專利名稱：一種氫氣分離純化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及氣體分離純化裝置，具體是一種氫氣分離純化裝置。
背景技術(shù)：
氫分離(或氫純化)是氫能利用過程中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。經(jīng)純化的氫源可應(yīng)用在半導(dǎo)體 刻蝕加工、精細(xì)化工、石化脫硫行業(yè)、燃料電池等諸多領(lǐng)域，目前對于高純度氫的需求與日 俱增。膜分離技術(shù)是獲取高純氫源的有效方法之一，而且膜分離技術(shù)能夠整合氫的生產(chǎn)和氫 分離(或純化)兩個環(huán)節(jié)，使得氫的生產(chǎn)和分離可以高效、實(shí)時(shí)的方式進(jìn)行，因此在氫能利 用中備受關(guān)注。利用膜技術(shù)分離(或純化)氫氣，膜材料和裝置設(shè)計(jì)是影響氫氣分離效率的 兩個關(guān)鍵因素。常用的氫氣純化法有吸附法，吸收法，低溫分離法以及化學(xué)反應(yīng)法等。但這 些方法所使用的純化裝置普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作復(fù)雜，耗能高，成本高等缺點(diǎn)。如吸附法 和低溫分離法所使用的精制筒是內(nèi)外筒組合成的雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)部需要分隔出熱交換室和吸附 室，并且需要多根管道；化學(xué)反應(yīng)法需要用到鈀管，金屬把在吸收過多氫氣后易產(chǎn)生裂紋， 使得氫氣流量受到限制。吸收法則不能夠連續(xù)純化，且氫氣流量過小。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種便攜式、易拆卸、工作參數(shù)可調(diào)控、高效的氫氣分離(或 純化)裝置，該裝置不僅可以作為一功能器件應(yīng)用，而且也可應(yīng)用在氫分離膜材料和氣體擴(kuò) 散動力學(xué)等領(lǐng)域的研究上。
本實(shí)用新型由氣路系統(tǒng)、腔體和處于腔體內(nèi)的氫分離純化功能單元構(gòu)成。其腔體為外腔 上蓋和外腔下蓋通過螺栓緊固的貼合著腔體內(nèi)壁的管狀腔體，管狀腔體的上蓋開有氣體進(jìn)氣 口、剩余氣體出口、多個已提純氣體出口，管狀腔體的上蓋安置著調(diào)壓閥，個數(shù)少于或者等 于已提純氣體出口個數(shù)的氫分離純化功能單元的內(nèi)腔導(dǎo)氣管穿過管狀腔體上蓋的己提純氣體 出口與腔體外的收集產(chǎn)出氣體的通氣管道連接。
本實(shí)用新型的整套氫分離純化裝置由氣路系統(tǒng)、裝置腔體和數(shù)組裝配在腔內(nèi)的承擔(dān)氫氣 分離的功能單元構(gòu)成。氣路系統(tǒng)由通氣管道、接頭、壓力表、氣體流量計(jì)、氣閥等構(gòu)成；裝 置腔體為對開式管狀結(jié)構(gòu)，以法蘭形式密封；通過調(diào)節(jié)進(jìn)(出)氣壓力、流量，或增減氫氣 分離的功能組元，或更換氫分離膜片(介質(zhì))，或改變工作溫度可達(dá)到改變氫氣分離純化速率 的目的。從而可獲得一個具有很寬工作范圍的高純氫氣供應(yīng)系統(tǒng)，滿足不同的使用需求。另 外，通過調(diào)整氣體分離膜材(介質(zhì))、或改變進(jìn)(出)氣體參數(shù)，該裝置也可開展氣體分離膜 材(包括氫分離膜材)、以及氣體滲透擴(kuò)散(包括氫氣)的動力學(xué)性能研究。 為了便于調(diào)整工作壓力，管狀腔體的上蓋安置著兩個調(diào)壓閥。考慮到實(shí)際需要，本實(shí)用新型在管狀腔體的上蓋開有五個己提純氣體出口。最多可以安 置五組氫氣分離的功能單元。根據(jù)實(shí)際需要也可以只安置四組、三組或者兩組。安置多組氫 氣分離的功能單元，還可以確保在實(shí)際工作中，如果其中的某組損壞，只需拆下改組單獨(dú)維 修，其他各組仍能正常運(yùn)行，而不致影響工作。
