Мембранный узел для выделения водорода из смеси газов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МЕМБРАННЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ ВОДОРОДА ИЗ СМЕСИ ГАЗОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Байков Валентин Иванович Сидорович Татьяна Викторовна Германович Сергей Павлович Зновец Петр Кириллович Коляго Наталья Владимировна Глеб Владимир Константинович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Мембранный узел для выделения водорода из смеси газов, содержащий две мембраны, установленные между двумя фланцами, элементы крепления, стягивающие фланцы, уплотнительные прокладки, а также нагреватель, расположенный между мембранами,патрубки для подвода смеси газов и отвода выделенного чистого водорода, отличающийся тем, что верхний фланец выполнен в виде цилиндрического корпуса и герметично соединен с нижним фланцем, в котором установлены теплоизолированные токовводы, связанные с источником электрического питания и нагревателем мембраны выполнены из тонкостенной никелевой трубы, покрытой слоем палладия, один конец мембран снабжен герметично 76902011.10.30 закрепленными резьбовыми втулками, связанными с соответствующими резьбовыми отверстиями нижнего фланца, а на другом их конце установлены заглушки, причем центральные отверстия мембран сообщены с полостью в нижнем фланце, которая, в свою очередь, радиальным отверстием связана с патрубком отвода выделенного чистого водорода, а стенки корпуса верхнего фланца снабжены патрубком отвода ретентата и соединены трубопроводом с холодильником и манометром. 2. Мембранный узел по п. 1, отличающийся тем, что патрубок подвода смеси газа расположен в боковой стенке корпуса верхнего фланца, причем патрубок подвода смеси газа и патрубок отвода ретентата снабжены регулировочными кранами. 3. Мембранный узел по п. 1 или 2, отличающийся тем, что на опорной поверхности нижнего фланца выполнен кольцевой зуб, а на опорной поверхности корпуса верхнего фланца выполнена кольцевая канавка, соответствующая профилю зуба.(56) 1. Дытнерский Ю.И., Брыков В.П., Каграманов Г.Г. Мембранное разделение газов. . Химия, 1991. - 344 с. 2. Байков В.И., Белицкий В.Ф., Германович С.П., Зновец П.К., Примак Н.В., Сидорович Т.В. Мембранное отделение водорода от оксида углерода. - Минск, 2008. - 49 с. 3. А.с. СССР 1611421, МПК 01 63/00, 1989. 4. Патент РФ 2126290, МПК 01 63/00, 1996. Полезная модель относится к процессам мембранного разделения газов, в частности выделения и получения чистого водорода из смеси газов, содержащих водород, например синтез-газа, и может найти применение в химической, нефтегазовой и электронной отраслях промышленности. Известно, что синтез-газ является смесью газов, одним из наиболее распространенных водородосодержащих топлив, представляющих собой смесь водорода, оксида углерода и других газов 1. Синтез-газ получают в процессе газификации угля, биомассы, конверсии водяного пара и др. Примерный состав синтез-газа может быть таким, мас.водород 24-27 азот 53,6-55,3 метан 3,2-4,4 оксид углерода 13,3-14,3. Из синтез-газа получают очищенный водород. Используют для этого полимерные, металлические, углеродные или керамические мембраны, обладающие свойствами селективной проницаемости компонентов газовой смеси. Для разделения смеси газов используют мембранные узлы. Смесь газов под давлением подается в узел. Проникая через поры мембраны, из смеси газов выделяется компонент в зависимости от коэффициента проницаемости и селективности мембраны 2. Этот компонент носит название пермеат, а смесь газов, освобожденная от пермеата, называется ретентат. Важным условием, предъявляемым к конструкции мембранных узлов для разделения смеси газов, является поддержание температуры в пределах 200-600 С и давления в диапазоне 0,2-0,6 МПа внутри мембранного узла, в зависимости от материала мембраны, для обеспечения оптимального режима разделения газов. Это накладывает повышенные требования к обеспечению герметичности мембранного узла и сохранению формы и геометрии мембраны. Известен мембранный разделительный узел 3, содержащий гофрированные мембраны, изготовленные из палладия или его сплавов и установленные на рамках, образующих кольцевой коллектор для отвода чистого водорода, и газопроницаемый разделитель мем 2 76902011.10.30 бран. Недостатком этого узла является отсутствие возможности многократной разборки и очистки узла, а также замены мембран, так как использовано сварное соединение мембран. Это ограничивает ресурс работы мембранного узла. