钯钇合金净化器的透氢性能研究

氢气是重要的工业原料，在石油化工、电子工 业、冶金、航空航天、原子能工业等领域有着广泛 的应用。近年来，随着氢氧燃料电池、光电子、冶 金、半导体等行业快速发展，对高纯氢气的需求量 迅猛增大，此外，在聚变-裂变混合堆分离氚、核聚 变研究中氚废气的回收以及其他的一些与氢同位素 有关的科技领域、如国际热核聚变实验堆(ITER)计 划和中国聚变工程试验堆(CFETR)计划，都涉及到 氢同位素的提取、分离和纯化问题，从而促进了人 们对高纯氢及同位素的生产和分离技术的研究。

北京中惠普氢的纯化方法主要有催化法、金属氢化物法、 变压吸附法、低温分离法、钯合金膜扩散法、聚合 物膜扩散法等。钯膜分离技术是利用金属钯/钯合金 膜所独具有的氢气选择透过性，将氢气与其他杂质 气体分离的技术。该技术具有装置结构紧凑、体积 重量小、操作方便、所得氢气纯度高(体积分数可达 99.999%~99.999999%，5 N~8 N)等特点，适用于中 小规模的高纯氢、超高纯氢的制备。钯合金膜扩散 法由于具有独特的纯化性能，是其他方法无法比拟 的，目前工业各领域所使用的纯度 5 N 以上的氢气， 大多通过钯膜分离技术得到。

钯合金膜扩散法的关键部件是钯合金净化器， 其使用形式主要有板式、管式、螺旋卷式，而用于 分离氢气的钯膜分离器较多采用管式膜净化器[5]。 膜净化器的使用通常要求具有以下特点：1) 氢气回 收率高；2) 占地面积小；3) 装置简单，投资低，且制作方便；4) 运营成本低；5) 安装及操作简便； 6) 同一种氢气分离器可用于多种生产氢气过程，应 用范围广。 本文根据以上要求参照 Power + Energy 的氢 纯化器使用钯合金微通道专利技术设计制造了一种 透氢效率高，结构紧凑，可靠性好的微通道钯膜净化器。该净化器采用透氢速率最高的钯钇合金作 为分离膜，内衬不锈钢毛细管作为支撑体，对其进 行了透氢及混合气(CO2、H2O、CO)等分离性能研 究；并与传统净化器的透氢速率、氢混合气分离性能进行比较。

实验

分别采用钯钇合金加工出两种结构的 氢气净化器，试验装置，进行透 氢速率和分离效率测定实验。比较在相同温度，压 力条件下微通道净化器[6]和传统净化器的对混合气的分离效率。采用的两种净化器的钯管规格均为为 φ2 mm×0.08 mm×200 mm，内通道结构内衬规格为 φ1.2 mm×0.08 mm×240 mm 的不锈钢毛细管，实验 加热炉控温，控温精度为±5℃，压力测量采用 YB-150 型精密压力表，压力表精度为 0.25 级。透 氢率采用质量流量计测量。正式测试前在 500℃于 氢气气氛中进行原位热处理 10 h，从而形成均匀的 合金膜，然后进行氢气纯气体渗透测试，最后在 400~450℃进行含氢混合气分离实验。

结果与讨论

透氢速率
制备好的两种结构钯钇合金净化器经 500℃下 氢气原位合金化热处理后，在纯氢气气氛中用压力 测量法测定了两种净化器的透氢速率，钯合金净化 18 贵 金 属 第 40 卷 器的工作温度为 400~450℃。

非氢组分的影响
接着在上述反应条件下，考察了非氢组分对钯 膜的透氢量有着不同程度的影响，中科院大连化学 物理研究所发现CH4和H2O对钯膜的透氢量的影响 可忽略，而 CO2 和 CO 的影响较大，因为 H2O、CO 等杂质气体在钯合金膜表面上与 H2 发生竞争吸附； CO2 在钯表面有着较弱的吸附能力，但与 H2 在钯表 面相互作用发生甲烷化反应和逆水汽变换反应 (f-WGS)，也降低了氢透量
为 500℃时非氢 组分 X 的含量(体积分数，下同)对氢透量的影响。
但采用微通道结构的净化器，由于微通道的存 在，使得混合气中的 H2 与钯合金膜表面的接触机会 增大，保证原料侧的流体具有良好的流动状态，浓 差极化现象明显减弱。因此，透氢率较传统净化器 下降的不明显。

结论

1) 传统结构和微通道结构的钯钇合金净化器， 在 450℃纯氢条件下的透氢速率随压差的增大而增 大，透氢速率数据点基本重合，表明不同结构对透 氢速率影响可以忽略。
2) 由于微通道结构使得混合气中的氢气与钯 合金膜表面的接触机会增大，保证原料侧的流体具 有良好的流动状态，浓差极化现象明显减弱，因此 微通道结构分离效果比传统净化器要好。