диффузионный аппарат для выделения водорода из газовых смесей

Формула изобретения

Диффузионный аппарат для выделения водорода из газовых смесей, содержащий рекуперативный змеевиковый теплообменник, электронагреватель, равномерно расположенные вокруг последнего разделительные элементы, патрубки для подачи газовой смеси, охлаждающей воды и отвода водорода и балластного газа, отличающийся тем, что он снабжен вертикальным цилиндрическим корпусом-теплообменником, имеющим крышку и съемное днище, аксиально установленной в нем цилиндрической емкостью с трубчатым теплообменником в нижней части, торцевым теплообменником, расположенным между съемным днищем и емкостью, и размещенным под крышкой распределительным коллектором, соединенным с патрубком для подачи газовой смеси, при этом электронагреватель расположен в емкости и имеет герметичную защитную оболочку, закрепленную на верхней торцевой поверхности емкости, с внешней стороны последней размещен змеевиковый теплообменник, патрубок для отвода водорода установлен на внешней боковой поверхности корпуса-теплообменника, а патрубки для отвода балластного газа и подвода охлаждающей воды подсоединены к днищу.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для получения особо чистого водорода и может быть использовано в металлургической, химической, пищевой и других отраслях промышленности при выделении его из технологических газов.

Известна установка для диффузионной очистки водорода, включающая диффузионное устройство, разделительные элементы, размещенные внутри диффузионного устройства, печь предварительного подогрева водорода и трубопроводы, соединяющие разделительные элементы с печью [1]

К недостаткам известной установки относятся:

большие затраты электроэнергии при нагреве водородсодержащей газовой смеси до рабочей температуры, обусловленные отсутствием рекуперативных теплообменных устройств и потерями тепла в окружающую среду;

неравномерность проницаемости водорода по высоте разделительных элементов, связанная с неравномерностью температурного поля, приводящая к снижению производительности установки;

низкая надежность установки и слож- ность ее обслуживания при работе из-за вывода газов с высокой температурой через крышку установки, приводящего к образованию дополнительных термических напряжений и увеличению металлоемкости крышки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является мембранный аппарат для выделения водорода из газовых смесей, содержащий корпус с крышкой, патрубками ввода газовой смеси и вывода продуктов, расположенный внутри корпуса электронагреватель, трубчатые мембранные элементы, а также регенеративные теплообменники [2]

Однако для этого аппарата характерны недостаточная производительность, низкий ресурс и неудобство обслуживания при эксплуатации и ремонте, обусловленные конструкцией и схемным решением аппарата.

Задачей изобретения является повышение производительности аппарата, ресурса его работы и удобство эксплуатации и ремонта за счет обеспечения возможности полной реализации эксплуатационных характеристик разделительных элементов, теплообменного оборудования и других конструктивных узлов.

Поставленная задача решается тем, что в известном аппарате для выделения водорода из газовых смесей, содержащем рекуперативный змеевиковый теплообменник, электронагреватель, равномерно расположенные вокруг последнего разделительные элементы и патрубки для подачи газовой смеси, охлаждающей воды и отвода водорода и балластного газа, согласно изобретению аппарат снабжен вертикальным цилиндрическим корпусом-теплообменником, имеющим крышку и съемное днище, аксиально установленной в нем цилиндрической емкостью с трубчатым теплообменником, расположенным между съемным днищем и емкостью, и размещенным под крышкой распределительным коллектором, соединенным с патрубком для подачи газовой смеси, при этом электронагреватель расположен в емкости и имеет герметичную защитную оболочку, закрепленную на верхней торцовой поверхности емкости, с внешней стороны последней размещен змеевиковый теплообменник, патрубок для отвода водорода установлен на внешней боковой поверхности корпуса-теплообменника, а патрубки для отвода балластного газа и подвода охлаждающей воды подсоединены к днищу.

Достижение поставленной цели действительно возможно, так как установка трубчатого и торцового теплообменников позволяет создать равномерное по высоте разделительных элементов температурное поле, оптимизирующее проницаемость указанных элементов, что значительно повышает производительность аппарата в целом.

Кроме того, установка на крышке съемного электронагревателя, нагревательный элемент которого заключен в герметичную оболочку, позволяет исключить контакт конструкционных материалов нагревателя с водородом, что повышает срок службы аппарата.

И наконец, выполнение корпуса со съемными крышкой и днищем позволяет реализовать конструктивное решение, облегчающее эксплуатацию и ремонт аппарата.

Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том, что заявляемое изобретение не известно из уровня исследуемой техники, что свидетельствует о соответствии критерию "новизна".

Сущность предлагаемого изобретения для специалиста не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

На чертеже изображена принципиальная схема предлагаемого диффузионного аппарата для выделения водорода из газовых смесей.

Диффузионный аппарат содержит рекуперативный змеевиковый теплообменник 1, электронагреватель 2, разделительные элементы 3, равномерно расположенные вокруг электронагревателя 2, патрубок 4 для подачи газовой смеси, патрубок 5 для подвода охлаждающей воды, патрубок 6 для отвода водорода и патрубок 7 для отвода балластного газа. Аппарат снабжен вертикальным цилиндрическим корпусом-теплообменником 8 с крышкой 9 и съемным днищем 10. В корпусе-теплообменнике 8 аксиально установлена цилиндрическая емкость 11 с трубчатым теплообменником 12 в нижней части. Между съемным днищем 10 и емкостью 11 размещен торцовый теплообменник 13. Под крышкой 9 установлен распределительный коллектор 14, соединенный с патрубком 4 подачи газовой смеси. Электронагреватель 2 расположен в емкости 11 и имеет герметичную защитную оболочку 15, закрепленную на верхней торцовой поверхности емкости 11. Патрубки 5 и 7 подсоединены к днищу 10, а патрубок 16 отвода охлаждающей воды размещен на крышке 9.

Диффузионный аппарат работает следующим образом.

Водородсодержащая смесь через патрубок 4 подается в коллектор 14, который помимо раздачи смеси по трубам змеевикового рекуперативного теплообменника 1 служит тепловой защитой крышки 9 от излучения с торцовой поверхности емкости 11. В змеевиковом рекуперативном теплообменнике 1 водородсодержащая газовая смесь подогревается до 330^оС восходящим потоком очищенного водорода, охлаждая последний с 590 до 125^оС.

В межтрубном пространстве трубчатого теплообменника 12 водородсодержащая смесь подогревается до 370^оС, охлаждая при этом балластный газ с 570 до 340^оС. Из трубчатого теплообменника 12 водородсодержащая смесь попадает на внешнюю поверхность оболочки 15 электронагревателя 2, на которой догревается до 600^оС, после чего поступает на разделительные элементы 3, на которых происходит отделение водорода от примесей за счет протонной проницаемости элементов 3.

Чистый водород от разделительных элементов 3 через рекуперативный теплообменник 1 попадает в корпус-теплообменник 8, где охлаждается водой с 125 до 35^оС, и через патрубок 6 подается потребителю.

Примеси водорода в виде балластного газа выводится из емкости 11 через трубчатый теплообменник 12 и торцовый теплообменник 13, в котором охлаждаются водой до 25^оС, и через патрубок 7 выводятся из диффузионного аппарата.

Вода, предназначенная для охлаждения балластного газа в торцовом теплообменнике 13, чистого водорода в корпусе-теплообменнике 8 и крышке 9, поступает в диффузионный аппарат через штуцер 16.

Организация потоков всех теплоносителей в защищаемом диффузионном аппарате выполнена по принципу противотока, в том числе и на разделительных элементах.