Способ очистки водорода Советский патент 1983 года по МПК C01B3/56 

Изобретение относится к способам очистки водорода диффузией, в частности диффузией через мембраны из металла или сплава.

Известен способ очистки водорода путем фильтрации.газов на фильтрах из палладия и его сплавов с серебром, обладающих наибольшей проницаемостью для водорода Лв 100 и более раз выше, чем у других металлов) при сравнительно невысоких рабочих температурах. Подлежащий очистке от газовых примесей водород нагревают до 200 700°С и под давлением до 200 атм подают в камеру, одна или несколько стенок которой выполнены из тонкой палладиевой мембраны. С противоположной стороны мембраны устанавливают камеру низкого давления, в которую пбступает продиффундировавший через мембрану очищенный водород. Для npej,.-. отвращения продавливания мембраны ее со стороны низкого давления подпирают пористым металлическим или керамическим вкладышем, воспринимающим на себя механические нагрузки tl.

Недостатком способа является низкая производительность фильтрации (не более 1 Кроме того/

рабочая поверхность мембраны со вре менем покрывается слоем адсорбирующихся на ней примесей, содержащихся в водороде, в результате чего уменьшается активность поверхности, затрудняется доступ к ней молекул водород и падает производительность фильтра- ции. Для восстановления активности поверхности мембран их периодичес10ки очищаиот промывкой растворителями jt что не ведет к полному восстановлению фильтрующих свойств. Поэтому после нескольких пррмывок мембраны вынуждены заменять.

15

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ очистки водорода путем фильтрации через металлическую мембрану, по20верхность которой активируют тлеющим разрядом, постоянно горящим в фильтруемом газе. Для этого мембрану присоединяют к отрицательному полюсу источника напряжения, а на некотором

25 расстоянии от мембраны в камере высокого Давления устанавливают электрод, присоединенный к положительному полюсу источника напряжения (.1000-1200 В К При давлении газа в

30 камере высокого давления, составляющем несколько мм рт.ст., между элек тродом и мембраной зажигается самостоятельный объемный тлеющий разряд с плотностью тока 10 мА/см, Втлеющем разряде происходит ионизация, диссоциация и возбуждение части молекул газа, В катодной области тлеющего разряда положительные ионы ускоряются электрическим полем и бомбардируют поверхность катода, которым является мембрана. Под действием ионной бомбардировки происходит распыление окисных пленок и загрязнений на поверхности металла. В результате поверхность постепенно очищается и активируется. На активированных участках поверхности мембраны происходит хемосорбция части молекул водорода, ударяющихся о поверхность при тепловом движении в газе. Причем с наибольшей скоростью хемосорбирую ся возбужденные разрядом молекулы водорода. В результате хемосорбции молекулы водорода диссоциируют на атомы, атомы отдают свои электроны металлу и в виде протонов внедряютСя в металл и диффундируют в нем. На противоположной стороне мембраны протоны вновь соединяются с электро нами и в виде атомов водорода выделяются на поверхности металла. Затем атомы соединяются в молекулы водоро да и покидают поверхность мембраны со стороны камеры низкого давления, где нет электрического разряда в га зе. За время активации поверхности мембраны 200 мин тлеющим разрядом с указанньоми параметрами скорость проникновения водорода через сталь ную мембрану толщиной 1 мм постепен но увеличивалась от О в начальный момент до 1 - /с-см- 2. Недостатком известного способа является низкая производительность фильтрации водорода, обусловленная тем, что тлеющий разряд существует только при давлениях газа Юммрт.с При более высоких давлениях этот разряд перестает быть объемным, В результате при столь низких рабочих давлениях газа производительность очистки водорода не превышает 1-Ю- нсм с-смг. Цель изобретения - повышение про изводительности процесса очистки. Поставленная цель достигается согласно способу очистки водорода, включающему фильтрацию его через ме таллическую мембрану, активацию поверхности мембраны объемным электри ческим разрядом в фильтруемом газе отвод очищенного водорода, в которо активацию поверхности мембраны осуществляют несамостоятельным электро ионизационным разрядом. Данный способ позволяет увеличит производительность процесса в 10 1раз с 3-10 до 5-10 . Устройство для осуществления предлагаемого способа состоит из металлического корпуса, в который вставлен пористый газопроницаемый вкладыш, обладающий достаточно высокими механической прочностью, электропроводностью и теплопроводностью, К вкладышу прижата или прикреплена металлическая мембрана толщиной от 10 до 100 мкм. Ее можно выполнять из любого металла или сплава, ; но предпочтительны палладий, никель, ниобий, титан и нержавеющая сталь. Мембрана уплотнена с помощью колец из меди между корпусом и керамическим изолятором, К противоположному торцу изолятора припаян или прижат через уплотнение металлический корпус рабочей камеры, К корпусу прикреплены трубоводы для подачи в камеру подлежащего очистке водорода и отвода из камеры отфильтрованных примесей вместе с остатками водорода. Внутри рабочей камеры расположен электрод из металлической сетки или фольги, прикрепленной к корпусу и установленной параллельно мембране. Расстояние между электродом и мембраной следует выбирать минимальным, но достаточным для того, чтобы выдерживать без самопробоя разность потенциалов, прикладываемую к электроду и мембране от внешнего источника напряжения. Кроме того, электрод следует крепить так,чтобы имелся свободный доступ газа к поверхности мембраны, но чтобы поток газа через камеру не смещал электрод, В хорце корпуса рабочей камеры имеется окно, затянутое титановой или бериллиевой фольгой толщиной 30-50 мкм, служащее для подачи через него в рабочую камеру пучка электронов от внешнего источника электронов. С внешней стороны фольга поджата решеткой, помогающей выдерживать высокие давления газа на фольгу. Решетка прикреплена к фланцу, прижимающему фольгу,через уплотнение к корпусу. Задняя сторона металлического корпуса, образующейкамеру низкого давления, закрыта крышкой с прикрепленным к ней трубО проводом для отвода чистого (отфильа рованного ) водорода. Металлический корпус камеры низкого давления электрически подключен к отрицательному полюсу источника напряжения, а корпус камеры высокого давления - к положительному полюсу, К корпусу камеры низкого давления припаяна или приварена труба с циркулирующей по ней охлаждающей жидкостью. Пример 1, Чистый водород получают фильтрацией азотоводородной смеси, полученной диссоциацией технического аммиака. Для этого в устройство подают азотоводородную смесь под давлением до 1 ата. Мембрана

