-
Wasserstoff-Diffusionsgerät Die Erfindung betrifft ein Gerät z ls
Abtrennen von reinem Wasserstoff aus wasserstofflialtigen Gasgemischen, welches
Gerbt von der Art ist, die nind.stens eine Diffusionszelle aufweist, deren wirksame
Wände aus eines fur Wasserstoff durchlässigen Haterial, wie Palladium oder Palladiumlegierungen,
hergestellt sind.
-
Geräte zum Abtrennen von Wasserstoff aus Gasgemischen und zum Reinigen
von Wasserstoff durch den Durchtritt durch dünne unporöse Barrieren aus Palladium
oder Palladiumlegierungen sind bekannt. Solche Geräte können verschiedene Formen
haben und ist es z.B. bekannt, dünne Rohre aus wasserstoffdurchlässigen Metall als
Barriers zu verwenden, wobei die wasserstoffhaltigen
Gase mit der
einen Saite dieser Rohre in Kontakt gebracht werden und reiner hindurchdiffundierter
Wasserstoff von der anderen Seite abgeleitet wird. Im allgemeinen werden Wasserstoffdiffusionageräte
bei erhöhten Temperaturen und DrUcken unu unter Bedigungen verwendet, die eine Wasserstoffdrückdifferenz
über die wasserstof!durchlässige Diffusionsbarriere erzeugen.
-
Als Alternative zur Verwendung dünner Metallrohre zur Diffusionstrennung
und/oder Reinigung von Wasserstoff wurde ein Gerät vorgeschlagen, bei dem dünne
Platten oder Folien von wasser stoffdurchlässigem Metall verwendet werden, Es wurden
in der Vergangenheit Verfahren und Geräte zur Lager-lng und Anordnung solcher dünner
Metallfolien in einem geeigneten Diffusionsgerät entwickelt, welches Mittel zur
Verstärkung oder Abstützung solcher dünner Folien aufweist, un Betriebsdruckdifferenzen
Uber die Folienbarrieren von der Grössenordnung von einigen Dutzend Kilogramm je
cmXQuadrat anwendbar zu machen. Beispiels weise beschreibt das USA-Patent 1.174.631
die Verwendung dflnner Palladiumfolien, die auf einem porösen Unterlagematerial,
wie poröses Steingut oder Alundum" aufgelagert nindo Poröse Unte"-lagen, die zwischen
geeigneten Diffusionsbarrieren aus einem Metall der Gruppe VIII angeordnet sind,
sind in dem USA-Patent 2.958.391. beschrieben. Vor kurzem wurde ein Diffusionsgerät
durch das USA-Patent 3.238.704 vorgeschlagen, bei dem feinmaw schige SiebstUtzen
verwendet werden.
-
Aufgabe dsr Erfindung ist die Schaffung eines Gerätes mit Verwendung
von Folien von einfacher und wirksamer Bauart, Bei einem erfindungsgemässen Gerät
wird jede Diffusionszelle durch zwei wasserstoffdurchlässige Folienelemente gebildet,
welche an ihren Umfangskanten mit den entgegengesetzten Seiten einer mit Kanalen
versehenen Sammelplatte fUr reinen Sauerstoff
verschweißt sind und
auf einem inerten Kohlenstoffgewebe aufgelagert sind. Benachbarte Diffusionszellen
des Gerätes sind voneinander durch Umfangsschultern an jeder der Sammelplatten für
reinen Sauerstoff getrennt, um benachbart jedem Diffusionsfolienelement Kammern
für unreines Einlaßgas zu bilden. Ferner sind Mittel zum Einleiten von unreinem
Gas in das Aggregat und zum Ableiten der nicht diffundierten Gase so vorgesehen,
daß eine kontinuierliche Strömung des zugeführten Gases über die Folienoberflächen
erhalten wird. Der reine Wasserstoff aus jeder Diffusionszelle wird zur Weiterleitung
aus einer Sammelleitung in Strömungsverbindung mit jeder Diffusionszelle des Aggregats
gesammelt.
