[go: up one dir, main page]

SU1000390A1 - Method for purifying hydrogen - Google Patents

Method for purifying hydrogen Download PDF

Info

Publication number
SU1000390A1
SU1000390A1 SU813333474A SU3333474A SU1000390A1 SU 1000390 A1 SU1000390 A1 SU 1000390A1 SU 813333474 A SU813333474 A SU 813333474A SU 3333474 A SU3333474 A SU 3333474A SU 1000390 A1 SU1000390 A1 SU 1000390A1
Authority
SU
USSR - Soviet Union
Prior art keywords
membrane
hydrogen
gas
metal
discharge
Prior art date
Application number
SU813333474A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Леонид Павлович Фоминский
Original Assignee
Научно-производственное объединение "Тулачермет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Научно-производственное объединение "Тулачермет" filed Critical Научно-производственное объединение "Тулачермет"
Priority to SU813333474A priority Critical patent/SU1000390A1/en
Application granted granted Critical
Publication of SU1000390A1 publication Critical patent/SU1000390A1/en

Links

Landscapes

  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Description

Изобретение относитс  к способам очистки водорода диффузией, в частности диффузией через мембраны из металла или сплава.The invention relates to methods for purifying hydrogen by diffusion, in particular by diffusion through metal or alloy membranes.

Известен способ очистки водорода путем фильтрации.газов на фильтрах из паллади  и его сплавов с серебром, обладающих наибольшей проницаемостью дл  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 давлени , в которую пбступает продиффундировавший через мембрану очищенный водород. Дл  npej,.-. отвращени  продавливани  мембраны ее со стороны низкого давлени  подпирают пористым металлическим или керамическим вкладышем, воспринимающим на себ  механические нагрузки tl.A known method of purification of hydrogen by filtering gas filters on palladium and its alloys with silver, with the highest permeability to hydrogen of Le 100 or more times higher than that of other metals) at relatively low operating temperatures. The hydrogen to be purified from gas impurities is heated to 200 700 ° C and is fed under pressure up to 200 atm into a chamber, one or several of which is made of a thin palladium membrane. On the opposite side of the membrane, a low pressure chamber is installed, into which the hydrogen that has diffused through the membrane penetrates. For npej, .-. repulsing the pushing of the membrane from the low pressure side is supported by a porous metal or ceramic liner, which takes on mechanical loads tl.

Недостатком способа  вл етс  низка  производительность фильтрации (не более 1 Кроме того/The disadvantage of this method is low filtration performance (no more than 1 In addition /

рабоча  поверхность мембраны со вре менем покрываетс  слоем адсорбирующихс  на ней примесей, содержащихс  в водороде, в результате чего уменьшаетс  активность поверхности, затрудн етс  доступ к ней молекул водород и падает производительность фильтра- ции. Дл  восстановлени  активности поверхности мембран их периодичес10 ки очищаиот промывкой растворител ми jt что не ведет к полному восстановлению фильтрующих свойств. Поэтому после нескольких пррмывок мембраны вынуждены замен ть.The working surface of the membrane is sometimes covered with a layer of impurities adsorbed on it, which are contained in hydrogen, as a result of which the surface activity decreases, the hydrogen molecules are difficult to access and the filtration performance decreases. To restore the surface activity of the membranes, they are periodically cleaned and rinsed with solvents jt, which does not lead to a complete restoration of the filtering properties. Therefore, after several applications, the membranes have to be replaced.

1515

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату  вл етс  способ очистки водорода путем фильтрации через металлическую мембрану, по20 верхность которой активируют тлеющим разр дом, посто нно гор щим в фильтруемом газе. Дл  этого мембрану присоедин ют к отрицательному полюсу источника напр жени , а на некотором The closest to the proposed technical essence and the achieved result is the method of hydrogen purification by filtration through a metal membrane, the surface of which is activated by a glowing glow, constantly burning in the filtered gas. For this, the membrane is attached to the negative pole of the voltage source, and at some

25 рассто нии от мембраны в камере высокого Давлени  устанавливают электрод , присоединенный к положительному полюсу источника напр жени  (.1000-1200 В К При давлении газа в 25, the distance from the membrane in the high-pressure chamber installs an electrode connected to the positive pole of the voltage source (.1000-1200 V K. At gas pressure in