выполнена из металла, указанного в таблице 1, имеет толщину 50 мкм и площадь 10-100 см. Прристый вкладыш выполнен методами порошковой металлургии из порошка нержавеющей стали и имеет поры 50 мкм. Фольга выполнен из титана толщиной 50 мкм и имеет площадь 5«100 см. Электрод выполнен из титановой фольги толщиной 50 мкм, укрепленной на стальной сетке. Расстояние от мембраны до фольги электр да составляет 2 мм, от фольги электрода до фольги окна - 50 мм. Расход исходного газа через устройство составляет 100 .Через окно, затянутое фольгой, в рабочую камеру подают пучок электронов от миниатюрного ускорителя ЭЛИТА-500. Ускоритель генерирует импульсы электронйого пучка длительностью 5 мкс, повторяющиеся с частотой 300 Гц. Энерги электронов 0,4 МэВ, ток пучка в импульсе составляет 0,25А. Средняя Во времени мощность пучка составляет 100 Вт. В выпускной системе ускорителя пучку электронов придают с помощью магнитных линз форму эллипса в сечении с полуосями 5 и 100 см. На фольге, закрывающей вход в ка- . меру высокого давления, пучок электронов рассеивается со среднеквадратичным углом рассеивания ЗО и, пройдя через газ в камере высокого давления, облучает фольгу электрода более менее равномерно по всей ее площади. Пройдя через фольгу, электРОНЫ пучка ионизуют газ между электродом и мембраной. Плотность тока пучка в импульсе на мембране.составляет 0,2 А/см. К электроду и мембране приложена разность потенциалов 7 кВ от внешнего выпрямителя. Во время импульсов электронного пучка между электродом и мембраной загорается несамостоятельный (электроионизационный), разряд с длительностью импульса тока равной длительности импульса пучка (-- 5 мкс). Амплитуде импульсов тока разряда достигает 4 кА. Плотность тока разряда 4 А/см. При частоте повторения импульсов 300 Гц средняя во времени мощность разряда, потребляемая от выпрямителя, достигает 42 кВт, а средняя во времени плотность мощности в разряде 42 ВТ/СМ -В разрядном промежутке газ нагревается электрическими разрядами и на выходе из устройства имеет тем4 пературу от 400 до . С целью утилизации тепла ГОРЯЧИЙ газ, выходящий из устройства, по трубе подают в теплообменник, где оч нагревает поступающую в разрядное устройство холодную азотоводородную смесь до 200-300 0. Продиффунзировавший скзочь мембрану чистый водород собирается в камере низкого давления и под давлением до 1 ати по трубопроводу поступает к потребителю. Чистота водорф да 99,999 об.%. Производительность устройства и удельная производителиность фильтрации (нл/ч-см измеряемые за время работы устройства в те- чение 4 часов, зависят от металла мембраны и приведены в таблице 1.

Пример 2. Осуществляют очисЛ-. ку технического водорода с чистотой 98 об%. Все операции осуществляют так же, как в примере 1, с тем отличием, что в исходный газ добавляю

Гаргон в количестве 5 o6L%. IB результате на выходе из камеры

jнизкого давления получают водород с чистотой 99,999 об.%, а на

выходе из камеры высокого давле г ния - смесь, обогащенную аргоном.

В таблице 1 приведены сравнительные данные фильтрации водорода по способу-прототипу, известному споjco6y и предлагаемому.

Внедрение предлагаемого иэобрете ния позволит получить значительный экономический эффект вследствие замены палладиевого фильтра на никелевый , что экономит только на одной установке ТВ-э около 12 кг палладия в год.

Формула изобретения

Способ очистки водорода, включаю. щий фильтрацию его через металлическую мембрану, активацию поверхности мембраны объемным электрическим разрядом в фильтруемом газе и отвод очищенного водорода, отличающ .и и с я тем, что, с целью повышения п юизводительности процесса, активацию поверхности мембраны осуществляют несамостЬятельным электро ионизационным разрядом. Источники -информации,

принятые во внимание при экспертизе

1.Стеженскнй А.И Г и др. Получение высокочистого водорода в диффу зионных установках. К., Наукова

думка, 1970, с, 35.

2.Рябов Р.А. И др. Проникиовеннводорода в металлы в условиях газового разряда. Известия вузов СССР, сер. Физика, 3, 1969, с. 136-138

(прототип).