PET膜分离氢气、氦气装置制造方法及图纸

本发明专利技术：PET膜分离氢气、氦气装置，旨在解决当前工业制取氦气主要采用分离液态空气或天然气深冷分离的方法，对设备要求高，能耗较大的问题。本发明专利技术设计了一种利用PET(常见矿泉水瓶的主要原料)膜分离天然气中的氦气并综合利用混合气体中的氢气的装置，通过扩大膜表面积的其中几个实施例有：分支细管方案(能最彻底分离原料气中的氢气与氦气)；双层薄壁夹细管阵方案(受机械破坏时漏气最少)；三维正交堆叠双层管方案(获取单位体积氢气或氦气成本最低)；盘曲折叠多层薄膜方案(装置制造成本最低)可在较低的温度、压强下分离，具有分离简便快捷，能耗低，成本低，产物纯度高的优点，前景较好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及利用PET半透膜分离混合气体中氢气、氦气的方法和加快分离系数较小的半透膜的分离速率的方法，与采用这些方法的设备。
技术介绍
国内当前工业制取纯氦气主要采用分离液态空气或天然气深冷分离的方法，对设备要求高，能耗较大。就世界范围来看，氦气在空气中比例较低，在天然气中分布不均。目前，多国“氦气库”供不应求，氦气、液氦、氦空气制品价格昂贵。如何降低获取氦气的成本，成为亟待解决的问题。从分子结构来看，有机聚合物塑料一般都存在较大的分子间隙，如聚对苯二甲酸乙二酯(Poly Ethylene Terephthalate，以下简称PET)的分子间隙半径大于氢气、氦气的分子半径(数量级约为0.1nm)，决定了氢气分子、氦气分子等半径较小的分子可以透过。实验观察发现，当用一定容积(0.5L)内外壁光滑的圆柱形PET容器密闭一定压强(2atm)纯氢气或氦气，则气体在恒定室温(298K)下透过相同形状、大小，内外表面积，容器壁厚度(1mm)PET半透膜容器，瓶内压强变为1atm所需时间约为10h。约5d后，若保持容器体积不变，则PET瓶内压强可降至0.1atm以下。且该现象可以重复70次以上。半透膜法具有分离简便快捷，能耗低，成本低，产物纯度高的优点，前景较好。同时，PET价格低廉，常用的塑料饮料瓶即采用该种材料做成。因此，利用PET膜的选择透过性设计制造的气体分离装置，可以在较低的成本与能耗下获取当前价格昂贵的氦气，但当前未见相关可被检索到的其它专利。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供分离混合气体中氢气、氦气简便快捷，能耗低，成本低，产物纯度高的氢气、氦气分离方法和分离装置。同时，本专利技术目的也在于通过膜结构的改进使半透膜的过滤效率的提高，并将应用扩大到针对分离系数较小而分离因子较高的一类半透膜，尤其是PET膜的过滤效率的提高。为实现上述目的，提供一种利用PET膜分离氢气和氦气的装置，其特征在于，其包括：洗气设备，依次除去原料气中的氧气、硫化氢、氨、水蒸气等有害组分至体积分数0.05％以下；压缩设备，加压洗气后的原料气至4atm以上，150atm以下，以增大氢气、氦气的分压；抽气设备，减压形成局部真空，并可充入再抽取易洗去的运载气(如二氧化碳)运输走扩散至低压空间的氢气、氦气；滤气设备，采用增大表面积的PET半透膜从原料气过滤出氢气、氦气或其混合气，必要时，原料气要经过多级滤气设备；回收设备，用分子筛或储氢材料，或碱金属回收氢、氦混合气中的氢气；成品设备，储存、加工滤过后富集了氢气、氦气的气体，制成不同气体产品，如纯氦气、纯氢气、氦空气(氦气与氧气体积比78∶22的混合气体)、其它含氢或含氦的混合气等。单层膜棱柱密铺方案，为一种增大半透膜面积来提高半透膜过滤效率的方法，其特征在于：针对分离系数较小而分离因子较高的半透膜，尤其是如PET膜一类的半透膜，采用蜂巢状的单层半透膜棱柱结构，其截面为密铺的正六边形，分为通运载介质流体(如溶液或运载气)的低浓度柱形空腔和通原料混合流体的高浓度柱形空腔，过滤时低浓度柱形空腔包围高浓度柱形空腔，实现目标产物自原料向运载介质流体(如溶液或运载气)扩散。三维正交堆叠双层管方案，为一种增大半透膜面积来提高半透膜选择透过效率，同时改进结构来保证加压时半透膜稳定不破裂的方法，其特征在于：针
