高效钯膜氢气纯化器及其应用.pdf

中国动力 t 程学会工业气体专业委员会2 0 0 9 年技术论坛论文集 高效钯膜氢气纯化器及其应用 徐恒泳 中国科学院大连化学物理研究所 大连i1 6 0 2 3 众所周知 半导体和电子等行业使用的超高纯氢气 9 9 9 9 9 9 9 i 丰要是采用金属 钯管纯化制备的 由于贵金属钯管的厚度至少在1 0 0 2 0 0 微米 不仅消耗大最的贵金属钯 而且具有很低的透氢量 因此 其应用领域受到很大限制 通过在多孔支撑体表面彤成一 层更薄的钯层 可以制备金属钯复合膜 金属钯复合膜一直是过去几十年的研究重点 但 到目前为止 阑内外在钯复合膜材料的透氧量 透氧选择性和稳定性上仍未取得明显进展 因此 开展高性能金属钯复合膜材料的研究 进而制备高效氢气纯化器 对于开发廉价的 氢气分离纯化新工艺与新技术具有霞要的研究意义 金属钯膜透氢机理 金属钯膜对h 2 具有选择透过性能 其机理是 h 2 分子首先在p d 表面化学吸附 被相邻的两个p d 原予解离为两个h 原予 进而溶解在p d 体相内 如果 膜两侧h 2 的压力不同 膜两侧就存在着m d 浓度梯度 由浓度梯度引起的化学势梯度促 使h 原子从高化学势向低化学势侧扩散 然后两个h 原子再耦合为氢分子h 2 主要包括 7 个步骤 图1 h 2 分子l j 高压侧气体体相向金属p d 表面扩散 h 2 在金属p d 表面的吸 附 吸附h 2 在p d 表面解离溶解 溶解在金属p d 中的h 原子进行体相扩散 h 原子在低 压侧膜表面析出 结合成氢分子h 2 h 2 分子在低压侧p d 表面的脱附 h 2 分子向低匿侧 气体体相扩散 呻o nm c 一 咐哪 j 竺竺 一 岭 一 j r 再 r 荨再拜 j 三 三 二至 三二 一 一 卜 o 三三三三薹呈三j 兰e 至三三三三三王 j j 二 釜 兰罡叠正薹兰兰兰蔷 罔1 金属钯膜的透氧机理 研究工作进展 中国科学院大连化学物理研究所采用创新的技术 以氧化铝多孔支撑 体制备的金属钯复合膜 其钯膜的厚度只有5 微米 同传统钯管相比 其贵金属用量降低 2 0 4 0 倍 不仅可以大幅度地降低贵金属钯的成本 而且可使透氢最提高1 个数最级以上 所制备的金属钯复合膜材料的透氧量在 5 0m 3 m 2 h b a r h 2 n 2 分离系数 1 0 0 0 0 明 显优于文献报道的结果 尽管钯膜的厚度仅有5 微米 但由于有氧化铝多孔支撑体的作用 即使压力高达5 0 m p a 膜材料仍然保持稳定 金属钯复合膜材料的多次5 0 0 0 h 稳定性试 验 确保了钯膜氢气纯化器应用的可行性 此外 本课题组还研究了膜材料与纯化器间的连接密封技术 在此基础上制造的膜组 件经历5 0 0 0 h 的稳定性考察 证明了该连接密封技术的可靠性 因此 为钯膜氢气纯化器 的制造解决了关键的连接密封技术 工作流程及原料气要求 钯膜氧气纯化器的工作流程见图2 可见 采用金属钯膜氧 气纯化器对含氢气体进行纯化具有工艺流程简单的优点 由于关键材料金属钯复合膜具有 很高的透氧性能 凶此 将使得氧气纯化器的体积大幅度减小 装置投资也随之明显降低 天然气蒸汽重整 甲烷裂解和氨分解生产的含氢气体 均可以采用该高性能钯膜氢气 电话 0 4 1 1 8 4 5 8 1 2 3 4e m a i l x u h y d i c p a c c r t h t t p w w w c n h y d r o g e n t o m 5 1 旦型坐上里兰苎土些墨堡王些坌望墨 塑 垫查丝堑堡兰坐 分离器进行分离与纯化 依工况和条件的不同 可以获得9 9 9 1 旷9 9 9 9 9 9 的氢气 众所 周知 对于纯度大十9 99 9 9 的氯气 采用传统深冷分离或变压吸附分离技术 是根雌得 到的 篆i 盎金属钯膜 1 罔2 钯膜氧气纯化g 的t 作班程 目前 该钯复台膜透氢材料和钯膜氢气纯化器已实现产业化生产 采用谚高教氧气纯 化罂 图3 将在众多涉氧翱域具有广阔的应用前龄 多晶硅氢气纯化t 将钯膜氯气纯化器应用于多品硅生产循环气氧气提纯 町以使氢气 的纯度提高3 个数最级以上 微量杂质硼砷礴碳的含量降低3 个数量缎以上 使多晶硅产 品质量明显提升 甚至达到电子级的质量要求 进f m 提高企q k 产品的附陌 竞争力 有效解 决目前产品相对过剩的局面 该钯膜氢气纯化嚣产品将在多晶硅循环气氢气纯化上发挥不 可替代的作用 无然气廉价捌氢 传统天然气水莲汽重摧制氧和变压吸附分离氢气具有装置投资和生 产成本高的明显缺点 利用先进的天然气绝热转化制氧和钯膜氯气纯化器分离氧气 可以 使装置体积减小l 十数馈级和装置投资降低4 0 以上 进而使制氢成本明显降低 小规模现墙制氢t 传统深冷j 埔和变压吸附分离技术只适台于太规模制氢过程 由于 缺少小犁氢气分离拄术 小规模氢气用户不得不使用昂贵笨重的钢瓶氢气 该钯膜氢气纯 化器特别适台于小规模分离氧气 特使小规模现场分散制氧成为町行 从而使中小型氧气 用户摆脱昂贵且不便的钢瓶氮气 超高纯氢的纯化t 纯度为9 99 9 的氯气通过该钯膜氯气纯化器后 町虬