本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)緊湊、升溫速率快、預(yù)熱效果好、且能避免高溫使用時(shí)支撐體中的金屬組分遷移到鈀膜表面的風(fēng)險(xiǎn)的鈀膜組件，該組件集電加熱和氫氣分離于一體，特別適用于小規(guī)模氫氣分離與純化。

背景技術(shù)：

隨著電子信息、半導(dǎo)體和led制造等產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了對(duì)超純氫氣(純度>99.9999％)的需求量日益增加(陳自力等，多晶硅生產(chǎn)中氫氣的來源與凈化,低溫與特氣,30(2012)21-23)，同時(shí)對(duì)氫氣分離與純化技術(shù)提出了更高要求。鈀及其合金膜由于對(duì)氫氣具有獨(dú)特的選擇滲透性，良好的機(jī)械和熱穩(wěn)定性等特性，使其在氫氣分離與純化應(yīng)用中備受青睞，且理論上非氫氣體無法透過鈀膜，因此采用鈀膜分離技術(shù)可以獲得只含ppb級(jí)雜質(zhì)的超高純度氫氣，是目前常見的一種制備超高純度氫氣的優(yōu)化方案。

通常認(rèn)為，氫氣透過鈀膜遵循溶解-擴(kuò)散機(jī)理，它包含以下幾個(gè)過程：

(1)擴(kuò)散過程：在濃度差的推動(dòng)下，高壓側(cè)氣相中的氫分子越過邊界層向鈀膜表面擴(kuò)散；

(2)吸附解離過程：氫分子在鈀膜表面發(fā)生化學(xué)吸附并迅速解離成兩個(gè)氫原子。假定氫分子的吸附與解離是個(gè)快速過程，則存在氣相中氫分子和膜表面氫原子之間的平衡，此過程遵循sieverts規(guī)則，

(3)溶解-擴(kuò)散過程：膜表面吸附的氫原子溶解到鈀晶格內(nèi)并迅速解離為h⁺和電子，穿過體相后擴(kuò)散到低壓側(cè)的膜表面并迅速結(jié)合成氫原子；

(4)結(jié)合脫附過程：低壓側(cè)鈀膜表面的氫原子結(jié)合成氫分子后脫離鈀膜的表面并擴(kuò)散到邊界層；

(5)擴(kuò)散過程：邊界層內(nèi)的氫分子向低壓端氣體體相中的擴(kuò)散。

由于鈀膜在低于300℃時(shí)與h2接觸會(huì)發(fā)生“氫脆現(xiàn)象”，破壞鈀膜的完整性和致密性，使其無法進(jìn)行氫氣的分離與純化，因此采用鈀膜進(jìn)行氫氣分離與純化時(shí)，其工作溫度一般要求高于300℃。目前鈀膜分離器和原料氫的升溫方法主要有電加熱(集成在鈀膜組件內(nèi))、熱流體加熱或輔助組件進(jìn)行加熱等，如中國(guó)發(fā)明專利“一種電預(yù)熱與恒溫的生產(chǎn)高純度氫氣的膜分離裝置”(申請(qǐng)?zhí)枺?00810218798.1)公 開了一種鈀膜分離裝置，該裝置包括盲板法蘭、鈀膜組件、合成氣流通框架、密封石墨墊片和緊固螺栓等，其中在合成氣流通框架的四壁凹槽內(nèi)設(shè)有電加熱絲，用于裝置的加熱和恒溫，該方法升溫速率比較快，且可以進(jìn)行很好地溫度控制，但是原料氫通過合成氣流通框架上的導(dǎo)入管引入裝置后直接與鈀膜接觸，可能導(dǎo)致鈀膜表面溫差較大，進(jìn)而影響鈀膜的使用壽命；如中國(guó)發(fā)明專利“一種利用微尺度通道傳熱的快速啟動(dòng)鈀膜組件”(申請(qǐng)?zhí)枺?00710031743.5)和“一種含有陶瓷隔熱層及利用小尺度通道換熱的鈀膜組件”(申請(qǐng)?zhí)枺?00810029464.x)都涉及在鈀膜組件上添加微尺度加熱通道，利用熱流體在微尺度通道內(nèi)的流動(dòng)傳熱將鈀膜組件進(jìn)行快速升溫和恒溫，該方法升溫速率比較快，且可以進(jìn)行很好地溫度控制，節(jié)約材料，但在鈀膜組件上加工微尺度通道還存在一定的難度。

