устройство для выделения водорода из водородосодержащей газовой смеси

Формула изобретения

1. Устройство выделения водорода из водородосодержащей газовой смеси, содержащее корпус, в котором соосно установлен, по крайней мере, один полый мембранный элемент, отличающееся тем, что полый мембранный элемент представляет собой электронагреватель, хотя бы один конец которого электрически изолирован от корпуса и соединен с шиной подачи электрического тока, причем на поверхность мембранного элемента нанесен катализатор.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что мембранный элемент выполнен из титана, а на его внешнюю поверхность нанесен палладий.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии разделения газов и может быть использовано в отраслях промышленности, использующих чистый водород, например химической, авиационной или космической, где проблемы повышения эффективности и качества очистки газов стоят особенно остро.

В настоящее время известны различные способы разделения газов и конструкции мембранных узлов, предназначенных для выделения чистых газов, например водорода, из газовой смеси, подаваемой на вход устройства.

Известен способ разделения газов и мембранный узел для выделения водорода (Патент США № 3469372, B01D 63/00, 1969), который содержит селективные мембраны, изготовленные из палладия или его сплавов, патрубок отвода чистого водорода и газопроницаемый разделитель из мембран. В процессе реализации известного способа возникают механические напряжения, обусловленные наводороживанием мембран, в результате чего снижаются прочность и соответственно ресурс работы устройства.

Известен мембранный разделительный узел (а.с. СССР № 1611421, B01D 63/00, 1989).

Известный мембранный узел содержит гофрированные мембраны, изготовленные из палладия или его сплавов и установленные на рамах, образующих кольцевой коллектор для отвода чистого водорода, и газопроницаемый разделитель мембран.

Недостатком такого устройства является наличие сварного соединения палладиевых мембран, герметизирующего полость с очищенным водородом, что ограничивает длительность работы мембранного узла с агрессивными газовыми смесями и исключает возможность многократной разборки и очистки узла, что отрицательно влияет на эффективность процесса.

Известен способ разделения газов и мембранная система для его реализации, включающий подачу исходной газовой смеси в первую и последующие ступени мембранной очистки (см. патент РФ № 2035981 от 09.12.1991 г., МПК B01D 61/00 - прототип).

Известное техническое решение обладает недостаточной эффективностью процесса и недостаточной чистотой получаемого продукта.

Известно устройство для разделения газов (см. патент РФ № 2126290, МПК B01D 63/00 - прототип), содержащее, по меньшей мере, одну мембрану из палладия или его сплава, патрубки подвода и отвода газов, уплотнения.

Недостатком известного технического решения является невысокая эффективность процесса очистки и сложность конструкции.

Целью предлагаемого изобретения является устранение указанных выше недостатков, а именно повышение эффективности процесса выделения водорода из водородосодержащей смеси и упрощение конструкции устройства для реализации этого процесса.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе выделения водорода из водородосодержащей смеси, основанном на ее пропускании через мембранный элемент, согласно изобретению, сначала нагревают мембранный элемент, содержащий катализатор, а нагревание газовой смеси осуществляют посредством нагретого мембранного элемента, например, пропуская ее через мембранный элемент.

Указанная совокупность признаков проявляет новые свойства, заключающиеся в том, что благодаря нагреву мембранного элемента, содержащего катализатор, при контакте с ним газовой смеси происходит расщепление молекул водорода Н ₂ и прохождение атомов Н сквозь кристаллическую решетку мембранного элемента с последующим образованием молекул Н ₂. Все другие составляющие газовой смеси не в состоянии преодолеть мембранный барьер вследствие существенных (по сравнению с атомарным водородом) размером их молекул. Таким образом, повышается чистота выделенного водорода и эффективность способа в целом.

Предлагаемый способ реализован в устройстве, содержащем корпус с соосно установленым в нем, по крайней мере, одним полым трубчатым мембранным элементом, представляющим собой электронагреватель, хотя бы один конец которого электрически изолирован от корпуса и соединен с шиной подачи электрического тока, причем на поверхность мембранного элемента нанесен катализатор, в качестве которого использован палладий, а сам мембранный элемент выполнен из титана или его сплава.

Указанная совокупность признаков проявляет новые свойства, заключающиеся в том, что благодаря выполнению мембранного элемента в виде полого электронагревателя с нанесенным на его поверхность катализатором повышается эффективность нагрева газовой смеси и возрастает КПД используемой энергии. Кроме того, вследствие совмещения функций нагревателя и мембраны в одном элементе, упрощается конструкция устройства и повышается ее надежность.

Предлагаемое техническое решение схематически представлено на чертеже, где:

1 - корпус;

2 - мембранные элементы;

3 - шина;

4 - штуцер-клемма;

5 - крышка;

6 - фланец;

7 - штуцер отвода ретанта;

8 - крышка;

9 - штуцер-клемма отвода пермента (Н₂);

10 - фланец;

11 - трубная решетка;

12 - катализатор.

Устройство выделения водорода из водородосодержащей газовой смеси содержит корпус 1, в котором соосно установлены трубчатые мембранные элементы 2, служащие также электронагревателями, правые концы которых электрически изолированы от корпуса 1 и посредством шины 3 соединены со штуцером-клеммой 4, установленным в крышке 5 и электрически изолированным от нее. Крышка 5 посредством фланца 6 крепится к корпусу 1.

В корпусе 1 расположен штуцер отвода ретанта 7, а в крышке 8, закрывающей левую часть корпуса 1, находится штуцер-клемма отвода пермента (Н₂) 9. Крышка 8 крепится к корпусу 1 посредством фланца 10. Полость подачи водородосодержащей газовой смеси герметически изолирована от полости выхода пермента Н₂ посредством трубной решетки 11, к которой при помощи сварки крепятся мембранные элементы 2.

На внешних поверхностях мембранных элементов 2 нанесен катализатор - (палладий) 12, а сами мембранные элементы выполнены из титана.

Подготовка устройства к работе предполагает его подсоединение посредством штуцера-клеммы 4 к магистрали подачи водородосодержащей газовой смеси и источнику тока, а штуцера-клеммы 9 к источнику тока (для осуществления нагрева мембранных элементов 2) и потребителю чистого водорода.

При подаче газовой смеси к нагретым мембранным элементам 2 (при температуре от 350°С до 650°С), благодаря наличию катализатора 12 (палладия), молекулярный водород начинает разлагаться на атомарный, проникает сквозь кристаллическую решетку титанового мембранного элемента в силу малости размеров атомов, вновь соединяется в молекулы и выходит из штуцера-клеммы 9.

Поскольку размеры молекул всех остальных газов в водородосодержащей газовой смеси существенно больше размеров атомов водорода, то это практически исключает попадание других компонентов в выделенный водород, что ведет к повышению эффективности работы устройства и получению более чистого водорода.