СПОСОБ РЕМОНТА ДИФФУЗИОННОГО ОТДЕЛИТЕЛЯ ВОДОРОДА Российский патент 2020 года по МПК B65D65/10 B65D63/08 

Изобретение относится к водородной энергетике, в частности к мембранным технологиям получения особо чистого водорода из газовых смесей, содержащих водород, и может использоваться в энергетических установках, потребляющих водород, например, в установках на топливных элементах, а также в химической, электронной и других отраслях промышленности.

В настоящее время основным способом промышленного производства водорода является риформинг углеводородного сырья с последующим фильтрационным выделением водорода из полученного в результате риформинга синтез-газа. При этом для получения особо чистого водорода предпочтительно используются тонкие плоские мембраны из палладия, его сплавов и других способных избирательно пропускать водород водородопроницаемых металлов, присоединенные к конструктивным деталям мембранного элемента с помощью сварки, пайки или склеивании.

Известно техническое решение «Водородопроницаемая мембрана, фильтрующий элемент и мембранный аппарат» (патент РФ №2416460 от 09.08.2005 г.), в котором устройство содержит водородопроницаемую мембрану на основе палладиевого сплава с рельефной наружной поверхностью с чередующимися выступами и окружающими каждый выступ впадинами. Мембрана со стороны подачи газовой смеси скреплена с металлической рамкой.

Данный аналог имеет следующий недостаток: не раскрыт способ выполнения ремонта в случае непредвиденных отклонений в изготовлении и в начальной (отладочной) стадии эксплуатации диффузионного отделителя водорода с потерей герметичности (плотности) присоединения мембран к рамке. Представлена только возможность утилизации мембраны из палладиевого сплава из дефектного фильтрующего элемента.

В известном техническом решении «Диффузионный отделитель водорода» (патент РФ №189769 от 27.12.2018 г.) указан способ изготовления диффузионного отделителя водорода при котором диффузионный отделитель водорода состоит из двух рамок с мембранами из металла, способного избирательно пропускать водород, газонепроницаемого разделителя, установленного между мембранами, и патрубка отвода чистого водорода, сваренных в единую газоплотную конструкцию. При этом мембрана является плоской и находится в напряженном состоянии растяжения.

К недостаткам известного технического решения следует отнести то, что не раскрыт способ выполнения ремонта в случае непредвиденных отклонений в изготовлении и в начальной (отладочной) стадии эксплуатации диффузионного отделителя водорода с потерей герметичности (плотности) присоединенных мембран к рамке.

В известном техническом решении, принятым за прототип «Диффузионный отделитель водорода» (патент RU 2697454 от 26.04.2018 г.) указан способ (критерии) выбора материала рамок и мембраны, при котором при котором в материале мембраны достигаются напряжения, не приводящие к ее разрыву и короблению.

К недостаткам известного технического решения следует отнести то, что не раскрыт способ выполнения ремонта в случае непредвиденных отклонений в изготовлении и в начальной (отладочной) стадии эксплуатации диффузионного отделителя водорода с потерей герметичности (плотности) присоединенных мембран к рамке; ремонт диффузионного отделителя водорода не регламентирован и стоимость дорогостоящих материалов теряется полностью за вычетом стоимости утилизированных отходов.

Под отклонениями в изготовлении можно понимать, например, последствия некачественной сварки (пайки, склеивания) мембраны к рамке, которые могут быть вызваны большим количеством причин, в частности, плохим качеством свариваемых поверхностей (наличием рисок на поверхностях, некачественным обезжириванием и т.д.), сбоем режима сварки (потерей вакуума, изменением усилия прижима или температуры в процессе диффузионной сварки) и т.п. В настоящее время отсутствуют методы объективного контроля, позволяющие в момент изготовления выявить брак, да и проявиться он может позже (например, уже после сварки двух рамок с мембранами в диффузионный отделитель водорода) при проверке на гелиевую плотность при высоком давлении гелия. Поэтому риск получения массового брака сварного (паяного или склеенного) соединения достаточно велик, особенно в период отработки крупносерийного производства диффузионных отделителей водорода. Брак при сварке мембраны с рамкой можно получить не только в сварном соединении, но и в сварной конструкции в целом. Например, в случае необеспечения заданной оптимальной исходной формы и заданного оптимального исходного напряженного состояния мембраны, зависящего от коэффициента температурного расширения материала мембраны и рамки, и условий эксплуатации диффузионного отделителя водорода (температура конструкции, парциальное давление водорода). Очевидно, что ремонт диффузионного отделителя водорода возможен только в случае использования плоских негофрированных мембран.