-
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nachfolgend bestimmte
Ausführungsformen beispielsweise in Verbindung mit den beiliegenden schematischen
Zeichnungen, in welchen gleiche Bezugsziffern gleiche Teile bezeichnen, näher beschrieben
und zwar zeigen: Fig. 1 eine Schnittansicht eines Gerätes gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 eine Schnittansicht der in Fig. 3 dargestellten
Reingesplatte; Fig. 3 eine auseinandergezogene schaubildliche Ansicht einer erfindungsgemässen
Foliendiffusionszelle; Fig. 4 eine Seitenansicht des Diffusionsaggregats, teilweise
weggeschnitten, um die in diesem verteilten Foliendiffusionszellen zu zeigen, und
Fig. 5 eine Draufsicht, teilweise weggeschnitten, eines Diffusionsgerätes gemäß
der bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung.
-
Wie Fig. 1 zeigt, ist das Diffusionszellenaggregat 11 innerhalb eines
äusseren druckfesten Mantels 12 angeordnet, der mit einem Einlaß 13 fUr das unreine
Gas ver.3ehen ist. Der Mantel 12 kann aus einem beliebigen Metall hergestellt werden,
das normalerweise gegen Wasserstoff beständig ist, z.B0 aus korrosionsbeständigem
Stahl, und hohen DrUcke: von beispielsweise bis etwa 70 kg/cm2 standhalten kann.
Das Diffusionszellenaggregat 11 besteht, wie nachfolgend näher dargelegt wird, aus
einer oder mehreren scheibenförmigen Diffusi>nszellen 15 (von denen in Fig.1
fUnf dargestellt sind) und besitz: eine untere Abdeckplatte 16 sowie eine Sammelplatte
17, welche mit einem Reingasauslaß 18 und einem Abgasauslaß 19 versehen ist, Das
Aggregat 11 kann in der Kammer 12 durch Verschweissen mit den Rohrleitungen 18 und
19 oder durch Halterungen oder Abstützungen, wie beispielsweise bei 20 gezeigt,
getragen werden.
-
In Fig. 2 und 3 sind eS.n Querschnitt einer Ausführungsform der Folienträgerplatte
21 und eine auseinandergezogene Ansicht der Diffusionezelle 15 dargestellt. Dico
Reingaspiatte 21 weist ein festes scheibenförmiges Element mit einer angeformten
Lippe 22 und einer ausgesparten Schulter 2:t an seinen entgegengesetzten Umfangskanten
auf und ist so bemensen, daß beim Zusammenbau benachbarte Platten eng aneinander
anliegen können. Anschliessend an die Lippe 22 und die Ausnehmung 23 jeder Platte
ist ein im wesentliches flaches schmales kreisförmiges Segment 24 sowie ein abgeschrägtes
Segment 25 vorgesehen, welches eine Eintiefung 26 bildet, in welche Abstützmaterkalien
(wie nachfolgend beschrieben) ftlr die Diffusionsfolie eingesetzt werden. Jede Platte
ist mit einem oder irehreren Kaitälen 27 versehen, die sich durch die Platte erstrecken
und iit Gasverbindung mit der Umfangskante der Platte durch Bohrungen 28 stehen.
Zwei solche Bohrungen sind in Fig. 2 gezeigt, jedoch sind vier Bohrungen vorgesehen,
wie
in Fig. 3 dargestellt, um Reingasauslässe an jedem Quadranten der Platte zu erhalten.
-
Wie mit näheren Einzelheiten in Fig 3 gezeigt, ist ein Segment der
Lippe 22 der Platte 21, das sich über einen Winkel von etwa 300 bis etwa 900 erstreckt,
wie bei 30 gezeigt weggeschnitten, um einen Schlitz zwischen benachbarten zusammengebauten
Platten zu erhalten, durch welchen die zugeführten unreinen Gase aus der Xammer
12 in die Diffusionszelle gelangen, An einer oder mehreren Stellen 31 auf der entgegengesetzten
Seite der Platte ist die Lippe 22 mit Einkerbungen versehen, um das Austreten von
nicht diffundiertem Gas von der unreinen Seite der Diffusionszelle zu ermöglichen.