对半透膜，尤其是如PET膜一类分离系数较小而分离因子较高的半透膜，采用外侧棱柱形半透膜管套内侧圆柱形半透膜管，制成半透膜双层管；双层管间接触关系为内切而不粘连，即圆柱形管的横截面恰是外接多边形的内切圆；将以沿横向，纵向，竖向的半透膜双层管为单位，三维正交相间堆叠，置于厚壁空腔内；每个单位末端用个数与棱柱形管棱数相同的圆台侧面形细管连接抽真空区域并插入圆柱形管与棱柱形管间缝隙，同时起到固定和将滤过产物导向容器外的作用。优选地，上述三维正交堆叠双层管方案，其特征在于：执行选择透过气体或溶质的操作时，夹于圆柱形管外侧和棱柱形管内侧之间的缝隙为低压空间，通入运载气或抽真空；圆柱形管内侧和棱柱形管外侧均为高压空间，通入加压原料气；出现损坏时，只用更换单个损坏的双层管。双层薄壁夹细管阵方案，为一种减少半透膜受机械破坏时泄漏的方案，其特征在于：所述双层薄壁夹细管阵方案，由横截面为菱形密铺格子状的半透膜内切而不粘连管形半透膜，依据流体目标产物组分的浓度不同分为高浓度腔与低浓度腔，加压透过时高浓度腔、低浓度腔相间分布，管形半透膜均为高浓度腔，并每隔7-16层格子设置一个无管层。盘曲折叠多层薄膜方案，为一种增大半透膜腔比表面积的方案，其特征在于：所述方案盘曲折叠多层薄膜折叠半透膜呈连续褶皱状，表面具形状为半径大于膜厚小于等于一级褶皱轴面间距的凹下或凸起的次级褶皱，依据流体目标产物组分的浓度不同分为高浓度腔与低浓度腔，进行透过操作时高浓度腔、低浓度腔相间分布，流体分别向相反方向流动。分支细管方案，为一种增大半透膜腔比表面积的方案，其特征在于：所述方案将半透膜制成分支状管状，分支不超过8次，并将最细分支汇合呈束状；
进行透过操作时高浓度流体、低浓度流体相向流动，盛装高浓度流体、低浓度流体的最细分支分别被包裹于盛装低浓度流体、高浓度流体的主干分支。特别地，当细管材料为PET，分支的管壁膜厚小于0.07mm时，汇聚所有末端分支，设气囊暂存混合气，直到其体积不再减小。或者用毛细石英玻璃管将氢气、氦气一步提出。从而最彻底分离原料气中的氢气与氦气。额外地，依据与PET膜分离氢气、氦气装置相同的原理，设计一种以PET膜为外壳收集氦同位素的采样器，其特征在于：所述采样器形状为球形，外壳为由PET膜制成的不薄于0.025mm，不厚于0.581mm，厚薄均匀的球壳，球壳内附菱沸石夹层，内壁附无釉的陶制球壳，内部填充支撑材料为菱沸石颗粒；填充物体积不小于采样器容积的43.59％，不大于球壳容积的78.53％；使用前抽成真空并浸泡保存于蒸馏水密闭于容器中，使用时在采样地放置至少4h，使用后浸泡保存于蒸馏水密闭于容器中暂存时间不超过15h。配套地，提供一种用于过滤小分子气体的PET薄膜-沸石分子筛复合材料，其特征在于：所述PET薄膜-沸石分子筛复合材料分外层、中层、内层，外层采用模具吸塑成型；中层采用滤纸浸润混合了不粗于200目的菱沸石粉末的含水的二氧化硅凝胶经贴附、干燥的操作附于外层膜内壁，所浸润凝胶固相含菱沸石不低于58％，混合前的二氧化硅凝胶含水量不低于31％；干燥完成后以前两步成型的容器为模具吹塑成型。本专利技术提供的PET膜分离氢气、氦气装置，其滤气设备的结构特征在于：所述滤气设备的分离方案可选用单层膜棱柱密铺方案，三维正交堆叠双层管方案，双层薄壁夹细管阵方案，盘曲折叠多层薄膜方案，分支细管方案中的任意一种方案，单个滤气设备只能选一种方案；同时所选用PET膜可采用厚度普通PET薄膜，或前述配套本专利技术设计的PET薄膜-沸石分子筛复合材料，膜厚不大