Задачей изобретения является осуществление способа ремонта диффузионного отделителя водорода, который позволит восстановить его работоспособность за счет повторного использования мембран из дорогостоящих металлов из дефектного диффузионного отделителя водорода.

Поставленная задача решается благодаря тому, в способе ремонта диффузионного отделителя водорода, состоящего из двух стенок, образуемых рамками, с присоединенными к ним мембранами из водородопроницаемых металлов, способных избирательно пропускать водород, газопроницаемого разделителя, установленного между стенками, и патрубка отвода чистого водорода, сваренных в единую герметичную конструкцию, имеются следующие отличия: при обнаружении неплотности (негерметичности), образующуюся в процессе изготовления, испытаний и эксплуатации, в кольцевом соединительном шве мембраны с рамкой и/или в прилегающей к нему зоне мембраны производится ремонт за счет вырезки мембраны с использованием лазерной, плазменной технологии или механическим способом из рамки по диаметру, меньшему чем внутренний диаметр рамки стенки диффузионного отделителя водорода, с последующим соединением со вновь изготовленными рамками, у которых внутренний диаметр обеспечивает присоединение вырезанной мембраны и соответствует условиям:

D₀-D₁=Δ

D'₀=D₁-(n×Δ),

где D₀ - внутренний диаметр рамки диффузионного отделителя водорода до обнаружения неплотности (негерметичности);

D₁ - наружный диаметр мембраны после ее вырезки из рамки стенки диффузионного отделителя водорода;

D'₀ - внутренний диаметр вновь изготовленной для сборки рамки диффузионного отделителя водорода диффузионного отделителя водорода;

n - коэффициент (n>1).

Мембрана может быть выполнена из палладия, его сплавов или из других водородопроницаемых металлов, способных избирательно пропускать водород.

Далее производится сборка диффузионного отделителя водорода.

Сущность предложенного способа ремонта диффузионного отделителя водорода заключается в повторном использовании в диффузионном отделителе водорода дорогостоящей мембраны из водородопроницаемых металлов, способных избирательно пропускать водород (палладия или палладиевого сплава) имеющего неплотность (негерметичность) в кольцевом шве соединения (сварки, пайке, склеивании) мембраны к рамке и/или в прилегающей к нему зоне мембраны образующуюся в процессе изготовления, испытаний и эксплуатации.

Технический результат изобретения достигается при соблюдении следующих критериев:

где D₀ - внутренний диаметр рамки диффузионного отделителя водорода до обнаружения неплотности (негерметичности);

D₁ - наружный диаметр мембраны после ее вырезки из рамки стенки диффузионного отделителя водорода;

D'₀ - внутренний диаметр вновь изготовленной для сборки рамки диффузионного отделителя водорода диффузионного отделителя водорода;

n - коэффициент (n>1).

Конструктивно восстановление диффузионного отделителя водорода иллюстрируется чертежами фиг. 1 и фиг. 2. На чертежах обозначено:

На фиг. 1

1 - рамка;

2 - патрубок отвода водорода;

3 - мембрана;

4 - газопроницаемый разделитель;

На фиг. 2

1 - рамка;

2 - патрубок отвода водорода;

3 - мембрана;

4 - газопроницаемый разделитель;

5 - рамка отремонтированного диффузионного отделителя водорода;

6 - мембрана, вырезанная из дефектного диффузионного отделителя водорода.

Диффузионный отделитель водорода состоит из корпуса, сформированного из двух рамок 1, и патрубка отвода водорода 2, двух мембран 3 и газопроницаемого разделителя 4, расположенного в пространстве между мембранами.

