本發(fā)明屬于膜分離領(lǐng)域，具體涉及用于基于金屬中空纖維透氫膜的脫氫提純粗氦氣的方法。

背景技術(shù)：

1、隨著科技的發(fā)展，超純氣體在半導(dǎo)體制造、光纖生產(chǎn)、科研實(shí)驗(yàn)以及醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。超純氦氣因其具有低的熱導(dǎo)率、高的化學(xué)惰性以及優(yōu)異的滲透性能，成為這些領(lǐng)域中不可或缺的重要?dú)怏w。

2、氦氣的主要來源是天然氣精制過程中的副產(chǎn)品粗氦氣。在液化天然氣(lng)的生產(chǎn)過程中，會(huì)使用氮?dú)馀懦鈫卧?nru)來去除天然氣中的氮?dú)?-195.8℃)，以提高甲烷的純度。沸點(diǎn)較低的氣體如氦氣(-268.93℃)、氫氣(-252.8℃)會(huì)在nru的低溫條件下與氮?dú)庖黄鸨粷饪s并排出，成為副產(chǎn)的粗氦氣(70～85vol％he-15～30vol％h2)。

3、由于氦氣與氫氣的分子尺寸、沸點(diǎn)等性質(zhì)都非常相似，導(dǎo)致傳統(tǒng)的分離技術(shù)，如低溫精餾、變壓吸附等，難以實(shí)現(xiàn)高效的選擇性分離。

4、傳統(tǒng)的氦氣提純工藝中，通常采用催化氧化脫氫的方法來分離氫氣和氦氣。如果在較高的氫氣濃度下(＞3％)直接引入氧氣進(jìn)行氫氣的催化氧化，會(huì)引起溫度急劇上升并使氫氧混合氣達(dá)到爆炸極限，對(duì)操作安全構(gòu)成重大威脅。因此，傳統(tǒng)的催化氧化脫氫工藝中通常會(huì)引入稀釋氣體以減少氫氣濃度后再進(jìn)行氧化脫氫。但這種方法需要在提純過程的后期增加額外的分離裝置，以去除稀釋氣體，工藝復(fù)雜。另外，后期的稀釋氣分離也降低了氦氣的整體回收率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明旨在提供一種用于脫氫提純粗氦氣的金屬中空纖維透氫膜反應(yīng)器。

2、另一方面，本發(fā)明還提供一種基于金屬中空纖維透氫膜的脫氫提純粗氦氣的方法，其由耗氫反應(yīng)驅(qū)動(dòng)，能單步直接脫除氫氣至符合安全催化氧化濃度標(biāo)準(zhǔn)。該方法具有較低的能耗與設(shè)備成本，較高的分離效率以及100％的氦氣回收率，同時(shí)將副產(chǎn)氫制備成合成氣或其他化工產(chǎn)品，具有重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。

3、又一方面，本發(fā)明還提供一種金屬中空纖維透氫膜反應(yīng)器用于脫氫提純粗氦氣的用途。

4、本發(fā)明提供下述的技術(shù)方案。

5、[1].一種用于脫氫提純粗氦氣的金屬中空纖維透氫膜反應(yīng)器，其含有金屬中空纖維透氫膜及外殼，前述外殼包圍前述金屬中空纖維透氫膜的四周，

6、前述外殼與前述金屬中空纖維透氫膜之間具有作為用于充入粗氦氣的空間的截留側(cè)，前述金屬中空纖維透氫膜的中空內(nèi)腔為作為反應(yīng)區(qū)的滲透?jìng)?cè)，

7、前述外殼上具有粗氦氣進(jìn)口、提純氦氣出口、反應(yīng)氣體進(jìn)口以及反應(yīng)產(chǎn)物出口，

8、前述粗氦氣進(jìn)口為前述截留側(cè)的進(jìn)口，前述提純氦氣出口為前述截留側(cè)的出口，

9、前述反應(yīng)氣體進(jìn)口為前述滲透?jìng)?cè)的進(jìn)口，前述反應(yīng)產(chǎn)物出口為前述滲透?jìng)?cè)的出口。

10、[2].根據(jù)[1]所述的金屬中空纖維透氫膜反應(yīng)器，其中，前述粗氦氣進(jìn)口、前述提純氦氣出口、前述反應(yīng)氣體進(jìn)口以及前述反應(yīng)產(chǎn)物出口均安裝有換熱部件。

11、[3].根據(jù)[1]所述的金屬中空纖維透氫膜反應(yīng)器，其中，前述外殼為金屬、石英或者陶瓷。

12、[4].一種脫氫提純氦氣的方法，其使用[1]～[3]的任一項(xiàng)所述的金屬中空纖維透氫膜反應(yīng)器，前述方法包括以下步驟：

13、氫氣分壓差產(chǎn)生步驟：將反應(yīng)氣體從前述金屬中空纖維透氫膜的反應(yīng)氣體進(jìn)口引入并吹掃前述滲透?jìng)?cè)從而在前述截留側(cè)與前述滲透?jìng)?cè)之間產(chǎn)生跨膜氫氣分壓差；

14、氫氣分離步驟：將作為原料的粗氦氣預(yù)熱后從前述金屬中空纖維透氫膜的粗氦氣進(jìn)口引入到前述截留側(cè)，在前述跨膜氫氣分壓差的驅(qū)動(dòng)下前述粗氦氣中的氫氣透過前述金屬中空纖維透氫膜進(jìn)入到前述滲透?jìng)?cè)與前述反應(yīng)氣體反應(yīng)從而將前述粗氦氣提純，從截留側(cè)的出口排出提純氦氣，前述氫氣分離步驟中前述氫氣與前述反應(yīng)氣體的反應(yīng)溫度為700～1000℃。

