WO2007018444A1 - Hydrogen purification membrane, filtering element and membrane device - Google Patents

Hydrogen purification membrane, filtering element and membrane device Download PDF

Info

Publication number
WO2007018444A1
WO2007018444A1 PCT/RU2005/000407 RU2005000407W WO2007018444A1 WO 2007018444 A1 WO2007018444 A1 WO 2007018444A1 RU 2005000407 W RU2005000407 W RU 2005000407W WO 2007018444 A1 WO2007018444 A1 WO 2007018444A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
hydrogen
membrane
membranes
permeable membrane
protrusions
Prior art date
Application number
PCT/RU2005/000407
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Other versions
WO2007018444A8 (en
Inventor
Dmitry Ippolitovich Slovetskiy
Evgeny Michailovich Chistov
Original Assignee
Dmitry Ippolitovich Slovetskiy
Evgeny Michailovich Chistov
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dmitry Ippolitovich Slovetskiy, Evgeny Michailovich Chistov filed Critical Dmitry Ippolitovich Slovetskiy
Priority to PCT/RU2005/000407 priority Critical patent/WO2007018444A1/en
Priority to RU2008108094/12A priority patent/RU2416460C2/en
Publication of WO2007018444A1 publication Critical patent/WO2007018444A1/en
Publication of WO2007018444A8 publication Critical patent/WO2007018444A8/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/02Inorganic material
    • B01D71/022Metals
    • B01D71/0223Group 8, 9 or 10 metals
    • B01D71/02231Palladium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D53/225Multiple stage diffusion
    • B01D53/227Multiple stage diffusion in parallel connexion
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D63/00Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/08Flat membrane modules
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D63/00Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/08Flat membrane modules
    • B01D63/089Modules where the membrane is in the form of a bag, membrane cushion or pad
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/02Inorganic material
    • B01D71/022Metals
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/501Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion
    • C01B3/503Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion characterised by the membrane
    • C01B3/505Membranes containing palladium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2319/00Membrane assemblies within one housing
    • B01D2319/04Elements in parallel
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2325/00Details relating to properties of membranes
    • B01D2325/06Surface irregularities
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0405Purification by membrane separation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465Composition of the impurity
    • C01B2203/0495Composition of the impurity the impurity being water

Definitions

  • the invention relates to the field of membrane extraction of pure hydrogen from gas mixtures containing hydrogen, and can be used in the electronic, micro - and nanoelectronic, chemical, petrochemical, metallurgical industries, the production of pure materials, hydrogen energy and other industries using high-purity hydrogen (> 99.999 %).
  • Analogs of the invention are membranes, membrane elements (ME) and apparatuses described in articles V.Z. Mordkóvish, Yu.K. Waishtosk, M.N. Sospa, Platipum Metals Rev. 36, p.90-97, 1992 [I]; R.Wuhbaum apt H. Lei, J. Rogue Sugs, 2003. - p. 5467 [2]; Tolchinsky A.P., Sorokin VG, Shishkov G.B., Makarov V.M. Production and use of ultrapure hydrogen. - Sverdlovsk, Ural Branch of the Academy of Sciences of the USSR, 1989. P. 93 [3] and patents, for example: R.
  • membranes and membrane elements are used in the form of capillary tubes with a diameter of 0.8 to 5 mm and a wall thickness of 80-120 ⁇ m [1, 2] from PdAg palladium alloys and Bl-VZ series alloys containing precious alloys other than silver metals, nickel, aluminum and rare-earth elements [l, 2].
  • MEs membranes and membrane elements
  • microplasma welding [3] soldering with various solders [4,5], gluing with high-temperature adhesives [6], diffusion welding [7], and the sealing of ME parts by gluing, argon-arc, laser or microplasma welding [3,5].
  • the extraction of hydrogen from gas mixtures containing from 15 to 99.8% hydrogen is carried out at a temperature of 300-600 0 C and a pressure drop across the membrane from 0.1 to 17 MPa.
  • Membranes and membrane elements are placed in a sealed enclosure, into which a mixture of gases containing hydrogen is supplied through an inlet fitting.
  • tubular elements [1, 2, 4] are hermetically sealed on one side, and pure hydrogen is discharged from the other end, for which they are soldered to tubular or flat collectors - the so-called tube boards.
  • flat membrane elements membranes are directly welded to each other along the perimeter [3], welded or glued to porous substrates [5, 6] or frames made of structural materials [7].
  • the disadvantages of the analogues are the high cost of the precious metal - palladium [1, 3], due to the large thickness and low permeability of the membranes, the low yield for the manufacture of MEs [1, 3] and the insufficient life of the MEs and apparatuses, due to their depressurization due to the difference the coefficients of thermal expansion of palladium alloys and structural materials - usually stainless steel, and to a greater extent due to the high coefficients of thermoconcentration expansion of palladium alloys in a hydrogen atmosphere [8- 10].
  • stamping is carried out by pressing using a hydraulic press at room temperature on Dutch woven nets under a pressure of 100-400 kg / cm 2 [8] lying on a metal or rubber substrate.
  • a double-sided filter element [9] contains two flat disc-shaped palladium alloy membranes, hermetically connected to two ring frames made of stainless steel, representing FEL walls, between which a porous separation element is placed.
  • the frames have mirrored annular corrugations and radial recesses, which, after sealing the two frames around the perimeter, form an annular collector for collection and a round hole for the pipe for removing pure hydrogen, which is hermetically connected to the frames.
  • the outer edge of the separator is located in the collector, without injuring the membrane during assembly, sealing and operation of the ME.
  • straight corrugations are made on the surface of the membranes at an angle of 5 to 30 degrees to the radial direction.
  • the frames having a greater coefficient of thermal expansion than the membranes stretch the membranes, and when the gas mixture contains hydrogen is subsequently expanded, the membranes expand, forming folds, wrinkles due to the large thermoconcentration expansion and other surface irregularities. As the membrane temperature decreases, wrinkles, wrinkles, and other surface irregularities increase even more.
  • the presence of corrugations on the membrane in the absence of communication between the membranes and the porous separator provides damping of tensile and compression stresses of the membranes, partially eliminating warping.
  • the first design is a solid disk, in the middle of which a blind channel is drilled along the radius and a pipe is inserted into it to remove pure hydrogen. Holes (channels for hydrogen removal) perpendicular to its axis were drilled along the length of the channel, communicating with the radial channel, and on both surfaces of the disk there are the flat membranes described above with circular annular corrugations with a cross section in the form of a semicircle, peripherally hermetically connected to the disk so that each corrugation is convex up or down to the surface of the support (disk with channels) above two diametrically opposite holes in the disks.
  • a hydrogen-containing gas mixture is supplied to the surface of the membranes, hydrogen diffuses through the membranes, enters the vertical channels, and through them passes into the radial channel and is discharged through the pipe.
  • the second design also contains the two flat membranes described above, located on two calipers, having round holes in the center, which are hermetically connected to the calipers along the outer perimeter and to the central rings through which the tubular manifold passes to remove pure hydrogen.
  • a hydrogen-containing gas mixture is supplied to the surface of the membranes, hydrogen diffuses through the membranes and enters through vertical corrugated channels in the calipers through the corrugations, and through them passes into the space between the calipers, connected with the internal cavity of the collector and is discharged through it.
  • the third design also contains the two flat membranes described above, located on two calipers with channels perpendicular to their plane, in communication with the pipes for removing pure hydrogen diffused through the membranes.
  • Calipers are tightly connected to each other friend on the periphery.
  • a hydrogen-containing gas mixture is supplied separately to the surface of each of the membranes through two radially diametrically opposite nozzles, hydrogen diffuses through the membrane into the corrugations and is removed from their volume into radial channels in the caliper, enters the radial channel located inside the caliper and nozzle, and the lean gas mixture is discharged from the periphery of the surface of each membrane separately through two diametrically opposed nozzles, the axis of which is perpendicular to the axis of the supply nozzles similar mixture.
  • the disadvantages of the above-described membrane elements are the lack of performance and stability due to the above-described disadvantages of the methods of creating a relief on the surface of the membranes, as well as the complexity of the design and the large dimensions and weight due to the design of the calipers.
  • the main component of the membrane apparatus [10] are filter units, consisting of several of the third type of filter elements described above. Between them are heaters that provide heating of the membranes during the preparation and subsequent operation of the apparatus, thermocouples for temperature control and pressure sensors.
  • a hydrogen-containing gas mixture is supplied separately to each membrane element on the surface of each membrane through two radially diametrically opposed nozzles, hydrogen diffuses through the membranes into the corrugations and is removed from their volume into radial channels in the calipers, and enters the radial channels located inside the calipers and is diverted from each membrane separately through its nozzles, and the lean gas mixture is diverted from the periphery of the surface of each membrane separately through two diametrically opposed falsely located nozzle, the axis of which is perpendicular to the axis of the nozzles for supplying the initial mixture.
  • a modernized design is also described in which the supply of the initial gas mixture containing hydrogen is supplied to each membrane element through two diametrically arranged nozzles to the surface of one of the membranes, and the gas mixture depleted as a result of hydrogen diffusion through this membrane is supplied to the surface of the second membranes, where part of the hydrogen contained in it as a result of diffusion through it passes into the channels of the second part of the membrane element and is discharged through the second pipe of pure hydrogen, and an additional depleted gas mixture is discharged through two similar pipes of the mixture removal from the periphery of the surface of the second membrane.
  • the disadvantages of the above-described designs of membrane apparatuses include the sum of the above-described disadvantages of hydrogen-permeable membranes and filter elements of the prototypes, supplemented by the complex nature of the flow along the surface of each membrane with the formation of stagnant zones due to the supply of the initial mixture through two diametrically oppositely located nozzles for supplying and discharging the lean mixture through two diametrically oppositely located nozzle on the same surface in the first structure or inlet and outlet and gas mixtures on different surfaces of the membranes - in the second.
  • An additional disadvantage of the second design is associated with an additional decrease in the efficiency of hydrogen extraction due to a decrease in the partial pressure of hydrogen above the surface of the second membrane in each membrane element.
  • the objective of the invention is to increase the specific productivity and service life of hydrogen-permeable membranes, filter elements and membrane devices, reduce the size of the membrane devices, the weight and specific costs of palladium for the extraction of pure hydrogen from gas mixtures, simplify the assembly and maintenance of filter units during operation and regeneration of palladium from old filter nodes and devices, increasing their maintainability.
  • the technical result of the invention is to ensure the constancy of the composition, pressure and speed of the feed mixture to the periphery of the surface of all membranes, changes in the radius of the membranes of the velocities and concentrations of all components, including hydrogen, as well as the pressure, composition and flow rate of the lean mixture discharged from the center of the membranes, turbulent vortices in the feed gas stream and accelerate the mixing of the flow, supply and hydrogen removal to and from the membrane surface.
  • a palladium alloy contains one or more elements of I, III, IV and VIII of the Periodic Table of the Elements, and the ratio of the length of the arc L on the surface of the protrusions in their cross section to the length of its projection onto the base area D is in the range from 1.05 to 1 + ⁇ , where ⁇ is the ductility of the membrane material.
  • protrusions are made with a convex surface. And also the fact that these protrusions are made in the form of a spherical, parabolic or ellipsoidal segment.
  • depressions are interconnected. And also because it has a metal frame on the supply side of the gas mixture, hermetically connected to it around the perimeter, the internal size of the frame is smaller, and the external size is larger than the outer size of the membrane. And also the fact that said frame is made of metal with a coefficient of thermal expansion different from the coefficient of thermal expansion of the palladium alloy of which the membrane is made.
  • the specified frame is made of structural material. And also the fact that it is made in the form of a plate with the shape of a flat figure. And also the fact that the plate is made in the form of a circle, ellipse, square or rectangle.
  • a filter element comprising two walls with a separating element placed between them, the gas outlet channels of which are in communication with an annular collector for collecting hydrogen and with a discharge pipe.
  • One of the walls is made in the form of a hydrogen-permeable palladium alloy membrane tightly connected to the frame, and the other wall is made in the same form or in the form of a continuous metal substrate, each hydrogen-permeable membrane is made with a relief outer surface with alternating protrusions and depressions surrounding each protrusion, moreover, the palladium alloy contains one or more elements from groups I 6 , III, IV, and VIII of the Periodic Table of Elements, and the ratio of the maximum protrusion surface length L is the ratio of the arc length L on the protrusion surface in their cross section to the length of its projection onto the base area D to the maximum length of the base of the protrusion D is in the range from 1.05 to 1+ ⁇ , where ⁇ is the ductility of the membrane material, while the separation gas discharge element t is
  • the separating gas outlet element is made in the form of a set of woven grids coated with an inert material, which excludes its welding with membranes in a hydrogen medium, and its linear dimensions are greater than or equal to the linear dimensions of the membrane, but smaller than the linear dimensions of the frame or solid metal substrate .
  • these protrusions of the hydrogen-permeable membrane are made with a convex surface, which faces the supply mixture.
  • protrusions of the hydrogen permeable membrane are made in the form of a spherical, parabolic or ellipsoidal segment. And also the fact that these protrusions of the hydrogen-permeable membrane are evenly distributed over the surface of the membrane.
  • said frame is made of metal with a coefficient of thermal expansion different from the coefficient of thermal expansion of the palladium alloy from which the membranes are made.
  • the specified frame is made of structural material.
  • the hydrogen permeable membrane is made in the form of a plate with the shape of a flat figure.