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, принятым за прототип,является мембранный узел для разделения газов 4. Указанный мембранный узел служит для выделения очищенного водорода из водородсодержащей газовой смеси и содержит две мембраны из палладия или его сплавов, закрепленные элементами крепления между двумя фланцами, снабженными уплотнительными прокладками, а также патрубками для подвода водородсодержащего газа и отвода чистого водорода, и нагреватель. Уплотняющие элементы фланцев выполнены в виде кругового зуба на одном фланце и канавки соответствующего профиля на другом, между которыми установлена медная уплотнительная прокладка. Мембранный узел работает следующим образом. Вначале он разогревается нагревателем до заданной температуры, а затем водородсодержащая смесь газов под давлением подается в узел с одной стороны мембраны. Выделенный чистый водород(пермеат) проходит через поры мембраны, собирается с другой стороны мембраны и удаляется через патрубок отвода водорода. Недостатком данного мембранного узла является деформация стыка мембраны и уплотнительной прокладки при стягивании фланцев крепежными деталями, что ограничивает ресурс использования мембраны. Кроме того, деформация мембраны от сдавливания зуба приводит к утонению материала мембраны на участке возле зуба. Поскольку процесс разделения газовой смеси сопровождается неоднократным нагреванием мембраны до температуры 200-600 С и охлаждением до комнатной температуры в условиях избыточного давления газа до 0,6 МПа, в мембране возникают внутренние напряжения, которые со временем приводят к ее разрушению. Задачей предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции мембранного узла и повышение надежности и долговечности его работы. Задача решается следующим образом. Известный мембранный узел для выделения водорода из смеси газов содержит две мембраны, установленные между двумя фланцами, элементы крепления, стягивающие фланцы, уплотнительные прокладки, а также нагреватель, расположенный между мембранами, патрубки для подвода смеси газов и отвода выделенного чистого водорода. Согласно предлагаемому техническому решению, верхний фланец выполнен в виде цилиндрического корпуса и герметично соединен с нижним фланцем, в котором установлены теплоизолированные токовводы, связанные с источником электрического питания и нагревателем. Мембраны выполнены из тонкостенной никелевой трубы, покрытой слоем палладия, один конец которых снабжен герметично закрепленными резьбовыми втулками,связанными с соответствующими резьбовыми отверстиями нижнего фланца, а на другом конце мембран установлены заглушки. Причем центральные отверстия мембран сообщены с полостью в нижнем фланце, которая, в свою очередь, радиальным отверстием связана с патрубком отвода выделенного чистого водорода, а стенки корпуса верхнего фланца снабжены патрубком отвода ретентата и соединены трубопроводом с холодильником и манометром. Кроме того, патрубок подвода смеси газов расположен в боковой стенке корпуса верхнего фланца, причем патрубок подвода смеси газов и патрубок отвода ретентата снабжены регулировочными кранами. На опорной поверхности нижнего фланца выполнен кольцевой зуб, а на опорной поверхности корпуса верхнего фланца выполнена кольцевая канавка, соответствующая профилю зуба. Таким образом, выполнение мембран из тонкостенной никелевой трубы с нанесенным на нее слоем палладия, размещение на конце мембран резьбовой втулки, конструктивное выполнение верхнего фланца, система подачи газовой смеси и отвода выделенного чисто 3 76902011.10.30 го водорода упрощает конструкцию мембранного узла, экономит время на очистку мембран, их замену, повышает надежность и долговечность мембранного узла. На фиг. 1 показан общий вид мембранного узла в разрезе. На фиг. 2 показано расположение радиального отверстия с патрубком отвода выделенного чистого водорода. Предлагаемый мембранный узел для выделения водорода из смеси газов состоит из двух мембран 1, выполненных из тонкостенных никелевых труб, покрытых слоем палладия. Нижние концы мембран снабжены герметично прикрепленными (например, припаянными) к ним резьбовыми втулками 2 для присоединения их к нижнему фланцу 3,снабженному двумя соответствующими резьбовыми отверстиями, с уплотнительными кольцами 4, выполненными из пластичного металла (например, меди). На верхнем конце мембран 1 установлены заглушки 5 для предотвращения утечки очищенного водорода через центральное отверстие 6 мембран. Отверстия 6 сообщаются с полостью 7, которая образована нижним фланцем 3 и герметично прикрепленным к нему (например, приваренным) вкладышем 8. Полость 7, посредством радиального отверстия 9 (фиг. 2), выполненного в нижнем фланце 3, связана с патрубком 10 для сбора и отвода выделенного чистого водорода наружу. Опорная поверхность нижнего фланца 3 снабжена уплотнительным элементом в виде кольцевого зуба 11, который через уплотнительную прокладку 12, крепежными элементами 13 скреплен с опорной поверхностью верхнего фланца 14,выполненного в виде цилиндрического корпуса. Опорная поверхность корпуса верхнего фланца 14 снабжена кольцевой канавкой 15, соответствующей профилю кольцевого зуба 11. В центре корпуса верхнего фланца 14 расположен нагреватель 16, соединенный