于1mm，不小于0.07mm，工作温度不高于65℃不低于30℃。以下实验方案、实验过程与数据记录，可作为前述特征的一些依据。原料气制备氦气在空气中比例较低，约为5.24ppm。但在部分气藏中的体积分数可达4％～7％，即空气中体积分数的一万倍左右。因此，本实验选用天本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种膜分离装置，主要是利用PET膜分离氢气和氦气的装置，其特征在于，其包括：洗气设备，依次除去原料气中的氧气、硫化氢、氨、水蒸气等有害组分至体积分数0.05％以下；压缩设备，加压洗气后的原料气至4atm以上，150atm以下，以增大氢气、氦气的分压；抽气设备，减压形成局部真空，并可充入再抽取易洗去的运载气(如二氧化碳)运输走扩散至低压空间的氢气、氦气；滤气设备，采用增大表面积的半透膜，主要是PET半透膜，从原料气过滤出氢气、氦气或其混合气，必要时，原料气要经过多级滤气设备；回收设备，用分子筛或储氢材料，或碱金属回收氢、氦混合气中的氢气；成品设备，储存、加工滤过后富集了氢气、氦气的气体，制成不同气体产品，如纯氦气、纯氢气、氦空气(氦气与氧气体积比78∶22的混合气体)、其它含氢或含氦的混合气等。

【技术特征摘要】
1.一种膜分离装置，主要是利用PET膜分离氢气和氦气的装置，其特征在于，其包括：洗气设备，依次除去原料气中的氧气、硫化氢、氨、水蒸气等有害组分至体积分数0.05％以下；压缩设备，加压洗气后的原料气至4atm以上，150atm以下，以增大氢气、氦气的分压；抽气设备，减压形成局部真空，并可充入再抽取易洗去的运载气(如二氧化碳)运输走扩散至低压空间的氢气、氦气；滤气设备，采用增大表面积的半透膜，主要是PET半透膜，从原料气过滤出氢气、氦气或其混合气，必要时，原料气要经过多级滤气设备；回收设备，用分子筛或储氢材料，或碱金属回收氢、氦混合气中的氢气；成品设备，储存、加工滤过后富集了氢气、氦气的气体，制成不同气体产品，如纯氦气、纯氢气、氦空气(氦气与氧气体积比78∶22的混合气体)、其它含氢或含氦的混合气等。2.如权利要求1所述的一种主要利用PET膜分离氢气和氦气的装置，其滤气设备的特征在于：所述滤气设备的分离方案可选用单层膜棱柱密铺方案，三维正交堆叠双层管方案，双层薄壁夹细管阵方案，盘曲折叠多层薄膜方案，分支细管方案中的任意一种方案，单个滤气设备只能选一种方案；选用PET作为膜材料时，所选用PET膜可采用厚度普通PET薄膜，或一种PET薄膜-沸石分子筛复合材料，膜厚不大于1mm，不小于0.07mm，工作温度不高于65℃，不低于30℃。3.如权利要求2所述的单层膜棱柱密铺方案，为一种增大半透膜面积来提高半
\t透膜过滤效率的方法，其特征在于：针对分离系数较小而分离因子较高的半透膜，采用蜂巢状的单层半透膜棱柱，其截面为密铺的边长不大于14mm的正六边形，分为通运载介质流体(如溶液或运载气)的低浓度柱形空腔和通原料混合流体的高浓度柱形空腔，过滤时低浓度柱形空腔包围高浓度柱形空腔，实现目标产物自原料向运载介质流体(如溶液或运载气)扩散。4.如权利要求2所述的三维正交堆叠双层管方案，为一种增大半透膜面积来提高半透膜选择透过效率，同时改进结构来保证加压时半透膜稳定不破裂的方法，其特征在于：针对选择透过膜，尤其是分离系数较小而分离因子较高的半透膜，采用外侧棱柱形半透膜管套内侧圆柱形半透膜管，制成半透膜双层管；双层管间接触关系为内切而不粘连，即圆柱形管的横截面恰是外接多边形的内切圆；将以沿横向，纵向，竖向的半透膜双层管为单位，三维正交相间堆叠，置于厚壁空腔内；每个单位末端用个数与棱柱形管棱数相同的圆台侧面形细管连接抽真空区域并插入圆柱形管与棱柱形管间缝隙，同时起到固定和将滤过产物导向容器外的作用。5.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨溢，
申请(专利权)人：杨溢，
类型：发明
国别省市：山东;37