-
Die Platte 21 ist auf ihrer ausgesparten Fläche mit Uffnungen 33 versehen,
welche mit den Kanälen bzw, Bohrungen 27 in Verbindung stehen und es dem diffundierten
reinen Gas ermdglichen, von der Innenseite der Diffusionezelle zu den Öffnungen
28 zu gelangen, von welchen das reine Gas als Produkt abgezogen werden kann, Wie
in Fig. 3 gezeigt, ist auf jeder Seite und innerhalb der Ausnehmungen 26 der Reingasplatte
ein Metallsieb 34 eingesetzt, auf das ein oder mehrere Kohlenstoffgewebe 35 folgen,
dem eine WasserstoffdiffusiXonsfolie 36 aufgelagert ist0 Der Zweck des Siebes 34
besteht darin, einea gasdurchlässigen Bereich benachbart der ReingaspluttenoberflAche
vorzusehen, wobei natur lich andere gleichwertige Stützanordnungen vorgesehen werden,
zoBo eine genutete oder perforierte Metallplatte anstelle des in Fig. 3 gezeigten
starren MetalldrahtsiebesO Bei der Herstellung der in den Zeichnungen darge3telUen
Ausführungsforn wurde ein Sieb aus 303 korrosionsbestän1igem Stahl mit einer Maschen
grösse von 60 - 60 und einem Drahtdurchmesser von 0,2794 mm (0,011 ") verwendet,
jedoch könneii die Maschengrössen von 8 - 8 bis 200 - 200 schwanken un es köiuien
auch andere Materialien,
die gegen Wasserstoff inert sind, verwendet
werden0 Bei bestimmten Ausfahrungsformen der Erfindung kann das Sieb 34 überhaupt
weggelassen werden und dLe Wasserstoffdiffusionsfolie von der Reingasplatte 21 getrennt
und durch eine oder mehrere Lagen eines weichen Dämpfungsmaterials, wie das Kohlenstoffgewebe
35, voll aufgelagert sein. infolge der starren Struktur der Reingasplatte 21 ist
es lediglich erforderlich, ein poröses Dämpfungsmaterial als Unterlage für die Folie
vorzusehen, um einen gasdurchlässigen Bereich benachbart der Reingasplattenoberfläche
zu erhalten, damit diffllndiertes Gas einen unbehinderten Strömungsweg zu den Bohrungen
33 in der Platte 21 hat.
-
Obwohl ein Kohlenstoffgewebe bei dtXr vorangehend beschriebenen Ausführungsform
verwendet wurde, können auch andere poröse und biegsame dämpfende feuerfeste Materialien,
wie Glasgewebe oder Gewebe aus einem feuerfesten Oxyd verwendet werden, die beispielsweise
dadurch hergestellt werden, claß ein Bauwwollgewebe mit einem feuerfesten Oxyd getränkt
willd und dann das organische Material abgebrannt wird. Das stützende Material kann
gewebt oder filzartig sein, wobei lediglich vo"ausgesetzt wird, daß es eine ausreichende
Steifigkeit besitzt, um dem Druck und der Verdich tung mit dem hierdurch bedingten
Verlust an Porosität unter dem Druck des zugeführten Gases Widerstand zu leisten.
Kohlenstoffgewebe hat sich besonders wir:sam als AbstUtzung in direktem Kontakt
mit der Diffusionsselle infolge seines inerten Verhaltens und seiner Biegsamkeit
erw:.esen. Ein geeignetes Kohlenstoffgewebe ist im Handel von der l'irma National
Carbon CoO beziehbar und in Webgrössen von 28 - 24 bis 51 - 51 erhaltlich.