中國(guó)發(fā)明專利(200810218798.1、200710031743.5、200810029464.x)的鈀膜組件結(jié)構(gòu)均為鈀合金膜與多孔燒結(jié)金屬支撐體直接接觸，在高溫使用時(shí)存在支撐體中的金屬組分遷移到鈀膜表面進(jìn)而影響鈀膜對(duì)氫氣的選擇滲透性能的風(fēng)險(xiǎn)。而將柔性多孔陶瓷作為中間層置于鈀合金膜與多孔燒結(jié)金屬支撐體之間，即可避免高溫使用時(shí)支撐體中的金屬組分遷移到鈀膜表面，又能保證鈀膜對(duì)氫氣的選擇滲透性能；將多孔燒結(jié)金屬與電加熱組件進(jìn)行耦合，利用多孔燒結(jié)金屬的豐富孔道和金屬的導(dǎo)熱性能，將是解決原料氫預(yù)熱和加熱的可行方案?；谝陨峡紤]，本專利設(shè)計(jì)了一種集電加熱和氫氣分離于一體的鈀膜組件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)從含氫原料氣中分離提純氫氣，以鈀膜為核心氫氣分離材料，以電加熱為主要加熱方式，提供了一種結(jié)構(gòu)緊湊、升溫速率快、原料氣預(yù)熱充分，且能避免高溫使用時(shí)支撐體中的金屬組分遷移到鈀膜表面的風(fēng)險(xiǎn)的鈀膜組件。

本發(fā)明的主要實(shí)施方案如下：

一種集電加熱和氫氣分離于一體的鈀膜組件，該鈀膜組件包括電加熱模塊、氫氣分離模塊、石墨墊圈和連接螺栓，電加熱模塊和氫氣分離模塊之間安裝石墨墊圈；

所述電加熱模塊由電加熱管、支撐框架、多孔燒結(jié)金屬片、和隔板組成；支撐框架為方形中部帶豎向通孔的塊狀框架結(jié)構(gòu)，在支撐框架通孔中部橫向設(shè)置含有穿透板體通孔的第一隔板，第一隔板的四周邊緣與支撐框架通孔內(nèi)壁面密閉連接，在第一隔板的上下兩側(cè)分別設(shè)置多孔燒結(jié)金屬片和電加熱管，在多孔燒結(jié)金屬片的另一側(cè)(遠(yuǎn)離第一隔板的一側(cè))橫向設(shè)置用于密封的端板，端板的四周邊緣與支撐框 架通孔內(nèi)壁面或支撐框架上端表面密閉連接，于第一隔板和端板之間構(gòu)成一密閉的多孔燒結(jié)金屬片所在腔體；在電加熱管的另一側(cè)(遠(yuǎn)離第一隔板的一側(cè))橫向設(shè)置含有穿透板體通孔的第二隔板，第二隔板的四周邊緣與支撐框架通孔內(nèi)壁面密閉連接，用于將電加熱腔和膜分離腔隔離，在支撐框架上設(shè)有進(jìn)氣管和出氣管，進(jìn)氣管一端與多孔燒結(jié)金屬片所在腔體連通，另一端穿過支撐框架伸至支撐框架外部；出氣管一端與膜分離腔連通，另一端穿過支撐框架伸至支撐框架外部；膜分離腔為位于第二隔板下方的支撐框架通孔內(nèi)的區(qū)域，于面向氫氣分離模塊的膜分離腔四周的支撐框架下端表面設(shè)有環(huán)狀凸臺(tái)，在凸臺(tái)四周遠(yuǎn)離膜分離腔的支撐框架上設(shè)有作為螺紋孔的帶內(nèi)螺紋的盲孔或通孔；