металлическими контактами 17 и проводником 18 с теплоизолированными токовводами 19, установленными в нижнем фланце 3. Соединительными проводниками 20 токовводы 19 связаны с источником электрического питания (на фиг. 1 и 2 не показан) для обеспечения заданной температуры мембран 1. В боковых стенках корпуса верхнего фланца 14 установлен патрубок 21 для подачи смеси газов и патрубок 22 для отвода ретентата. Патрубки 21 и 22 снабжены регулировочными кранами 23 и 24 соответственно для поддержания заданного давления в мембранном узле. Корпус верхнего фланца 14 трубопроводом 25 соединен с холодильником 26 для снижения температуры смеси газов перед поступлением ее в манометр 27, установленный на холодильнике 26 для контроля давления газа в мембранном узле. Мембранный узел для выделения водорода из смеси газов работает следующим образом. Предварительно мембранный узел продувают газом (например, аргоном или азотом) в течение нескольких минут для удаления воздуха. Для этого газ поступает в мембранный узел через патрубок 21 и выходит через патрубок 22. При этом краны 23 и 24 открыты. Затем при закрытых кранах 23 и 24 включают источник электрического питания (на фиг. 1 и 2 не показан). Электрический ток по проводникам 20 поступает на теплоизолированные токовводы 19 и от них по металлическим контактам 19 и проводнику 18 - на нагреватель 16. После выхода мембранного узла на заданный температурный режим, в мембранный узел подают смесь газов, например, синтез-газ при открытом кране 23 и закрытом кране 24. Давление в корпусе верхнего фланца 14 растет. Его величину регулируют кранами 23 и 24 и фиксируют манометром 27. Нагретый газ поступает в холодильник 26, связанный с корпусом верхнего фланца 14 трубопроводом 25. Поскольку размер пор, образованных слоем палладия, нанесенным на тонкостенную никелевую трубу, например, гальваническим методом, рассчитан на выделение только чистого водорода, то атомы водорода проходят через стенку мембран и выделенный чистый водород по центральному отверстию 6 мембран 1 поступает в полость 7, расположенную внутри нижнего фланца 3. Из полости 7 водород по радиальному отверстию 9 поступает в патрубок 10 и удаляется из мембранного узла. Поскольку часть синтез-газа выходит из узла, то давление внутри корпуса верхнего фланца 14 снижается и производительность узла падает. Для восстановления заданного 4 76902011.10.30 значения производительности приоткрывают кран 23 и добавляют синтез-газ в мембранный узел. После окончания разделения синтез-газа кран 24 открывают и ретентат удаляют из корпуса верхнего фланца 14. Герметичность мембран 1 обеспечена тем, что резьбовые втулки 2 и заглушки 5 жестко присоединены к мембранам 1 (например, припаяны). Причем резьбовые втулки 2 с усилием прижаты к уплотнительным кольцам 4, размещенным в отверстиях нижнего фланца 3. Герметичность в месте контакта нижнего фланца 3 и корпуса верхнего фланца 14 обеспечена тем, что его опорная поверхность оснащена кольцевым зубом 11, а опорная плоскость корпуса верхнего фланца 14 - канавкой соответствующего профиля с уплотнительными (медными) прокладками 12 между ними. Поэтому при надавливании зуба 11 на прокладку 12 и стягивании между собой нижнего фланца 3 и корпуса верхнего фланца 14 крепежными элементами 13 (например, болтами и гайками) обеспечивается полная герметичность. Расположение мембран 1 в непосредственной близости от нагревателя 16 обеспечивает равномерность нагрева мембран 1, а также возможность быстрой очистки их или замены поврежденных мембран 1. Число мембран 1 может быть увеличено в зависимости от заданной производительности мембранного узла. В качестве нагревателя может быть использована, например, лампа НИИСЦ Саранск КГТ 220-1000-6, обеспечивающая нагревание мембран 1, выполненных из тонкостенной никелевой трубы диаметром 8 мм и длиной 300 мм до температуры 600 С в течение 30 секунд. Процесс выделения водорода происходит при рабочих давлениях 0,2-0,6 МПа. При подаче в мембранный узел синтез-газа под давлением менее 0,2 МПа выделения водорода практически не происходит. Увеличение давления выше 0,6 МПа, учитывая разогрев мембран до 600 С, может привести к деформированию стенки мембран 1 вплоть до ее схлопывания, при котором перекрывается центральное отверстие мембран 1 и сами мембраны 1 выходят из строя. Закрепление мембран 1 в нижнем фланце 3 только одним концом, при свободном от крепления втором конце, не приводит к деформированию мембран 1 (например, к их изгибу) в диапазоне рабочих температур нагрева до 600 С. Таким образом, предлагаемая конструкция мембранного узла упрощает его конструкцию, экономит время на очистку мембран и их замену, повышает надежность и долговечность мембранного узла. Данный мембранный узел может быть использован для разделения и других газовых смесей, содержащих водород. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5