用于含氢混合气的氢气分离提纯装置与方法与流程

1.本发明涉及气体分离技术领域，具体为一种用于含氢混合气的氢气分离提纯装置与方法。

背景技术：

2.氢气作为清洁能源正在拓展其在汽车用电源、家庭用发电等用途上的应用，在管道天然气中掺混氢气(或称为混氢天然气)有利于氢气长距离、低成本的输运，是进行氢气输运的有效手段。中低压天然气管网中掺混比例5％-20％的氢气在英国、德国、澳大利亚、法国、意大利等国家已进入项目试点阶段，并且在欧洲开展了从混氢天然气中提纯氢气的hylypure项目(项目资助号843910)。除试验性质的混氢天然气外，煤制合成气、转炉气、冶金的高炉气等场合也是含一定氢气的混合气。从上述混合气中分离提纯的氢气经过加氢反应可以合成高附加值精细化工产品，因此分离提纯技术是实现氢气高附加值利用的必要手段。气体分离技术有深冷技术、变压吸附技术、膜分离技术等，但是对于氢气含量较低(小于20％)的工况，常规气体分离技术难以经济、有效地进行氢气分离提纯。同时满足进口氢气浓度低、出口纯度高、回收率高、提纯能耗低等要求的气体分离技术，是本领域需要长期研究和攻克的难题。

技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种用于含氢混合气的氢气分离提纯装置与方法，通过膜过滤与电化学提纯结合使氢气提纯的纯度更高。

4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于含氢混合气的氢气分离提纯装置，其包括：

5.工作塔，在工作塔下方进口处连通有进气管，工作塔的下方进口处固定有第一单向阀，在工作塔的上方出口处连通有出气管，工作塔的上方出口处固定有第三单向阀；

6.工作塔的内部从下往上依次设置有膜分离装置、电化学氢泵装置、除湿装置；

7.膜分离装置包括至少一层铺设在工作塔内部下端的分离膜，膜分离装置被分离膜分割为若干空间；

8.在膜分离装置与电化学氢泵装置之间固定有第一隔板，第一隔板表面的中心通孔处固定有第一气泵；

9.电化学氢泵装置包括阳极电网、阴极电网、质子交换膜，在第一隔板的上方装有水，阳极电网和阴极电网均固定在工作塔内壁上且浸泡在水中，质子交换膜固定安装在阳极电网与阴极电网之间，阳极电网位于质子交换膜下侧，阴极电网位于质子交换膜上侧；

10.中转箱，其设置在工作塔的一侧，用于将经过膜分离和进入电化学氢泵装置阳极区的混合气返回至膜分离装置；

11.除湿装置包括第二隔板，第二隔板固定安装在质子交换膜上方，其表面中心对称的设有两个通孔，且在该通孔处固定装有第二单向阀；在第二隔板的上端中心处固结有导

向柱，导向柱的上端固定在工作塔的顶壁上，在导向柱上滑动连接有滑块，滑块的侧壁与工作塔内壁贴紧；在滑块的竖直方向开设有多个竖直通孔，竖直通孔内部从上到下依次固定有上通气膜和下通气膜，在上通气膜和下通气膜之间盛放有干燥剂；

12.在滑块上还设置有开合装置，开合装置用于在滑块碰触到第二隔板时闭合竖直通孔，在滑块碰触到工作塔顶壁时导通竖直通孔；

13.电化学氢泵通断电控制装置，其包括关闭电路的关闭按钮和启动电路的启动按钮；

14.启动按钮设置于第二隔板上表面槽内，启动按钮的下端固定有第二弹簧，第二弹簧的下端固定有圆形垫圈，圆形垫圈固定安装在槽内，启动按钮的底部中心处固定有第一导电条，在槽的最底部固定有启动电路，当启动按钮按下时，第一导电条触碰到启动电路，整个启动电路闭合驱动电化学氢泵工作；

15.关闭按钮设置于工作塔上方内壁处，内设置有关闭电路，关闭按钮的安装方式与启动按钮相同，在关闭按钮的上端中心处固定有第二导电条，当关闭按钮按下时，第二导电条触碰到关闭电路，整个关闭电路闭合关停电化学氢泵。