-
Wenn ein Metallsieb wie das Sieb 31 verwendet wird, hat das weiche
dämpfende Material die zusäl:zliche Auf gabe, die zerbrechliche Diffusionsfolie
gegen Berührung mit scharfen Kanten des Hetallsiebes zu schützen, die eine Lochbildung
verursachen könnten.
-
Die Diffusionsfolie 36 wird aus Palladium oder Palladiumlegie rungen
hergestellt, die für Wasserstoffdurchlässig sind, z.B.
-
aus Palladium-Silter, Palladium-Gold-Legierungen u. dgl., Folien mit
einer Dicke von 0 : 1 bis; etwa 0,076 mm (etwa 0,003 "), vorzugsweise von 0,0254
bis 0,038 mm (0,001 bis 0,0015"), werden verwendet und es ist vcrzuziehen, die dünnstmögliche
Folie zu benutzen, um eine möglichst hohe Diffusionsgeschwindigkeit durch diese
zu erzielen. Es können sogar Folien verwendet werden, die noch dünner als 0,0127
mm (0,()005 ") sind0 Beim Zusammenbau einer Diffusionszelle 15 werden ein Sieb 34,
ein Kohlenstoffgewebe 35 und eine Folie 36 vorzugsweise an der einen Seite der Platte
21 angebracht, während die entgegengesetzte Seite der Platte gasdicht IremaCht wird.
Hierauf wird durch die Bohrung 28 ein Vakuum angelegt, um einen engen Sitz der Folie
36 gegen die Schulter 24 zu erhalten, Die Folie wird dann durch Haftschweissung
in ihrer Lage gesichert, wobei bei noch unter Vakuum befindlichem Aggregat die Folie
kontinuier lich um ihre Umfangskante herum mit der Schulter 24 verschweißt wird,
wofür beispielsweise ein Punktschweißgerät von der Art verwendet werden kann, wie
es von der Firma Sippican Inc, (Model 160) hergestellt wird, oder es kann eine Schutzgasschweissung
vorgenommen werden. Beim Punktschweissen überlagert jede Schweissung die benachbarte,
so dctß eine lecksichere Abdichtung in wirksamer Weise zwischen der Folie 36 und
der Platte 21 erhalten wird.
-
In Fig0 4 und 5 sind Diffusionszellen 15, von denen fünf in Fig. 4
dargestellt sind, mit enger Passung zusammengebaut und an ihrem einen Ende durch
eine Deckelplatte 16 überkappt, welche mit einer Lippe 22 versehen ist, die in die
Aussparung 23 der benachbarten Reingasplatte paßt. Auf der entgegengesetzten Seite
des Aggregats ist eine Sammelplatte 17 vorgesehen, die aus einer scheibenförmigen
Platte mit einer Bohrung 41 besteht, die an der
Umfangskante der
Platte mündet und zu einer Bohrung 51 führt, welche mit dem Reingasauslaß 18 in
Verbindung steht. Jede der Bohrungen 28 in den Reingasplatten 21 mündet in eine
Sammelleitung 42, durch welche reines H2 aus den Diffusionszellen zur Sammelplatte
17 hindurchtritt. Wie in Fig, 4 gezeigt, und wie es sich vielleicht noch deutlich«
aus Fig. 5 ergibt, stehen die Abgaskanäle 31 aus jedem der Diffusionszellen über
Leitungen 43 in gasdichter Verbindung mit einer Kammer 44, in welche Abgas durch
Bohrungen 53 eintritt wid aus welcher Abgas über die Leitung 19 abgezogen wird.
Fig. 5 zeigt eine teilweise weggeschnittene Draufsicht des Diffusionsaggregats.