30 камере высокого давлени , составл ющем несколько мм рт.ст., между элек тродом и мембраной зажигаетс  самосто тельный объемный тлеющий разр д с плотностью тока 10 мА/см, Втлеющем разр де происходит ионизаци , диссоциаци  и возбуждение части молекул газа, В катодной области тлеющего разр да положительные ионы ускор ютс  электрическим полем и бомбардируют поверхность катода, которым  вл етс  мембрана. Под действием ионной бомбардировки происходит распыление окисных пленок и загр знений на поверхности металла. В результате поверхность постепенно очищаетс  и активируетс . На активированных участках поверхности мембраны происходит хемосорбци  части молекул водорода, удар ющихс  о поверхность при тепловом движении в газе. Причем с наибольшей скоростью хемосорбирую с  возбужденные разр дом молекулы водорода. В результате хемосорбции молекулы водорода диссоциируют на атомы, атомы отдают свои электроны металлу и в виде протонов внедр ютС  в металл и диффундируют в нем. На противоположной стороне мембраны протоны вновь соедин ютс  с электро нами и в виде атомов водорода выдел ютс  на поверхности металла. Затем атомы соедин ютс  в молекулы водоро да и покидают поверхность мембраны со стороны камеры низкого давлени , где нет электрического разр да в га зе. За врем  активации поверхности мембраны 200 мин тлеющим разр дом с указанньоми параметрами скорость проникновени  водорода через сталь ную мембрану толщиной 1 мм постепен но увеличивалась от О в начальный момент до 1 - /с-см- 2. Недостатком известного способа  вл етс  низка  производительность фильтрации водорода, обусловленна  тем, что тлеющий разр д существует только при давлени х газа Юммрт.с При более высоких давлени х этот разр д перестает быть объемным, В результате при столь низких рабочих давлени х газа производительность очистки водорода не превышает 1-Ю- нсм с-смг. Цель изобретени  - повышение про изводительности процесса очистки. Поставленна  цель достигаетс  согласно способу очистки водорода, включающему фильтрацию его через ме таллическую мембрану, активацию поверхности мембраны объемным электри ческим разр дом в фильтруемом газе отвод очищенного водорода, в которо активацию поверхности мембраны осуществл ют несамосто тельным электро ионизационным разр дом. Данный способ позвол ет увеличит производительность процесса в 10 1раз с 3-10 до 5-10 . Устройство дл  осуществлени  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 металлическа  мембрана толщиной от 10 до 100 мкм. Ее можно выполн ть из любого металла или сплава, ; но предпочтительны палладий, никель, ниобий, титан и нержавеюща  сталь. Мембрана уплотнена с помощью колец из меди между корпусом и керамическим изол тором, К противоположному торцу изол тора припа н или прижат через уплотнение металлический корпус рабочей камеры, К корпусу прикреплены трубоводы дл  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. Рассто ние между электродом и мембраной следует выбирать минимальным, но достаточным дл  того, чтобы выдерживать без самопробо  разность потенциалов , прикладываемую к электроду и мембране от внешнего источника напр жени . Кроме того, электрод следует крепить так,чтобы имелс  свободный доступ газа к поверхности мембраны, но чтобы поток газа через камеру не смещал электрод, В хорце корпуса рабочей камеры имеетс  окно, зат нутое титановой или бериллиевой фольгой толщиной 30-50 мкм, служащее дл  подачи через него в рабочую камеру пучка электронов от внешнего источника электронов. С внешней стороны фольга поджата решеткой, помогающей выдерживать высокие давлени  газа на фольгу. Решетка прикреплена к фланцу, прижимающему фольгу,через уплотнение к корпусу. Задн   сторона металлического корпуса, образующейкамеру низкого давлени , закрыта крышкой с прикрепленным к ней трубО проводом дл  отвода чистого (отфильа рованного ) водорода. Металлический корпус камеры низкого давлени  электрически подключен к отрицательному полюсу источника напр жени , а корпус камеры высокого давлени  - к положительному полюсу, К корпусу камеры низкого давлени  припа на или приварена труба с циркулирующей по ней охлаждающей жидкостью. Пример 1, Чистый водород получают фильтрацией азотоводородной смеси, полученной диссоциацией технического аммиака. Дл  этого в устройство подают азотоводородную смесь под давлением до 1 ата. МембранаA high-pressure chamber of a few mm Hg between the electrode and the membrane ignites a self-sustaining volumetric discharge with a current density of 10 mA / cm. At the discharge