一种用于氢同位素分离的大面积钯膜装置

摘要

本发明提供了一种用于氢同位素分离的大面积钯膜装置。所述装置将两张相同尺寸的钯合金膜重叠，焊接左右两侧成为双层钯膜，取一根长度小于钯合金膜的中心支撑体，将双层钯膜的上端与中心支撑体平齐，下端凸出中心支撑体，紧贴中心支撑体缠绕若干圈形成圆筒状的钯膜组件，钯膜组件的平齐一端朝上，将钯膜组件竖直插入配装的法兰上，焊接平齐一端的双层钯膜形成焊缝Ⅰ，焊接插入在法兰上的双层钯膜与法兰之间的缝隙形成焊缝Ⅱ，在双层钯膜内外两侧填充多孔支撑体，形成环状支撑体，制成用于氢同位素分离的大面积钯膜装置。该装置的卷曲型钯膜组件，可增大渗氢面积，提升单位时间的纯化量，降低材料成本，适用于聚变堆中氢同位素的分离回收等场合。

说明书

技术领域

本发明属于气体分离纯化领域，具体一种用于氢同位素分离的大面积钯膜装置。

背景技术

国际上一般采用钯膜分离技术分离排灰气中的氢同位素，以达到回收氘氚的目的。钯合金管扩散法净化氘氚利用了氢同位素气体在一定的温度下能选择地透过钯合金膜的特点，实现了氢同位素气体与其它杂质气体分离。利用此方法，可以获得纯度大于99.9999 %的高纯氘氚气体。

钯合金管扩散法中的关键部件是氘氚净化器，由于氘氚净化器需要直接与氚接触，为了减少氚的滞留量以及氚污染，所设计的氘氚净化器体积要求尽量小。目前国际上通用的氘氚净化器采用并列分布式钯束管为膜组件，渗氢面积有限，无法在较小的净化器上实现较大的排灰气处理量。德国卡尔斯鲁厄理工学院的单个钯管净化器包含53根中空钯管（Pd/Ag，Ag含量23 %），钯管长为530 mm，直径为2.5 mm，厚度为100 μm，钯合金膜面积仅为0.22 m²，渗氢速率为80>-1·m^-2，每小时仅能渗透17.6>

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于氢同位素分离的大面积钯膜装置。

本发明的用于氢同位素分离的大面积钯膜装置，其特点是，所述的装置包括环状支撑体、钯合金膜、中心支撑体和法兰；两张相同尺寸的钯合金膜重叠，焊接左右两侧形成双层钯膜；中心支撑体为圆柱体，材料为多孔支撑材料，中心支撑体的长度小于钯合金膜的长度，中心支撑体的顶端与双层钯膜的顶端平齐，中心支撑体的底端包裹在钯合金膜的内部，双层钯膜绕中心支撑体环绕形成圆筒状的钯膜组件，钯膜组件的底端为空心部分；钯膜组件的空心部分竖直插入适配的法兰，焊接钯膜组件与法兰之间的缝隙形成焊缝Ⅱ；焊接钯膜组件顶端的双层钯膜形成焊缝Ⅰ；在钯膜组件的缝隙中填充多孔支撑材料，形成环状支撑体。

多孔支撑材料为不锈钢纤维。环状支撑体的厚度范围为1 ~2 mm。中心支撑体的直径范围为ϕ10 mm ~ ϕ20 mm。

钯合金膜为钯银合金或钯钇合金，钯银合金的质量比为钯:银=77:23，钯钇合金的质量比为钯: 钇=93.4:6.6。

纯化时，将待纯化气体从卷曲型钯膜组件的上端开口处进入，纯化后的氢同位素气体从卷曲型钯膜组件的下端开口处渗出。

本发明的用于氢同位素分离的大面积钯膜装置中的钯膜组件是卷曲型钯膜组件，可在不改变钯膜组件体积的前提下，增大渗氢面积，提升单位时间的氢纯化量，降低材料的成本。本发明的用于氢同位素分离的大面积钯膜装置适用于聚变堆中氢同位素的分离回收、制氢工业中的氢收集等氢处理量大的应用场合。

附图说明

图1为本发明的用于氢同位素分离的大面积钯膜装置的钯膜组件加工流程；

图2为本发明的用于氢同位素分离的大面积钯膜装置结构图（正视图）；

图3为本发明的用于氢同位素分离的大面积钯膜装置结构图（A-A剖面图）。

图中，1. 焊缝Ⅰ 2. 环状支撑体 3. 钯合金膜 4. 中心支撑体 5. 焊缝Ⅱ 6. 法兰；

Ⅰ. 单层钯膜；Ⅱ. 双层钯膜；Ⅲ. 钯膜组件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

如图1-图3所示，本发明的用于氢同位素分离的大面积钯膜装置，所述的装置包括环状支撑体2、钯合金膜3、中心支撑体4和法兰6；两张相同尺寸的钯合金膜3重叠，焊接左右两侧形成双层钯膜；中心支撑体4为圆柱体，材料为多孔支撑材料，中心支撑体4的长度小于钯合金膜3的长度，中心支撑体4的顶端与双层钯膜的顶端平齐，中心支撑体4的底端包裹在钯合金膜3的内部，双层钯膜绕中心支撑体4环绕形成圆筒状的钯膜组件，钯膜组件的底端为空心部分；钯膜组件的空心部分竖直插入适配的法兰6，焊接钯膜组件与法兰6之间的缝隙形成焊缝Ⅱ5；焊接钯膜组件顶端的双层钯膜形成焊缝Ⅰ1；在钯膜组件的缝隙中填充多孔支撑材料，形成环状支撑体2。