Wie gezeigt, ist die Diffusionsplatte 21, innerhalb welcher das Sieb 34 das Graphitgewebe
35 und die Folie 36 getragen werden, dadurch mit einem Einlaßkanal versehen, daß
e.n Sektor der Schulter 22 von a bis a weggeschnitten ist0 Reines diffundiertes
Gas, das in der Reingaskammer gesammelt wird, gelangt durch die Bohrungen 27 zur
Bohrung 51 in der Sammelplatte 17 und von dieser zum Reingasauslaß 18. Jeder der
Abgaskanäle l ist mit Leitungen 43 verbunden, die beispielsweise halbzylincrische
Rohrabschnitte mit einem Durchmesser von 12,7 mm (1/2 ") sein können. Das Abgas
aus der Diffusorzelle gelangt über die Leitungen 43 zu den Bohrungen 53 in der Sammelpiatte
17 und zur Sanmelkammer 44, sache trogförmig ist und Aussenkungen in der Sammelplatte
bedeckt, welche mit den Bohrungen 53 in Verbindung stehen.
-
Beim Zusammenbau des erfindungsgen.ts8en Gerätes wird das Diffusionszellenaggregat
11, welches aus einer Reihe von Diffusionso zellen besteht, zusammen mit der S.bdeckplatte
und der Sammelt platte eingesetzt und durch Heftschweissung zur Bildung einer Einheit
befestigt, Es ist sicht nctwendig, auf der Gaszufuhrseite lecksichere Abdichtungen
zwischen jede der Diffusionszellen des Aggregats vorzusehen. Eei der Herstellung
wird jedoch die Reingasseite der Zellen so zusammengebaut, daß Lecksicherheit besteht
und auf der Unterstroniseite der Folien Wasser
stoff mit einer
Reinheit von 99,9999+ erhalten werden kann, Nachfolgend wird die Arbeitsweise der
in Fig0 1 - 5 dargestellten bevorzugten Ausführungsform beschrieben. Wie sich insbesondere
aus Fig, 1 ergibt, wird ein Gasgemisch, zOBo ein Gemlsoh aus Wasserstoff und Methan
in.das Gefäß 12 unter einem Druck von beispielsweise 35 atü (500 psig) und mit einer
Temperatur von 350 - 6000C über die Leitung 13 eingeleitet. Wie sich am besten aus
Figo 3 und 5 ergibt, tritt das Gasgemisch von tinem überatmosphärischen Druck im
Gefäß 12 in die Diffusionszellen durch die Kanäle 30 ein, die zum Gefäß offen sind.
Das in die Kanäle 30 strömende Gasgemisch nimmt seinen Weg über die Diffuionsfolien
36, wird von Wasserstoff befreit, der infolge Diffusion durch die Folien 36 hindurchtritt
und in die Ausnehmung 26 der Diffusionszelle eintritt. Nicht diffundiertes Abgas
strömt durch die Zelle und tritt durch die Kanäle 31 in die Sammelleitungen 43 aus,
von denen das Abgas über die Bohrungen 53 in der Sammelplatte 17 in die Abgassammelkammer
44 zur Entlüftung durch die Leitung 19 gelangt.
-
Reines Wasserstoffgas, das durch ie Folien 36 hindurchdiffundiert
ist, nimmt seinen Weg durch die Bohrungen 33 und 27 in die Sammelleitung 112, aus
der das reine Gas durch die Bohrungen 51 in der Sammelplatte 17 zum Reingasauslaß
18 strömt. Natürlich ist jede der Leitungen 18 und 19 normalerweise mit eilem Ventil
versehen, so daß die Strömungsgeschwindigkeit des zugeführten Gases über die Diffusionsfolien
dann leicht durch die Einstellung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases durch
die Leitung 19 geregelt werden kann.
-
Natürlich kann die vorangehend beschriebene Ausführungsform injnerhalb
des Rahmens der Erfindung in verschiedener Weise abgeändert werden. Beispielsweise
kennen die Kanäle 0 din dazu dienen, das zugeführte Gas in die Diffusionszelle einzuleiten,
durch
eine oder mehrere Rohrverbindungen ersetzt werden, durch
die das Gasgemisch in die Diffusionszelle eingeleitet werden kann.
-
In ahnlicher Weise können die Kanäle 31 aus gebohrten Öffnungen in
der Umfangskante der Reingasplatte bestehen. Weitere Abänderungen ergeben sich ohne
weiteres für den Fachmann.