discharge part of the gas molecules occurs, in the cathode region Glow discharge positive ions are accelerated by an electric field and bombard the surface of the cathode, which is a membrane. Under the action of ion bombardment, oxide films and contaminants are sputtered onto the metal surface. As a result, the surface is gradually cleaned and activated. On the activated areas of the membrane surface, chemisorption of part of the hydrogen molecules that hit the surface during thermal motion in the gas occurs. And with the fastest speed, I chemisorb with the excited hydrogen molecules with the discharge. As a result of chemisorption, the hydrogen molecules dissociate into atoms, the atoms transfer their electrons to the metal and, in the form of protons, are introduced into the metal and diffuse in it. On the opposite side of the membrane, protons are again bonded to electrons and in the form of hydrogen atoms are released on the metal surface. Then, the atoms join into hydrogen molecules and leave the membrane surface on the side of the low pressure chamber, where there is no electrical discharge in the gas. During the time of activation of the membrane surface with 200 minutes glowing with the specified parameters, the rate of hydrogen penetration through the steel membrane 1 mm thick gradually increased from 0 at the initial moment to 1 - / s-cm-2. The disadvantage of the known method is the low performance of hydrogen filtration , due to the fact that the glow discharge exists only at gas pressures Hummer. At higher pressures, this discharge ceases to be volumetric. As a result, at such low gas pressures, the cleaning capacity hydrogen does not exceed 1-cm cm-sm. The purpose of the invention is to increase the productivity of the cleaning process. The goal is achieved according to the hydrogen purification method, which includes filtering it through a metal membrane, activating the surface of the membrane by volumetric electric discharge in the gas to be filtered, removing the purified hydrogen, in which the activation of the membrane surface is carried out by a non-self-ionizing discharge. This method allows to increase the productivity of the process by 10 1 times from 3-10 to 5-10. A device for carrying out the proposed method consists of a metal body into which a porous gas-permeable insert is inserted, which has sufficiently high mechanical strength, electrical conductivity and thermal conductivity. A metal membrane with a thickness of 10 to 100 microns is pressed or attached to the insert. It can be made from any metal or alloy,; but palladium, nickel, niobium, titanium and stainless steel are preferred. The membrane is sealed with copper rings between the casing and the ceramic insulator. The metal casing of the working chamber is pressed to the opposite end of the insulator or the pressure tube is pressed through the seal. hydrogen. Inside the working chamber there is an electrode made of metal mesh or foil attached to the body and installed parallel to the membrane. The distance between the electrode and the membrane should be chosen to be minimal, but sufficient to withstand without self-test the potential difference applied to the electrode and the membrane from an external voltage source. In addition, the electrode should be fixed so that there is free gas access to the membrane surface, but that the gas flow through the chamber does not displace the electrode, there is a window in the work chamber housing covered with a titanium or beryllium foil 30-50 µm thick that serves through it into the working chamber of the electron beam from an external source of electrons. On the outside, the foil is tucked in a grid that helps to withstand high gas pressures on the foil. The grille is attached to the flange that presses the foil through a seal to the body. The back side of the metal casing, forming a low pressure chamber, is closed with a lid with a pipe attached to it to drain clean (filtered) hydrogen. The metal housing of the low pressure chamber is electrically connected to the negative pole of the voltage source, and the housing of the high pressure chamber to the positive pole. A pipe with cooling fluid circulating through it is welded to the housing of the low pressure chamber. Example 1 Pure hydrogen is obtained by filtration of a nitric mixture obtained by dissociating technical ammonia. For this purpose, the nitric mixture under pressure up to 1 atm is supplied to the device. Membrane