  • a membrane apparatus comprising a housing with one or more filtering elements located therein with gas exhaust and gas supply elements placed on both sides thereof and having an input of the initial gas mixture, hydrogen and " lean gas mixture, characterized in that it equipped with collectors for the removal of hydrogen and the exhaust of the lean gas mixture, hermetically connected, respectively, with the leads of hydrogen and the lean gas mixture, each filter element in is filled in the form of the filter element described above, the gas outlet elements are made in the form of gas outlet pipes hermetically connected to the exhaust manifold outlet manifold, the gas supply elements are made in the form of deflectors directing the initial gas mixture along the outer surface of the hydrogen-permeable membrane of the filter elements from their periphery to the center, and the outlet pipes of the peripheral annular collectors for collecting hydrogen of the filter elements are hermetically connected to the collector of the hydrogen outlet.
  • the deflector is made of two identical profiled disks fastened to each other along the periphery and made with a central hole, with protrusions on their outer sides, extending from the periphery to the center, and with protrusions on the inner sides of these disks forming the channel in which the exhaust pipe is placed.
  • the deflector is made in the form of a flat disk located in the slot of the gas outlet pipe, extending from the center of the hydrogen-permeable membrane and having an inner diameter greater than the thickness of the disk.
  • protrusions of the hydrogen permeable membrane are made in the form of a spherical, parabolic or ellipsoidal segment. And also the fact that these protrusions of the hydrogen-permeable membrane are evenly distributed over the surface of the membrane.
  • the plates are made in the form of a circle, ellipse, square or rectangle.
  • the permeable hydrogen membrane has a metal frame sealed to it.
  • said frame is made of metal with a coefficient of thermal expansion different from the coefficient of thermal expansion of the palladium alloy from which the membranes are made.
  • filter elements are combined into a module, which is an assembly of elements on the hydrogen removal manifold, made in the form of a segment of a helix covering the specified assembly around the circumference with a rotation of up to 270 degrees.
  • Fig. 1 a hydrogen permeable membrane (top view) of a PdInRu alloy in the form of a disk with convex protrusions in the form of sphere segments (h ⁇ R), located uniformly on the working surface.
  • Figure 2 is a cross section of the membrane along the line A-A shown in figure 1.
  • Fig.3 - a hydrogen-permeable membrane made of PdInRu alloy in the form of a disk with convex protrusions in the form of sphere segments (h ⁇ R), arranged uniformly along the working surface (Figs. 1-2), hermetically connected to the frame, in section along the line A-A.
  • Figure 4 is a top view of the filter element in the form of a flat disk.
  • Figure 5 is a section along the line A-A of figure 4.
  • Figure 6 membrane apparatus.
  • FIG.9 is a view along the axis A of the exhaust pipe of the deflector (Fig.8).
  • Figure 10 is a top view of the deflector ( Figure 8).
  • Figure 11 is a view of a module of a filtering assembly, which is an assembly of filtering elements on a pure hydrogen discharge manifold in the form of a segment of a helix covering the assembly around a circle with a rotation of 270 degrees, with the arrangement of the filter elements with a rotation of 20 degrees relative to each other and hermetically connected to the collector by threaded ball-cone connections.
  • Fig.12 filter element (one-sided, the second embodiment is a top view);
  • FIG. 13 is a section along line A-A of FIG. 12.
  • a hydrogen permeable membrane 1 made of palladium alloys with one or more elements from groups I 6 , III, IV, VI of the Periodic system of elements (e.g. PdCu, PdAg, PdAu, PdY, PdRu, PdInRu, PdCuPb, PdAgAuRu, PdAgAuAlNi and multicomponent alloys of the Bj-B 4 series containing Pd, Ag, Pt, Au, Al, Ru in different concentrations) has a high selectivity of permeability to hydrogen and its isotopes with respect to all other gases and has a shape, for example , flat disk or any other flat shape (circle, ellipse, square or rectangle), on the working the surface of which by pressing has created a deep relief of protrusions 2 arranged, for example, evenly, on the membrane surface with a convex surface in the form of segments of a sphere (h> R), an ellip
  • the height of the convex sections (protrusions 2) of the relief is selected so that the ratio of the length of the arc L on the surface of the protrusions 2 in their cross section to the length of its projection onto the base area D is within l, 05 ⁇ L / D ⁇ l + ⁇ , (1 ) where ⁇ is the ductility of the membrane material.
  • the radius of the sphere can vary from 0.5 to 10 mm, and the distance between the protrusions is the smallest possible.
  • the mechanical properties of some alloys annealed in vacuum are shown in table 1.
  • Such a relief ensures uniform compensation of mechanical stresses arising due to the difference in the thermoconcentration expansion of the frames and membranes, in any direction at any point on the surface of the membranes for any form of membranes. It almost completely eliminates the possibility of wrinkles, wrinkles, and other defects on the surface of the membranes, provides additional rigidity to the structure of the membranes and walls of the ME, increasing the life of the ME. Moreover, the proposed molding of membranes increases their productivity in pure hydrogen by increasing the true surface and the decrease in membrane thickness, the greater, the higher the plasticity of the membrane material with the same operating parameters, the initial thickness and surface area of the membrane to create a relief.
  • the membrane 1 on the supply side of the gas mixture can be hermetically connected around the perimeter with a metal frame 4, the inner size of which is smaller, and the outer dimension is larger than the outer dimension of the membrane 1 (Fig.Z).
  • Frame 4 is a structural element that ensures the strength and integrity of the membrane during its use, as well as facilitating the tight connection of the membrane with other structural elements of the membrane apparatus.
  • the frame can be made of any structural material having a coefficient of thermal (thermal) expansion other than the coefficient of thermal (thermal) expansion of the material of the membrane, for example, stainless steel, nickel and nickel alloys, titanium.
  • the filter element 5 is preferably in the form of a flat disk (Fig. 4-5) contains (according to the first embodiment) the two membranes 1 described above, tightly connected around the perimeter with two frames 4 on the supply side of the gas mixture, the inner size of which is smaller and the outer dimension - larger than the outer size of the membrane 1. Between them is a porous separation element 6, the size of which is equal to or greater than the size of the membrane 1, but smaller than the outer size of the frame 4.
  • the frames 4 have annular 7 and radial 8 corrugations, which, after tight connection I form a ring collector 9 around the perimeter for collecting pure hydrogen and a radial channel 10 into which a pipe 11 for removing pure hydrogen is placed, hermetically connected to the frames 4.
  • the separation element 6 has minimal hydraulic resistance to ensure unhindered transport of pure hydrogen passing through the membranes 1, and communicates with the annular collector 9 to collect pure hydrogen passing through the membrane 1.
  • the size of the separation element 6 may be equal to or greater than the size of the membrane 1 to Oh, so it can not damage the membrane 1 during assembly and operation.
  • Figure 4 shows for example a filter element in the form of a flat disk, and figure 5 its cross section. But the filter element can have any other flat shape, for example, a square or rectangle, including with rounded corners, an ellipse, a flag, etc.
  • the filter element 5 may contain only one membrane 1 (one-sided filter element of FIGS. 12-13) connected hermetically to the frame 4 and forming the membrane wall 12, and a continuous metal wall (substrate) 13 with an external dimension equal to the outer dimension of the membrane wall frame 4 12, having the same annular 7 and radial 8 corrugations as the frame 4, a porous venting element 6 placed between the walls 12 and 13 and communicating with the peripheral annular collector 9 for collecting hydrogen.
  • An annular collector 9 is formed after a tight connection of the frame 4 and the substrate 13 around the perimeter, as well as the radial channel 10, in which the pipe 11 for removing pure hydrogen is placed, hermetically connected to the frame 4 and the substrate 13.
  • the membrane apparatus (FIG. 6) includes a housing 14 with one or more filter elements 5 (FIGS. 4-5) placed therein. On both sides of the filter elements 5 there are gas exhaust 15 and gas supply 16 elements. On the housing 14 there are nozzles for supplying the initial gas mixture 17, the outlet of pure hydrogen 18 and the depleted gas mixture 19.
  • the filter elements together with the gas supply and gas removal elements, the collectors of the hydrogen removal 20 and the depleted gas mixture 21 constitute the filter assembly of the membrane apparatus.
  • the collectors are hermetically connected, respectively, with the conclusions of the hydrogen 18 and the lean gas mixture 19.
  • the gas outlet elements 15 are made in the form of gas outlet pipes 22, hermetically connected to the exhaust manifold of the exhaust gas mixture 21.
  • the gas supply elements 16 are made in the form of plates.
  • the assembly of the gas supply elements 16 and gas exhaust elements 15 forms a deflector 23 (Figs. 7, 8-10), directing the initial gas mixture along the outer surface of the hydrogen-permeable membranes 1 and filter elements 5 from the periphery to the center and exhausting the gas mixture depleted from the center of their membranes, depleted after extraction of hydrogen passing through the membrane.
  • Pipes 11, discharging pure hydrogen, passed through the membrane into the filter elements 5, are hermetically connected to the collector of hydrogen removal 20.
  • the deflector 23 according to the first embodiment (Fig.
  • the deflector 23 according to the second embodiment is made in the form of a flat disk 29 (Fig. 10) located in the slot of the gas outlet pipe 22 (Figs. 8, 9) extending from the center of the hydrogen permeable membrane and having an inner diameter larger than the thickness disk 29 (Fig. 8).
  • the filter elements 5 can be combined into a module of the filter unit, which is an assembly of filter elements 5 on the collector of pure hydrogen 19, and two or more modules of the filter unit with a common collector of hydrogen of the filter unit connected to the nozzle 18.
  • the branch pipes the depleted mixture 22 from the filter unit module can be combined by assembly on the collector 21, and the collector of all modules 21 with a common collector connected to the fitting 19.
  • nozzles 11 of the drain of pure hydrogen from the filter elements 5 can be replaced by fittings with ball-cone seals 31, as shown in Fig. 11, which shows the module of the filter unit.
  • the filtering elements 5 in this case are combined into a module 30, which is an assembly of filtering elements 5 on the collector of hydrogen removal 19, made in the form of a segment of a helix covering the specified assembly around the circle with rotation up to 270 degrees.
  • These outlet nozzles with seals 31 of the filter elements 5 integrated into the module 30 are hermetically connected to the above collector 19 with rotation about an axis passing through the centers of their membranes 1 perpendicular to their plane, relative to each other by an angle of 10-20 degrees.
  • the collector of module 19 in its the queue is hermetically connected by the same connection ⁇ l to the common collector 20, and the collector 20 with the outlet fitting on the housing (not shown in Fig. 1).
  • the filter elements 5 can be combined into one or more of these modules, and the manifolds of the modules are hermetically connected to the common output collector of hydrogen 20 by a threaded connection of the ball-cone 32 type or by a welded connection (not shown).
  • the gas outlet pipes 22 can be hermetically connected to the depletion mixture manifolds 21 with welded joints or ball-cone threaded connections 31 (not shown), and the manifold 21 with a fitting 22 leading the lean mixture out of the housing, a ball-cone threaded joint or welded joint (not shown).
  • the membrane apparatus (Fig.6) with patentable filtering elements (Fig.4, 5) works as follows.
  • the initial gas mixture containing hydrogen is supplied to the housing 14 through the fitting 17 and passes into the slotted channels between the surfaces of the membrane 1 and the disks 24 (Fig. 7) of the deflector 23 and flows over the surface of the membranes from the periphery to the center.
  • hydrogen passes through the membranes 1 into the filter elements 5 and is discharged through the separation element 6, the outlet pipe 11 into the collector of clean hydrogen 20 and is discharged from the housing 14 through the fitting 18, and the lean gas mixture is discharged from the center of the membrane 1 through the hole 25 in the center the disk 24 of the deflector 23 (Fig.7) into the gas outlet pipe 22 and the collector of its outlet 21 and is removed from the housing through the fitting 19.
  • the supply parameters and the flow of the initial mixture are adjusted along the surface of the membranes 1, such as speed and flow rate, and by changing the diameter of the hole 25 in the center of the deflectors 23 and the pressure at the terminal 19 from the housing 14, the flow rate of the exhaust lean gas mixture is adjusted.
  • the deflector 23 can also be made according to the second embodiment (Figs. 8-10).
  • the outer diameter of the gas outlet pipe 22 determines the width of the slot channel for supplying the initial gas mixture, and the gas mixture depleted as a result of the selection of pure hydrogen through the membranes 1 is discharged from the center of the membranes 1 through two slots formed by the inner wall of the pipe 22 and the disk 29.
  • the nozzles 22 of the deflectors 23 are hermetically connected to the exhaust manifold exhaust manifold 21.
  • the described design ensures the constancy of the composition, pressure and velocity of the feed mixture to the periphery of the surface of all membranes installed in the filtering unit, changes in the radius of the membranes of the velocities and concentrations of all components, including hydrogen, as well as the pressure, composition and flow rate of the lean mixture discharged from the center of the membranes .
  • Example 5 Three identical membranes are cut from a PdY6% foil with a thickness of 50 ⁇ m. The surface of one of them is molded by pressing at a pressure of lkg / cm with the creation of a deep relief in the form of segments of a sphere with a radius of 2.5 mm and a height of 0.5 mm, the second - with a height of 0.7 mm, located uniformly on the surface of the membranes. The surface of the third is left unchanged. Samples of 28 mm diameter were cut from them, which were installed in sealed cells for measuring the flow rate of hydrogen passing through the membrane with a diameter of the geometric working surface of 20 mm, and measurements were taken of the flow rate of hydrogen passing through the membrane with the same parameters. The measurement results are shown in table 5. As follows from the data in table 5, the molding of the surface of the membranes increased the consumption of pure hydrogen at the same parameters by 1.3-1.5 times in comparison with the unformed sample.
  • Example 6 Three filtering bilateral elements with membranes from Bl alloy with a thickness of 50 ⁇ m and a membrane working area of 0.0032 m are installed in sealed enclosures with various schemes for supplying the initial gas mixture and removing the gas mixture depleted after hydrogen extraction:
  • the supply of the initial mixture was carried out through a tubular manifold, covering half the perimeter of the filter element and having radial holes uniformly spaced along the length, directed toward the surface of the membranes, and the discharge of the lean mixture through a fitting located diametrically opposite to the supply fitting of the initial mixture;
  • the initial mixture was supplied into the chamber volume through the fitting located in the lid, and the depleted mixture was discharged through two nozzles with inlet openings located above the centers of the membranes and hermetically connected to the outlet fitting.
  • a gas mixture was supplied to all chambers from the outlet of the catalytic conversion reactor of methanol with a flow rate of 0.32 Nm 3 / h, containing 68% hydrogen, at a pressure of P 1 with a temperature of 490C.
  • the pressure of pure hydrogen passing through the membranes (P 2 ) was slightly higher than atmospheric.
  • the extraction parameters and the results of measuring the consumption of pure hydrogen (GH 2 ) of the lean mixture (Gout) and the hydrogen extraction coefficient ( ⁇ ⁇ ) are given in Table 6.