所述氫氣分離模塊由第二支撐框架、鈀和/或鈀合金膜、柔性多孔陶瓷片和多孔燒結(jié)金屬支撐體組成；第二支撐框架為下端封閉上端開口的方形筒狀框架結(jié)構(gòu)，從第二支撐框架的開口端向封閉端依次設(shè)置鈀和/或鈀合金膜、柔性多孔陶瓷片和多孔燒結(jié)金屬支撐體，在多孔燒結(jié)金屬支撐體與封閉端板之間形成一空腔，在第二支撐框架上設(shè)有一個(gè)氣體導(dǎo)出管，導(dǎo)出管一端與空腔連通，另一端穿過第二支撐框架伸至第二支撐框架外部；鈀和/或鈀合金膜的四周邊緣與第二支撐框架內(nèi)壁面或第二支撐框架上開口端表面密閉連接，在第二支撐框架開口端四周設(shè)有與環(huán)狀凸臺(tái)相對(duì)應(yīng)的環(huán)狀凹槽，凹槽內(nèi)放置環(huán)狀石墨墊圈，電加熱模塊的支撐框架上的環(huán)狀凸臺(tái)插入氫氣分離模塊的支撐框架上的環(huán)狀凹槽內(nèi)，環(huán)狀凸臺(tái)與環(huán)狀凹槽間密封連接，在環(huán)狀凹槽四周的第二支撐框架上豎向設(shè)有與螺紋孔相對(duì)應(yīng)的帶內(nèi)螺紋的圓形通孔，該圓孔與電加熱模塊的支撐框架上的螺紋孔同軸，組裝時(shí)，用于固定螺栓。

為了增加氫氣分離膜面積，所述電加熱模塊可以為二個(gè)，所述氫氣分離模塊可以由第二支撐框架、二個(gè)鈀和/或鈀合金膜、二個(gè)柔性多孔陶瓷片和二個(gè)多孔燒結(jié)金屬支撐體組成；第二支撐框架為二端開口的方形筒狀框架結(jié)構(gòu)，從第二支撐框架的上開口端向封閉端依次設(shè)置鈀和/或鈀合金膜、柔性多孔陶瓷片、多孔燒結(jié)金屬支撐體、多孔燒結(jié)金屬支撐體、柔性多孔陶瓷片、鈀和/或鈀合金膜，在相鄰多孔燒結(jié)金屬支撐體之間形成一空腔，在第二支撐框架上設(shè)有一個(gè)氣體導(dǎo)出管，導(dǎo)出管一端與空腔連通，另一端穿過第二支撐框架伸至第二支撐框架外部；鈀和/或鈀合金膜的四周邊緣與第二支撐框架內(nèi)壁面或第二支撐框架二開口端表面密閉連接，在第二支撐框架二開口端四周設(shè)有與環(huán)狀凸臺(tái)相對(duì)應(yīng)的環(huán)狀凹槽，凹槽內(nèi)放置環(huán)狀石墨墊圈，二電加熱模塊的支撐框架上的環(huán)狀凸臺(tái)分別插入氫氣分離模塊的支撐框架上的二環(huán)狀凹槽內(nèi)，環(huán)狀凸臺(tái)與環(huán)狀凹槽間密封連接，在環(huán)狀凹槽 四周的第二支撐框架上豎向設(shè)有與螺紋孔相對(duì)應(yīng)的帶內(nèi)螺紋的圓形通孔，該圓孔與電加熱模塊的支撐框架上的螺紋孔同軸，組裝時(shí)，用于固定螺栓。

所述電加熱模塊內(nèi)的多孔燒結(jié)金屬片的作用是預(yù)熱原料氣，其厚度為3-8毫米，孔徑為0.01-0.5微米。

所述電加熱模塊內(nèi)位于電加熱管和多孔燒結(jié)金屬片之間的第一隔板，隔板上穿透孔的位置遠(yuǎn)離進(jìn)氣管一端，穿透孔數(shù)量為1個(gè)或2個(gè)以上，穿透孔開口直徑為0.2-2毫米；

所述電加熱模塊內(nèi)電加熱腔與膜分離腔之間的第二隔板，隔板上穿透孔的位置遠(yuǎn)離第一隔板開口位置一端，穿透孔數(shù)量為1個(gè)或2個(gè)以上，穿透孔開口直徑為0.2-2毫米。

