)擴(kuò)散到低壓側(cè)；氫原子在鈀膜低壓側(cè)重新合成為氫分子；氫氣擴(kuò)散離開膜表面。根據(jù)上述理論，氫氣在鈀膜中的穿透率與膜的溫度，厚度，合金成分，以及氫氣在膜兩側(cè)的分壓有關(guān)，并可用Sievert，s law來表達(dá)
式中
氣體常數(shù)；r:溫度；A膜面積；丄膜厚度；￡:活化能；/V氫氣高壓側(cè)分壓;戶/:氫氣低壓側(cè)分壓;w:壓力指數(shù);k指數(shù)函數(shù)前系數(shù)；透過率。中國實用新型專利(申請?zhí)?00720060238.9)公開了一種利用小尺度通道傳熱的快速啟動鈀膜組件，包括膜支撐框架、多孔金屬支撐片及鈀合金膜，兩多孔金屬支撐片及鈀合金膜分別依次位于含膜支撐框架的兩側(cè)，其特征在于，所述膜支撐框架內(nèi)含被凈化氫氣氣流通道和小尺度通道，所述小尺度通道為穿行于膜支撐框架內(nèi)部的一個加熱用的氣體的流通通道，其截面為矩形，截面尺寸0.2-1.0毫米X 0.2-1.0毫米，連接小尺度通道的通道入口和出口設(shè)在含膜支撐框架上；支撐片上氫氣氣流通道為矩形齒狀，氣體導(dǎo)出口設(shè)置在支撐框架上端，與氣流通道連通。所述的矩形齒狀氫氣氣流通道寬度為3-5毫米，通道之間的膜支撐框架的寬度為3-5毫米，支撐框架l為不銹鋼制成；支撐框架1與燒結(jié)金屬支撐片4采用焊接連接，鈀合金膜采用鈀銀合金膜，膜的厚度為10-50微米。合金膜與金屬支撐框架及燒結(jié)金屬支撐片之間采取金屬擴(kuò)散的方法密封連接在一起，或者采用法蘭將鈀合金膜的邊緣與金屬支撐框架通過壓力密封在一起。
鈀膜的適宜操作溫度一般為450—600。C，溫度過低，鈀膜的透過率低；溫度過高，膜的壽命受影響。碳?xì)浠衔镏茪涞倪m宜溫度往往有別于鈀膜的適宜操作溫度。例如天然氣水蒸汽重整制氫的典型操作溫度為800—900。C，所以在目前的將鈀膜氫氣分離耦合于天然氣重整過程一步法生產(chǎn)高純度氫氣的工藝中，如果采用上述專利技術(shù)所加工的膜組件，由于膜表面沒有任何隔熱層，直接暴露于天然氣重整制氫的反應(yīng)環(huán)境中，膜的溫度必然與制氫的反應(yīng)溫度相同。為了保證膜的透氫性能和壽命，必須將天然氣重整的溫度降低到600°C以下，其代價是天然氣重整的平衡轉(zhuǎn)化率的降低。再比如甲醇重整制氫，典型的操作溫度為200—300°C，低于鈀膜的適宜工作溫度，如果采用上述專利技術(shù)所加工的膜組件，則必須把甲醇重整制氫的操作溫度提高到膜的適宜操作溫度450°C以上，所以目前尚未有將甲醇重整制氫與鈀膜分離過程耦合的報道。

實用新型內(nèi)容
在目前的鈀膜分離氫氣的應(yīng)用中，當(dāng)其與氫氣生產(chǎn)過程耦合時，含氫合成氣生產(chǎn)的反應(yīng)溫度必須與鈀膜的運行溫度相同，這極大地限制了鈀膜的應(yīng)用范圍。本實用新型為克服上述鈀膜應(yīng)用得缺陷，提供了一種膜運行溫度可異于合成氣生產(chǎn)反應(yīng)溫度的應(yīng)用小尺度通道換熱與陶瓷隔熱的鈀膜組件。
本實用新型提出一個新的鈀膜應(yīng)用概念在鈀膜組件的外側(cè)增加一層多孔
陶瓷板作為隔熱層，當(dāng)氫氣生產(chǎn)側(cè)的反應(yīng)溫度高于鈀膜的適宜操作溫度(450一600T)時，氫氣生產(chǎn)的反應(yīng)溫度不必降低到膜的適宜操作溫度區(qū)間，而在膜組件的小尺度通道中通入低溫氣體，帶走從床層傳過來的熱量，維持膜的操作溫度在其適宜范圍。當(dāng)氫氣生產(chǎn)側(cè)的反應(yīng)溫度低于鈀膜的適宜操作溫度(450一60(TC)時，氫氣生產(chǎn)的反應(yīng)溫度維持在其適宜的溫度區(qū)間，在膜組件的小尺度通道中通入高溫流體，既向床層傳熱以維持吸熱反應(yīng)，同時維持膜的操作溫度在其適宜范圍。