Abstract

The invention relates to pure hydrogen membrane extraction from hydrogen-containing gas mixtures. The aim of said invention is to increase the performance and service life of membranes. The inventive flat sealed filtering element comprises two walls, a separating porous element arranged therebetween and a hydrogen-removing pipe. The walls consist of water permeable membranes made of a palladium alloy and sealingly connected to each other in frames. The wall membrane is shaped in the form of the relief consisting of protrusions and recesses, which are uniformly distributed along the working surface thereof. The ratio between the protrusion length (L) in a normal cross-section and the projection (D) thereof ranges from 1.05 to 1+δ, wherein δ is the membrane material plasticity. The relief makes it possible to increase the strength, reliability, service life and the performance of the membrane due to the modification of the surface area and thickness thereof. The membrane device comprises a body, a set of parallel filtering elements, gas supplying and gas removing elements, which enable an initial mixture to flow from the periphery to the center, a weak mixture to be discharged from the membrane center, prevent the formation of dead zones and make it possible to attain the maximum degree of hydrogen extraction.

Description

ВОДОРОДОПРОНИЦАЕМАЯ МЕМБРАНА, ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ HYDROGEN RESISTANT MEMBRANE, FILTERING ELEMENT
И МЕМБРАННЫЙ АППАРАТAND MEMBRANE APPARATUS
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к области мембранного извлечения чистого водорода из газовых смесей, содержащих водород, и может использоваться в электронной, микро - и наноэлектронной, химической, нефтехимической, металлургической промышленностях, производстве чистых материалов, водородной энергетике и других отраслях, использующих водород высокой чистоты (>99,999%).The invention relates to the field of membrane extraction of pure hydrogen from gas mixtures containing hydrogen, and can be used in the electronic, micro - and nanoelectronic, chemical, petrochemical, metallurgical industries, the production of pure materials, hydrogen energy and other industries using high-purity hydrogen (> 99.999 %).
Уровень техникиState of the art
Аналогами изобретения являются мембраны, мембранные элементы (МЭ) и аппараты, описанные в статьях V.Z. Моrdkоviсh, Yu.К. Ваiсhtосk, М.Н. Sоsпа, Рlаtiпum Меtаls Rеv., 36, p.90-97, 1992 [I]; R.Вuхbаum апd Н.Lеi, J.Роwег Sоuгсеs, 2003. - p.5467 [2]; Толчинский A.P., Сорокин B.Г., Шишков Г.B., Макаров В.М. Производство и использование сверхчистого водорода. - г. Свердловск, Уральское Отделение Академии наук СССР, 1989.C.93 [3] и патентах, например: R.Вuхbаum US Раtепts 6,461,408, Осtоbеr 8, 2002; 6,168,650, Jапuаrу 2, 2001 [4] Оgаwа , US Раtепt 5, 782,960, JuIy 21, 1998 [5]; Еdluпd, US Раt. 6,419, 728; PCT WO 01/70376 [6] ; Judа еt аl.ДJS Раtепt 5,904, 754 , Мау 18, 1999 [7].Analogs of the invention are membranes, membrane elements (ME) and apparatuses described in articles V.Z. Mordkóvish, Yu.K. Waishtosk, M.N. Sospa, Platipum Metals Rev. 36, p.90-97, 1992 [I]; R.Wuhbaum apt H. Lei, J. Rogue Sugs, 2003. - p. 5467 [2]; Tolchinsky A.P., Sorokin VG, Shishkov G.B., Makarov V.M. Production and use of ultrapure hydrogen. - Sverdlovsk, Ural Branch of the Academy of Sciences of the USSR, 1989. P. 93 [3] and patents, for example: R. Vuhbaum US Patents 6,461,408, Ostober 8, 2002; 6,168,650, Japan 2, 2001 [4] Ogawa, US Pat. 5, 782,960, JuIy 21, 1998 [5]; Edlud, US Pat. 6.419, 728; PCT WO 01/70376 [6]; Juda et al. DJ Rattept 5,904, 754, Mau 18, 1999 [7].
Для извлечения водорода высокой чистоты используют мембраны и мембранные элементы в виде капиллярных трубок диаметром от 0,8 до 5мм и толщиной стенок 80-120 мкм [1, 2] из палладиевых сплавов PdAg и сплавов серии Вl-ВЗ, содержащие кроме серебра легирующие добавки драгоценных металлов, никеля, алюминия и редкоземельных элeмeнтoв[l, 2]. В аналоге [3] описаны мембраны и мембранные элементы (МЭ) в форме флажков из сплава Bl. Герметичное соединение мембран с конструкционными материалами (как правило, с нержавеющей сталью разных марок) обеспечивается микроплазменной сваркой [3], пайкой с различными припоями [4,5], склейкой высокотемпературными клеями [6], диффузионной сваркой [7], а герметизация деталей МЭ - склейкой, аргонодуговой, лазерной или микроплазменной сваркой [3,5]. Извлечение водорода из газовых смесей, содержащих от 15 до 99,8% водорода, производится при температуре 300- 600 0C и перепаде давления на мембране от 0,1 до 17 МПа. Мембраны и мембранные элементы помещаются в герметичный корпус, в который через штуцер ввода подается смесь газов, содержащая водород. Она проходит над поверхностью мембран, сквозь которые диффундирует чистый водород, а обедненная водородом газовая смесь выводится после извлечения чистого водорода из корпуса. Трубчатые элементы [1, 2, 4] с одной стороны герметично запаяны, а чистый водород отводится с другого конца, для чего они припаиваются к трубчатым или плоским коллекторам - так называемым трубным доскам. В плоских мембранных элементах мембраны непосредственно свариваются друг с другом по периметру [3], привариваются или приклеиваются на пористые подложки [5, 6] или рамки из конструкционных материалов [7]. Недостатками аналогов являются большие затраты драгоценного металла - палладия [1, 3], обусловленные большой толщиной и низкой проницаемостью мембран, невысокий выход годных при изготовлении МЭ [1, 3] и недостаточный ресурс работы МЭ и аппаратов, что обусловлено их разгерметизацией из-за разницы коэффициентов термического расширения палладиевых сплавов и конструкционных материалов - как правило, нержавеющей стали, и в большей степени из-за высоких коэффициентов термоконцентрационного расширения палладиевых сплавов в атмосфере водорода [8-10].To extract high-purity hydrogen, membranes and membrane elements are used in the form of capillary tubes with a diameter of 0.8 to 5 mm and a wall thickness of 80-120 μm [1, 2] from PdAg palladium alloys and Bl-VZ series alloys containing precious alloys other than silver metals, nickel, aluminum and rare-earth elements [l, 2]. In the analogue of [3], membranes and membrane elements (MEs) in the form of flags of the Bl alloy are described. The tight connection of membranes with structural materials (usually with stainless steel of different grades) is ensured by microplasma welding [3], soldering with various solders [4,5], gluing with high-temperature adhesives [6], diffusion welding [7], and the sealing of ME parts by gluing, argon-arc, laser or microplasma welding [3,5]. The extraction of hydrogen from gas mixtures containing from 15 to 99.8% hydrogen is carried out at a temperature of 300-600 0 C and a pressure drop across the membrane from 0.1 to 17 MPa. Membranes and membrane elements are placed in a sealed enclosure, into which a mixture of gases containing hydrogen is supplied through an inlet fitting. It passes over the surface of the membranes through which pure hydrogen diffuses, and the hydrogen-depleted gas mixture is discharged after the extraction of pure hydrogen from the housing. The tubular elements [1, 2, 4] are hermetically sealed on one side, and pure hydrogen is discharged from the other end, for which they are soldered to tubular or flat collectors - the so-called tube boards. In flat membrane elements, membranes are directly welded to each other along the perimeter [3], welded or glued to porous substrates [5, 6] or frames made of structural materials [7]. The disadvantages of the analogues are the high cost of the precious metal - palladium [1, 3], due to the large thickness and low permeability of the membranes, the low yield for the manufacture of MEs [1, 3] and the insufficient life of the MEs and apparatuses, due to their depressurization due to the difference the coefficients of thermal expansion of palladium alloys and structural materials - usually stainless steel, and to a greater extent due to the high coefficients of thermoconcentration expansion of palladium alloys in a hydrogen atmosphere [8- 10].
Наиболее близкими к изобретению являются водородопроницаемая мембрана на основе палладиевого сплава с рельефной наружной поверхностью с чередующимися выступами и окружающими каждый выступ впадинами (Патент СССР jN°310430 от 26.07.1971 [8]); фильтрующий элемент для выделения чистого водорода (Авторское Свидетельство СССР N°1611421 от 25.01.1989 г. [9]) , и сборка фильтрующего отделителя чистых газов - мембранный аппарат (Аssеmblу оf рuге gаs реrmеаtiпg sераrаtоr , Patent GB 1060451,1967 and US Раtепt 3534531, 20.10.1970 [10]).Closest to the invention are a hydrogen-permeable membrane based on a palladium alloy with a raised outer surface with alternating protrusions and depressions surrounding each protrusion (USSR Patent jN ° 310430 from 07.26.1971 [8]); filter element for the evolution of pure hydrogen (USSR Author's Certificate N ° 1611421 of January 25, 1989 [9]), and the assembly of the filter filter for pure gases - a membrane apparatus (Assemblоf rugas gas рреаmаtпг seраратор, Patent GB 1060451,1967 and US Pat. 3534531 , 10.20.1970 [10]).
С целью повышения прочности и производительности известных водородопроницаемых мембран на их рабочей поверхности создается рельеф методом штамповки. Штамповка проводится прессованием с помощью гидравлического пресса при комнатной температуре на плетеных сетках голландского производства под давлением 100-400 кг/см2 [8], лежащих на металлической или на резиновой подложке. Рельеф поверхности получается в виде волн, расположенных концентрическими кругами с чередованием выпуклых и вогнутых участков, с периодом волны 0,08- 0,6 мм, высотой выпуклых и глубиной вогнутых участков от 0,04 до 0,3 мм [8], или концентрических круговых волн с поперечным сечением в виде полукруга (h=R), эллипса и параболы и периодом 5-10 мм [10], или в виде радиальных лучей под углом к радиусу от 5 до 30 ° [9].In order to increase the strength and performance of known hydrogen-permeable membranes, a relief is formed on their working surface by stamping. Stamping is carried out by pressing using a hydraulic press at room temperature on Dutch woven nets under a pressure of 100-400 kg / cm 2 [8] lying on a metal or rubber substrate. The surface relief is obtained in the form of waves arranged in concentric circles with alternating convex and concave sections, with a wave period of 0.08-0.6 mm, convex heights and concave sections from 0.04 to 0.3 mm deep [8], or concentric circular waves with a cross section in the form of a semicircle (h = R), an ellipse and a parabola and a period of 5-10 mm [10], or in the form of radial rays at an angle to the radius from 5 to 30 ° [9].
Ввиду незначительного увеличения истинной площади поверхности мембран за счет создания рельефа в [8, 9] было достигнуто только увеличение прочности и устойчивости мембран. При создании более глубокого рельефа с сечением в виде полукруга [10] было показано, что увеличивается и производительность мембран за счет увеличения истинной площади рабочей поверхности мембран и уменьшения средней толщины из-за растяжения материала мембран. Однако наши попытки повторить описанные в [10] результаты не увенчались успехом. На поверхности мембран, герметично соединенных с рамками, толщиной 50мкм из сплава Bl, состав которого - PdAgI 6%Aul,7%PtO.7%RuO.7%AЮ, 15% не сильно отличался от сплава PdAg20%Au5%Ru0.5%, использованного в [10], был создан прессованием рельеф в виде концентрических кругов с поперечным сечением в форме полукруга (R=h=l,6мм ). Такой же рельеф был создан на образцах толщиной 50мкм из сплава PdInRu, не содержавшего серебра. Все мембраны на образцах в процессе прессования потрескались. Рельеф на мембранах с рамками в виде концентрических кругов удалось создать только с поперечным сечением в виде сегмента круга с высотой h< R. Однако в результате циклического нагрева и охлаждения образцов в смеси 70%H2 + 30%Aг при давлении ШПа от 25O0C до 6000C с темпом 110°C/мин на круговом концентрическом рельефе рабочей поверхности после 40-70 циклов на периферии образовались радиальные прямые складки, отчетливо видимые на фотографии (фиг.14). При этом образцы покоробились и потеряли герметичность. Теоретический анализ полученного результата подтвердил, что рельеф в виде концентрических кругов неустойчив по отношению к термоконцентрационному расширению мембран и рамок, имеющих сильно различающиеся коэффициенты расширения. Более устойчивым оказался рельеф в виде прямых гофр, расположенных под углами от 5 до 30° к радиусу [9] , который обеспечил увеличение длительности работы в 10 раз по сравнению с гладкими мембранами из сплава Bl, выдержавшими менее 40 циклов.Due to a slight increase in the true surface area of the membranes due to the relief in [8, 9], only an increase in the strength and stability of the membranes was achieved. When creating a deeper relief with a cross section in the form of a semicircle [10], it was shown that the membrane productivity also increases due to an increase in the true working surface area of the membranes and a decrease in the average thickness due to the stretching of the membrane material. However, our attempts to repeat the results described in [10] were unsuccessful. On the surface of the membranes, hermetically connected to the frames, 50 μm thick of Bl alloy, the composition of which is PdAgI 6% Aul, 7% PtO.7% RuO.7% AY, 15% did not differ much from the PdAg20% Au5% Ru0.5% alloy used in [10], a relief was created by pressing in the form of concentric circles with a cross section in the form of a semicircle (R = h = l, 6 mm). The same relief was created on samples with a thickness of 50 μm from a PdInRu alloy that did not contain silver. All membranes on the samples cracked during the pressing process. The relief on membranes with frames in the form of concentric circles was only possible with a cross section in the form of a circle segment with a height h <R. However, as a result of cyclic heating and cooling of the samples in a mixture of 70% H 2 + 30% Ag at a pressure of SHPa from 25O 0 C up to 600 0 C with a rate of 110 ° C / min on a circular concentric relief of the working surface after 40-70 cycles, radial straight folds were clearly formed on the periphery, clearly visible in the photograph (Fig. 14). In this case, the samples warped and lost their tightness. A theoretical analysis of the result confirmed that the relief in the form of concentric circles is unstable with respect to the thermoconcentration expansion of membranes and frames with very different expansion coefficients. The relief turned out to be more stable in the form of straight corrugations located at angles from 5 to 30 ° to the radius [9], which provided 10 times longer operation compared to smooth Bl alloy membranes withstanding less than 40 cycles.
Недостатками описанных способов формовки мембран являются малая глубина гофр [8, 9], неравномерность покрытия площади поверхности, возникновение повышенной концентрации напряжений в точках схождения гофр к центру, а также на краях мембранных элементов вблизи зон герметизации с рамками или суппортами, в которых происходит, в конце концов, появление трещин, приводящее к потере герметичности, выходу фильтрующих элементов из строя,The disadvantages of the described methods of forming membranes are the small depth of the corrugations [8, 9], uneven coverage of the surface area, the occurrence of an increased stress concentration at the points of convergence of the corrugations to the center, as well as at the edges of the membrane elements near the sealing zones with frames or calipers in which in the end, the appearance of cracks, leading to a loss of tightness, the failure of the filter elements,
.уменьшению ресурса их работы [9] и нестабильность полученных мембран [10]. Плоские фильтрующие элементы описаны в прототипах [9, 10].. reducing the resource of their work [9] and the instability of the resulting membranes [10]. Flat filter elements are described in the prototypes [9, 10].
Двухсторонний фильтрующий элемент (ФЭЛ) [9] содержит две плоские мембраны из палладиевых сплавов в форме дисков, герметично соединенные с двумя кольцевыми рамками из нержавеющей стали, представляющие собой стенки ФЭЛ, между которыми помещен пористый разделительный элемент. Рамки имеют зеркально расположенные кольцевые гофры и радиальные выемки, которые после герметизации двух рамок по периметру образуют кольцевой коллектор для сбора и круглое отверстие для патрубка отвода чистого водорода, герметично присоединяемого к рамкам. При этом наружный край разделителя располагается в коллекторе, не травмируя мембраны при сборке, герметизации и эксплуатации МЭ. Для компенсации разности термического расширения мембран и колец на поверхности мембран выполнены прямые гофры под углом от 5 до 30 градусов к радиальному направлению. При нагреве ФЭЛ до рабочей температуры 4000C в вакууме или в инертном газе рамки, имеющие больший коэффициент термического расширения, чем мембраны, растягивают мембраны, а при последующей подаче газовой смеси, содержащей водород, вследствие большого термоконцентрационного расширения мембраны расширяются, образуя складки, морщины и другие неровности поверхности. При снижении температуры мембран морщины, складки и другие неровности поверхности еще больше увеличиваются. Наличие гофр на мембране при отсутствии связи мембран с пористым разделителем обеспечивает демпфирование напряжений растяжения и сжатия мембран, частично исключая коробление. В результате герметичность и работоспособность мембранного элемента при температуре 5000C и перепаде' давления на мембранах ЮМПа в смеси с концентрацией водорода 75% сохраняется в течение 500 час, выдерживая более 300 циклов охлаждения и нагрева при переменных давлениях (термобароциклов) тогда как аналоги, не имеющие гофр, при тех же условиях с мембранами из того же сплава сохраняли герметичность и работоспособность в течение менее 50 часов и выдерживали менее 40 таких циклов. Плоские фильтрующие элементы нескольких разных конструкций [10] состоят из одной или двух описанных выше водородопроницаемых мембран в форме диска с рельефом, выполненным путем прессования, в виде кольцевых гофр с поперечным сечением, имеющим форму полукруга. Первая конструкция представляет собой сплошной диск, в середине которого по радиусу высверлен глухой канал и в него вставлен патрубок для отвода чистого водорода. По длине канала перпендикулярно его оси просверлены отверстия (каналы для отвода водорода), сообщающиеся с радиальным каналом, а на обеих поверхностях диска расположены описанные выше плоские мембраны с круговыми кольцевыми гофрами с поперечным сечением, имеющим форму полукруга, по периферии герметично соединенные с диском так, что каждая гофра расположена выпуклостью вверх или вниз к поверхности суппорта (диска с каналами) над двумя диаметрально противоположными отверстиями в дисках. Газовая смесь, содержащая водород, подается на поверхность мембран, водород диффундирует сквозь мембраны, попадает в вертикальные каналы, а через них проходит в радиальный канал и выводится через патрубок.A double-sided filter element (FEL) [9] contains two flat disc-shaped palladium alloy membranes, hermetically connected to two ring frames made of stainless steel, representing FEL walls, between which a porous separation element is placed. The frames have mirrored annular corrugations and radial recesses, which, after sealing the two frames around the perimeter, form an annular collector for collection and a round hole for the pipe for removing pure hydrogen, which is hermetically connected to the frames. In this case, the outer edge of the separator is located in the collector, without injuring the membrane during assembly, sealing and operation of the ME. To compensate for the difference in thermal expansion of the membranes and rings, straight corrugations are made on the surface of the membranes at an angle of 5 to 30 degrees to the radial direction. When the FEL is heated to a working temperature of 400 0 C in a vacuum or in an inert gas, the frames having a greater coefficient of thermal expansion than the membranes stretch the membranes, and when the gas mixture contains hydrogen is subsequently expanded, the membranes expand, forming folds, wrinkles due to the large thermoconcentration expansion and other surface irregularities. As the membrane temperature decreases, wrinkles, wrinkles, and other surface irregularities increase even more. The presence of corrugations on the membrane in the absence of communication between the membranes and the porous separator provides damping of tensile and compression stresses of the membranes, partially eliminating warping. As a result, the tightness and operability of the membrane element at a temperature of 500 0 C and a pressure drop across the UMP membranes in a mixture with a 75% hydrogen concentration is maintained for 500 hours, withstanding more than 300 cycles of cooling and heating at variable pressures (thermobarocycles), whereas analogues that do not have corrugations, under the same conditions with membranes of the same alloy, remained airtight and operable for less than 50 hours and withstood less than 40 such cycles. Flat filter elements of several different designs [10] consist of one or two of the above-described hydrogen-permeable membranes in the form of a disk with a relief made by pressing, in the form of annular corrugations with a cross section in the form of a semicircle. The first design is a solid disk, in the middle of which a blind channel is drilled along the radius and a pipe is inserted into it to remove pure hydrogen. Holes (channels for hydrogen removal) perpendicular to its axis were drilled along the length of the channel, communicating with the radial channel, and on both surfaces of the disk there are the flat membranes described above with circular annular corrugations with a cross section in the form of a semicircle, peripherally hermetically connected to the disk so that each corrugation is convex up or down to the surface of the support (disk with channels) above two diametrically opposite holes in the disks. A hydrogen-containing gas mixture is supplied to the surface of the membranes, hydrogen diffuses through the membranes, enters the vertical channels, and through them passes into the radial channel and is discharged through the pipe.