所述氫氣分離模塊內(nèi)多孔燒結(jié)金屬支撐體，其厚度為2-5毫米，孔徑為0.01-0.5微米。

所述氫氣分離模塊內(nèi)柔性多孔陶瓷的作用是阻隔金屬鈀膜與多孔燒結(jié)金屬支撐體，避免鈀膜在高溫使用時(shí)，多孔燒結(jié)金屬支撐體中的組分遷移到鈀膜表面，降低鈀膜對(duì)氫氣的選擇滲透性能，柔性多孔陶瓷的厚度為0.5-3毫米，孔徑為0.01-0.5微米。

所述氫氣分離模塊內(nèi)的鈀和/或鈀合金膜，其厚度為5-20微米，鈀和/或鈀合金膜與第二支撐框架的連接方式可以是激光焊接或高溫高壓擴(kuò)散焊接等。

所述氫氣分離模塊的第二支撐框架開口端四周設(shè)有環(huán)狀凹槽，環(huán)狀凹槽的寬度為3-5毫米，深度為3-5毫米；

所述電加熱模塊的支撐框架四周設(shè)有環(huán)狀凸臺(tái)，環(huán)狀凸臺(tái)的寬度比氫氣分離模塊的環(huán)狀凹槽的寬度窄0.3-0.7毫米，高度與氫氣分離模塊的凹槽的深度相同。

所述電加熱模塊與氫氣分離模塊之間的石墨墊圈，為耐高溫的高純石墨制成的長(zhǎng)方形墊圈，寬度與凹槽的寬度相同，厚度為0.3-1.0毫米。

所述鈀膜組件的使用溫度是350-550℃。

本發(fā)明涉及在電加熱模塊和含有鈀膜的氫氣分離模塊之間安裝石墨墊圈，通過緊固螺栓進(jìn)行密封連接形成鈀膜組件，該鈀膜組件具有結(jié)構(gòu)緊湊、原料氣預(yù)熱充分、升溫速率快，且避免了多孔燒結(jié)金屬支撐體中的組分高溫時(shí)遷移鈀膜表面進(jìn)而導(dǎo)致鈀膜對(duì)氫氣的選擇滲透性降低的風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于小規(guī)模氫氣分離與純化。

附圖說明

圖1.集電加熱和氫氣分離于一體的鈀膜組件組裝圖；

圖2.電加熱模塊剖面圖；

圖3.電加熱模塊俯視圖；

圖4.氫氣分離模塊剖面圖；

圖5.氫氣分離模塊俯視圖；

圖6、雙側(cè)氫氣分離鈀膜組件組裝圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。需要說明的是，所舉的實(shí)例，其作用只是進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)特征，而不是限定本發(fā)明。

如圖1所示，一種集電加熱和氫氣分離于一體的鈀膜組件，包括電加熱模塊1、氫氣分離模塊2、石墨墊圈3和螺栓4，在電加熱模塊和氫氣分離模塊之間安裝石墨墊圈。

如圖2所示，電加熱模塊1由電加熱管101、支撐框架102、多孔燒結(jié)金屬片103和隔板組成；支撐框架為方形框架結(jié)構(gòu)，在支撐框架中間設(shè)置含有穿透孔的第一隔板104，組裝時(shí)，先將支撐框架加熱到300℃，然后將室溫的多孔燒結(jié)金屬片103安裝在第一隔板104的一側(cè)，在第一隔板104的另一側(cè)安裝電加熱管103，在多孔燒結(jié)金屬片103的另一側(cè)設(shè)置用于密封的端板105，在電加熱管101的另一側(cè)設(shè)置開有通孔的第二隔板106，用于將電加熱腔107和膜分離腔108隔離，在支撐框架上設(shè)有進(jìn)氣管109和出氣管110，進(jìn)氣管與多孔燒結(jié)金屬片103所在腔體連通，出氣管與膜分離腔108連通，面向氫氣分離模塊的支撐框架四周設(shè)有凸臺(tái)(111)，如圖3所示，在凸臺(tái)向外延伸的平面上設(shè)有一定深度的螺紋孔(112)。