本實用新型目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)
一種應(yīng)用小尺度通道換熱與陶瓷隔熱的鈀膜組件，包括膜支撐框架、多孔金屬支撐片和鈀膜，在膜支撐框架的兩側(cè)從內(nèi)到外依次設(shè)有多孔金屬支撐片及鈀膜，所述膜支撐框架內(nèi)含被凈化氫氣氣流通道和小尺度通道，所述小尺度通道為穿行于膜支撐框架內(nèi)部的一個加熱用氣體流通通道，其截面為矩形，截面尺寸0.2-1.0毫米X 0.2-1.0毫米，連接小尺度通道的通道入口和出口設(shè)在含膜支撐框架上；膜支撐框架氫氣氣流通道為位于膜支撐框架中心兩個對稱的矩形齒狀組合，通道寬度為3-5毫米，通道之間的膜支撐框架寬度為3-5毫米，氣體導(dǎo)出口設(shè)置在支撐框架上端，與氣流通道連通；在兩鈀膜外側(cè)分別設(shè)有陶瓷隔熱層。
為進(jìn)一步是實現(xiàn)本實用新型目的，所述陶瓷隔熱層覆蓋鈀膜，并通過螺栓固定在膜支撐框架上。所述螺栓為4個，分別設(shè)置在膜支撐框架與陶瓷隔熱層的四個邊角上。所述陶瓷隔熱層長度和寬度與膜支撐框架相同。
所述的陶瓷隔熱層長度和寬度與膜支撐框架相同，厚度為0.5-2毫米。與支撐框架四周的圓孔的位置相對應(yīng)，隔熱層的靠近四個角處開有圓孔和長條孔，用于采用螺栓將陶瓷隔熱層固定在膜組件上。長條孔可以使陶瓷隔熱層在長度方向上有一定的伸縮度，以防止陶瓷的熱脹冷縮破壞其結(jié)構(gòu)。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，有以下優(yōu)點
(1) 利用小尺度通道內(nèi)的高溫或低溫(相對于組件外的介質(zhì)溫度)流體的流動傳熱以及陶瓷層的隔熱作用，可使膜的運行溫度異于組件外介質(zhì)的工作溫度，從而保證既使膜在其最佳運行溫度下運行，又使組件外的制氫過程在其最佳溫度下反應(yīng)。
(2) 膜組件啟動時，利用熱流體在小尺度通道內(nèi)的流動傳熱可以快速使鈀膜組件升溫至所需要的工作溫度(一般為450-600aC);
(2) 小尺度換熱通道的存在降低了鈀膜組件的金屬含量，進(jìn)一步減少了材料消耗及膜組件的熱容量；
(3) 利用厚度低至10微米的鈀膜，可提純分離高純度氫氣，且氫氣透過率大。
本實用新型所述的鈀膜，指鈀及其合金膜，如鈀銀合金膜，鈀銅合金膜等。


圖1為應(yīng)用小尺度通道換熱與陶瓷隔熱的鈀膜組件結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1中A-A向剖視圖；圖3為圖1中B-B向剖視圖；圖4為支撐框架剖面示意圖
圖5為燒結(jié)金屬支撐片與支撐框架的連接示意圖；圖6為鈀膜在支撐框架上的位置示意圖；圖7為陶瓷隔熱層的示意圖；圖8為圖7中C-C向剖視圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實例對本實用新型做進(jìn)一步說明。需要說明的是，所舉的實例，其作用只是進(jìn)一步說明本實用新型的技術(shù)特征，而不是限定本實用新型。