Вторая конструкция также содержит две описанные выше плоские мембраны, расположенные на двух суппортах, имеющие круглые отверстия в центре, которые герметично соединены с суппортами по наружному периметру и с центральными кольцами, через которые проходит трубчатый коллектор для отвода чистого водорода. Газовая смесь, содержащая водород, подается на поверхность мембран, водород диффундирует сквозь мембраны и попадает через гофры в вертикальные каналы, крестообразно высверленные в суппортах, а через них проходит в пространство между суппортами, сообщенное с внутренней полостью коллектора и отводится через него. Третья конструкция также содержит две описанные выше плоские мембраны, расположенные на двух суппортах с перпендикулярными их плоскости каналами, сообщающимися с патрубками отвода чистого водорода, продиффундировавшего сквозь мембраны. Суппорты герметично соединены друг с другом по периферии. Газовая смесь, содержащая водород, подается раздельно на поверхность каждой из мембран через два радиальных диаметрально противоположно расположенных патрубка, водород диффундирует сквозь мембрану внутрь гофров и отводится из их объема в радиальные каналы в суппорте, попадает в радиальный канал, расположенный внутри суппорта и патрубок, а обедненная смесь газов отводится с периферии поверхности каждой мембраны раздельно через два диаметрально противоположно расположенных патрубка, ось которых перпендикулярна оси патрубков подвода исходной смеси.The second design also contains the two flat membranes described above, located on two calipers, having round holes in the center, which are hermetically connected to the calipers along the outer perimeter and to the central rings through which the tubular manifold passes to remove pure hydrogen. A hydrogen-containing gas mixture is supplied to the surface of the membranes, hydrogen diffuses through the membranes and enters through vertical corrugated channels in the calipers through the corrugations, and through them passes into the space between the calipers, connected with the internal cavity of the collector and is discharged through it. The third design also contains the two flat membranes described above, located on two calipers with channels perpendicular to their plane, in communication with the pipes for removing pure hydrogen diffused through the membranes. Calipers are tightly connected to each other friend on the periphery. A hydrogen-containing gas mixture is supplied separately to the surface of each of the membranes through two radially diametrically opposite nozzles, hydrogen diffuses through the membrane into the corrugations and is removed from their volume into radial channels in the caliper, enters the radial channel located inside the caliper and nozzle, and the lean gas mixture is discharged from the periphery of the surface of each membrane separately through two diametrically opposed nozzles, the axis of which is perpendicular to the axis of the supply nozzles similar mixture.
Недостатками описанных выше мембранных элементов являются недостаточная производительность и стабильность работы, обусловленная описанными выше недостатками способов создания рельефа на поверхности мембран, а также сложность конструкции и большие габариты и вес, обусловленные конструкцией суппортов.The disadvantages of the above-described membrane elements are the lack of performance and stability due to the above-described disadvantages of the methods of creating a relief on the surface of the membranes, as well as the complexity of the design and the large dimensions and weight due to the design of the calipers.
Основной составляющей мембранных аппаратов [10] являются фильтрующие узлы, состоящие из нескольких описанных выше фильтрующих элементов третьего типа. Между ними расположены нагреватели, обеспечивающие нагрев мембран во время подготовки и последующей эксплуатации аппарата, термопары для контроля температуры и датчики давления. Газовая смесь, содержащая водород, подается раздельно в каждый мембранный элемент на поверхность каждой из мембран через два радиальных диаметрально противоположно расположенных патрубка, водород диффундирует сквозь мембраны внутрь гофров и отводится из их объема в радиальные каналы в суппортах, попадает в радиальные каналы, расположенные внутри суппортов и отводится от каждой мембраны раздельно через свои патрубки, а обедненная смесь газов отводится с периферии поверхности каждой мембраны раздельно через два диаметрально противоположно расположенных патрубка, ось которых перпендикулярна оси патрубков подвода исходной смеси.The main component of the membrane apparatus [10] are filter units, consisting of several of the third type of filter elements described above. Between them are heaters that provide heating of the membranes during the preparation and subsequent operation of the apparatus, thermocouples for temperature control and pressure sensors. A hydrogen-containing gas mixture is supplied separately to each membrane element on the surface of each membrane through two radially diametrically opposed nozzles, hydrogen diffuses through the membranes into the corrugations and is removed from their volume into radial channels in the calipers, and enters the radial channels located inside the calipers and is diverted from each membrane separately through its nozzles, and the lean gas mixture is diverted from the periphery of the surface of each membrane separately through two diametrically opposed falsely located nozzle, the axis of which is perpendicular to the axis of the nozzles for supplying the initial mixture.
Описана также модернизированная конструкция, в которой подача исходной газовой смеси, содержащей водород, осуществляется в каждый мембранный элемент через два диаметрально расположенных патрубка на поверхность одной из мембран, а обедненная в результате диффузии водорода сквозь эту мембрану смесь газов через дополнительный соединительный канал подается на поверхность второй мембраны, где часть содержащегося в ней водорода в результате диффузии через нее проходит в каналы второй части мембранного элемента и отводится через второй патрубок чистого водорода, а дополнительно обедненная газовая смесь отводится через два аналогичных патрубка отвода смеси с периферии поверхности второй мембраны. Таким образом, в этой конструкции реализована последовательная работа двух мембран каждого мембранного элемента.A modernized design is also described in which the supply of the initial gas mixture containing hydrogen is supplied to each membrane element through two diametrically arranged nozzles to the surface of one of the membranes, and the gas mixture depleted as a result of hydrogen diffusion through this membrane is supplied to the surface of the second membranes, where part of the hydrogen contained in it as a result of diffusion through it passes into the channels of the second part of the membrane element and is discharged through the second pipe of pure hydrogen, and an additional depleted gas mixture is discharged through two similar pipes of the mixture removal from the periphery of the surface of the second membrane. Thus, in this design, the sequential operation of two membranes of each membrane element is realized.
Недостатки описанных выше конструкций мембранных аппаратов включают в себя сумму описанных выше недостатков водородопроницаемых мембран и фильтрующих элементов прототипов, дополненную сложным характером течения вдоль поверхности каждой мембраны с образованием застойных зон вследствие подачи исходной смеси через два диаметрально противоположно расположенных патрубка подвода и отвода обедненной смеси через два диаметрально противоположно расположенных патрубка на одной и той же поверхности в первой конструкции или подвода и отвода газовых смесей на поверхностях разных мембран - во второй. Дополнительный недостаток второй конструкции связан с дополнительным снижением эффективности извлечения водорода из-за снижения парциального давления водорода над поверхностью второй мембраны в каждом мембранном элементе.The disadvantages of the above-described designs of membrane apparatuses include the sum of the above-described disadvantages of hydrogen-permeable membranes and filter elements of the prototypes, supplemented by the complex nature of the flow along the surface of each membrane with the formation of stagnant zones due to the supply of the initial mixture through two diametrically oppositely located nozzles for supplying and discharging the lean mixture through two diametrically oppositely located nozzle on the same surface in the first structure or inlet and outlet and gas mixtures on different surfaces of the membranes - in the second. An additional disadvantage of the second design is associated with an additional decrease in the efficiency of hydrogen extraction due to a decrease in the partial pressure of hydrogen above the surface of the second membrane in each membrane element.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей изобретения является увеличение удельной производительности и ресурса эксплуатации водородопроницаемых мембран, фильтрующих элементов и мембранных аппаратов, уменьшение габаритов мембранных аппаратов, веса и удельных затрат палладия на извлечение чистого водорода из газовых смесей, упрощение сборки и обслуживания фильтрующих узлов при эксплуатации и регенерации палладия из отслуживших фильтрующих узлов и аппаратов, увеличение их ремонтопригодности.The objective of the invention is to increase the specific productivity and service life of hydrogen-permeable membranes, filter elements and membrane devices, reduce the size of the membrane devices, the weight and specific costs of palladium for the extraction of pure hydrogen from gas mixtures, simplify the assembly and maintenance of filter units during operation and regeneration of palladium from old filter nodes and devices, increasing their maintainability.
Техническим результатом изобретения является обеспечение постоянства состава, давления и скорости подводимой исходной смеси к периферии поверхности всех мембран, изменения по радиусу мембран скоростей и концентраций всех компонентов, включая водород, а также давления, состава и расхода обедненной смеси, отводимой от центра мембран, обеспечение образования турбулентных вихрей в потоке подводимого газа и ускорения перемешивания потока, подвода и отвода водорода к поверхности мембран и от них. Кроме того, упрощение соединения отдельных деталей патентуемых элементов и мембранного аппарата.The technical result of the invention is to ensure the constancy of the composition, pressure and speed of the feed mixture to the periphery of the surface of all membranes, changes in the radius of the membranes of the velocities and concentrations of all components, including hydrogen, as well as the pressure, composition and flow rate of the lean mixture discharged from the center of the membranes, turbulent vortices in the feed gas stream and accelerate the mixing of the flow, supply and hydrogen removal to and from the membrane surface. In addition, simplifying the connection of the individual parts of the patented elements and the membrane apparatus.
Указанные задача и технический результат достигаются водор'одопроницаемой мембраной на основе палладиевого сплава с рельефной наружной поверхностью с чередующимися выступами и окружающими каждый выступ впадинами, при этом, палладиевый сплав содержит один или несколько элементов из I , III, IV и VIII групп Периодической системы элементов, а отношение длины дуги L на поверхности выступов в их поперечном сечении к длине ее проекции на площадь основания D находится в пределах от 1,05 до 1+δ, где δ - пластичность материала мембраны.These task and technical result achieved vodor 'odopronitsaemoy membrane based on palladium alloy with an embossed outer surface with alternating ridges and around each protrusion troughs, thus, a palladium alloy contains one or more elements of I, III, IV and VIII of the Periodic Table of the Elements, and the ratio of the length of the arc L on the surface of the protrusions in their cross section to the length of its projection onto the base area D is in the range from 1.05 to 1 + δ, where δ is the ductility of the membrane material.
А также тем, что указанные выступы выполнены с выпуклой поверхностью. А также тем, что указанные выступы выполнены в виде сферического, параболического или эллипсоидного сегмента.And also the fact that these protrusions are made with a convex surface. And also the fact that these protrusions are made in the form of a spherical, parabolic or ellipsoidal segment.
А также тем, что указанные выступы расположены равномерно по поверхности мембраны.And also the fact that these protrusions are evenly spaced on the surface of the membrane.
А также тем, что указанные впадины сообщены между собой. А также тем, что она имеет со стороны подачи газовой смеси металлическую рамку, герметично соединенную с ней по периметру, внутренний размер рамки меньше, а внешний размер - больше наружного размера мембраны. А также тем, что указанная рамка выполнена из металла с коэффициентом теплового расширения отличным от коэффициента теплового расширения палладиевого сплава, из которого изготовлена мембрана.And also by the fact that these depressions are interconnected. And also because it has a metal frame on the supply side of the gas mixture, hermetically connected to it around the perimeter, the internal size of the frame is smaller, and the external size is larger than the outer size of the membrane. And also the fact that said frame is made of metal with a coefficient of thermal expansion different from the coefficient of thermal expansion of the palladium alloy of which the membrane is made.
А также тем, что указанная рамка выполнена из конструкционного материала. А также тем, что она выполнена в виде пластины с формой плоской фигуры. А также тем, что пластина выполнена в форме круга, эллипса, квадрата или прямоугольника.And also the fact that the specified frame is made of structural material. And also the fact that it is made in the form of a plate with the shape of a flat figure. And also the fact that the plate is made in the form of a circle, ellipse, square or rectangle.
Указанные .задача и технический результат достигаются фильтрующим элементом, включающим две стенки с размещенным между ними разделительным элементом, газоотводящие каналы которого сообщены с кольцевым коллектором для сбора водорода и с отводящим патрубком. Одна из стенок выполнена в виде водородопроницаемой мембраны из палладиевого сплава, герметично соединенной с рамкой, а другая стенка выполнена в таком же виде или в виде сплошной металлической подложки, каждая водородопроницаемая мембрана выполнена с рельефной наружной поверхностью с чередующимися выступами и окружающими каждый выступ впадинами, причем, палладиевый сплав содержит один или несколько элементов из I6 , III, IV и VIII групп Периодической системы элементов, а отношение максимальной длины поверхности выступа L отношение длины дуги L на поверхности выступов в их поперечном сечении к длине ее проекции на площадь основания D к максимальной длине основания выступа D находится в пределах от 1,05 до 1+ δ, где δ - пластичность материала мембраны, при этом, разделительный газоотводящий элемент выполнен пористым с минимально возможным гидравлическим сопротивлением чистому водороду, каждая мембрана герметично соединена со стороны подачи газовой смеси с рамкой, внутренний размер которой меньше, а внешний размер - больше наружного размера мембраны или равен наружному размеру сплошной металлической подложки, а рамки между собой или рамка и сплошная металлическая подложка герметично соединены по периметру с образованием кольцевого коллектора для сбора водорода. А также тем, что разделительный газоотводящий элемент выполнен в виде набора плетеных сеток, покрытых инертным материалом, исключающим его сварку с мембранами в среде ^водорода, а его линейные размеры больше, либо равны линейным размерам мембраны, но меньше линейных размеров рамки или сплошной металлической подложки. А также тем, что указанные выступы водородопроницаемой мембраны выполнены с выпуклой поверхностью, которая обращена в сторону питающей смеси.The indicated problem and technical result are achieved by a filter element comprising two walls with a separating element placed between them, the gas outlet channels of which are in communication with an annular collector for collecting hydrogen and with a discharge pipe. One of the walls is made in the form of a hydrogen-permeable palladium alloy membrane tightly connected to the frame, and the other wall is made in the same form or in the form of a continuous metal substrate, each hydrogen-permeable membrane is made with a relief outer surface with alternating protrusions and depressions surrounding each protrusion, moreover, the palladium alloy contains one or more elements from groups I 6 , III, IV, and VIII of the Periodic Table of Elements, and the ratio of the maximum protrusion surface length L is the ratio of the arc length L on the protrusion surface in their cross section to the length of its projection onto the base area D to the maximum length of the base of the protrusion D is in the range from 1.05 to 1+ δ, where δ is the ductility of the membrane material, while the separation gas discharge element t is made porous with the smallest possible hydraulic resistance to pure hydrogen, each membrane is hermetically connected on the supply side of the gas mixture with a frame whose internal size is smaller and the external size is larger than the external size of the membrane or equal to the external size of a solid metal substrate, and the frame between each other or frame and a continuous metal substrate is hermetically connected around the perimeter to form an annular collector for collecting hydrogen. And also the fact that the separating gas outlet element is made in the form of a set of woven grids coated with an inert material, which excludes its welding with membranes in a hydrogen medium, and its linear dimensions are greater than or equal to the linear dimensions of the membrane, but smaller than the linear dimensions of the frame or solid metal substrate . And also the fact that these protrusions of the hydrogen-permeable membrane are made with a convex surface, which faces the supply mixture.