16.优选的，所述中转箱的下方第一出气口与进气管连通，且在其第一出气口处固定有第五单向阀，中转箱下端侧壁上的第二出气口连通至膜分离装置的第一空间，且在其第二出气口处固定有第六单向阀；

17.在膜分离装置上开设有不少于一个第一排气孔，每个第一排气孔分别与去除第一空间的其他空间连通，第一排气孔与中转箱连通且在第一排气孔处设置有第四单向阀，在第一隔板与质子交换膜之间阳极区内的工作塔侧壁上开设有第二排气孔，第二排气孔与中转箱连通且在第二排气孔处设置有第七单向阀。

18.优选的，所述膜分离装置包括一层分离膜。

19.优选的，所述膜分离装置包括3层分离膜。

20.优选的，所述开合装置包括与滑块上的竖直通孔对应设置的网格状滑片，在滑块内部水平设有水平滑槽，网格状滑片滑动设置在水平滑槽内；

21.在滑块的竖直方向开设有竖直滑槽，竖直滑槽内滑动连接有第二齿条，第二齿条的一侧设有与其啮合的第一齿轮，第一齿轮与转轴的一端固定连接，转轴转动设置于滑块内，转轴的另一端与第二齿轮固定连接，使第一齿轮与第二齿轮同轴转动，水平滑槽内滑动设置有第一齿条，第一齿条与第二齿轮啮合，第一齿条前端固定连接网格状滑片。

22.优选的，在第二齿条的中部固结有顶针，同时在竖直滑槽的内壁处固结有第一弹簧，第一弹簧的前端固结有挡块。

23.优选的，所述启动电路包括第一电磁铁，启动电路闭合后使第一电磁铁通电产生磁场，吸引电化学氢泵开关闭合驱动电化学氢泵工作；

24.所述关闭电路包括第二电磁铁，关闭电路闭合后使第二电磁铁通电产生磁场，吸引电化学氢泵开关打开关停电化学氢泵。

25.优选的，所述工作塔共有两个且对称的设置在中转箱的两侧。

26.一种用于含氢混合气的氢气分离提纯方法，包括以下步骤：

27.第一步，从进气管通入经过压缩机压缩的原料气，原料气通过第一单向阀进入到工作塔内部；

28.第二步，原料气首先经过膜分离装置进行粗提纯，经过膜分离装置的高压渗透气还可以通过第一排气孔流入中转箱，再从中转箱的第二出气口进入到膜分离装置的第一空间，开始重新过滤；

29.第三步，经过膜分离装置过滤的气体通过第一隔板上的第一气泵抽入到阳极处，通过阳极电网放电分解为氢离子，氢离子通过质子交换膜进入阴极，阴极电网放电使氢离子还原生成高纯度氢气，部分进入阳极处的气体通过第二排气孔流入中转箱，再从中转箱的第二出气口进入到膜分离装置的第一空间，开始重新过滤；

30.第四步，当第二单向阀未通气时，滑块贴紧第二隔板，第二齿条上端露出滑块上表面，顶针在挡块上方，网格状滑片对滑块的竖直通孔封闭，滑块的竖直通孔处于关闭状态；

31.当电化学氢泵排出的高纯度氢气通过第二单向阀流通时，第二隔板与滑块之间的高纯度氢气增多，气体推动滑块沿导向柱向上滑动，推动滑块触碰到工作塔上方内壁时，滑块按压关闭按钮，关闭按钮上的第二导电条触碰到关闭电路，关闭电路闭合通电，使电化学氢泵停止工作，高纯度氢气不再通过第二单向阀进入到第二隔板上方；

32.滑块触碰到工作塔上方顶壁时，第二齿条向下滑动，第二齿条上的顶针被推至挡块下方，同时第一齿轮由于跟第二齿条啮合，第一齿轮转动，使第二齿轮同轴转动，第二齿轮又与第一齿条啮合，使第一齿条滑动，带动网格状滑片滑动，滑块上的竖直通孔打开，滑块在重力作用下下行，高纯度氢气通过竖直通孔时经过干燥剂除湿后排出；