如圖4所示，氫氣分離模塊2由支撐框架201、鈀及鈀合金膜202、柔性多孔陶瓷片203和多孔燒結(jié)金屬支撐體204組成；支撐框架201為一端封閉另一端開口的方形框架結(jié)構(gòu)，在支撐框架的開口端面向封閉端，依次設(shè)置鈀及鈀合金膜202、柔性多孔陶瓷片203和多孔燒結(jié)金屬支撐體204，在多孔燒結(jié)金屬支撐體與封閉端板205之間形成一空腔206，在支撐框架上設(shè)有一個(gè)氣體導(dǎo)出管207，導(dǎo)出管207與空腔206連通，在支撐框架開口端四周設(shè)有凹槽208，凹槽內(nèi)設(shè)有石墨墊圈3，電加熱模塊1的支撐框架上的凸臺(tái)111與氫氣分離模塊2的支撐框架上的凹槽208密封連接，在凹槽向外延伸的平面上設(shè)有穿透的圓孔209，如圖5所示，該圓孔209與電加熱模塊1的支撐框架上的螺紋孔112同軸，組裝時(shí)，用于固定螺栓。

如圖1所示，鈀膜組件的安裝方式為：在電加熱模塊的支撐框架上的環(huán)形凸臺(tái)和氫氣分離模塊的支撐框架上的環(huán)形凹槽之間安裝石墨墊圈，然后從氫氣分離模塊的圓孔穿入螺栓，將螺栓與電加熱模塊上加工好的螺紋配合緊固即可。

為增加氫氣分離膜面積，可以將氫氣分離模塊的支撐框架兩側(cè)由 外向內(nèi)分別設(shè)有鈀和/或鈀合金膜、柔性多孔陶瓷片和多孔燒結(jié)金屬片，在相鄰多孔燒結(jié)金屬片之間形成一空腔，用于收集提純后的產(chǎn)品氫氣，在支撐框架上設(shè)有一個(gè)氣體導(dǎo)出管，導(dǎo)出管一端與空腔連通，另一端穿過支撐框架伸至支撐框架外部，用于導(dǎo)出產(chǎn)品氫氣，然后將二電加熱模塊的支撐框架上的環(huán)形凸臺(tái)分別插入氫氣分離模塊的支撐框架兩側(cè)的二環(huán)狀凹槽內(nèi)，凹槽內(nèi)放置環(huán)狀石墨墊圈，然后通過緊固螺栓實(shí)現(xiàn)鈀膜組件的密封組裝，結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

工作時(shí)，將惰性氣體(如高純n2或he)通過電加熱模塊上的進(jìn)氣口引入鈀膜組件，在惰性氣體的保護(hù)下，首先通過電加熱管101對(duì)鈀膜組件進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度升高至鈀膜的工作溫度(一般400-550℃)時(shí)，將惰性氣體切換為含氫原料氣，高壓的含氫原料氣由進(jìn)氣管109引入，經(jīng)過多孔燒結(jié)金屬片103的微孔通道預(yù)熱后，通過第一隔板104的穿透孔進(jìn)入電加熱腔107加熱，然后通過第二隔板106的穿透孔進(jìn)入膜分離腔108與鈀膜202接觸，氫氣在壓力差的推動(dòng)下以溶解擴(kuò)散的方式透過鈀膜202，得到高純度產(chǎn)品氫，然后產(chǎn)品氫依次通過柔性多孔陶瓷203、多孔燒結(jié)金屬支撐體204的微孔通道匯集到空腔206，再由氫氣出氣管207引出鈀膜組件，采用溫度控制箱對(duì)鈀膜組件的加熱以及恒溫階段的溫度進(jìn)行控制。

本發(fā)明采用多孔燒結(jié)金屬的微通道首先將含氫原料氣進(jìn)行預(yù)熱，再經(jīng)電加熱管加熱的方式保證了原料氣的充分預(yù)熱，采用柔性多孔陶瓷作為金屬鈀膜和多孔燒結(jié)金屬支撐體之間的中間層，避免了鈀膜在高溫使用時(shí)，多孔燒結(jié)金屬支撐體中的組分遷移到鈀膜表面，導(dǎo)致鈀膜對(duì)氫氣選擇滲透性能降低的風(fēng)險(xiǎn)，且結(jié)構(gòu)緊湊、升溫速率快、溫度易于控制。