А также тем, что указанные выступы водородопроницаемой мембраны выполнены в виде сферического, параболического или эллипсоидного сегмента. А также тем, что указанные выступы водородопроницаемой мембраны расположены равномерно по поверхности мембраны.And also the fact that these protrusions of the hydrogen permeable membrane are made in the form of a spherical, parabolic or ellipsoidal segment. And also the fact that these protrusions of the hydrogen-permeable membrane are evenly distributed over the surface of the membrane.
А также тем, что указанные впадины водородопроницаемой мембраны сообщены между собой.And also by the fact that these troughs of the hydrogen permeable membrane are interconnected.
А также тем, что указанная рамка выполнена из металла с коэффициентом теплового расширения отличным от коэффициента теплового расширения палладиевого сплава, из которого изготовлены мембраны.And also the fact that said frame is made of metal with a coefficient of thermal expansion different from the coefficient of thermal expansion of the palladium alloy from which the membranes are made.
А также тем, что указанная рамка выполнена из конструкционного материала. А также тем, что водородопроницаемая мембрана выполнена в виде пластины с формой плоской фигуры.And also the fact that the specified frame is made of structural material. And also the fact that the hydrogen permeable membrane is made in the form of a plate with the shape of a flat figure.
А также тем, что пластина выполнена в форме круга, эллипса, квадрата или прямоугольника. Указанные задача и технический результат достигаются мембранным аппаратом, включающим корпус с размещенными в нем одним или несколькими фильтрующими элементами с размещенными с обеих их сторон газоотводящими и газоподводящими элементами и имеющий подвод исходной газовой смеси, выводы водорода" и обедненной газовой смеси, отличающийся тем, что он снабжен коллекторами отвода водорода и отвода обедненной газовой смеси, герметично соединенными, соответственно, с выводами водорода и обедненной газовой смеси, каждый фильтрующий элемент выполнен в виде описанного выше фильтрующего элемента, газоотводящие элементы выполнены в виде газоотводящих патрубков, герметично соединенных с коллектором отвода обедненной газовой смеси, газоподводящие элементы выполнены в виде дефлекторов, направляющих исходную газовую смесь вдоль наружной поверхности водородопроницаемых мембран фильтрующих элементов с их периферии к центру, а отводящие патрубки периферийных кольцевых коллекторов для сбора водорода фильтрующих элементов герметично соединены с коллектором отвода водорода. А также тем, что дефлектор выполнен из двух одинаковых профилированных дисков, скрепленных между собой по периферии и выполненных с центральным отверстием, с выступами на их внешних боковых сторонах, имеющих протяженность от периферии к центру, и с выступами на внутренних боковых сторонах указанных дисков, образующих канал, в котором размещен газоотводящий патрубок.And also the fact that the plate is made in the form of a circle, ellipse, square or rectangle. The aforementioned task and technical result are achieved by a membrane apparatus comprising a housing with one or more filtering elements located therein with gas exhaust and gas supply elements placed on both sides thereof and having an input of the initial gas mixture, hydrogen and " lean gas mixture, characterized in that it equipped with collectors for the removal of hydrogen and the exhaust of the lean gas mixture, hermetically connected, respectively, with the leads of hydrogen and the lean gas mixture, each filter element in is filled in the form of the filter element described above, the gas outlet elements are made in the form of gas outlet pipes hermetically connected to the exhaust manifold outlet manifold, the gas supply elements are made in the form of deflectors directing the initial gas mixture along the outer surface of the hydrogen-permeable membrane of the filter elements from their periphery to the center, and the outlet pipes of the peripheral annular collectors for collecting hydrogen of the filter elements are hermetically connected to the collector of the hydrogen outlet. And also the fact that the deflector is made of two identical profiled disks fastened to each other along the periphery and made with a central hole, with protrusions on their outer sides, extending from the periphery to the center, and with protrusions on the inner sides of these disks forming the channel in which the exhaust pipe is placed.
А также тем, что дефлектор выполнен в виде плоского диска, расположенного в прорези газоотводящего патрубка, отходящего от центра водородопроницаемой мембраны и имеющего внутренний диаметр больше толщины диска.And also the fact that the deflector is made in the form of a flat disk located in the slot of the gas outlet pipe, extending from the center of the hydrogen-permeable membrane and having an inner diameter greater than the thickness of the disk.
А также тем, что выступы водородопроницаемой мембраны фильтрующих элементов выполнены с выпуклой поверхностью.And also the fact that the protrusions of the hydrogen permeable membrane of the filter elements are made with a convex surface.
А также тем, что указанные выступы водородопроницаемой мембраны выполнены в виде сферического, параболического или эллипсоидного сегмента. А также тем, что указанные выступы водородопроницаемой мембраны расположены равномерно по поверхности мембраны.And also the fact that these protrusions of the hydrogen permeable membrane are made in the form of a spherical, parabolic or ellipsoidal segment. And also the fact that these protrusions of the hydrogen-permeable membrane are evenly distributed over the surface of the membrane.
А также тем, что указанные впадины водородопроницаемой мембраны сообщены между собой. А также тем, что водородопроницаемая мембрана выполнена в виде пластины с формой плоской фигуры.And also by the fact that these troughs of the hydrogen permeable membrane are interconnected. And also the fact that the hydrogen permeable membrane is made in the form of a plate with the shape of a flat figure.
А также тем, что пластины выполнены в форме круга, эллипса, квадрата или прямоугольника.And also the fact that the plates are made in the form of a circle, ellipse, square or rectangle.
А также тем, что водородопроницаемая мембрана по периметру имеет герметично соединенную с ней металлическую рамку.And also due to the fact that the permeable hydrogen membrane has a metal frame sealed to it.
А также тем, что указанная рамка выполнена из металла с коэффициентом теплового расширения отличным от коэффициента теплового расширения палладиевого сплава, из которого изготовлены мембраны.And also the fact that said frame is made of metal with a coefficient of thermal expansion different from the coefficient of thermal expansion of the palladium alloy from which the membranes are made.
А также тем, что указанная рамка выполнена из конструкционного материала. А также тем, что подвод исходной газовой смеси и выводы водорода и обедненной газовой смеси выполнены в виде штуцеров.And also the fact that the specified frame is made of structural material. And also the fact that the supply of the original gas mixture and the conclusions of hydrogen and depleted gas mixture are made in the form of fittings.
А также тем, что герметичные соединения указанных отводящих патрубков с коллектором отвода водорода выполнены в виде резьбовых соединений с уплотнениями типа шар-конус. А также тем, что герметичные соединения указанных отводящих патрубков с коллектором отвода водорода выполнены в виде сварных соединений.And also the fact that the sealed connections of these outlet pipes with a collector of hydrogen removal are made in the form of threaded connections with ball-cone seals. And also the fact that the sealed connections of these outlet pipes with a collector of hydrogen removal are made in the form of welded joints.
А также тем, что фильтрующие элементы объединены в модуль, представляющий собой сборку элементов на коллекторе отвода водорода, выполненного в виде отрезка винтовой линии, охватывающего указанную сборку по окружности с поворотом до 270 градусов.And also by the fact that the filter elements are combined into a module, which is an assembly of elements on the hydrogen removal manifold, made in the form of a segment of a helix covering the specified assembly around the circumference with a rotation of up to 270 degrees.
А также тем, что указанные отводящие патрубки фильтрующих элементов, объединенных в модуль, герметично соединены с вышеуказанным коллектором с поворотом вокруг оси, проходящей через центры мембран перпендикулярно их плоскости, относительно друг друга на угол 10-20 градусов. А также тем, что фильтрующие элементы объединены в один или более указанных модулей, а их отводящие патрубки герметично соединены с общим выходным коллектором водорода резьбовым соединением типа шар - конус. А также тем, что фильтрующие элементы объединены в один или более указанных модулей, а их отводящие патрубки герметично соединены с общим выходным коллектором водорода сварным соединением.And also the fact that these outlet pipes of the filter elements combined into a module are hermetically connected to the above collector with rotation around an axis passing through the centers of the membranes perpendicular to their plane, relative to each other by an angle of 10-20 degrees. And also by the fact that the filter elements are combined into one or more of these modules, and their outlet pipes are hermetically connected to a common hydrogen output collector by a threaded ball-cone connection. And also the fact that the filter elements are combined into one or more of these modules, and their outlet pipes are hermetically connected to a common hydrogen output manifold by a welded joint.
Изобретение иллюстрируют следующие рисунки и чертежи. На фиг.l - водородопроницаемая мембрана (вид сверху) из сплава PdInRu в форме диска с выпуклыми выступами в виде сегментов сферы (h<R) , расположенных равномерно по рабочей поверхности.The invention is illustrated by the following drawings and drawings. In Fig. 1, a hydrogen permeable membrane (top view) of a PdInRu alloy in the form of a disk with convex protrusions in the form of sphere segments (h <R), located uniformly on the working surface.
На фиг.2 - сечение мембраны по линии A-A, изображенной на фиг.1. На фиг.З - водородопроницаемая мембрана из сплава PdInRu в форме диска с выпуклыми выступами в виде сегментов сферы (h<R), расположенными равномерно по рабочей поверхности (Фиг.1-2), герметично соединенная с рамкой, в разрезе по линии A-A.Figure 2 is a cross section of the membrane along the line A-A shown in figure 1. In Fig.3 - a hydrogen-permeable membrane made of PdInRu alloy in the form of a disk with convex protrusions in the form of sphere segments (h <R), arranged uniformly along the working surface (Figs. 1-2), hermetically connected to the frame, in section along the line A-A.
На фиг.4 - вид сверху фильтрующего элемента в форме плоского диска. На фиг.5 - сечение по линии A-A фиг.4. На фиг.6 - мембранный аппарат.Figure 4 is a top view of the filter element in the form of a flat disk. Figure 5 is a section along the line A-A of figure 4. Figure 6 - membrane apparatus.
На фиг.7 - дефлектор потока водородсодержащей смеси газов (вид со стороны мембраны).7 - deflector flow of a hydrogen-containing mixture of gases (view from the side of the membrane).
На фиг.8 - дефлектор в виде диска, врезанного в газоотводящий патрубок отвода обедненной смеси газов от центра фильтрующих элементов (разрез, вид сбоку).On Fig - deflector in the form of a disk embedded in the exhaust pipe of the exhaust gas mixture from the center of the filter elements (section, side view).
На фиг.9 - вид вдоль оси А газоотводящего патрубка дефлектора (Фиг.8). На фиг.10- вид сверху дефлектора (Фиг.8).In Fig.9 is a view along the axis A of the exhaust pipe of the deflector (Fig.8). Figure 10 is a top view of the deflector (Figure 8).
На фиг.11 - вид модуля фильтрующего узла, представляющего собой сборку фильтрующих элементов на коллекторе отвода чистого водорода в виде отрезка винтовой линии, охватывающего указанную сборку по окружности с поворотом на 270 градусов, с расположением фильтрующих элементов с поворотом относительно друг друга на угол 20 градусов и герметично соединенных с коллектором резьбовыми соединениями типа шар - конус.Figure 11 is a view of a module of a filtering assembly, which is an assembly of filtering elements on a pure hydrogen discharge manifold in the form of a segment of a helix covering the assembly around a circle with a rotation of 270 degrees, with the arrangement of the filter elements with a rotation of 20 degrees relative to each other and hermetically connected to the collector by threaded ball-cone connections.
На фиг.12 -фильтрующий элемент (односторонний, второй вариант выполнения - вид сверху);In Fig.12 - filter element (one-sided, the second embodiment is a top view);
На фиг. 13 - разрез по линии A-A фиг.12.In FIG. 13 is a section along line A-A of FIG. 12.
На фиг.14 - фотография водородопроницаемой мембраны из сплава Bl с рельефом на поверхности в виде кольцевых концентрических волн, аналогичных предложенным в патенте [10] , с рамкой, после испытаний при T=500°C , давлении 1 МПа в течение 6 ч с периодическими циклами снижения температур до 35O0C и подъема до 5000C в течение каждого часа.On Fig - photograph of a hydrogen-permeable membrane of alloy Bl with a relief on the surface in the form of circular concentric waves, similar proposed in the patent [10], with a frame, after testing at T = 500 ° C, a pressure of 1 MPa for 6 hours with periodic cycles of lowering temperatures to 35O 0 C and rising to 500 0 C for every hour.
В соответствии с изобретением водородопроницаемая мембрана 1 (фиг.1-2) из сплавов палладия с одним или несколькими элементами из групп I6, III, IV, VI Периодической системы элементов (например, PdCu, PdAg, PdAu, PdY, PdRu, PdInRu, PdCuPb, PdAgAuRu, PdAgAuAlNi и многокомпонентные сплавы серии Bj- B4, содержащие Pd, Ag, Pt, Au, Al, Ru в разных концентрациях) обладает высокой селективностью проницаемости для водорода и его изотопов по отношению ко всем другим газам и имеет форму, например, плоского диска или любой другой плоской фигуры (круга, эллипса, квадрата или прямоугольника), на рабочей поверхности которой прессованием создан глубокий рельеф из расположенных, например, равномерно, по поверхности мембраны выступов 2 с выпуклой поверхностью в виде сегментов сферы (h>R), эллипсоида или параболоида, и окружающими каждый выступ впадинами 3, которые могут быть сообщены между собой. Высота выпуклых участков (выступов 2) рельефа выбрана таким образом, чтобы отношение длины дуги L на поверхности выступов 2 в их поперечном сечении к длине ее проекции на площадь основания D находилось в пределах l,05< L / D < l +δ , (1) где δ - пластичность материала мембраны.In accordance with the invention, a hydrogen permeable membrane 1 (Fig.1-2) made of palladium alloys with one or more elements from groups I 6 , III, IV, VI of the Periodic system of elements (e.g. PdCu, PdAg, PdAu, PdY, PdRu, PdInRu, PdCuPb, PdAgAuRu, PdAgAuAlNi and multicomponent alloys of the Bj-B 4 series containing Pd, Ag, Pt, Au, Al, Ru in different concentrations) has a high selectivity of permeability to hydrogen and its isotopes with respect to all other gases and has a shape, for example , flat disk or any other flat shape (circle, ellipse, square or rectangle), on the working the surface of which by pressing has created a deep relief of protrusions 2 arranged, for example, evenly, on the membrane surface with a convex surface in the form of segments of a sphere (h> R), an ellipsoid or paraboloid, and valleys 3 surrounding each protrusion, which can communicate with each other. The height of the convex sections (protrusions 2) of the relief is selected so that the ratio of the length of the arc L on the surface of the protrusions 2 in their cross section to the length of its projection onto the base area D is within l, 05 <L / D <l + δ, (1 ) where δ is the ductility of the membrane material.
Радиус сферы может варьироваться в пределах от 0,5 до 10мм, а расстояние между выступами минимально из возможных. Механические свойства некоторых сплавов, отожженных в вакууме, приведены в таблице 1.The radius of the sphere can vary from 0.5 to 10 mm, and the distance between the protrusions is the smallest possible. The mechanical properties of some alloys annealed in vacuum are shown in table 1.
Пример мембраны с рельефом поверхности в виде выпуклых участков в форме сегментов сферы (h/r =0.5) показан на фиг.1-2.An example of a membrane with a surface relief in the form of convex sections in the form of sphere segments (h / r = 0.5) is shown in FIGS. 1-2.
Такой рельеф обеспечивает равномерность компенсации механических напряжений, возникающих вследствие разности термоконцентрационного расширения рамок и мембран, в любом направлении в любой точке поверхности мембран при любой форме мембран. Он практически полностью устраняет возможность образования складок, морщин и других дефектов поверхности мембран, обеспечивает дополнительную жесткость конструкции мембран и стенок МЭ, повышая ресурс эксплуатации МЭ. Сверх того предлагаемая формовка мембран повышает их производительность по чистому водороду за счет увеличения истинной поверхности и уменьшения толщины мембран тем больше, чем выше пластичность материала мембран при одинаковых рабочих параметрах, исходной толщине и площади поверхности мембраны до создания рельефа.Such a relief ensures uniform compensation of mechanical stresses arising due to the difference in the thermoconcentration expansion of the frames and membranes, in any direction at any point on the surface of the membranes for any form of membranes. It almost completely eliminates the possibility of wrinkles, wrinkles, and other defects on the surface of the membranes, provides additional rigidity to the structure of the membranes and walls of the ME, increasing the life of the ME. Moreover, the proposed molding of membranes increases their productivity in pure hydrogen by increasing the true surface and the decrease in membrane thickness, the greater, the higher the plasticity of the membrane material with the same operating parameters, the initial thickness and surface area of the membrane to create a relief.
Мембрана 1 со стороны подачи газовой смеси может быть герметично соединена по периметру с металлической рамкой 4, внутренний размер которой меньше, а внешний размер - больше наружного размера мембраны 1 (Фиг.З).The membrane 1 on the supply side of the gas mixture can be hermetically connected around the perimeter with a metal frame 4, the inner size of which is smaller, and the outer dimension is larger than the outer dimension of the membrane 1 (Fig.Z).
Рамка 4 является элементом конструкции, обеспечивающим прочность и сохранность мембраны при её использовании, а также облегчающим герметичное соединение мембраны с другими элементами конструкции мембранных аппаратов. Рамка может быть выполнена из любого конструкционного материала, имеющего коэффициент термического (теплового) расширения, отличный от коэффициента термического (теплового) расширения материала мембраны, например, из нержавеющей стали, никеля и никелевых сплавов, титана.Frame 4 is a structural element that ensures the strength and integrity of the membrane during its use, as well as facilitating the tight connection of the membrane with other structural elements of the membrane apparatus. The frame can be made of any structural material having a coefficient of thermal (thermal) expansion other than the coefficient of thermal (thermal) expansion of the material of the membrane, for example, stainless steel, nickel and nickel alloys, titanium.