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. Рассто ние от мембраны до фольги электр да составл ет 2 мм, от фольги электрода до фольги окна - 50 мм. Расход исходного газа через устройство составл ет 100 .Через окно, зат нутое фольгой, в рабочую камеру подают пучок электронов от миниатюрного ускорител  ЭЛИТА-500. Ускоритель генерирует импульсы электронйого пучка длительностью 5 мкс, повтор ющиес  с частотой 300 Гц. Энерги электронов 0,4 МэВ, ток пучка в импульсе составл ет 0,25А. Средн   Во времени мощность пучка составл ет 100 Вт. В выпускной системе ускорител  пучку электронов придают с помощью магнитных линз форму эллипса в сечении с полуос ми 5 и 100 см. На фольге, закрывающей вход в ка- . меру высокого давлени , пучок электронов рассеиваетс  со среднеквадратичным углом рассеивани  ЗО и, пройд  через газ в камере высокого давлени , облучает фольгу электрода более менее равномерно по всей ее площади. Пройд  через фольгу, электРОНЫ пучка ионизуют газ между электродом и мембраной. Плотность тока пучка в импульсе на мембране.составл ет 0,2 А/см. К электроду и мембране приложена разность потенциалов 7 кВ от внешнего выпр мител . Во врем  импульсов электронного пучка между электродом и мембраной загораетс  несамосто тельный (электроионизационный ), разр д с длительностью импульса тока равной длительности импульса пучка (-- 5 мкс). Амплитуде импульсов тока разр да достигает 4 кА. Плотность тока разр да 4 А/см. При частоте повторени  импульсов 300 Гц средн   во времени мощность разр да, потребл ема  от выпр мител , достигает 42 кВт, а средн   во времени плотность мощности в разр де 42 ВТ/СМ -В разр дном промежутке газ нагреваетс  электрическими разр дами и на выходе из устройства имеет тем4 пературу от 400 до . С целью утилизации тепла ГОРЯЧИЙ газ, выход щий из устройства, по трубе подают в теплообменник, где оч нагревает поступающую в разр дное устройство холодную азотоводородную смесь до 200-300 0. Продиффунзировавший скзочь мембрану чистый водород собираетс  в камере низкого давлени  и под давлением до 1 ати по трубопроводу поступает к потребителю. Чистота водорф да 99,999 об.%. Производительность устройства и удельна  производителиность фильтрации (нл/ч-см измер емые за врем  работы устройства в те- чение 4 часов, завис т от металла мембраны и приведены в таблице 1.made of metal listed in table 1, has a thickness of 50 microns and an area of 10-100 cm. The pure liner is made of powder-coated metallurgy of stainless steel powder and has pores of 50 microns. The foil is made of titanium with a thickness of 50 microns and has an area of 5 "100 cm. The electrode is made of titanium foil with a thickness of 50 microns, mounted on a steel grid. The distance from the membrane to the electrode foil is 2 mm, from the electrode foil to the window foil - 50 mm. The flow rate of the source gas through the device is 100. Through the window, covered with foil, an electron beam from the ELITA-500 miniature accelerator is fed into the working chamber. The accelerator generates pulses of an electron beam with a duration of 5 µs, repeated at a frequency of 300 Hz. The electron energy is 0.4 MeV, the beam current per pulse is 0.25A. The time average power of the beam is 100 watts. In the exhaust system of the accelerator, the electron beam is attached with the help of magnetic lenses to the shape of an ellipse in cross section with semiaxes 5 and 100 cm. On the foil closing the entrance to the canal. the high pressure measure, the electron beam is scattered with the rms scattering angle of the aura and passing through the gas in the high pressure chamber, irradiates the electrode foil more or less evenly throughout its area. Passing through the foil, the electron beam will ionize the gas between the electrode and the membrane. The beam current density in a pulse on a membrane is 0.2 A / cm. A potential difference of 7 kV from an external rectifier is applied to the electrode and the membrane. During the pulses of the electron beam between the electrode and the membrane, a non-self-sustaining (electro-ionization) ignites, the discharge with a current pulse duration equal to the beam pulse duration (-5 μs). The amplitude of the discharge current pulses reaches 4 kA. The current density is 4 A / cm. With a pulse repetition frequency of 300 Hz, the average discharge power consumed from the rectifier reaches 42 kW, and the average power density in the discharge of 42 W / CM - In a discharge gap, the gas is heated by electric discharges and at the output of The device has a tempo of 400 to 400. In order to recover heat, the HOT gas coming out of the device is fed through a pipe to a heat exchanger, where it heats the cold nitrogen-hydrogen mixture up to 200-300 0 entering the discharge device. The pure hydrogen that diffuses the membrane collects in the low pressure chamber and under pressure up to 1 The pipeline is delivered to the consumer. Clean water and 99.999% by volume. The capacity of the device and the specific productivity of filtration (nl / h-cm measured during the operation of the device for 4 hours, depend on the metal of the membrane and are listed in Table 1.