После сборки диффузионного отделителя водорода, при обнаружении неплотности (негерметичности) в кольцевом соединительном шве (сварки, пайке, склеивании) мембраны к рамке и/или в прилегающей к нему зоне мембраны, вырезается с использованием лазерной, плазменной технологии или механическим способом мембрана 6 по диаметру D₁ меньшем чем внутренний диаметр D₀ рамки 1. Дальнейшее восстановление (сборка) диффузионного отделителя водорода производится известным способом, при этом внутренний диаметр D'₀ вновь изготовленных рамок 5 вычисляется по формулам (1) и (2).

Таким образом, предлагаемый способ ремонта диффузионного отделителя водорода за счет повторного использования мембран из палладия, его сплавов или из других водородопроницаемых металлов, способных избирательно пропускать водород, извлеченных из диффузионного отделителя водорода, имеющего неплотность (негерметичность) в кольцевом соединительном шве (сварки, пайки, склеивании) мембраны к рамке и/или в прилегающей к нему зоне мембраны, позволяет восстановить его работоспособность.

Изобретение относится к водородной энергетике, в частности к мембранным технологиям получения особо чистого водорода из газовых смесей, содержащих водород. При этом для получения особо чистого водорода предпочтительно используют тонкие плоские мембраны из палладия и его сплавов, скрепленные с конструктивными деталями мембранного элемента с помощью пайки или сварки. При работе возможно возникновение разгерметизации в области крепления мембраны к конструктивным деталям мембранного элемента. Кроме того, разгерметизация возможна по следующим причинам: - не выдержан режим сварки в связи с потерей вакуума или сбоя работы автоматики, т.е. при любом браке сварного шва; - появление при эксплуатации складок и заломов мембраны по всей поверхности мембраны, что неизбежно приведет к преждевременной потере плотности. Настоящее изобретение предлагает способ восстановления работоспособности диффузионного отделителя водорода, имеющего негерметичность в районе приварки палладиевой мембраны к рамке и проявляющуюся в процессе изготовления, испытаний или эксплуатации. При ремонте вырезается лазерной, плазменной или механической обработкой мембрана из палладия или его сплавов по диаметру D₁ меньше внутреннего диаметра D₀ рамки. Дальнейшее восстановление (сборка) диффузионного отделителя водорода производится известным способом, при этом внутренний диаметр D'₀ вновь изготовленных рамок вычисляется по формулам:

где D₀ - внутренний диаметр стенки рамки диффузионного отделителя водорода, имеющего негерметичность (неплотность); D₁ - наружный диаметр мембраны из палладия или палладиевого сплава после ее вырезки из рамки стенки диффузионного отделителя водорода, имеющего негерметичность (неплотность); D'₀ - внутренний диаметр рамки диффузионного отделителя водорода вновь изготовленной для сборки диффузионного отделителя водорода; n - коэффициент (n>1). Таким образом, предлагаемое изобретение за счет использования мембран из палладия и его сплавов, извлеченных из диффузионного отделителя водорода, имеющего негерметичность (неплотность) в районе приварки палладиевой мембраны к рамке диффузионного отделителя водорода, позволяет восстановить его работоспособность. 2 ил.

Способ ремонта диффузионного отделителя водорода, состоящего из двух стенок, образуемых рамками, с присоединенными к ним мембранами из водородопроницаемых металлов, способных избирательно пропускать водород, газопроницаемого разделителя, установленного между стенками, и патрубка отвода чистого водорода, сваренных в единую герметичную конструкцию, отличающийся тем, что при потере герметичности в кольцевом соединительном шве мембраны с рамкой и/или в прилегающей к нему зоне мембраны, ремонт производится за счет вырезки мембраны из рамки по диаметру, меньшему, чем внутренний диаметр рамки, с последующим соединением со вновь изготовленными рамками, у которых внутренний диаметр обеспечивает присоединение вырезанной мембраны и соответствует условиям:

D₀-D₁=Δ

D'₀=D₁-(n×Δ),

где D₀ - внутренний диаметр рамки диффузионного отделителя водорода до обнаружения негерметичности;

D₁ - наружный диаметр мембраны после ее вырезки из рамки стенки диффузионного отделителя водорода;

D'₀ - внутренний диаметр вновь изготовленной для сборки рамки диффузионного отделителя водорода диффузионного отделителя водорода;

n - коэффициент (n>1).