Фильтрующий элемент 5 предпочтительнее в форме плоского диска (Фиг.4- 5) содержит (по первому варианту исполнения) две описанные выше мембраны 1, герметично соединенные по периметру с двумя рамками 4 со стороны подачи газовой смеси, внутренний размер которых меньше, а внешний размер - больше наружного размера мембраны 1. Между ними расположен пористый разделительный элемент 6, размер которого равен или больше размера мембраны 1, но меньше внешнего размера рамки 4. Рамки 4 имеют кольцевые 7 и радиальные 8 гофры, которые после герметичного соединения по периметру образуют кольцевой коллектор 9 для сбора чистого водорода и радиальный канал 10, в который помещается патрубок 11 для отвода чистого водорода, герметично соединяемый с рамками 4. Разделительный элемент 6 имеет минимальное гидравлическое сопротивление, чтобы обеспечить беспрепятственный транспорт чистого водорода, прошедшего через мембраны 1, и сообщается с кольцевым коллектором 9 для сбора чистого водорода, прошедшего через мембрану 1. Размер разделительного элемента 6 может быть равным или превышает размеры мембраны 1 для того, чтобы он не мог повредить мембрану 1 при сборке и эксплуатации. На фиг.4 показан для примера фильтрующий элемент в форме плоского диска, а на фиг.5 его поперечный разрез. Но фильтрующий элемент может иметь любую другую плоскую форму, например, квадрата или прямоугольника, в том числе с закругленными углами, эллипса, флажка и т.д.The filter element 5 is preferably in the form of a flat disk (Fig. 4-5) contains (according to the first embodiment) the two membranes 1 described above, tightly connected around the perimeter with two frames 4 on the supply side of the gas mixture, the inner size of which is smaller and the outer dimension - larger than the outer size of the membrane 1. Between them is a porous separation element 6, the size of which is equal to or greater than the size of the membrane 1, but smaller than the outer size of the frame 4. The frames 4 have annular 7 and radial 8 corrugations, which, after tight connection I form a ring collector 9 around the perimeter for collecting pure hydrogen and a radial channel 10 into which a pipe 11 for removing pure hydrogen is placed, hermetically connected to the frames 4. The separation element 6 has minimal hydraulic resistance to ensure unhindered transport of pure hydrogen passing through the membranes 1, and communicates with the annular collector 9 to collect pure hydrogen passing through the membrane 1. The size of the separation element 6 may be equal to or greater than the size of the membrane 1 to Oh, so it can not damage the membrane 1 during assembly and operation. Figure 4 shows for example a filter element in the form of a flat disk, and figure 5 its cross section. But the filter element can have any other flat shape, for example, a square or rectangle, including with rounded corners, an ellipse, a flag, etc.
Фильтрующий элемент 5 может содержать только одну мембрану 1 (односторонний, фильтрующий элемент фиг.12- 13), соединенную герметично с рамкой 4 и образующую мембранную стенку 12, и сплошную металлическую стенку (подложку) 13 с наружным размером равным наружному размеру рамки 4 мембранной стенки 12, имеющую такие же кольцевую 7 и радиальную 8 гофры, как и рамка 4, пористый газоотводный элемент 6, помещенный между стенками 12 и 13 и сообщающийся с периферийным кольцевым коллектором 9 для сбора водорода. Кольцевой коллектор 9 образуется после герметичного соединения рамки 4 , и подложки 13 по периметру, также как и радиальный канал 10, в котором помещается патрубок 11 для отвода чистого водорода, герметично соединенный с рамкой 4 и подложкой 13.The filter element 5 may contain only one membrane 1 (one-sided filter element of FIGS. 12-13) connected hermetically to the frame 4 and forming the membrane wall 12, and a continuous metal wall (substrate) 13 with an external dimension equal to the outer dimension of the membrane wall frame 4 12, having the same annular 7 and radial 8 corrugations as the frame 4, a porous venting element 6 placed between the walls 12 and 13 and communicating with the peripheral annular collector 9 for collecting hydrogen. An annular collector 9 is formed after a tight connection of the frame 4 and the substrate 13 around the perimeter, as well as the radial channel 10, in which the pipe 11 for removing pure hydrogen is placed, hermetically connected to the frame 4 and the substrate 13.
Мембранный аппарат (фиг.6) включает корпус 14 с размещенными в нем одним или несколькими фильтрующими элементами 5 (фиг.4-5). С обеих сторон фильтрующих элементов 5 размещены газоотводящие 15 и газоподводящие 16 элементы. На корпусе 14 расположены штуцера подвода исходной газовой смеси 17, вывода чистого водорода 18 и обедненной газовой смеси 19. Фильтрующие элементы вместе с газоподводящими и газоотводящими элементами, коллекторами отвода водорода 20 и обедненной газовой смеси 21 составляют фильтрующий узел мембранного аппарата. Коллекторы герметично соединены, соответственно, с выводами водорода 18 и обедненной газовой смеси 19. Газоотводящие элементы 15 выполнены в виде газоотводящих патрубков 22, герметично соединенных с коллектором отвода обедненной газовой смеси 21. Газоподводящие элементы 16 выполнены в виде пластин. Сборка газоподводящих элементов 16 и газоотводящих элементов 15 образует дефлектор 23 (фиг.7, 8-10), направляющий исходную газовую смесь вдоль наружной поверхности водородопроницаемых мембран 1 и фильтрующих элементов 5 от периферии к центру и отводящий от центра их мембран газовую смесь, обедненную после извлечения водорода, проходящего сквозь мембраны. Патрубки 11, отводящие чистый водород, прошедший через мембраны внутрь фильтрующих элементов 5, герметично соединены с коллектором отвода водорода 20. Дефлектор 23 по первому варианту выполнения (фиг.7) выполнен из двух одинаковых профилированных дисков 24, скрепленных между собой по периферии и выполненных с центральным отверстием 25, с выступами 26 на их внешних боковых сторонах, имеющих протяженность от периферии к центру, и с выступами 27, образующими на внутренних боковых сторонах указанных дисков 24 канал 28, в котором размещен газоотводящий патрубок 22.The membrane apparatus (FIG. 6) includes a housing 14 with one or more filter elements 5 (FIGS. 4-5) placed therein. On both sides of the filter elements 5 there are gas exhaust 15 and gas supply 16 elements. On the housing 14 there are nozzles for supplying the initial gas mixture 17, the outlet of pure hydrogen 18 and the depleted gas mixture 19. The filter elements together with the gas supply and gas removal elements, the collectors of the hydrogen removal 20 and the depleted gas mixture 21 constitute the filter assembly of the membrane apparatus. The collectors are hermetically connected, respectively, with the conclusions of the hydrogen 18 and the lean gas mixture 19. The gas outlet elements 15 are made in the form of gas outlet pipes 22, hermetically connected to the exhaust manifold of the exhaust gas mixture 21. The gas supply elements 16 are made in the form of plates. The assembly of the gas supply elements 16 and gas exhaust elements 15 forms a deflector 23 (Figs. 7, 8-10), directing the initial gas mixture along the outer surface of the hydrogen-permeable membranes 1 and filter elements 5 from the periphery to the center and exhausting the gas mixture depleted from the center of their membranes, depleted after extraction of hydrogen passing through the membrane. Pipes 11, discharging pure hydrogen, passed through the membrane into the filter elements 5, are hermetically connected to the collector of hydrogen removal 20. The deflector 23 according to the first embodiment (Fig. 7) is made of two identical profiled disks 24, fastened together at the periphery and made with a central hole 25, with protrusions 26 on their outer sides extending from the periphery to the center, and with protrusions 27, forming on the inner side sides of said disks 24 a channel 28 in which a gas outlet pipe 22 is located.
Дефлектор 23 по второму варианту выполнения (фиг.8-10) выполнен в виде плоского диска 29 (Фиг.10), расположенного в прорези газоотводящего патрубка 22 (Фиг.8, 9), отходящего от центра водородопроницаемой мембраны и имеющего внутренний диаметр больше толщины диска 29 (Фиг.8).The deflector 23 according to the second embodiment (Figs. 8-10) is made in the form of a flat disk 29 (Fig. 10) located in the slot of the gas outlet pipe 22 (Figs. 8, 9) extending from the center of the hydrogen permeable membrane and having an inner diameter larger than the thickness disk 29 (Fig. 8).
Фильтрующие элементы 5 могут быть объединены в модуль фильтрующего узла, представляющий собой сборку фильтрующих элементов 5 на коллекторе отвода чистого водорода 19, а два и более модуля фильтрующего узла- с общим коллектором отвода водорода фильтрующего узла, соединяемого со штуцером 18. Таким же образом патрубки отвода обедненной смеси 22 из модуля фильтрующего узла могут быть объединены сборкой на коллекторе 21, а коллектора всех модулей 21 с общим коллектором, соединенный с штуцером 19.The filter elements 5 can be combined into a module of the filter unit, which is an assembly of filter elements 5 on the collector of pure hydrogen 19, and two or more modules of the filter unit with a common collector of hydrogen of the filter unit connected to the nozzle 18. In the same way, the branch pipes the depleted mixture 22 from the filter unit module can be combined by assembly on the collector 21, and the collector of all modules 21 with a common collector connected to the fitting 19.
Герметичность соединения патрубков 11 с коллектором 20 и коллектора 20 со штуцером 18 отвода чистого водорода, а также патрубков 22 с коллектором 21 и коллектора 21 со штуцером 19 отвода обедненной смеси обеспечивается сварными соединениями. Сварными соединениями может быть обеспечена герметичность всех перечисленных выше элементов.The tightness of the connection of the nozzles 11 with the collector 20 and the collector 20 with the nozzle 18 of the drain of pure hydrogen, as well as the nozzles 22 with the collector 21 and the collector 21 with the nozzle 19 of the exhaust lean mixture is provided by welded joints. Welded joints can be ensured tightness of all of the above elements.
Патрубки 11 отвода чистого водорода из фильтрующих элементов 5 могут быть заменены на штуцеры с уплотнениями типа шар-конус 31 , как показано на фиг.11 , где изображен модуль фильтрующего узла.The nozzles 11 of the drain of pure hydrogen from the filter elements 5 can be replaced by fittings with ball-cone seals 31, as shown in Fig. 11, which shows the module of the filter unit.
Фильтрующие элементы 5 в этом случае объединены в модуль 30, представляющий собой сборку фильтрующих элементов 5 на коллекторе отвода водорода 19, выполненного в виде отрезка винтовой линии, охватывающего указанную сборку по окружности с поворотом до 270 градусов. Указанные отводящие штуцеры с уплотнениями 31 фильтрующих элементов 5 , объединенных в модуль 30, герметично соединены с вышеуказанным коллектором 19 с поворотом вокруг оси, проходящей через центры их мембран 1 перпендикулярно их плоскости, относительно друг друга на угол 10-20 градусов. Коллектор модуля 19 в свою очередь герметично соединен таким же соединением Зl с общим коллектором 20, а коллектор 20 с выводящим штуцером на корпусе (не показаны на фиг.l 1).The filtering elements 5 in this case are combined into a module 30, which is an assembly of filtering elements 5 on the collector of hydrogen removal 19, made in the form of a segment of a helix covering the specified assembly around the circle with rotation up to 270 degrees. These outlet nozzles with seals 31 of the filter elements 5 integrated into the module 30 are hermetically connected to the above collector 19 with rotation about an axis passing through the centers of their membranes 1 perpendicular to their plane, relative to each other by an angle of 10-20 degrees. The collector of module 19 in its the queue is hermetically connected by the same connection Зl to the common collector 20, and the collector 20 with the outlet fitting on the housing (not shown in Fig. 1).
Фильтрующие элементы 5 могут быть объединены в один или более указанных модулей, а коллекторы модулей герметично соединены с общим выходным коллектором водорода 20 резьбовым соединением типа шар - конус 32 или сварным соединением (не показано).The filter elements 5 can be combined into one or more of these modules, and the manifolds of the modules are hermetically connected to the common output collector of hydrogen 20 by a threaded connection of the ball-cone 32 type or by a welded connection (not shown).
Газоотводящие патрубки 22 могут быть герметично соединены с коллекторами отвода обедненной смеси 21 сварными соединениями или резьбовыми соединениями типа шар - конус 31 (не показано), а коллектора 21 с штуцером 22, выводящим обедненную смесь из корпуса, резьбовым соединением типа шар - конус или сварным соединением (не показано).The gas outlet pipes 22 can be hermetically connected to the depletion mixture manifolds 21 with welded joints or ball-cone threaded connections 31 (not shown), and the manifold 21 with a fitting 22 leading the lean mixture out of the housing, a ball-cone threaded joint or welded joint (not shown).
На мембране 1 (по ближайшему аналогу - фиг.14) с исходными круговыми гофрами 33 и рамкой 4 видны радиальные складки 34, образующиеся в результате испытаний. Они приводят к быстрой разгерметизации фильтрующих элементов и выходу их из строя. Более того, как следует из приведенных ниже данных таб.1-4, создание гофр с поперечным сечением в форме полукруга неизбежно приводит к разрыву мембран из известных в настоящее время палладиевых сплавов вследствие невыполнения соотношения 1. Таким образом, использование таких гофр не выполняет предполагаемых функций - увеличения производительности и ресурса работы мембран.On the membrane 1 (according to the closest analogue - Fig. 14) with the initial circular corrugations 33 and frame 4, the radial folds 34 formed as a result of the tests are visible. They lead to rapid depressurization of the filter elements and their failure. Moreover, as follows from the data of Tables 1-4 below, the creation of corrugations with a cross-section in the form of a semicircle inevitably leads to rupture of membranes from currently known palladium alloys due to the failure of ratio 1. Thus, the use of such corrugations does not fulfill the intended functions - increase productivity and service life of the membranes.
Мембранный аппарат (фиг.6) с патентуемыми фильтрующими элементами (фиг.4, 5) работает следующим образом.The membrane apparatus (Fig.6) with patentable filtering elements (Fig.4, 5) works as follows.
Исходная газовая смесь, содержащая водород, подается в корпус 14 через штуцер 17 и проходит в щелевые каналы между поверхностями мембраны 1 и дисков 24 (Фиг.7) дефлектора 23 и течет над поверхностью мембран от периферии к центру. При этом водород проходит через мембраны 1 внутрь фильтрующих элементов 5 и отводится через разделительный элемент 6, отводящий патрубок 11 в коллектор отвода чистого водорода 20 и выводится из корпуса 14 через штуцер 18, а обедненная газовая смесь отводится от центра мембраны 1 через отверстие 25 в центре диска 24 дефлектора 23 (Фиг.7) в газоотводящий патрубок 22 и коллектор ее отвода 21 и выводится из корпуса через штуцер 19.The initial gas mixture containing hydrogen is supplied to the housing 14 through the fitting 17 and passes into the slotted channels between the surfaces of the membrane 1 and the disks 24 (Fig. 7) of the deflector 23 and flows over the surface of the membranes from the periphery to the center. In this case, hydrogen passes through the membranes 1 into the filter elements 5 and is discharged through the separation element 6, the outlet pipe 11 into the collector of clean hydrogen 20 and is discharged from the housing 14 through the fitting 18, and the lean gas mixture is discharged from the center of the membrane 1 through the hole 25 in the center the disk 24 of the deflector 23 (Fig.7) into the gas outlet pipe 22 and the collector of its outlet 21 and is removed from the housing through the fitting 19.
Варьированием высоты выступов 26 на поверхности дисков 24 дефлектора 23 обеспечивается регулировка параметров подвода и течения исходной смеси вдоль поверхности мембран 1 , таких как скорость и расход, а изменением диаметра отверстия 25 в центре дефлекторов 23 и давления на выводе 19 из корпуса 14 обеспечивается регулировка расхода отводимой обедненной смеси газов.By varying the height of the protrusions 26 on the surface of the disks 24 of the deflector 23, the supply parameters and the flow of the initial mixture are adjusted along the surface of the membranes 1, such as speed and flow rate, and by changing the diameter of the hole 25 in the center of the deflectors 23 and the pressure at the terminal 19 from the housing 14, the flow rate of the exhaust lean gas mixture is adjusted.
Дефлектор 23 может быть выполнен также по второму варианту исполнения (Фиг.8-10). В этом случае внешний диаметр газоотводящего патрубка 22 определяет ширину щелевого канала для подвода исходной газовой смеси, а обедненная в результате отбора чистого водорода через мембраны 1 газовая смесь отводится от центра мембран 1 через две щели, образованные внутренней стенкой патрубка 22 и диском 29. Варьированием этих параметров обеспечивается регулировка параметров течения исходной смеси и отвода обедненной смеси газов. Патрубки 22 дефлекторов 23 герметично соединены с коллектором отвода обедненной газовой смеси 21.The deflector 23 can also be made according to the second embodiment (Figs. 8-10). In this case, the outer diameter of the gas outlet pipe 22 determines the width of the slot channel for supplying the initial gas mixture, and the gas mixture depleted as a result of the selection of pure hydrogen through the membranes 1 is discharged from the center of the membranes 1 through two slots formed by the inner wall of the pipe 22 and the disk 29. By varying these Parameters provides adjustment of the flow parameters of the initial mixture and removal of the lean gas mixture. The nozzles 22 of the deflectors 23 are hermetically connected to the exhaust manifold exhaust manifold 21.
Описанная конструкция обеспечивает постоянство состава, давления и скорости подводимой исходной смеси к периферии поверхности всех мембран, установленных в фильтрующем узле, изменения по радиусу мембран скоростей и концентраций всех компонентов, включая водород, а также давление, состав и расход обедненной смеси, отводимой от центра мембран.The described design ensures the constancy of the composition, pressure and velocity of the feed mixture to the periphery of the surface of all membranes installed in the filtering unit, changes in the radius of the membranes of the velocities and concentrations of all components, including hydrogen, as well as the pressure, composition and flow rate of the lean mixture discharged from the center of the membranes .
Наличие выпуклого регулярного рельефа на поверхности мембран вследствие их формовки с высотой, соизмеримой с шириной каналов, приводит к образованию турбулентных вихрей в потоке газа и ускорению перемешивания потока и подвода водорода к поверхности мембран, увеличивая их производительность. Обе описанные конструкции дефлекторов (Фиг.7 и 8-10) полностью исключают возникновение застойных зон, непостоянство концентрации водорода в исходной смеси по высоте фильтрующего узла, характерные для аналогов и прототипов.The presence of a convex regular relief on the surface of the membranes due to their molding with a height commensurate with the width of the channels leads to the formation of turbulent vortices in the gas flow and accelerates the mixing of the flow and the supply of hydrogen to the surface of the membranes, increasing their productivity. Both described designs of deflectors (Figs. 7 and 8-10) completely exclude the occurrence of stagnant zones, inconstancy of the concentration of hydrogen in the initial mixture along the height of the filter assembly, typical for analogues and prototypes.
Путем замены отводящих патрубков 11 для отвода чистого водорода в штуцера, герметизируемые с коллектором 20 путем применения резьбовых соединений с уплотнением шар-конус вместо сварки (Фиг.11), обеспечивается упрощение операций сборки и разборки фильтрующего узла, увеличение ремонтопригодности путем отсоединения каждого дефектного фильтрующего элемента от коллектора отвода чистого водорода и его замены на новый. В такой конструкции проще осуществить модульный принцип формирования фильтрующих узлов, а также облегчается регенерация палладия из дефектных фильтрующих элементов. Осуществление изобретенияBy replacing the outlet pipes 11 for discharging pure hydrogen into fittings that are sealed with a collector 20 by using threaded connections with a ball-cone seal instead of welding (Fig. 11), the assembly and disassembly of the filter assembly are simplified, the maintainability is increased by disconnecting each defective filter element from the collector of the removal of pure hydrogen and its replacement with a new one. In this design, it is easier to implement the modular principle of forming filter units, and the regeneration of palladium from defective filter elements is also facilitated. The implementation of the invention