15、[5].根據(jù)[4]所述的脫氫提純氦氣的方法，其中，前述氫氣分壓差產(chǎn)生步驟中的引入的前述反應(yīng)氣體為co2、苯、甲苯或者不飽和醛。

16、[6].根據(jù)[4]所述的脫氫提純氦氣的方法，其中，前述氫氣分壓差產(chǎn)生步驟中的引入的前述反應(yīng)氣體的流速為0.01～50l/h，溫度為700～1000℃，壓力為常壓。

17、[7].根據(jù)[4]所述的脫氫提純氦氣的方法，其中，前述氫氣分離步驟中加入的作為原料的前述粗氦氣中氫氣的體積百分比為15～30vol％。

18、[8].根據(jù)[4]所述的脫氫提純氦氣的方法，其中，前述氫氣分離步驟中引入的前述粗氦氣的流速為0.01～50l/h，壓力為0.01～30mpa，溫度為700～1000℃。

19、[9].根據(jù)[4]所述的脫氫提純氦氣的方法，其中，經(jīng)過前述氫氣分離步驟從截留側(cè)的出口排出的提純氦氣中氫氣的體積濃度為3％以下。

20、[10].[1]～[3]的任一項(xiàng)所述的金屬中空纖維透氫膜反應(yīng)器用于脫氫提純粗氦氣的用途。

21、發(fā)明效果

22、本發(fā)明的用于脫氫提純粗氦氣的金屬中空纖維透氫膜反應(yīng)器能通過一步反應(yīng)直接將粗氦氣中的氫氣脫除至符合催化氧化濃度標(biāo)準(zhǔn)即3vol％以下，從而避免了復(fù)雜且高能耗的分離過程，解決了傳統(tǒng)技術(shù)中難以高效選擇性分離氫氣與氦氣的問題。

23、本發(fā)明的脫氫提純粗氦氣的方法利用金屬中空纖維透氫膜對(duì)氫氣的選擇性，能實(shí)現(xiàn)去除氫氣的同時(shí)不透過氦氣，從而在提純過程中不會(huì)有氦氣損失，實(shí)現(xiàn)了100％的氦氣回收率。通過本發(fā)明的脫氫提純粗氦氣的方法，能夠?qū)⒑?5％～30vol％h2的粗氦氣中的氫氣濃度降至3％以下，從而能夠直接引入o2在催化氧化系統(tǒng)中去除殘余的氫氣，由此能夠提高整個(gè)提純系統(tǒng)的效率。

技術(shù)特征：

1.一種用于脫氫提純粗氦氣的金屬中空纖維透氫膜反應(yīng)器，其特征在于，其含有金屬中空纖維透氫膜及外殼，所述外殼包圍所述金屬中空纖維透氫膜的四周，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬中空纖維透氫膜反應(yīng)器，其中，所述粗氦氣進(jìn)口、所述提純氦氣出口、所述反應(yīng)氣體進(jìn)口以及所述反應(yīng)產(chǎn)物出口均安裝有換熱部件。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬中空纖維透氫膜反應(yīng)器，其中，所述外殼為金屬、石英或者陶瓷。

4.一種脫氫提純氦氣的方法，其特征在于，其使用權(quán)利要求1～3的任一項(xiàng)所述的金屬中空纖維透氫膜反應(yīng)器，所述方法包括以下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的脫氫提純氦氣的方法，其中，所述氫氣分壓差產(chǎn)生步驟中的引入的所述反應(yīng)氣體為co2、苯、甲苯或者不飽和醛。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的脫氫提純氦氣的方法，其中，所述氫氣分壓差產(chǎn)生步驟中的引入的所述反應(yīng)氣體的流速為0.01～50l/h，溫度為700～1000℃，壓力為常壓。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的脫氫提純氦氣的方法，其中，所述氫氣分離步驟中加入的作為原料的所述粗氦氣中氫氣的體積百分比為15～30vol％。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的脫氫提純氦氣的方法，其中，所述氫氣分離步驟中引入的所述粗氦氣的流速為0.01～50l/h，壓力為0.01～30mpa，溫度為700～1000℃。

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的脫氫提純氦氣的方法，其中，經(jīng)過所述氫氣分離步驟從截留側(cè)的出口排出的提純氦氣中氫氣的體積濃度為3％以下。

10.權(quán)利要求1～3的任一項(xiàng)所述的金屬中空纖維透氫膜反應(yīng)器在用于脫氫提純粗氦氣中的用途。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及用于脫氫提純粗氦氣的金屬中空纖維透氫膜反應(yīng)器、脫氫提純氦氣的方法以及金屬中空纖維透氫膜反應(yīng)器用于脫氫提純粗氦氣的用途。金屬中空纖維透氫膜反應(yīng)器含有金屬中空纖維透氫膜及外殼，所述外殼包圍所述金屬中空纖維透氫膜的四周，所述外殼與所述金屬中空纖維透氫膜之間具有作為用于充入粗氦氣的空間的截留側(cè)，所述金屬中空纖維透氫膜的中空內(nèi)腔為作為反應(yīng)區(qū)的滲透?jìng)?cè)。本發(fā)明的用于脫氫提純粗氦氣的金屬中空纖維透氫膜反應(yīng)器能通過一步反應(yīng)直接將粗氦氣中的氫氣脫除至符合催化氧化濃度標(biāo)準(zhǔn)即3vol％以下，從而避免了復(fù)雜且高能耗的分離過程，解決了傳統(tǒng)技術(shù)中難以高效選擇性分離氫氣與氦氣的問題。

技術(shù)研發(fā)人員：王志剛,胡志飛,譚小耀,王明明
受保護(hù)的技術(shù)使用者：滄州市天津工業(yè)大學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17