33.由于滑块下方不继续供气增压，滑块受到重力作用往下滑动，关闭按钮被第二弹簧顶出，关闭电路断开，滑块下方的湿润气体通过滑块竖直通孔，经过干燥剂的干燥，流向滑块的上方，等待滑块滑动至下极限位置时，滑块下方的湿润气体逐渐流通至滑块上方，经过干燥，成为干燥的高纯度氢气；

34.第五步，滑块受到重力滑动至下极限位置时，第二齿条往上滑动，经过齿轮传动，使网格状滑片对滑块的纵向通孔关闭，滑块按下启动按钮，第一导电条触碰到启动电路，启动电路闭合，使电化学氢泵重新开始工作，高纯度氢气不断地从第二单向阀进入到第二隔板上方，湿润气体推动滑块向上滑动，滑块上方的干燥气体受到推动，从第三单向阀单向排出到出气管中。

35.优选的，所述工作塔共有两个且对称的设置在中转箱的两侧，其中一个工作塔的滑块下行时，该工作塔内的阳极电网和阴极电网断电，在第一隔板与质子交换膜之间的高纯度氢气经第二排气孔、中转箱进入另一工作塔中的膜分离装置。

36.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

37.本发明通过膜分离与电化学氢泵联用工艺，用于分离和提纯含氢混合气的氢气。在该工艺中，含氢混合气经过膜分离装置得到富氢低压渗透气，该气体在电化学氢泵中发生氢气氧化为氢离子、氢离子通过质子交换膜及氢气还原反应，经脱湿过程形成高纯度、高压力的氢气。

38.在本工艺方法中的膜分离装置中，可通过设置多层分离膜，保障氢气的提纯浓度。同时还可以通过两个工作塔同时进行膜过滤，加快效率。在膜过滤中添加回路，使提纯后的气体再次提纯，效率增加，节约原料。通过除湿装置对湿润的高浓度的湿润氢气进行干燥，干燥效果明显。

附图说明

39.图1为本发明结构示意图；

40.图2为本发明工作塔内部结构示意图；

41.图3为本发明中转箱示意图；

42.图4为本发明滑块的俯视图；

43.图5为本发明滑块的侧剖视图；

44.图6为图5中第一齿轮部分放大示意图；

45.图7为第一齿轮和第二齿轮同轴转动连接示意图；

46.图8为本发明滑块内部示意图；

47.图9为本发明滑块竖直通孔内部示意图；

48.图10为本发明启动按钮与启动电路的结构示意图；

49.图11为本发明关闭按钮与关闭电路的结构示意图；

50.图12为本发明电化学氢泵通断电控制装置的电路关系图；

51.图中：1-进气管，2-出气管，3-第一单向阀，4-工作塔，5-分离膜，6-第一出气口，7-第二出气口，8-第一隔板，9-第一气泵，10-阳极电网，11-质子交换膜，12-阴极电网，13-第二隔板，14-第二单向阀，15-启动按钮，16-滑块，17-关闭按钮，18-第三单向阀，19-导向柱，20-中转箱，21-第一齿条，22-第二齿条，23-第一齿轮，24-第二齿轮，25-网格状滑片，26-转轴，27-水平滑槽，28-顶针，29-挡块，30-第一弹簧，31-干燥剂，32-下通气膜，33-上通气膜，34-启动电路，35-第二弹簧，36-圆形垫圈，37-第一导电条，38-关闭电路，39-第一排气孔，40-第二排气孔，41-第二导电条，42-第一电磁铁，43-第二电磁铁，44-电化学氢泵开关,45-竖直滑槽，46-竖直通孔。

具体实施方式

52.下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

53.实施例1

54.请参阅图1至图，本发明提供一种技术方案：一种用于含氢混合气的氢气分离提纯装置，其包括：工作塔4和中转箱20。

55.在工作塔4下方进口处连通有进气管1，工作塔4的下方进口处固定有第一单向阀3，在工作塔4的上方出口处连通有出气管2，工作塔4的上方出口处固定有第三单向阀18，工作塔4的内部从下往上依次设置有膜分离装置、电化学氢泵装置、除湿装置；通过膜分离与电化学氢泵联用工艺来分离和提纯原料气中的氢气。