Пример 1. Из фольги сплава PdInRu толщиной 50 мкм, полученной прокаткой в холодном состоянии, вырезаны четыре группы одинаковых образцов мембран диаметром 50мм по 5 образцов в каждой группе. Три группы образцов отожжены в вакууме, а четвертая оставлена без отжига. Все образцы подверглись формовке поверхности прессованием при давлении 16 кг/мм2 с созданием рельефа в виде сегментов сферы, расположенных равномерно по поверхности, с радиусом сфер R=2,5 мм и разной высотой Результаты проверки герметичности до и после формовки приведены в таблице 2, где представлено количество герметичных образцов разных групп после формовки поверхности.Example 1. Four groups of identical samples of membranes with a diameter of 50 mm, 5 samples in each group, were cut from a 50 μm thick PdInRu alloy foil. Three groups of samples were annealed in vacuum, and the fourth was left without annealing. All samples were molded by pressing at a pressure of 16 kg / mm 2 with the creation of a relief in the form of segments of a sphere located uniformly on the surface, with a radius of spheres R = 2.5 mm and different heights. The results of the leak test before and after molding are shown in table 2, where the number of sealed samples of different groups after surface forming is presented.
Таким образом, герметичность мембран после формовки сохраняется в 100% случаев при выполнении условия (1), и нарушается в 100% случаев при невыполнении этого условия.Thus, the tightness of the membranes after molding is maintained in 100% of cases when condition (1) is met, and is broken in 100% of cases if this condition is not fulfilled.
Пример 2.Example 2
Из фольг сплавов PdY6%, PdCu40% и PdCuPb толщиной 50 мкм, полученных прокаткой в холодном состоянии, вырезаны по три одинаковых образца мембран диаметром 50мм. По два образца из каждого сплава отожжены в вакууме, а по одному оставлено без отжига. Все образцы подверглись формовке поверхности прессованием при давлении 16 кг/мм с созданием рельефа в виде сегментов сферы, расположенных равномерно по поверхности с радиусом сфер R=2,5 мм и разной высотой Результаты проверки герметичности до и после формовки приведены в таблице 3. Таким образом, герметичность мембран после формовки сохраняется в 100% случаев при выполнении условия (1), и нарушается в 100% случаев при невыполнении этого условия для всех мембран с разным составом палладиевого сплава.Three identical samples of membranes with a diameter of 50 mm were cut from foils of alloys PdY6%, PdCu40%, and PdCuPb 50 μm thick, obtained by cold rolling. Two samples from each alloy were annealed in vacuum, and one was left without annealing. All samples were molded by pressing at a pressure of 16 kg / mm to create a relief in the form of segments of a sphere located uniformly on the surface with a radius of spheres R = 2.5 mm and different heights. The results of leak testing before and after molding are shown in Table 3. Thus , the tightness of the membranes after molding is maintained in 100% of cases under condition (1), and is violated in 100% of cases if this condition is not met for all membranes with different compositions of the palladium alloy.
Пример 3. Из фольги сплава PdInRu толщиной 50 мкм вырезаны три одинаковых образца мембран диаметром 50мм. Поверхность одного из них отформована путем создания гофр в виде радиальных лучей под углом 30°, второго - прессованием при давлении 16 кг/см2 поверхности мембраны в виде сферических сегментов радиусом R=2,5 мм и высотой h= 0,5мм, расположенных равномерно по поверхности, а третьего оставлена без формовки. После этого мембраны герметично соединены с рамками. Проведена проверка, подтвердившая герметичность всех трех мембран с рамками. После этого проведены их испытания в условиях, характерных для эксплуатации мембранных фильтрующих элементов и фильтрующих узлов. Для этого они были помещены в вакуумную камеру, где нагревались при остаточном давлении воздуха 10 мм рт. ст. до температуры 35O0C, затем напускался водород до давления 0,5MПa, температура повышалась до 6000C и стенки выдерживались в этих условиях в течение часа, после чего охлаждались до 35O0C в водороде, затем объем камеры откачивался до 10"4 мм рт. ст. и охлаждался до комнатной температуры. Эта процедура повторялась пять раз. Последующий осмотр поверхности и проверка герметичности мембран с рамками после извлечения их на атмосферу показали, что стенка с неотформованной мембраной сильно покороблена и негерметична. Стенка с формовкой мембраны в виде гофр несколько покороблена, но ее герметичность не нарушена. Стенка с мембраной, отформованной путем создания глубокого рельефа в виде сегментов сферы, также герметична и к тому же не изменила своего вида. Таким образом показано, что полную компенсацию напряжений мембран с рамками вследствие термического и концентрационного расширения в атмосфере водорода обеспечивает только формовка мембран путем создания рельефа в виде сегментов сферы, равномерно расположенных по поверхности при сохранении условия - L/D< 1+δ (1).Example 3 Three identical samples of membranes with a diameter of 50 mm were cut from a PdInRu alloy foil 50 μm thick. The surface of one of them is molded by creating corrugations in the form of radial rays at an angle of 30 °, the second by pressing at a pressure of 16 kg / cm 2 the surface of the membrane in the form of spherical segments of radius R = 2.5 mm and a height h = 0.5 mm, arranged uniformly on the surface, and the third left without molding. After that, the membranes are hermetically connected to the frames. A check was carried out to confirm the tightness of all three membranes with frames. After that, they were tested under conditions typical for the operation of membrane filter elements and filter units. For this, they were placed in a vacuum chamber, where they were heated at a residual air pressure of 10 mm Hg. Art. to a temperature of 35O 0 C, then hydrogen was admitted to a pressure of 0.5 MPa, the temperature increased to 600 0 C and the walls were kept under these conditions for an hour, then they were cooled to 35O 0 C in hydrogen, then the chamber volume was pumped out to 10 "4 mm Hg and cooled to room temperature. This procedure was repeated five times. Subsequent inspection of the surface and the tightness of the membranes with frames after removing them to the atmosphere showed that the wall with the unformed membrane is strongly warped and leaky. somewhat distorted, but its tightness is not broken.The wall with a membrane molded by creating a deep relief in the form of segments of a sphere is also tight and also has not changed its appearance. Thus, it is shown that full compensation of the stresses of the membranes with frames due to thermal and concentration expansion in a hydrogen atmosphere, only membrane formation is possible by creating a relief in the form of sphere segments evenly spaced along the surface while maintaining the condition L / D <1 + δ (1).
Пример 4.Example 4
Из фольги сплава PdInRu толщиной 50 мкм вырезаны три одинаковых мембраны. Поверхность одной из них отформована прессованием при давлении lбкr/см2 с созданием глубокого рельефа в виде сегментов сферы радиусом 2,5мм и высотой 0.5мм, второй - высотой 0.7мм, расположенных равномерно на поверхности мембран. Поверхность третьей оставлена без изменений. Из них вырезаны образцы диаметром 28мм, которые были установлены в герметичные ячейки для измерения расхода водорода, прошедшего через мембрану, с диаметром геометрической рабочей поверхности 20мм, и проведены измерения расхода водорода, прошедшего через мембраны при одинаковых параметрах. Результаты измерений приведены в таблице 4. Как следует из данных таблицы 4, формовка поверхности мембран увеличила расход чистого водорода при одинаковых параметрах в 1.3-1.5 раза по сравнению с неотформованным образцом.Three identical membranes were cut from a 50 μm thick PdInRu alloy foil. The surface of one of them is molded by pressing at a pressure of lbqr / cm 2 with the creation of a deep relief in the form of segments of a sphere with a radius of 2.5 mm and a height of 0.5 mm, and the second with a height of 0.7 mm located uniformly on the membrane surface. The surface of the third is left unchanged. Of these, samples were cut with a diameter of 28 mm, which were installed in airtight cells for measuring the flow rate of hydrogen passing through the membrane with a diameter of the geometric working surface of 20 mm, and measurements were taken of the flow rate of hydrogen passing through the membrane with the same parameters. The measurement results are shown in table 4. As follows from the data in table 4, the molding of the membrane surface increased the consumption of pure hydrogen at the same parameters by 1.3-1.5 times in comparison with the unformed sample.
Пример 5. Из фольги сплава PdY6% толщиной 50 мкм вырезаны три одинаковых мембраны. Поверхность одной из них отформована прессованием при давлении lбкг/см с созданием глубокого рельефа в виде сегментов сферы радиусом 2,5мм и высотой 0.5мм, второй - высотой 0.7мм, расположенных равномерно на поверхности мембран. Поверхность третьей оставлена без изменений. Из них вырезаны образцы диаметром 28мм, которые были установлены в герметичные ячейки для измерения расхода водорода, прошедшего через мембрану, с диаметром геометрической рабочей поверхности 20мм, и проведены измерения расхода водорода, прошедшего через мембраны при одинаковых параметрах. Результаты измерений приведены в таблице 5. Как следует из данных таблицы 5, формовка поверхности мембран увеличила расход чистого водорода при одинаковых параметрах в 1.3-1.5 раза по сравнению с неотформованным образцом.Example 5. Three identical membranes are cut from a PdY6% foil with a thickness of 50 μm. The surface of one of them is molded by pressing at a pressure of lkg / cm with the creation of a deep relief in the form of segments of a sphere with a radius of 2.5 mm and a height of 0.5 mm, the second - with a height of 0.7 mm, located uniformly on the surface of the membranes. The surface of the third is left unchanged. Samples of 28 mm diameter were cut from them, which were installed in sealed cells for measuring the flow rate of hydrogen passing through the membrane with a diameter of the geometric working surface of 20 mm, and measurements were taken of the flow rate of hydrogen passing through the membrane with the same parameters. The measurement results are shown in table 5. As follows from the data in table 5, the molding of the surface of the membranes increased the consumption of pure hydrogen at the same parameters by 1.3-1.5 times in comparison with the unformed sample.
Пример 6. Три фильтрующих двухсторонних элемента с мембранами из сплава Bl толщиной 50 мкм с площадью рабочей поверхности мембран 0.0032м установлены в герметичные корпуса с различными схемами подачи исходной смеси газов и отвода обедненной после извлечения водорода газовой смеси :Example 6. Three filtering bilateral elements with membranes from Bl alloy with a thickness of 50 μm and a membrane working area of 0.0032 m are installed in sealed enclosures with various schemes for supplying the initial gas mixture and removing the gas mixture depleted after hydrogen extraction:
- в камере N°l подача исходной смеси и отвод обедненной осуществлялись через штуцера, расположенные в боковой стенке диаметрально противоположно друг другу;- in the chamber N ° l, the supply of the initial mixture and the removal of the depleted were carried out through fittings located diametrically opposite to each other in the side wall;
- в камере N°2 подача исходной смеси осуществлялась через трубчатый коллектор, охватывающий половину периметра фильтрующего элемента и имеющий равномерно расположенные по длине радиальные отверстия, направленные в сторону поверхности мембран, а отвод обедненной смеси - через штуцер, расположенный диаметрально противоположно штуцеру подвода исходной смеси;- in the chamber N ° 2, the supply of the initial mixture was carried out through a tubular manifold, covering half the perimeter of the filter element and having radial holes uniformly spaced along the length, directed toward the surface of the membranes, and the discharge of the lean mixture through a fitting located diametrically opposite to the supply fitting of the initial mixture;
- в камере N°3 подвод исходной смеси осуществлялся в объем камеры через штуцер, расположенный в крышке, а отвод обедненной смеси -через два патрубка с входными отверстиями, расположенными над центрами мембран и герметично соединенными с выходным штуцером .- in the chamber N ° 3, the initial mixture was supplied into the chamber volume through the fitting located in the lid, and the depleted mixture was discharged through two nozzles with inlet openings located above the centers of the membranes and hermetically connected to the outlet fitting.
Во все камеры подавалась газовая смесь с выхода реактора каталитической конверсии метанола с расходом 0.32 Нм3 /ч, содержащая 68% водорода, под давлением P1 с температурой 490C. Давление чистого водорода, прошедшего через мембраны (P2), немного превышало атмосферное. Параметры извлечения и результаты измерения расходов чистого водорода (GH2) обедненной смеси (Gвых) и коэффициента извлечения водорода (η щ )пpивeдeны в таблице 6.A gas mixture was supplied to all chambers from the outlet of the catalytic conversion reactor of methanol with a flow rate of 0.32 Nm 3 / h, containing 68% hydrogen, at a pressure of P 1 with a temperature of 490C. The pressure of pure hydrogen passing through the membranes (P 2 ) was slightly higher than atmospheric. The extraction parameters and the results of measuring the consumption of pure hydrogen (GH 2 ) of the lean mixture (Gout) and the hydrogen extraction coefficient (η Щ) are given in Table 6.
Из полученных данных следует, что коэффициент извлечения чистого водорода при одинаковых параметрах и составе исходной смеси при подаче ее с периферии мембран и отводе обедненной смеси от центра (N°3) превышает на 35% коэффициент извлечения при подаче и отводе от краев мембран (NsI) и на 16% - при подаче с половины периферии и отводе обедненной смеси через патрубок с краяFrom the data obtained it follows that the coefficient of extraction of pure hydrogen with the same parameters and composition of the initial mixture when feeding it from the periphery of the membranes and removing the lean mixture from the center (N ° 3) exceeds by 35% the coefficient of extraction when feeding and removing from the edges of the membranes (NsI) and 16% - when feeding from half the periphery and draining the lean mixture through the pipe from the edge
(N°2). Увеличение эффективности обусловлено устранением застойных зон и неравномерности потоков.(N ° 2). The increase in efficiency is due to the elimination of stagnant zones and uneven flows.
Пример 7.Example 7
В мембранный аппарат (Фиг.7) , содержащий 10 фильтрующих элементов 5 в виде плоского диска (Фиг.5) с мембранами с рабочим диаметром 144 мм и исходной толщиной 0.05мм из сплава PdCu40%, на поверхности которых создан рельеф в виде выпуклых сегментов сферы R= 4мм высотой h= 0.8мм, помещенные между ними дефлекторы в виде штампованных дисков (Фиг.9), подавалась через штуцер 17 под давлением 3,0MПa газовая смесь с температурой 35O0C, содержащая 70% водорода, 9,36%CH4, 6,73%CO2, 3,69%CO и 10,22%H2O, с расходом 53,6 Hм3/ч. Водород, прошедший через мембраны, отбирался под давлением 0,15 МПа через штуцер 19, а обедненная газовая смесь выводилась из аппарата через штуцер 18. Измеренный расход чистого водорода (>99.9999%) составил 30 Hм3/ч, а степень извлечения водорода 80%. После этого в тот же аппарат при тех же параметрах подали исходную газовую смесь через штуцер 19. Таким образом, направление потока исходной газовой смеси над поверхностью мембран 1 изменилось на обратное - подвод смеси осуществлялся в центре мембран 1, а отвод обедненной смеси происходил с периферии мембран. Измеренный расход чистого водорода в этом случае составил 22 Hм3/ч, а степень извлечения водорода составила 59%.Taким образом, смена только направления потока исходной газовой смеси над мембраной и отбора обедненной смеси газов с периферии мембран привела к снижению степени извлечения водорода при прочих равных условиях почти в 1 ,3 раза.In the membrane apparatus (Fig. 7) containing 10 filtering elements 5 in the form of a flat disk (Fig. 5) with membranes with a working diameter of 144 mm and an initial thickness of 0.05 mm from PdCu40% alloy, on the surface of which a relief is created in the form of convex segments of a sphere R = 4 mm, height h = 0.8 mm, the deflectors placed between them in the form of stamped disks (Fig. 9) were supplied through a nozzle 17 under a pressure of 3.0 MPa, a gas mixture with a temperature of 35O 0 C, containing 70% hydrogen, 9.36% CH 4 , 6.73% CO 2 , 3.69% CO and 10.22% H 2 O, with a consumption of 53.6 Nm 3 / h. Hydrogen passing through the membranes was sampled at a pressure of 0.15 MPa through nozzle 19, and the lean gas mixture was discharged from the apparatus through nozzle 18. The measured flow rate of pure hydrogen (> 99.9999%) was 30 Nm 3 / h, and the degree of hydrogen extraction was 80% . After that, the initial gas mixture was supplied through the nozzle 19 to the same apparatus with the same parameters. Thus, the flow direction of the initial gas mixture above the surface of the membranes 1 reversed - the mixture was supplied in the center of the membranes 1, and the depleted mixture was discharged from the periphery of the membranes . In this case, the measured consumption of pure hydrogen was 22 Nm 3 / h, and the degree of hydrogen extraction was 59%. Thus, changing only the direction of flow of the initial gas mixture above the membrane and taking the lean gas mixture from the periphery of the membranes led to a decrease in the degree of hydrogen extraction equal conditions almost 1, 3 times.
Пример 8.Example 8
В мембранный аппарат (Фиг.7) , содержащий 10 фильтрующих элементов в виде плоского диска (Фиг.5) с мембранами с рабочим диаметром 144 мм и исходной толщиной 0.05мм из сплава PdY6%, на поверхности которых создан рельеф в виде выпуклых сегментов сферы R= 2.5мм высотой h= 0.5мм, и помещенные между ними дефлекторы в виде пластин диаметром 150мм и толщиной 1.5мм, врезанной в трубку 6x1 мм (Фиг.7), подавалась через штуцер 18 под давлением 3,0 МПа газовая смесь с температурой 45O0C, содержащая 70% водорода, 9,36%CH4, 6,73%CO2 , 3,69%CO и 10,22%H2O, с расходом 90 Hм3/ч. Водород , прошедший через мембраны, отбирался под давлением 0,15 МПа через штуцер 17, а обедненная газовая смесь выводилась из аппарата через штуцер 19. Измеренный расход чистого водорода (>99.9999%) составил 43 Hм3/ч, а степень извлечения водорода - 68% In the membrane apparatus (Fig. 7) containing 10 filtering elements in the form of a flat disk (Fig. 5) with membranes with a working diameter of 144 mm and an initial thickness of 0.05 mm from PdY6% alloy, on the surface of which a relief is created in the form of convex segments of the sphere R = 2.5 mm in height h = 0.5 mm, and deflectors placed between them in the form of plates with a diameter of 150 mm and a thickness of 1.5 mm, cut into a 6x1 mm pipe (Fig. 7), were supplied through a nozzle 18 under a pressure of 3.0 MPa with a gas mixture with a temperature of 45O 0 C, containing 70% hydrogen, 9.36% CH 4 , 6.73% CO 2 , 3.69% CO and 10.22% H 2 O, with a flow rate of 90 Nm 3 / h. Hydrogen passing through the membranes was sampled at a pressure of 0.15 MPa through the nozzle 17, and the lean gas mixture was removed from the apparatus through the nozzle 19. The measured flow rate of pure hydrogen (> 99.9999%) was 43 Nm 3 / h, and the degree of hydrogen extraction was 68 %
Таблица 1Table 1
Figure imgf000026_0001
Figure imgf000026_0001
Таблица2Table 2
Figure imgf000026_0002
Figure imgf000026_0002
Таблица 3Table 3
Figure imgf000026_0003
Таблица4
Figure imgf000026_0003
Table4
Figure imgf000027_0001
Figure imgf000027_0001
Таблица 5Table 5
Figure imgf000027_0002
Figure imgf000027_0002
Таблица6Table6
Figure imgf000027_0003
Figure imgf000027_0003