如圖1-6所示， 一種應(yīng)用小尺度通道換熱與陶瓷隔熱的鈀膜組件由內(nèi)向外依次由以下幾部分組成膜支撐框架l、多孔金屬支撐片4 (數(shù)量2片)、鈀膜5(數(shù)量2片)，陶瓷隔熱層9(數(shù)量2片)。膜支撐框架l為一不銹鋼框架，其主要作用包括A)為透過過鈀膜5及燒結(jié)金屬片4的氫氣提供一個流通的通道2; B)為燒結(jié)金屬片4提供支撐，以承受合成氣側(cè)的氣體高壓(一般為l-3MPa); C)內(nèi)含小尺度通道3，在通道3內(nèi)流動的高溫或低溫(相對于鈀膜組件外合成氣的溫度)流體為控制鈀膜溫度在其適宜操作溫度提供一個熱源或冷源。小尺度通道3為穿行于整個膜支撐框架1內(nèi)部的加熱或冷卻用氣體流通通道，其截面為矩形，截面尺寸0.2-1.0毫米X 0.2-1.0毫米，連接小尺度通道3的通道入口 6和出口 7設(shè)在膜支撐框架1上端左右兩側(cè)；膜支撐框架1氫氣氣流通道2為位于膜支撐框架1中心兩個對稱的矩形齒狀組合，通道寬度為3-5毫米，通道之間的膜支撐框架寬度為3-5毫米，氣體導(dǎo)出口 8設(shè)置在支撐框架1上端，與氣流通道2連通。支撐框架1靠近四角處開圓孔10，用于用螺栓固定膜組件外側(cè)的陶瓷隔熱層9。
多孔金屬支撐片4為燒結(jié)金屬不銹鋼，其作用是A)燒結(jié)金屬片內(nèi)的孔隙為透過鈀膜5的氫氣提供了一個流向通道2的通道；B)為其上的鈀膜5提供支撐，承受合成氣側(cè)的氣體高壓(一般為1-3 MPa)。支撐框架1與燒結(jié)金屬支撐片4采用焊接連接。
鈀膜5采用鈀及其合金膜，膜的厚度為10-50微米。鈀膜5與金屬支撐框架1及燒結(jié)金屬支撐片4之間可以采取金屬擴(kuò)散的方法密封連接在一起，該方法是將該組件置于高溫高壓環(huán)境下，使得鈀膜合金的分子與金屬支撐框架的分子互相擴(kuò)散，從而使鈀膜與支撐框架緊密貼附在一起。
陶瓷隔熱層9的結(jié)構(gòu)如圖7-8所示。其長度和寬度與膜支撐框架相同，厚度0.5-2毫米。與支撐框架1四周的圓孔10的位置相對應(yīng)，陶瓷隔熱層9的四周開有圓孔11和長條孔12，用于采用螺栓將陶瓷隔熱層9固定在膜組件上。長條孔12可以使陶瓷隔熱層在長度方向上有一定的伸縮度，以防止陶瓷的熱脹冷縮破壞其結(jié)構(gòu)。
預(yù)熱膜組件時，通過小尺度通道入口 6在小尺度通道3內(nèi)通入高溫氣體，利用高溫氣體在小尺度通道3內(nèi)的流動向支撐框架1傳熱，使其升溫，高溫氣體傳熱完畢后，通過出口7流出小尺度通道3。該膜組件耦合于制氫反應(yīng)器中 一步法生產(chǎn)高純氫氣的時候，如果制氫反應(yīng)的適宜溫度高于膜的適宜操作溫度
(450-600QC)，如天然氣水蒸汽重整過程，其適宜的反應(yīng)溫度為700-800 0C， 此時可向小尺度通道3內(nèi)通入低溫水蒸汽，由于陶瓷隔熱層9具有較低的導(dǎo)熱 系數(shù)，則在陶瓷隔熱層9的兩側(cè)形成一個較大的溫度梯度，使得其外側(cè)(靠 近重整反應(yīng)側(cè))為適宜重整反應(yīng)的700-800。C，而內(nèi)側(cè)(靠近鈀膜側(cè))則為適 宜膜分離的450-600°C，以保證鈀膜5處的操作溫度仍然維持在450-600°C。 如果制氫反應(yīng)的適宜溫度低于膜的適宜操作溫度(450-600°C)，如甲醇水蒸汽 重整過程，其適宜的反應(yīng)溫度為200-300°C，此時可向小尺度通道3內(nèi)通入高 溫流體，由于陶瓷隔熱層9具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，則在陶瓷隔熱層9的兩側(cè)形 成一個較大的溫度梯度，使得其內(nèi)側(cè)(靠近鈀膜側(cè))為適宜膜分離的450-600。C， 其外側(cè)(靠近重整反應(yīng)側(cè))為適宜重整反應(yīng)的200-300°C，以保證鈀膜5處的 操作溫度仍然