56.膜分离装置包括三层铺设在工作塔4内部下端的分离膜5，膜分离装置被分离膜5分割为4个空间；原料气可依次经过三层分离膜5进行过滤，提高过滤的效果。

57.在膜分离装置与电化学氢泵装置之间固定有第一隔板8，第一隔板8表面的中心通孔处固定有第一气泵9，第一气泵9可以将经过膜过滤的气体抽入到电化学氢泵装置中进行进一步提纯。

58.电化学氢泵装置包括阳极电网10、阴极电网12、质子交换膜11，在第一隔板8的上方装有水，阳极电网10和阴极电网12均固定在工作塔4内壁上且浸泡在水中，质子交换膜11固定安装在阳极电网10与阴极电网12之间，阳极电网10位于质子交换膜11下侧，阴极电网12位于质子交换膜11上侧；经过膜分离装置过滤的气体通过第一隔板8上的第一气泵9抽入到阳极处，通过阳极电网10放电分解为氢离子，氢离子通过质子交换膜11进入阴极，阴极电网12放电使氢离子还原生成高纯度氢气。

59.在工作塔4的一侧设置中转箱20，用于将经过膜分离和进入电化学氢泵装置阳极区的混合气返回至膜分离装置；中转箱20的下方第一出气口6与进气管1连通，且在其第一出气口6处固定有第五单向阀，中转箱20下端侧壁上的第二出气口7连通至膜分离装置的第一空间，且在其第二出气口7处固定有第六单向阀；在膜分离装置上开设有不少于一个第一排气孔39，每个第一排气孔39分别与去除第一空间的其他空间连通，第一排气孔39的数量与分离膜5的数量一致，第一排气孔39与中转箱20连通且在第一排气孔39处设置有第四单向阀，在第一隔板8与质子交换膜11之间阳极区内的工作塔4侧壁上开设有第二排气孔40，第二排气孔40与中转箱20连通且在第二排气孔40处设置有第七单向阀。

60.其中气体可从中转箱20内通过第六单向阀单向排出，气体可通过第四单向阀和第七单向阀从工作塔4内部流通至中转箱20内部。

61.除湿装置设置在电化学氢泵装置的上方，用于干燥提纯后湿润的氢气，其包括第二隔板13，第二隔板13固定安装在质子交换膜11上方，其表面中心对称的设有两个通孔，且在该通孔处固定装有第二单向阀14；在第二隔板13的上端中心处固结有导向柱19，导向柱19的上端固定在工作塔4的顶壁上，在导向柱19上滑动连接有滑块16，滑块16的侧壁与工作塔4内壁贴紧；在滑块16的竖直方向开设有多个竖直通孔46，竖直通孔46内部从上到下依次固定有上通气膜33和下通气膜32，在上通气膜33和下通气膜32之间盛放有干燥剂31；

62.在滑块16上还设置有开合装置，开合装置用于在滑块16碰触到第二隔板13时闭合竖直通孔46，在滑块16碰触到工作塔4顶壁时导通竖直通孔46。该开合装置包括与滑块16上的竖直通孔46对应设置的网格状滑片25，在滑块16内部水平设有水平滑槽27，网格状滑片25滑动设置在水平滑槽27内；在滑块16的竖直方向开设有竖直滑槽45，竖直滑槽45内滑动连接有第二齿条22，第二齿条22的一侧设有与其啮合的第一齿轮23，第一齿轮23与转轴26的一端固定连接，转轴26转动设置于滑块16内，转轴26的另一端与第二齿轮24固定连接，使第一齿轮23与第二齿轮24同轴转动，水平滑槽27内滑动设置有第一齿条21，第一齿条21与第二齿轮24啮合，第一齿条21前端固定连接网格状滑片25。在第二齿条22的中部固结有顶针28，同时在竖直滑槽45的内壁处固结有第一弹簧30，第一弹簧30的前端固结有挡块29。