Claims

Формула изобретения. Claim.
1. Водородопроницаемая мембрана на основе палладиевого сплава с рельефной наружной поверхностью с чередующимися выступами и окружающими каждый выступ впадинами, отличающаяся тем, что палладиевый сплав содержит один или несколько элементов из I6 , III, IV и VIII групп Периодической системы элементов, а отношение длины дуги L на поверхности выступов в их поперечном сечении к длине ее проекции на площадь основания D находится в пределах от 1,05 до 1+δ, где δ - пластичность материала мембраны. 1. A hydrogen-permeable membrane based on a palladium alloy with a raised outer surface with alternating protrusions and depressions surrounding each protrusion, characterized in that the palladium alloy contains one or more elements from groups I 6 , III, IV and VIII of the Periodic Table of the Elements, and the ratio of the arc length L on the surface of the protrusions in their cross section to the length of its projection onto the base area D is in the range from 1.05 to 1 + δ, where δ is the ductility of the membrane material.
2. Водородопроницаемая мембрана по п.l, отличающаяся тем, что указанные выступы выполнены с выпуклой поверхностью.2. A hydrogen permeable membrane according to claim 1, characterized in that said protrusions are made with a convex surface.
3. Водородопроницаемая мембрана по п.l, отличающаяся тем, что указанные выступы выполнены в виде сферического, параболического или эллипсоидного сегмента. 3. A hydrogen permeable membrane according to claim 1, characterized in that said protrusions are made in the form of a spherical, parabolic or ellipsoidal segment.
4. Водородопроницаемая мембрана по п.l, отличающаяся тем, что указанные выступы расположены равномерно по поверхности мембраны.4. A hydrogen permeable membrane according to claim 1, characterized in that said protrusions are arranged uniformly on the surface of the membrane.
5. Водородопроницаемая мембрана по п.l, отличающаяся тем, что указанные впадины сообщены между собой.5. A hydrogen permeable membrane according to claim 1, characterized in that said depressions are interconnected.
6. Водородопроницаемая мембрана по п.l, отличающаяся тем, что она имеет со стороны подачи газовой смеси металлическую рамку, герметично соединенную с ней по периметру, внутренний размер рамки меньше, а внешний размер - больше наружного размера мембраны.6. A hydrogen permeable membrane according to claim 1, characterized in that it has a metal frame on the supply side of the gas mixture tightly connected to it along the perimeter, the internal size of the frame is smaller, and the external size is larger than the external size of the membrane.
7. Водородопроницаемая мембрана по п.l, отличающаяся тем, что указанная рамка выполнена из металла с коэффициентом теплового расширения отличным от коэффициента теплового расширения палладиевого сплава, из которого изготовлена мембрана.7. A hydrogen permeable membrane according to claim 1, characterized in that said frame is made of metal with a coefficient of thermal expansion different from the coefficient of thermal expansion of the palladium alloy of which the membrane is made.
8. Водородопроницаемая мембрана по п.7, отличающаяся тем, что указанная рамка выполнена из конструкционного материала.8. Hydrogen-permeable membrane according to claim 7, characterized in that said frame is made of structural material.
9. Водородопроницаемая мембрана по п.l, отличающаяся тем, что она выполнена в виде пластины с формой плоской фигуры.9. A hydrogen permeable membrane according to claim 1, characterized in that it is made in the form of a plate with the shape of a flat figure.
10. Водородопроницаемая мембрана по п.9, отличающаяся тем, что пластина выполнена в форме круга, эллипса, квадрата или прямоугольника. 10. Hydrogen-permeable membrane according to claim 9, characterized in that the plate is made in the form of a circle, ellipse, square or rectangle.
11. Фильтрующий элемент, включающий две стенки, одна из которых выполнена в виде водородопроницаемой мембраны из палладиевого сплава, с размещенным между ними разделительным газоотводящим элементом, газоотводящие каналы которого сообщены с кольцевым коллектором для сбора водорода с отводящим патрубком, отличающийся тем, что другая стенка выполнена в виде водородопроницаемой мембраны или сплошной металлической подложки, каждая водородопроницаемая мембрана выполнена с рельефной наружной поверхностью с чередующимися выступами и окружающими каждый выступ впадинами, причем, палладиевый сплав содержит один или несколько элементов из I6 , III, IV и VIII групп Периодической системы элементов, а отношение максимальной длины поверхности выступа L к максимальной длине основания выступа D находится в пределах от 1,05 до 1+ δ, где δ - пластичность материала мембраны, при этом, разделительный газоотводящий элемент выполнен пористым с минимально возможным гидравлическим сопротивлением чистому водороду, каждая мембрана герметично соединена со стороны подачи газовой смеси с рамкой, внутренний размер которой меньше, а внешний размер - больше наружного размера мембраны или равен наружному размеру сплошной металлической подложки, а рамки между собой или рамка и сплошная металлическая подложка герметично соединены по периметру с образованием кольцевого коллектора для сбора водорода. 11. A filter element comprising two walls, one of which is made in the form of a hydrogen-permeable membrane of palladium alloy, with a separating gas outlet element located between them, the gas outlet channels of which are connected to the annular collector for collecting hydrogen with a discharge nozzle, characterized in that the other wall is made in the form of a hydrogen-permeable membrane or a continuous metal substrate, each hydrogen-permeable membrane is made with a relief external surface with alternating protrusions and surrounding yuschimi each protrusion troughs, wherein, palladium alloy contains one or more elements from 6 I, III, IV and VIII of the Periodic Table of the Elements, and the ratio of the maximum projection length L to the maximum length of the surface projection base of D ranges from 1.05 to 1 + δ, where δ is the ductility of the membrane material, while the gas separation element is made porous with the smallest possible hydraulic resistance to clean hydrogen, each membrane is hermetically connected on the supply side of the gas mixture to the frame, inside Nij size is smaller, and the outer size - size larger than the outer membrane or equal to the outer size of the solid metal substrate and the frame or between the frame and a solid metal substrate is hermetically joined at the perimeter to form a ring collector for collecting hydrogen.
12. Фильтрующий элемент по п.l l, отличающийся тем, что разделительный газоотводящий элемент выполнен в виде набора плетеных сеток, покрытых инертным материалом, исключающим его сварку с мембранами в среде водорода, а его линейные размеры больше, либо равны линейным размерам мембраны, но меньше линейных размеров рамки или сплошной металлической подложки. 12. The filter element according to item ll, characterized in that the separating gas outlet element is made in the form of a set of woven grids coated with an inert material, excluding its welding with membranes in a hydrogen medium, and its linear dimensions are larger or equal to the linear dimensions of the membrane, but smaller linear dimensions of the frame or solid metal substrate.
13. Фильтрующий элемент по п.l l, отличающийся тем, что указанные выступы водородопроницаемой мембраны выполнены с выпуклой поверхностью, которая обращена в сторону питающей смеси.13. The filter element according to claim 1, characterized in that said protrusions of the hydrogen-permeable membrane are made with a convex surface that faces the feed mixture.
14. Фильтрующий элемент по п.l l, отличающийся тем, что указанные выступы водородопроницаемой мембраны выполнены в виде сферического, параболического или эллипсоидного сегмента.14. The filter element according to claim 1, wherein said protrusions of the hydrogen permeable membrane are made in the form of a spherical, parabolic or ellipsoid segment.
15. Фильтрующий элемент по п.l l, отличающийся тем, что указанные выступы водородопроницаемой мембраны расположены равномерно по поверхности мембраны. 15. The filter element according to item ll, characterized in that said protrusions of the hydrogen permeable membrane are evenly distributed over the surface of the membrane.
16. Фильтрующий элемент по п.11 , отличающийся тем, что указанные впадины водородопроницаемой мембраны сообщены между собой.16. The filter element according to claim 11, characterized in that said troughs of the hydrogen permeable membrane are interconnected.
17. Фильтрующий элемент по п.11, отличающийся тем, что указанная рамка выполнена из металла с коэффициентом теплового расширения отличным от коэффициента теплового расширения палладиевого сплава, из которого изготовлены мембраны.17. The filter element according to claim 11, characterized in that said frame is made of metal with a thermal expansion coefficient different from the thermal expansion coefficient of the palladium alloy from which the membranes are made.
18. Фильтрующий элемент по п.l l, отличающаяся тем, что указанная рамка выполнена из конструкционного материала.18. The filter element according to claim l l, characterized in that said frame is made of structural material.
19. Фильтрующий элемент по п.l l, отличающийся тем, что водородопроницаемая мембрана выполнена в виде пластины с формой плоской фигуры.19. The filter element according to claim l l, characterized in that the hydrogen permeable membrane is made in the form of a plate with the shape of a flat figure.
20. Фильтрующий элемент по п.19, отличающийся тем, что пластина выполнена в форме круга, эллипса, квадрата или прямоугольника.20. The filter element according to claim 19, characterized in that the plate is made in the form of a circle, ellipse, square or rectangle.
21. Мембранный аппарат, включающий корпус с размещенными в нем одним или несколькими фильтрующими элементами с размещенными с обеих их сторон газоотводящими и газоподводящими элементами и имеющий подвод исходной газовой смеси, выводы водорода и обедненной газовой смеси, отличающийся тем, что он снабжен коллекторами отвода водорода и отвода обедненной газовой смеси, герметично соединенными, соответственно, с выводами водорода и обедненной газовой смеси, каждый фильтрующий элемент выполнен в виде фильтрующего элемента по п.l l, газоотводящие элементы выполнены в виде газоотводящих патрубков, герметично соединенных с коллектором отвода обедненной газовой смеси, газоподводящие элементы выполнены в виде дефлекторов, направляющих исходную газовую смесь вдоль наружной поверхности водородопроницаемых мембран фильтрующих элементов с их периферии к центру, а отводящие патрубки периферийных кольцевых коллекторов для сбора водорода фильтрующих элементов герметично соединены с коллектором отвода водорода.21. The membrane apparatus, comprising a housing with one or more filter elements placed in it with gas exhaust and gas supply elements placed on both sides thereof and having an input of the initial gas mixture, leads of hydrogen and a lean gas mixture, characterized in that it is provided with collectors of hydrogen removal and depletion of the lean gas mixture, hermetically connected, respectively, with the conclusions of hydrogen and depleted gas mixture, each filter element is made in the form of a filter element according to item ll, gas These elements are made in the form of gas outlet pipes sealed to the drain manifold of the lean gas mixture, gas supply elements are made in the form of deflectors directing the initial gas mixture along the outer surface of the hydrogen-permeable membranes of the filter elements from their periphery to the center, and outlet pipes of the peripheral ring collectors for collecting hydrogen filter elements are hermetically connected to the collector of hydrogen removal.
22. Мембранный аппарат по п.21, отличающийся тем, что дефлектор выполнен из двух одинаковых профилированных дисков, скрепленных между собой по периферии и выполненных с центральным отверстием, с выступами на их внешних боковых сторонах, имеющих протяженность от периферии к центру, и с выступами на внутренних боковых сторонах указанных дисков, образующих канал, в котором размещен газоотводящий патрубок. 22. The membrane apparatus according to item 21, wherein the deflector is made of two identical profiled disks fastened together at the periphery and made with a central hole, with protrusions on their outer sides extending from the periphery to the center, and with protrusions on the inner sides of said disks forming a channel in which a gas outlet pipe is located.
23. Мембранный аппарат по п.21, отличающийся тем, что дефлектор выполнен в виде плоского диска, расположенного в прорези газоотводящего патрубка, отходящего от центра водородопроницаемой мембраны и имеющего внутренний диаметр больше толщины диска. 23. The membrane apparatus according to item 21, wherein the deflector is made in the form of a flat disk located in the slot of the exhaust pipe, extending from the center of the hydrogen-permeable membrane and having an inner diameter greater than the thickness of the disk.
24. Мембранный аппарат по п.21, отличающийся тем, что выступы водородопроницаемой мембраны фильтрующих элементов выполнены с выпуклой поверхностью.24. The membrane apparatus according to item 21, wherein the protrusions of the hydrogen permeable membrane of the filter elements are made with a convex surface.
25. Мембранный аппарат по п.21, отличающийся тем, что указанные выступы водородопроницаемой мембраны выполнены в виде сферического, параболического или эллипсоидного сегмента.25. The membrane apparatus according to item 21, wherein the said protrusions of the hydrogen permeable membrane are made in the form of a spherical, parabolic or ellipsoid segment.
26. Мембранный аппарат по п.21, отличающийся тем, что указанные выступы водородопроницаемой мембраны расположены равномерно по поверхности мембраны.26. The membrane apparatus according to item 21, characterized in that the said protrusions of the hydrogen permeable membrane are evenly distributed over the surface of the membrane.
27. Мембранный аппарат по п.21, отличающийся тем, что указанные впадины водородопроницаемой мембраны сообщены между собой.27. The membrane apparatus according to item 21, wherein the said troughs of the hydrogen permeable membrane are interconnected.
28. Мембранный аппарат по п.21, отличающийся тем, что водородопроницаемая мембрана выполнена в виде пластины с формой плоской фигуры.28. The membrane apparatus according to item 21, wherein the hydrogen permeable membrane is made in the form of a plate with the shape of a flat figure.
29. Мембранный аппарат по п.21, отличающийся тем, что пластины выполнены в форме круга, эллипса, квадрата или прямоугольника. 29. The membrane apparatus according to item 21, wherein the plates are made in the form of a circle, ellipse, square or rectangle.
30. Мембранный аппарат по п.21, отличающийся тем, что водородопроницаемая мембрана по периметру имеет герметично соединенную с ней металлическую рамку.30. The membrane apparatus according to item 21, wherein the permeable hydrogen membrane has a metal frame sealed to it.
31. Мембранный аппарат по п.ЗО, отличающийся тем, что указанная рамка выполнена из металла с коэффициентом теплового расширения отличным от коэффициента теплового расширения палладиевого сплава, из которого изготовлены мембраны.31. The membrane apparatus according to claim 3, characterized in that said frame is made of metal with a thermal expansion coefficient different from the thermal expansion coefficient of the palladium alloy from which the membranes are made.
32. Мембранный аппарат по п.ЗО, отличающийся тем, что указанная рамка выполнена из конструкционного материала.32. Membrane apparatus according to claim 3, characterized in that said frame is made of structural material.
33. Мембранный аппарат по п.21, отличающийся тем, что подвод исходной газовой смеси и выводы водорода и обедненной газовой смеси выполнены в виде штуцеров.33. The membrane apparatus according to item 21, wherein the supply of the source gas mixture and the conclusions of hydrogen and lean gas mixture are made in the form of fittings.
34. Мембранный аппарат по п.21, отличающийся тем, что герметичные соединения указанных отводящих патрубков с коллектором отвода водорода выполнены в виде резьбовых соединений с уплотнениями типа шар-конус. 34. The membrane apparatus according to item 21, wherein the sealed connections of these outlet pipes with a collector of hydrogen removal are made in the form of threaded connections with ball-cone seals.
35. Мембранный аппарат по п.21, отличающийся тем, что герметичные соединения указанных отводящих патрубков с коллектором отвода водорода выполнены в виде сварных соединений.35. The membrane apparatus according to item 21, characterized in that the sealed connections of these outlet pipes with a collector of hydrogen removal are made in the form of welded joints.
36. Мембранный аппарат по п.21, отличающийся тем, что фильтрующие элементы объединены в модуль, представляющий собой сборку элементов на коллекторе отвода водорода, выполненного в виде отрезка винтовой линии, охватывающего указанную сборку по окружности с поворотом до 270 градусов.36. The membrane apparatus according to item 21, characterized in that the filter elements are combined into a module, which is an assembly of elements on the collector of hydrogen removal, made in the form of a segment of a helix covering the specified assembly around the circumference with a rotation of up to 270 degrees.
37. Мембранный аппарат по п.36, отличающийся тем, что указанные отводящие патрубки фильтрующих элементов, объединенных в модуль, герметично соединены с вышеуказанным коллектором с поворотом вокруг оси, проходящей через центры мембран перпендикулярно их плоскости, относительно друг друга на угол 10-20 градусов.37. The membrane apparatus according to clause 36, wherein said outlet pipes of filter elements combined into a module are hermetically connected to the above collector with rotation about an axis passing through the centers of the membranes perpendicular to their plane, at an angle of 10-20 degrees relative to each other .
38. Мембранный аппарат по п.36, отличающийся тем, что фильтрующие элементы объединены в один или более указанных модулей, а их отводящие патрубки герметично соединены с общим выходным коллектором водорода резьбовым соединением типа шар - конус.38. The membrane apparatus according to clause 36, wherein the filter elements are combined into one or more of these modules, and their outlet pipes are hermetically connected to a common hydrogen output manifold by a ball-cone threaded connection.
39. Мембранный аппарат по п.35, отличающийся тем, что фильтрующие элементы объединены в один или более указанных модулей, а их отводящие патрубки герметично соединены с общим выходным коллектором водорода сварным соединением. 39. The membrane apparatus according to clause 35, wherein the filter elements are combined into one or more of these modules, and their outlet pipes are hermetically connected to a common output hydrogen collector by a welded joint.
PCT/RU2005/000407 2005-08-09 2005-08-09 Hydrogen purification membrane, filtering element and membrane device WO2007018444A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2005/000407 WO2007018444A1 (en) 2005-08-09 2005-08-09 Hydrogen purification membrane, filtering element and membrane device
RU2008108094/12A RU2416460C2 (en) 2005-08-09 2005-08-09 Watertight membrane, filtration element and membrane apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2005/000407 WO2007018444A1 (en) 2005-08-09 2005-08-09 Hydrogen purification membrane, filtering element and membrane device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2007018444A1 true WO2007018444A1 (en) 2007-02-15
WO2007018444A8 WO2007018444A8 (en) 2007-05-10

Family

ID=37727562

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2005/000407 WO2007018444A1 (en) 2005-08-09 2005-08-09 Hydrogen purification membrane, filtering element and membrane device

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2416460C2 (en)
WO (1) WO2007018444A1 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2605561C1 (en) * 2015-08-27 2016-12-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) Method of extracting hydrogen isotopes from gas mixtures
RU2697454C1 (en) * 2018-04-26 2019-08-14 Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" Diffusive hydrogen separator
RU2725405C1 (en) * 2019-09-02 2020-07-02 Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" (ФГУП "Крыловский государственный научный центр") Method of repairing diffusion hydrogen separator

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1060451A (en) * 1963-08-31 1967-03-01 Japan Pure Hydrogen Co Ltd Pure gas permeating separator assembly
SU1611421A1 (en) * 1989-01-25 1990-12-07 Предприятие П/Я А-1813 Membrane element for extraction of extra pure hydrogen
JPH05317662A (en) * 1992-04-27 1993-12-03 Sumitomo Metal Ind Ltd Hydrogen separation membrane and its production
US5645626A (en) * 1990-08-10 1997-07-08 Bend Research, Inc. Composite hydrogen separation element and module

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1060451A (en) * 1963-08-31 1967-03-01 Japan Pure Hydrogen Co Ltd Pure gas permeating separator assembly
SU1611421A1 (en) * 1989-01-25 1990-12-07 Предприятие П/Я А-1813 Membrane element for extraction of extra pure hydrogen
US5645626A (en) * 1990-08-10 1997-07-08 Bend Research, Inc. Composite hydrogen separation element and module
JPH05317662A (en) * 1992-04-27 1993-12-03 Sumitomo Metal Ind Ltd Hydrogen separation membrane and its production

Also Published As

Publication number Publication date
WO2007018444A8 (en) 2007-05-10
RU2416460C2 (en) 2011-04-20
RU2008108094A (en) 2009-09-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3534531A (en) Assembly of pure gas permeating separator
US8226751B2 (en) Composite membrane material for hydrogen separation and element for hydrogen separation using the same
US3238704A (en) Diffusion purification of gases
JP3705389B2 (en) Complex hydrogen separation elements and modules
US3208198A (en) Method for hydrogen diffusion
US6913736B2 (en) Metal gas separation membrane module design
US7018446B2 (en) Metal gas separation membrane
US9427700B2 (en) Multilayer module for hydrogen separation
AU2011380049A1 (en) Fluid separation device and selective separation method for mixed fluid
SE526425C2 (en) Membrane Separation Module, Membrane Separation Structure, Separation Procedure, and Method of Manufacturing a Membrane Separation Structure
WO2007018444A1 (en) Hydrogen purification membrane, filtering element and membrane device
JP2021531166A (en) Gas separation device
KR100668647B1 (en) Membrane module for hydrogen purification
EP0106523B1 (en) Diffusion cell
JP4874245B2 (en) A stepwise system for producing purified hydrogen from a reaction gas mixture of hydrocarbon compounds.
JP2008155118A (en) Composite membrane for separating hydrogen and module for separating hydrogen using this hydrogen permeable membrane
US8002875B1 (en) System and method for separating hydrogen gas from a mixed gas source using composite structure tubes
CN116692771A (en) External pressure type high-purity hydrogen purifier and preparation method thereof
CN213193140U (en) Purifier
CN213171463U (en) Purifier
RU2635802C1 (en) Filter
JP3617942B2 (en) Method for assembling porous ceramic pipe membrane, assembly thereof and microfiltration device
CN213221584U (en) Purifier
CN213643644U (en) Purifier
CN104261348A (en) Hydrogen separation device provided with metal palladium composite membranes

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2008108094

Country of ref document: RU

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 05851085

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1