Пример 2. Осуществл ют очисЛ-. ку технического водорода с чистотой 98 об%. Все операции осуществл ют так же, как в примере 1, с тем отличием , что в исходный газ добавл юExample 2. The clearing is carried out. ku technical hydrogen with a purity of 98 vol%. All operations are carried out in the same manner as in Example 1, with the difference that

Гаргон в количестве 5 o6L%. IB результате на выходе из камерыGargon in the amount of 5 o6L%. Ib result at camera exit

jнизкого давлени  получают водород с чистотой 99,999 об.%, а наlow pressure, hydrogen is obtained with a purity of 99.999% by volume, and

выходе из камеры высокого давле г ни  - смесь, обогащенную аргоном.leaving the high pressure chamber is a mixture enriched in argon.

В таблице 1 приведены сравнительные данные фильтрации водорода по способу-прототипу, известному споjco6y и предлагаемому.Table 1 shows the comparative data of hydrogen filtration according to the prototype method, known spjco6y and proposed.

Внедрение предлагаемого иэобрете ни  позволит получить значительный экономический эффект вследствие замены палладиевого фильтра на никелевый , что экономит только на одной установке ТВ-э около 12 кг паллади  в год.The introduction of the proposed invention would not allow to obtain a significant economic effect due to the replacement of the palladium filter with a nickel filter, which saves about 12 kg of palladium per year only on a TV-e installation.

Claims (2)

1.Стеженскнй А.И Г и др. Получение высокочистого водорода в диффу зионных установках. К., Наукова1. Stezhenskiy A.I. et al. Production of high-purity hydrogen in diffusion plants. K., Naukova думка, 1970, с, 35.Dumka, 1970, p. 35. 2.Р бов Р.А. И др. Проникиовеннводорода в металлы в услови х газового разр да. Извести  вузов СССР, сер. Физика, 3, 1969, с. 136-1382.R R.A. And others. Hydrogen penetration into metals under gas discharge conditions. Lime universities of the USSR, sir. Physics, 3, 1969, p. 136-138 (прототип).(prototype).
SU813333474A 1981-08-14 1981-08-14 Method for purifying hydrogen SU1000390A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU813333474A SU1000390A1 (en) 1981-08-14 1981-08-14 Method for purifying hydrogen

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU813333474A SU1000390A1 (en) 1981-08-14 1981-08-14 Method for purifying hydrogen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SU1000390A1 true SU1000390A1 (en) 1983-02-28

Family

ID=20975156

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU813333474A SU1000390A1 (en) 1981-08-14 1981-08-14 Method for purifying hydrogen

Country Status (1)

Country Link
SU (1) SU1000390A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2427527C2 (en) * 2007-01-25 2011-08-27 Еден Инновейшн Лтд Method and apparatus for producing hydrogen-rich fuel via decomposition of methane plasma on catalyst under microwave effect
RU2484008C1 (en) * 2011-12-12 2013-06-10 Иван Сергеевич Слесарев Method of separating hydrogen from light hydrocarbon gas and apparatus for realising said method

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2427527C2 (en) * 2007-01-25 2011-08-27 Еден Инновейшн Лтд Method and apparatus for producing hydrogen-rich fuel via decomposition of methane plasma on catalyst under microwave effect
RU2484008C1 (en) * 2011-12-12 2013-06-10 Иван Сергеевич Слесарев Method of separating hydrogen from light hydrocarbon gas and apparatus for realising said method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Schur et al. Niobium as a construction material for a hydrogen energy system
SU1000390A1 (en) Method for purifying hydrogen
IL189815A (en) Method for producing thermal energy
WO2003068383A1 (en) Method for carrying out homogeneous and heterogeneous chemical reactions using plasma
EP0568118A2 (en) Process for storing hydrogen, apparatus and method for generating heat energy, using the process
US4107537A (en) Multiple particle type interaction isotopically selective ionization
EP0473681A1 (en) Production of fusion energy.
Livshitz et al. Superpermeability of solid membranes and gas evacuation Part II Permeation of hydrogen through a palladium membrane under different gas and membrane boundary conditions
EP1095378B1 (en) Primary target for forming fission products
EP0414399A2 (en) Process and apparatus for storing hydrogen and generating heat energy
DE19826681B4 (en) Process for the production of new getter materials in the form of thin metallic and carbon-containing nanostructured layers and use of the same for high vacuum generation and gas storage
Glazunov Hydrogen permeation through palladium after hydrogen-thermal treatment and exposure to a plasma of glow discharge in hydrogen, helium and argon
Skovoroda et al. Plasma-driven superpermeation of hydrogen through Nb membranes: bulk effects
JPWO1996017803A1 (en) Method and apparatus for generating negatively charged oxygen atoms
WO1995012883B1 (en) Glow discharge apparatus and methods providing prerequisites and testing for nuclear reactions
Holland Theory and design of getter-ion pumps
CA2023216A1 (en) Method of preparing electrodes for use in heat-generating apparatus
JPH0423400B2 (en)
Ragunathan et al. Porous nickel electrodes in water electrolysis 1. Electrode preparation and polarization studies in strong alkali
WO1995006317A1 (en) Method and apparatus for long-term, continuous energy production
Sypchenko et al. Features of hydrogen accumulation in metals during saturation in plasma, electrolyte, and hydrogen under pressure
SU485829A1 (en) The method of obtaining a porous filter material
WO1995021447A1 (en) Method and apparatus for long-term, continuous energy production
RU46254U1 (en) DEVICE FOR HYDROGEN ISOTOPES CLEANING
Watkins et al. 20. An appraisal of glow discharge treatment of copper surfaces by the techniques of electron stimulated desorption