ДИФФУЗИОННЫЙ ОТДЕЛИТЕЛЬ ВОДОРОДА

Полезная модель 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. При этом речь идет об использовании для получения особо чистого водорода тонких мембран из палладия, его сплавов или другого металла, способного избирательно пропускать водород, фольги толщиной 20…100 микрон (а не о напылении палладия и его сплавов толщиной несколько микрон на пористые подложки), соединенной с конструктивными деталями мембранного элемента с помощью пайки или сварки.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является мембранный разделительный узел (а.с. СССР №1611421), который содержит мембраны, рамки, разделительный элемент и патрубок отвода чистого водорода. При этом на рамках выполнены прямые и кольцевые гофры, а на мембране - прямые гофры под углом 5…30 градусов к радиальному направлению. Кроме того, рамки и патрубок выполнены из материала с температурным коэффициентом линейного расширения большим, чем у материала мембраны. Использование описанной конструкции позволяет, по мнению авторов, более чем на порядок повысить время эксплуатации элемента при высоких давлениях (ок. 10 МПа) и температурах (ок. 700 К) за счет компенсации термических расширений и дилатации под воздействием растворенного водорода и, как следствие, уменьшения механических напряжений в мембранном элементе диффузионного отделителя водорода.
Действительно, гофры позволяют повысить компенсационные способности мембраны, когда она испытывает дилатацию (разбухает) под воздействием растворенного в ней водорода. Улучшает ситуацию с напряженным состоянием мембраны и рамка из материала с коэффициентом температурного расширения большим, чем у мембраны, т.к. уменьшает перемещения, которые нужно компенсировать.
Вместе с тем известная конструкция диффузионного отделителя водорода обладает рядом существенных недостатков:
- известная конструкция многодельна, технологически сложна. Идея оребрения мембраны возникла как способ борьбы с неуправляемым процессом соединения тонкой мембраны с рамкой, в результате которого присоединенная к рамке мембрана получает избыточную поверхность, теряет устойчивость под воздействием сжимающих напряжений и деформируется в виде купола большей или меньшей высоты. Чтобы использовать избыточную поверхность мембраны, придать ей определенную форму и жесткость, мембрану после присоединения к рамке подвергают штамповке с образованием гофр.
- известная конструкция ненадежна, т.к. штамповка гофр неизбежно приводит, по крайней мере, к двум отрицательным явлениям, а именно - к локальным утонениям материала мембраны и к появлению концентраторов напряжения.
Очевидно, что исходная форма мембраны с начала разогрева и до подачи водородосодержащего газа должна быть плоской, без избытка поверхности, приводящего к выпучиванию мембраны и образованию на ней складок под воздействием перепада давления. Поэтому оптимальным следует считать такое исходное напряженное состояние, при котором мембрана в исходном состоянии и вплоть до начала подачи водородосодержащей смеси при t>350°С находится под воздействием растягивающих напряжений. Уровень этих растягивающих напряжений должен падать по мере увеличения количества растворенного в материале мембраны водорода, не снижаясь до нулевых значений и, тем более, до отрицательных, т.к. в этом случае неизбежны образования складок и ускоренный процесс потери плотности мембран. Таким образом, предварительное напряженное состояние мембраны обеспечивает повышение ее компенсационной способности, но в отличие от гофрирования, не имеет указанных выше недостатков, связанных со штамповкой гофров.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности диффузионного отделителя водорода.
Поставленная задача выполняется за счет того, что диффузионный отделитель водорода, состоящий из двух рамок с мембранами из металла, способного избирательно пропускать водород, газопроницаемого разделителя, установленного между мембранами, и патрубка отвода чистого водорода, сваренных в единую газоплотную конструкцию, имеет следующие отличия: мембрана выполнена плоской и находится в напряженном состоянии растяжения.
Плоская мембрана в процессе присоединения к рамке приведена в напряженное состояние растяжения, сохраняющееся на всех режимах эксплуатации, в том числе при дилатации под воздействием водорода.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлен диффузионный отделитель водорода после сборки. На чертеже обозначено:
1 - рамка;
2 - патрубок отвода водорода;
3 - плоская мембрана;
4 - газопроницаемый разделитель;
Диффузионный отделитель водорода состоит из корпуса, сформированного из двух рамок и патрубка отвода чистого водорода 2, двух плоских мембран 3 из металла, способного избирательно пропускать водород, присоединенных к рамке и в процессе присоединения приводящихся в напряженное состояние, и газопроницаемого разделителя 4, расположенного в пространстве между мембранами.
Предложенная конструкция диффузионного отделителя водорода (см. чертеж фиг. 1) работает следующим образом.
Предварительно напряженное состояние мембраны 3 достигается специальным алгоритмом соединения, зависящим от материала мембраны и рамки, благодаря чему мембрана в ходе эксплуатации находится под воздействием растягивающих напряжений, величина которых может уменьшаться по мере наводораживания и воздействия водородной дилатации, но не доходит до нуля и, тем более, до отрицательных значений, т.е. до напряжения сжатия, при котором неизбежно вспучивание мембраны и образование складок. Использование плоской предварительно напряженной мембраны 3 позволяет существенно повысить надежность мембраны за счет исключения концентраторов напряжения и неравномерности дилатации водорода.
Сборка конструкции диффузионного отделителя водорода происходит следующим образом: две рамки с вставленным в них газопроницаемым разделителем первоначально отдельно образуют корпус диффузионного отделителя с патрубком отвода водорода, после чего производится соединение мембран с собранным корпусом поочередно или одновременно с каждой стороны (рис. 1).
Полученный в конверторе синтез-газ, содержащий водород, омывает диффузионный отделитель водорода с внешней стороны рамки 1, фильтруется на плоской мембране 3, что исключает концентраторы напряжения и неравномерность дилатации водорода, и через газопроницаемый разделитель 4 поступает к патрубку отвода водорода 2 (рис. 1).
Таким образом, предлагаемая конструкция диффузионного отделителя водорода за счет использования плоских мембран из металлов избирательно проводящих водород, позволяет создать конструкцию диффузионного отделителя водорода, обеспечивающую повышение его надежности, что выгодно отличает ее от прототипа.