多孔支撑材料为不锈钢纤维。环状支撑体2的厚度范围为0.5~2 mm。中心支撑体4的直径范围为ϕ10 mm ~ ϕ20 mm。

钯合金膜3的长度小于等于5000 mm，宽度等于500 mm，厚度等于25 µm。

钯合金膜3为钯银合金或钯钇合金，钯银合金的质量比为钯:银=77:23，钯钇合金的质量比为钯: 钇=93.4:6.6。

为比较本发明中的卷曲型钯膜组件与分布式钯束管钯膜组件的钯膜面积差异，做以下计算。由于钯束管的管壁厚度仅为管直径的1/20，因此下面计算钯束管钯膜面积过程均忽略管壁厚度。

分布式钯束管钯膜组件的钯管长为500 mm，直径2 mm，间隔一般为管径2倍，即4mm，经过排布，可在60 mm范围内分布式排列100 根钯管。钯束管钯膜组件的渗氢面积可通过公式计算为0.31 m²。

以下实施例的卷曲型钯膜组件尺寸与钯束管钯膜组件的外观尺寸相同，圆筒直径为60 mm，长度为500 mm，下面通过实施例计算卷曲型钯膜组件的渗氢面积。

实施例1

中心支撑体4的直径为10 mm，环状支撑体2的厚度为1 mm。卷曲型钯膜组件从内向外排布，第1层钯膜直径为10 mm，第2层钯膜直径为12 mm，第3层钯膜直径为14 mm，相邻两层直径相差2 mm，至第26层时，钯膜组件直径为为60 mm；钯膜组件长度为500 mm。卷曲型钯膜组件的膜面积可通过公式（）计算得到，卷曲型钯膜组件的膜面积为1.43 m²，是分布式钯束管钯膜组件的4.6倍。

实施例2

中心支撑体4的直径为10 mm，环状支撑体2的厚度为2 mm。卷曲型钯膜组件从内向外排布，第1层钯膜直径为10 mm，第2层钯膜直径为14 mm，第3层钯膜直径为18 mm，相邻两层直径相差4 mm，至第13层时，钯膜组件直径为为58 mm；钯膜组件长度为500 mm。本实施例的卷曲型钯膜组件的整体尺寸略小于100根分布式钯束管钯膜组件。卷曲型钯膜组件的膜面积可通过公式（）计算得到，卷曲型钯膜组件的膜面积为0.69 m²，是分布式钯束管钯膜组件的2.2倍。

实施例3

中心支撑体4的直径为15 mm，环状支撑体2的厚度为1 mm。卷曲型钯膜组件从内向外排布，第1层钯膜直径为15 mm，第2层钯膜直径为17 mm，第3层钯膜直径为19 mm，相邻两层直径相差2 mm，至第23层时，钯膜组件直径为为59 mm；钯膜组件长度为500 mm。本实施例的卷曲型钯膜组件的整体尺寸略小于100根分布式钯束管钯膜组件。卷曲型钯膜组件的膜面积可通过公式（）计算得到，卷曲型钯膜组件的膜面积为1.34 m²，是分布式钯束管钯膜组件的4.3倍。

实施例4

中心支撑体4的直径为15 mm，环状支撑体2的厚度为2 mm。卷曲型钯膜组件从内向外排布，第1层钯膜直径为15 mm，第2层钯膜直径为19 mm，第3层钯膜直径为23 mm，相邻两层直径相差4 mm，至第12层时，钯膜组件直径为为59 mm；钯膜组件长度为500 mm。本实施例的卷曲型钯膜组件的整体尺寸略小于100根分布式钯束管钯膜组件。卷曲型钯膜组件的膜面积可通过公式（）计算得到，卷曲型钯膜组件的膜面积为0.70 m²，是分布式钯束管钯膜组件的2.2倍。

实施例5

中心支撑体4的直径为20 mm，环状支撑体2的厚度为0.5 mm。卷曲型钯膜组件从内向外排布，第1层钯膜直径为20 mm，第2层钯膜直径为21 mm，第3层钯膜直径为22 mm，相邻两层直径相差1 mm，至第41层时，钯膜组件直径为为60 mm；钯膜组件长度为500 mm。卷曲型钯膜组件的膜面积可通过公式（）计算得到，卷曲型钯膜组件的膜面积为2.57m²，是分布式钯束管钯膜组件的8.3倍。

实施例6

中心支撑体4的直径为20 mm，环状支撑体2的厚度为2 mm。卷曲型钯膜组件从内向外排布，第1层钯膜直径为20 mm，第2层钯膜直径为24 mm，第3层钯膜直径为28 mm，相邻两层直径相差4 mm，至第11层时，钯膜组件直径为为60 mm；钯膜组件长度为500 mm。卷曲型钯膜组件的膜面积可通过公式（）计算得到，卷曲型钯膜组件的膜面积为0.69 m²，是分布式钯束管钯膜组件的2.2倍。

本发明不局限于上述具体实施方式，所属技术领域的技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。