63.电化学氢泵通断电控制装置，其包括关闭电路38的关闭按钮17和启动电路34的启动按钮15；

64.启动按钮15设置于第二隔板13上表面槽内，启动按钮15的下端固定有第二弹簧35，第二弹簧35的下端固定有圆形垫圈36，圆形垫圈36固定安装在槽内，启动按钮15的底部中心处固定有第一导电条37，在槽的最底部固定有启动电路34，当启动按钮15按下时，第一导电条37触碰到启动电路34，整个启动电路34闭合驱动电化学氢泵工作；

65.关闭按钮17设置于工作塔4上方内壁处，内设置有关闭电路38，关闭按钮17的安装方式与启动按钮15相同，在关闭按钮17的上端中心处固定有第二导电条41，当关闭按钮17

按下时，第二导电条41触碰到关闭电路38，整个关闭电路38闭合关停电化学氢泵。

66.启动电路34包括第一电磁铁42，启动电路34闭合后使第一电磁铁42通电产生磁场，吸引电化学氢泵开关44闭合；

67.所述关闭电路38包括第二电磁铁43，关闭电路38闭合后使第二电磁铁43通电产生磁场，吸引电化学氢泵开关44打开。

68.实施例2

69.该工作塔4共有两个且对称的设置在中转箱20的两侧。两个工作塔4中的电化学氢泵交替工作，可以使高纯度的干燥氢气源源不断的产出。当左侧工作塔(4)的滑块(16)下行时，左侧工作塔4中的电化学氢泵关闭，两个工作塔4下方的膜过滤系统是继续工作的。过滤的气体通过中转箱20或者直接排入至右侧工作塔4的电化学氢泵装置中，提高了膜过滤系统的使用率。当右侧工作塔(4)的滑块(16)下行时，右侧工作塔4中的电化学氢泵关闭，两个工作塔4下方的膜过滤系统是继续工作的。过滤的气体通过中转箱20或者直接排入至左侧工作塔4的电化学氢泵装置中，提高了膜过滤系统的使用率。

70.一种用于含氢混合气的氢气分离提纯方法，包括以下步骤：

71.第一步，从进气管1通入经过压缩机压缩的原料气，原料气通过第一单向阀3进入到工作塔4内部；

72.第二步，原料气首先经过膜分离装置进行粗提纯，经过膜分离装置的高压渗透气还可以通过第一排气孔39流入中转箱20，再从中转箱20的第二出气口7进入到膜分离装置的第一空间，开始重新过滤；

73.第三步，经过膜分离装置过滤的气体通过第一隔板8上的第一气泵9抽入到阳极处，通过阳极电网10放电分解为氢离子，氢离子通过质子交换膜11进入阴极，阴极电网12放电使氢离子还原生成高纯度氢气，部分进入阳极处的气体通过第二排气孔40流入中转箱20，再从中转箱20的第二出气口7进入到膜分离装置的第一空间，开始重新过滤；

74.第四步，当第二单向阀14未通气时，滑块16贴紧第二隔板13，第二齿条22，上端露出滑块16上表面，顶针28在挡块29上方，网格状滑片25对滑块16的竖直通孔46封闭，滑块16的竖直通孔46处于关闭状态；

75.当电化学氢泵排出的高纯度氢气通过第二单向阀14流通时，第二隔板13与滑块16之间的高纯度氢气增多，气体推动滑块16沿导向柱19向上滑动，推动滑块16触碰到工作塔4上方内壁时，滑块16按压关闭按钮17，关闭按钮17上的第二导电条41触碰到关闭电路38，关闭电路38闭合通电，使电化学氢泵停止工作，高纯度氢气不再通过第二单向阀14进入到第二隔板13上方；

76.滑块16触碰到工作塔4上方顶壁时，第二齿条22向下滑动，第二齿条22上的顶针28被推至挡块29下方，同时第一齿轮23由于跟第二齿条22啮合，第一齿轮23转动，使第二齿轮24同轴转动，第二齿轮24又与第一齿条21啮合，使第一齿条21滑动，带动网格状滑片25滑动，滑块16上的竖直通孔46打开，滑块16在重力作用下下行，高纯度氢气通过竖直通孔46时经过干燥剂31除湿后排出；