在管狀腔體的外腔上蓋和外腔下蓋的接觸處墊有石墨密封圈，以確保嚴(yán)密不漏氣。
對于只是安置數(shù)目較少的氫分離純化功能單元的情況，沒有氫分離純化功能單元的內(nèi)腔 導(dǎo)氣管穿過的多余己提純氣體出口塞有密封套頭，進(jìn)行嚴(yán)格密封。
本實(shí)用新型可以配套兩種功能單元的結(jié)構(gòu)形式，A型功能單元適合裝配可加工成膜片、 并有較高機(jī)械強(qiáng)度的金屬型氫分離材料；該功能單元為嵌套式、法蘭密封結(jié)構(gòu)，由氫分離膜 片、環(huán)形腔體、金屬密封圈等形成的中空內(nèi)腔的導(dǎo)氣管穿過管狀腔體上蓋的已提純氣體出口 與腔體外的收集產(chǎn)出氣體的通氣管道連接。
另一種功能單元B型適合一些具有氫純化或分離作用、脆性大的非金屬粉體材料，通過 以粉體壓制、燒結(jié)成型，或粉體裝填形式、裝配在由不銹鋼氣體過濾膜網(wǎng)(滿足一定的機(jī)械 強(qiáng)度要求)構(gòu)成的環(huán)形腔體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)氫氣的分離、或純化目的。該功能單元為法蘭密封的管 束結(jié)構(gòu)，法蘭上蓋與下環(huán)形腔體以螺栓緊固和刃口密封結(jié)合方式形成的中空內(nèi)腔的導(dǎo)氣管穿 過管狀腔體上蓋的己提純氣體出口與腔體外的收集產(chǎn)出氣體的通氣管道連接。
本實(shí)用新型不需低溫深冷設(shè)備，并可根據(jù)需要配備加熱裝置，純化功能組元可根據(jù)需求 增減，具有很寬的工作范圍。裝置構(gòu)造簡單，維修使用方便。并且氫氣壓力和流量上限很高， 可連續(xù)純化氫氣。

圖1是本實(shí)用新型一種形式的結(jié)構(gòu)圖； 圖2a是本實(shí)用新型的腔體結(jié)構(gòu)主視圖 圖2b是本實(shí)用新型的腔體結(jié)構(gòu)俯視圖； 圖2c是本實(shí)用新型的腔體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖； 圖3是本實(shí)用新型另一種形式的結(jié)構(gòu)圖4a是本實(shí)用新型的一種氫氣分離純化功能單元(A型)的結(jié)構(gòu)圖； 圖4b是圖4a的A-A剖視圖5a是本實(shí)用新型的另一種氫氣分離純化功能單元(B型)的結(jié)構(gòu)圖； 圖5b是圖5a的A-A剖視圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
圖1中，管狀腔體內(nèi)安裝五個A型氫氣分離純化功能單元ll。
其腔體為外腔上蓋3和外腔下蓋4通過螺栓緊固的貼合著腔體內(nèi)壁5的管狀腔體，管狀腔體的上蓋3開有氣體進(jìn)氣口7、剩余氣體出口l、五個已提純氣體出口6，管狀腔體的上蓋 3安置著兩個調(diào)壓閥2，五個A型氫分離純化功能單元11的內(nèi)腔導(dǎo)氣管9穿過管狀腔體上蓋 3的已提純氣體出口 6與腔體外的收集產(chǎn)出氣體的通氣管道IO連接。在管狀腔體的外腔上蓋 3和外腔下蓋4的接觸處墊有石墨密封圈8。
工作時(shí)，擬分離(或純化)的氣體以一定的流速和壓力(P。)由進(jìn)氣口 7導(dǎo)入。由于裝 置腔體內(nèi)氣體壓力(P。)大于A型氫分離功能單元11腔內(nèi)的壓力P,， A型氫分離功能單元ll 腔內(nèi)外的氣壓差(P。-PO將驅(qū)動導(dǎo)入的氣體、通過A型氫分離功能單元11上的氣分離膜片(圖 4b中的2)進(jìn)行氫氣的分離(或純化)，經(jīng)過分離的氫氣經(jīng)內(nèi)腔導(dǎo)氣管9導(dǎo)出匯集于通氣管道 IO輸出。殘留氣體則經(jīng)剩余氣體出口 l排出，也可重新匯流到導(dǎo)入氣體中進(jìn)行分離循環(huán)。在 裝置工作時(shí)，只要維持一定的壓力差(P。-P丄就可維持裝置的正常工作，同時(shí)也可通過壓力 差的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對氫純化效率調(diào)節(jié)的目的。
