基于浓差极化模型的钯膜分离氢过程研究

发表时间:2019/8/8   来源:《知识-力量》2019年9月37期   作者:韩宜池
[导读] 氢气是加氢站的主要提供来源,然而在钯膜分离氢过程中难免产生浓差极化的情况,导致处理效率大大降低。针对这一问题,本文首先对浓差极化的影响进行研究。然后建立相关浓差极化的数学模型,并对计算得到的结果进行模拟,得出的结果与计算结果较一致。

(大连理工大学机械工程学院,辽宁 大连 116024

摘要:氢气是加氢站的主要提供来源,然而在钯膜分离氢过程中难免产生浓差极化的情况,导致处理效率大大降低。针对这一问题,本文首先对浓差极化的影响进行研究。然后建立相关浓差极化的数学模型,并对计算得到的结果进行模拟,得出的结果与计算结果较一致。

关键词:浓差极化模型;分离;结果模拟;钯膜

 


前言

目前为止我国对能源的需求日渐增加,大量使用如煤炭等一次性能源,会给生态环境带来很大的负担。所以研究钯膜分离氢的工作是至关重要的。随着钯膜分离所需气体研究的不断深入,研究者发现降低钯膜的厚度,可在一定程度上提高所需气体的产量,进而达到降低生产成本的目的,对燃料电池规模化产生重要的作用,也可以说浓差极化一直是研究者重点关注的研究对象。然而,现在几乎很少见到有关钯膜分离氢产生的浓差极化的研究记录。

1模型假设

1)钯膜分离氢过程中忽略占整体气体不足0.1%的残留的氨;

2)杂质气体与氢气具有一定质量,可视为理想气体;

3)钯膜分离过程中的温度和压力保持相对稳定;

2模型建设与求解

2.1浓差极化原理

以携带氢气和氮气的混合气体为例,其经过专门过滤氢气的膜,在一种以分压差为推动力开始运作下,具有渗透力强的氢气陆续穿过钯膜,留在膜边界层里的杂质气体的浓度会因此往上抬高,而氢气的浓度反之下降。只要满足这两个条件,一个是氢气穿过钯膜的速率比其轴向传递速率高,另一个是使氢气在边界层里的分压,等同于其在透气氢端里的分压,那么氢气不会被排出。再者,在准备制作或制作之前的处理过程中,会经常遇到膜表面在钯膜上产生针眼等一些问题,进而导致越来越多的杂质气体借助压强的作用穿过钯膜。这对钯膜分离氢的过程来说,浓差极化的负面问题的影响比较大,尤其是针对提取高纯度的氢气。所以建立相关浓差极化的数学模型对钯膜分离氢过程的研究有很大的帮助,也对提高分离效率,尤其是纯度起到较重要的作用。

根据浓差极化的影响,可利用浓差极化因子来表达,其等式表示为:

3模拟结果与分析

根据以上的计算结果,进行模拟结果。如图1所示:

1 氢透过量实验值与计算值的对比

由图1可看出,本文建立的浓差极化模型与实验结果较一致,标准偏差为9.1%,线性回归系数为98.5%。这证实本文的浓差极化理论适用于钯膜的氢分离过程的描述。然而,基于氢纯度数据,本文利用其所建立的浓差极化模型进行拟合,发现氢纯度数值有明显的差距,主要原因在于钯膜的透氢特性等同于透氮特性,二者速率之比等于氢或者氮的选择性。

本文以温度为500摄氏度,膜管M-2为例,进行有关氢透过量受压力和原料流量的影响的试验,从实验结果中得出,压力和原料气流量对氢透过量、氢回收率还有氢纯度受压力起到影响的作用。也就是说氢透过量的值越大,那么氢回收率也随之越小;若压力增大,那么原料气流会随之增大;想提取较高纯度的氢气,需要满足两个条件,一个是大流量的条件,还有一个是低压的条件。

4结论

综上所述,本文为提高氢气的产量与降低生产升本,建立浓差极化模型对其问题进行分析与研究,得出的结果有助于优化膜分离器结构以及工艺参数。

1)本文基于浓差极化模型计算得到的氢透过量结果与试验模拟结果较一致,也就是说描述钯膜分离氢的过程可用本文建立的浓差极化模型来表达;

2)浓差极化的产生在一定的程度上阻碍高性能钯膜分离氢,使其产生的作用大大降低,如分离系数。而且原料气流量、压力、温度等工艺参数也对钯膜分离氢有较大的影响作用;

3)降低浓差极化的负面影响的较好方式为选用较小的分离器的外径与内径的平均值,再一个就是分离器的流体需要加大流动速率。

参考文献

[1]何高红,米永利,岳波洛克,等.气体分离膜过程中浓差极化的理论研究[J].膜科学,1999(153):243.

[2]摩根·桑切斯.中空纤维内进料气体分离膜组件浓差极化的理论分析[J].2005(252):133.

[3]张健,刘东宇,徐恒勇,等.高渗透选择性钯膜对氢富集浓差极化的实验与模拟研究[J].膜科学,2005(07):47.



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