77.由于滑块16下方不继续供气增压，滑块16受到重力作用往下滑动，关闭按钮17被第二弹簧35顶出，关闭电路38断开，滑块16下方的湿润气体通过滑块16竖直通孔46，经过干燥剂31的干燥，流向滑块16的上方，等待滑块16滑动至下极限位置时，滑块16下方的湿润气

体逐渐流通至滑块16上方，经过干燥，成为干燥的高纯度氢气；

78.第五步，滑块16受到重力滑动至下极限位置时，第二齿条22往上滑动，经过齿轮传动，使网格状滑片25对滑块16的纵向通孔关闭，滑块16按下启动按钮15，第一导电条37触碰到启动电路34，启动电路34闭合，使电化学氢泵重新开始工作，高纯度氢气不断地从第二单向阀14进入到第二隔板13上方，湿润气体推动滑块16向上滑动，滑块16上方的干燥气体受到推动，从第三单向阀18单向排出到出气管2中。

79.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。技术特征：

1.一种用于含氢混合气的氢气分离提纯装置，其特征在于，其包括：工作塔(4)，在工作塔(4)下方进口处连通有进气管(1)，工作塔(4)的下方进口处固定有第一单向阀(3)，在工作塔(4)的上方出口处连通有出气管(2)，工作塔(4)的上方出口处固定有第三单向阀(18)；工作塔(4)的内部从下往上依次设置有膜分离装置、电化学氢泵装置、除湿装置；膜分离装置包括至少一层铺设在工作塔(4)内部下端的分离膜(5)，膜分离装置被分离膜(5)分割为若干空间；在膜分离装置与电化学氢泵装置之间固定有第一隔板(8)，第一隔板(8)表面的中心通孔处固定有第一气泵(9)；电化学氢泵装置包括阳极电网(10)、阴极电网(12)、质子交换膜(11)，在第一隔板(8)的上方装有水，阳极电网(10)和阴极电网(12)均固定在工作塔(4)内壁上且浸泡在水中，质子交换膜(11)固定安装在阳极电网(10)与阴极电网(12)之间，阳极电网(10)位于质子交换膜(11)下侧，阴极电网(12)位于质子交换膜(11)上侧；中转箱(20)，其设置在工作塔(4)的一侧，用于将经过膜分离和进入电化学氢泵装置阳极区的混合气返回至膜分离装置；除湿装置包括第二隔板(13)，第二隔板(13)固定安装在质子交换膜(11)上方，其表面中心对称的设有两个通孔，且在该通孔处固定装有第二单向阀(14)；在第二隔板(13)的上端中心处固结有导向柱(19)，导向柱(19)的上端固定在工作塔(4)的顶壁上，在导向柱(19)上滑动连接有滑块(16)，滑块(16)的侧壁与工作塔(4)内壁贴紧；在滑块(16)的竖直方向开设有多个竖直通孔(46)，竖直通孔(46)内部从上到下依次固定有上通气膜(33)和下通气膜(32)，在上通气膜(33)和下通气膜(32)之间盛放有干燥剂(31)；在滑块(16)上还设置有开合装置，开合装置用于在滑块(16)碰触到第二隔板(13)时闭合竖直通孔(46)，在滑块(16)碰触到工作塔(4)顶壁时导通竖直通孔(46)；电化学氢泵通断电控制装置，其包括关闭电路(38)的关闭按钮(17)和启动电路(34)的启动按钮(15)；启动按钮(15)设置于第二隔板(13)上表面槽内，启动按钮(15)的下端固定有第二弹簧(35)，第二弹簧(35)的下端固定有圆形垫圈(36)，圆形垫圈(36)固定安装在槽内，启动按钮(15)的底部中心处固定有第一导电条(37)，在槽的最底部固定有启动电路(34)，当启动按钮(15)按下时，第一导电条(37)触碰到启动电路(34)，整个启动电路(34)闭合驱动电化学氢泵工作；关闭按钮(17)设置于工作塔(4)上方内壁处，内设置有关闭电路(38)，关闭按钮(17)的安装方式与启动按钮(15)相同，在关闭按钮(17)的上端中心处固定有第二导电条(41)，当关闭按钮(17)按下时，第二导电条(41)触碰到关闭电路(38)，整个关闭电路(38)闭合关停电化学氢泵。2.根据权利要求1所述的一种用于含氢混合气的氢气分离提纯装置，其特征在于：所述中转箱(20)的下方第一出气口(6)与进气管(1)连通，且在其第一出气口(6)处固定有第五单向阀，中转箱(20)下端侧壁上的第二出气口(7)连通至膜分离装置的第一空间，且在其第二出气口(7)处固定有第六单向阀；在膜分离装置上开设有不少于一个第一排气孔(39)，每个第一排气孔(39)分别与去除