調(diào)壓閥2起壓力調(diào)節(jié)作用，以防腔體內(nèi)壓力過高損壞氫分離膜片，腔體內(nèi)五個A型氣分 離功能單元ll相互獨(dú)立。其中膜片種類、膜片尺寸、導(dǎo)入氣體壓力、流速等均可在一定范圍 內(nèi)調(diào)節(jié)。整套裝置也可放置在恒溫設(shè)備中，以獲得不同的工作溫度。
腔體，包括內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)見圖2。
A型氫分離功能單元11的結(jié)構(gòu)見圖4。圖4b中，兩片上下單元蓋1通過螺紋緊固，并夾 緊上下兩片金屬過濾膜片2和一個單元體3，上下單元蓋1和上下兩片金屬過濾膜片2之間 墊有刃口支承4和刃口密封5，上下兩片金屬過濾膜片2之間形成的空腔為單元體內(nèi)腔，內(nèi) 腔留有氣體導(dǎo)出口6。由于裝置腔體內(nèi)氣體壓力(P。)大于A型氫分離功能單元ll內(nèi)腔內(nèi)的 壓力P,，其工作時(shí)，氫氣在壓力差(P。-P》的驅(qū)動下，經(jīng)單元體3兩側(cè)的金屬過濾膜片2滲 透進(jìn)入單元體3內(nèi)腔內(nèi)，在單元體3內(nèi)腔中匯流后由氣體導(dǎo)出口6導(dǎo)出。其中，上下金屬過 濾膜片2和中間環(huán)片構(gòu)成了單元體3。上下單元蓋1和刃口密封5起緊固金屬過濾膜片2的 作用，并形成一密封的單元體3的內(nèi)腔部分，刃口支承4對金屬過濾膜片2起保護(hù)和支承作 用，避免較大的內(nèi)外氣壓差引起膜片機(jī)械強(qiáng)度的降低。
實(shí)施例2
圖3中，管狀腔體內(nèi)安裝一個B型氫氣分離純化功能單元ll。
其腔體為外腔上蓋3和外腔下蓋4通過螺栓緊固的貼合著腔體內(nèi)壁5的管狀腔體，管狀 腔體的上蓋3開有氣體進(jìn)氣口7、剩余氣體出口l、五個已提純氣體出口6，管狀腔體的上蓋 3安置著兩個調(diào)壓閥2， 一個B型氫分離純化功能單元ll的內(nèi)腔導(dǎo)氣管9穿過管狀腔體上蓋 3的一個已提純氣體出口 6與腔體外的收集產(chǎn)出氣體的通氣管道10連接，其余四個已提純氣 體出口6塞有密封套頭，進(jìn)行嚴(yán)格密封。在管狀腔體的外腔上蓋3和外腔下蓋4的接觸處墊 有石墨密封圈8。
B型氫分離功能單元11的結(jié)構(gòu)見圖5。圖5b中，管狀氫分離器件1以管連接形式與法蘭上蓋2密封聯(lián)通；法蘭上蓋2與下環(huán)形腔體3以螺栓緊固和刃口密封結(jié)合方式來裝配。工作 時(shí)，由于管狀氫分離器件內(nèi)腔氫氣壓PZ小于裝置外腔體的氣壓P。，其工作時(shí)，氫氣在壓力差 (P。-P/ )的驅(qū)動下，經(jīng)管狀氫分離器件的外不銹鋼過濾膜片5、氫滲透層6、內(nèi)不銹鋼過濾膜 片7，進(jìn)入管狀氫分離器件內(nèi)腔，后在環(huán)形內(nèi)腔體內(nèi)匯流由通氣口 4導(dǎo)出。在管狀氫分離器 件上的由內(nèi)外不銹鋼過濾膜片5、 7構(gòu)成的環(huán)形圓柱腔體，對內(nèi)置的氫滲透層起保護(hù)和支承作 用，也可避免氫滲透粉體漏出污染內(nèi)腔體通道和對開式外腔體。
工作時(shí)，擬分離(或純化)的氣體以一定的流速和壓力(P。)由進(jìn)氣口 7導(dǎo)入。由于裝 置腔體內(nèi)氣體壓力(P。)大于B型氫分離功能單元11腔內(nèi)的壓力P,， B型氫分離功能單元ll 腔內(nèi)外的氣壓差(P。-P,)將驅(qū)動導(dǎo)入的氣體經(jīng)B型氫分離功能單元ll(管狀氫分離器件，見 圖5b)的外不銹鋼過濾膜片、氫滲透層、內(nèi)不銹鋼過濾膜片，進(jìn)入管狀氫分離器件內(nèi)腔，后 在環(huán)形內(nèi)腔體內(nèi)匯流由通氣口導(dǎo)出。殘留氣體則經(jīng)剩余氣體出口排出，也可重新匯流到導(dǎo)入 氣體中進(jìn)行分離循環(huán)。在裝置工作時(shí)，只要維持一定的壓力差(P。-P,)，就可維持裝置的正常 工作，同時(shí)也可通過壓力差的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對氫純化效率調(diào)節(jié)的目的。