權(quán)利要求1、一種應(yīng)用小尺度通道換熱與陶瓷隔熱的鈀膜組件，包括膜支撐框架、多孔金屬支撐片和鈀膜，在膜支撐框架的兩側(cè)從內(nèi)到外依次設(shè)有多孔金屬支撐片及鈀膜，所述膜支撐框架內(nèi)含被凈化氫氣氣流通道和小尺度通道，所述小尺度通道為穿行于膜支撐框架內(nèi)部的一個加熱用氣體流通通道，其截面為矩形，截面尺寸0.2-1.0毫米×0.2-1.0毫米，連接小尺度通道的通道入口和出口設(shè)在含膜支撐框架上；膜支撐框架氫氣氣流通道為位于膜支撐框架中心兩個對稱的矩形齒狀組合，通道寬度為3-5毫米，通道之間的膜支撐框架寬度為3-5毫米，氣體導(dǎo)出口設(shè)置在支撐框架上端，與氣流通道連通；其特征在于在兩鈀膜外側(cè)分別設(shè)有陶瓷隔熱層。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用小尺度通道換熱與陶瓷隔熱的鈀膜組 件，其特征在于所述陶瓷隔熱層覆蓋鈀膜，并通過螺栓固定在膜支撐框架上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種應(yīng)用小尺度通道換熱與陶瓷隔熱的鈀膜組 件，其特征在于所述螺栓為4個，分別設(shè)置在膜支撐框架與陶瓷隔熱層的四 個邊角上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用小尺度通道換熱與陶瓷隔熱的鈀膜組件，其特征在于所述陶瓷隔熱層長度和寬度與膜支撐框架相同。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l-4任一項所述的一種應(yīng)用小尺度通道換熱與陶瓷隔熱 的鈀膜組件，其特征在于所述陶瓷隔熱層厚度為0.5-2毫米。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用小尺度通道換熱與陶瓷隔熱的鈀膜組 件，其特征在于所述陶瓷隔熱層隔熱層靠近四個角處上下端分別開有圓孔和長條孔。
專利摘要本實用新型公開了一種應(yīng)用小尺度通道換熱與陶瓷隔熱的鈀膜組件，在膜支撐框架的兩側(cè)從內(nèi)到外依次設(shè)有多孔金屬支撐片及鈀膜，膜支撐框架內(nèi)含被凈化氫氣氣流通道和小尺度通道，小尺度通道為穿行于膜支撐框架內(nèi)部的一個加熱用氣體流通通道，其截面為矩形，連接小尺度通道的通道入口和出口設(shè)在含膜支撐框架上；膜支撐框架氫氣氣流通道為位于膜支撐框架中心兩個對稱的矩形齒狀組合，在兩鈀膜外側(cè)分別設(shè)有陶瓷隔熱層。該組件利用小尺度通道內(nèi)的高溫或低溫，流體的流動傳熱以及陶瓷層的隔熱作用，可使膜的運行溫度異于組件外介質(zhì)的工作溫度，從而保證既使膜在其最佳運行溫度(一般為450-600℃)下運行，又使組件外的制氫過程在其最佳溫度下。
文檔編號C01B3/50GK201301224SQ200820050699
公開日2009年9月2日 申請日期2008年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月15日
發(fā)明者葉根銀, 解東來 申請人:華南理工大學(xué)