第一空间的其他空间连通，第一排气孔(39)与中转箱(20)连通且在第一排气孔(39)处设置有第四单向阀，在第一隔板(8)与质子交换膜(11)之间阳极区内的工作塔(4)侧壁上开设有第二排气孔(40)，第二排气孔(40)与中转箱(20)连通且在第二排气孔(40)处设置有第七单向阀。3.根据权利要求2所述的一种用于含氢混合气的氢气分离提纯装置，其特征在于：所述膜分离装置包括一层分离膜(5)。4.根据权利要求2所述的一种用于含氢混合气的氢气分离提纯装置，其特征在于：所述膜分离装置包括3层分离膜(5)。5.根据权利要求2所述的一种用于含氢混合气的氢气分离提纯装置，其特征在于：所述开合装置包括与滑块(16)上的竖直通孔(46)对应设置的网格状滑片(25)，在滑块(16)内部水平设有水平滑槽(27)，网格状滑片(25)滑动设置在水平滑槽(27)内；在滑块(16)的竖直方向开设有竖直滑槽(45)，竖直滑槽(45)内滑动连接有第二齿条(22)，第二齿条(22)的一侧设有与其啮合的第一齿轮(23)，第一齿轮(23)与转轴(26)的一端固定连接，转轴(26)转动设置于滑块(16)内，转轴(26)的另一端与第二齿轮(24)固定连接，使第一齿轮(23)与第二齿轮(24)同轴转动，水平滑槽(27)内滑动设置有第一齿条(21)，第一齿条(21)与第二齿轮(24)啮合，第一齿条(21)前端固定连接网格状滑片(25)。6.根据权利要求5所述的一种用于含氢混合气的氢气分离提纯装置，其特征在于：在第二齿条(22)的中部固结有顶针(28)，同时在竖直滑槽(45)的内壁处固结有第一弹簧(30)，第一弹簧(30)的前端固结有挡块(29)。7.根据权利要求1所述的一种用于含氢混合气的氢气分离提纯装置，其特征在于：所述启动电路(34)包括第一电磁铁(42)，启动电路(34)闭合后使第一电磁铁(42)通电产生磁场，吸引电化学氢泵开关(44)闭合驱动电化学氢泵工作；所述关闭电路(38)包括第二电磁铁(43)，关闭电路(38)闭合后使第二电磁铁(43)通电产生磁场，吸引电化学氢泵开关(44)打开关停电化学氢泵。8.根据权利要求6所述的一种用于含氢混合气的氢气分离提纯装置，其特征在于：所述工作塔(4)共有两个且对称的设置在中转箱(20)的两侧。9.一种用于含氢混合气的氢气分离提纯方法，使用权利要求8所述的一种用于含氢混合气的氢气分离提纯装置，其特征在于，包括以下步骤：第一步，从进气管(1)通入经过压缩机压缩的原料气，原料气通过第一单向阀(3)进入到工作塔(4)内部；第二步，原料气首先经过膜分离装置进行粗提纯，经过膜分离装置的高压渗透气还可以通过第一排气孔(39)流入中转箱(20)，再从中转箱(20)的第二出气口(7)进入到膜分离装置的第一空间，开始重新过滤；第三步，经过膜分离装置过滤的气体通过第一隔板(8)上的第一气泵(9)抽入到阳极处，通过阳极电网(10)放电分解为氢离子，氢离子通过质子交换膜(11)进入阴极，阴极电网(12)放电使氢离子还原生成高纯度氢气，部分进入阳极处的气体通过第二排气孔(40)流入中转箱(20)，再从中转箱(20)的第二出气口(7)进入到膜分离装置的第一空间，开始重新过滤；第四步，当第二单向阀(14)未通气时，滑块(16)贴紧第二隔板(13)，第二齿条(22)上端