調(diào)壓閥2起壓力調(diào)節(jié)作用，以防腔體內(nèi)壓力過高損壞氫分離裝置。裝置中膜片種類、粉 體成分、導(dǎo)入氣體壓力、流速等均可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。整套裝置也可放置在恒溫設(shè)備中， 以獲得不同的工作溫度。
腔體，包括內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)見圖2。
權(quán)利要求1、一種氫氣分離純化裝置，其結(jié)構(gòu)由氣路系統(tǒng)、腔體和處于腔體內(nèi)的氫分離純化功能單元構(gòu)成。其特征是腔體為外腔上蓋和外腔下蓋通過螺栓緊固的貼合著腔體內(nèi)壁的管狀腔體，管狀腔體的上蓋開有氣體進(jìn)氣口、剩余氣體出口、多個已提純氣體出口，管狀腔體的上蓋安置著調(diào)壓閥，個數(shù)少于或者等于已提純氣體出口個數(shù)的氫分離純化功能單元的內(nèi)腔導(dǎo)氣管穿過管狀腔體上蓋的已提純氣體出口與腔體外的收集產(chǎn)出氣體的通氣管道連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫氣分離純化裝置，其特征是管狀腔體的上蓋安置著兩個調(diào) 壓閥。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫氣分離純化裝置，其特征是管狀腔體的上蓋開有五個已提 純氣體出口。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫氣分離純化裝置，其特征是管狀腔體的外腔上蓋和外腔下 蓋的接觸處墊有石墨密封圈。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫氣分離純化裝置，其特征是沒有氫分離純化功能單元的內(nèi) 腔導(dǎo)氣管穿過的多余已提純氣體出口塞有密封套頭。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫氣分離純化裝置，其特征是功能單元為嵌套式、法蘭密封 結(jié)構(gòu)，由氫分離膜片、環(huán)形腔體、金屬密封圈等形成的中空內(nèi)腔的導(dǎo)氣管穿過管狀腔體上蓋 的已提純氣體出口與腔體外的收集產(chǎn)出氣體的通氣管道連接。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫氣分離純化裝置，其特征是功能單元為法蘭密封的管束結(jié) 構(gòu)，法蘭上蓋與下環(huán)形腔體以螺栓緊固和刃口密封結(jié)合方式形成的中空內(nèi)腔的導(dǎo)氣管穿過管 狀腔體上蓋的已提純氣體出口與腔體外的收集產(chǎn)出氣體的通氣管道連接。
專利摘要氫分離純化裝置由氣路系統(tǒng)、裝置腔體和數(shù)組裝配在腔內(nèi)的承擔(dān)氫氣分離的功能單元構(gòu)成。其腔體為外腔上蓋和外腔下蓋通過螺栓緊固的貼合著腔體內(nèi)壁的管狀腔體，管狀腔體的上蓋開有氣體進(jìn)氣口、剩余氣體出口、多個已提純氣體出口，管狀腔體的上蓋安置著調(diào)壓閥，個數(shù)少于或者等于已提純氣體出口個數(shù)的氫分離純化功能單元的內(nèi)腔導(dǎo)氣管穿過管狀腔體上蓋的已提純氣體出口與腔體外的收集產(chǎn)出氣體的通氣管道連接。該裝置輕巧、易拆卸、工作參數(shù)可調(diào)控、高效，是一個具有很寬工作范圍的高純氫氣供應(yīng)系統(tǒng)，能夠滿足不同的使用需求。該裝置不僅可以作為一功能器件應(yīng)用，而且也可應(yīng)用在氫分離膜材料和氣體擴(kuò)散動力學(xué)等領(lǐng)域的研究上。
文檔編號C01B3/50GK201376897SQ20092014069
公開日2010年1月6日 申請日期2009年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月11日
發(fā)明者菲 劉, 周懷營, 姚青榮, 王仲民, 王殿輝 申請人:桂林電子科技大學(xué)