露出滑块(16)上表面，顶针(28)在挡块(29)上方，网格状滑片(25)对滑块(16)的竖直通孔(46)封闭，滑块(16)的竖直通孔(46)处于关闭状态；当电化学氢泵排出的高纯度氢气通过第二单向阀(14)流通时，第二隔板(13)与滑块(16)之间的高纯度氢气增多，气体推动滑块(16)沿导向柱(19)向上滑动，推动滑块(16)触碰到工作塔(4)上方内壁时，滑块(16)按压关闭按钮(17)，关闭按钮(17)上的第二导电条(41)触碰到关闭电路(38)，关闭电路(38)闭合通电，使电化学氢泵停止工作，高纯度氢气不再通过第二单向阀(14)进入到第二隔板(13)上方；滑块(16)触碰到工作塔(4)上方顶壁时，第二齿条(22)向下滑动，第二齿条(22)上的顶针(28)被推至挡块(29)下方，同时第一齿轮(23)由于跟第二齿条(22)啮合，第一齿轮(23)转动，使第二齿轮(24)同轴转动，第二齿轮(24)又与第一齿条(21)啮合，使第一齿条(21)滑动，带动网格状滑片(25)滑动，滑块(16)上的竖直通孔(46)打开，滑块(16)在重力作用下下行，高纯度氢气通过竖直通孔(46)时经过干燥剂(31)除湿后排出；由于滑块(16)下方不继续供气增压，滑块(16)受到重力作用往下滑动，关闭按钮(17)被第二弹簧(35)顶出，关闭电路(38)断开，滑块(16)下方的湿润气体通过滑块(16)竖直通孔(46)，经过干燥剂(31)的干燥，流向滑块(16)的上方，等待滑块(16)滑动至下极限位置时，滑块(16)下方的湿润气体逐渐流通至滑块(16)上方，经过干燥，成为干燥的高纯度氢气；第五步，滑块(16)受到重力滑动至下极限位置时，第二齿条(22)往上滑动，经过齿轮传动，使网格状滑片(25)对滑块(16)的纵向通孔关闭，滑块(16)按下启动按钮(15)，第一导电条(37)触碰到启动电路(34)，启动电路(34)闭合，使电化学氢泵重新开始工作，高纯度氢气不断地从第二单向阀(14)进入到第二隔板(13)上方，湿润气体推动滑块(16)向上滑动，滑块(16)上方的干燥气体受到推动，从第三单向阀(18)单向排出到出气管(2)中。10.根据权利要求9所述的用于含氢混合气的氢气分离提纯方法，其特征在于，所述工作塔(4)共有两个且对称的设置在中转箱(20)的两侧，其中一个工作塔(4)的滑块(16)下行时，该工作塔(4)内的阳极电网(10)和阴极电网(12)断电，在第一隔板(8)与质子交换膜(11)之间的高纯度氢气经第二排气孔(40)、中转箱(20)进入另一工作塔(4)中的膜分离装置。

技术总结

本发明公开了一种用于含氢混合气的氢气分离提纯装置与方法。包括工作塔和中转箱，在工作塔下方进口处连通有进气管，工作塔的下方进口处固定有第一单向阀，在工作塔的上方出口处连通有出气管，工作塔的上方出口处固定有第三单向阀；工作塔的内部从下往上依次设置有膜分离装置、电化学氢泵装置、除湿装置；通过膜分离与电化学氢泵联用工艺来分离和提纯原料气中的氢气，在本工艺方法中的膜分离装置中，可通过设置多层分离膜，保障氢气的提纯浓度，同时还可以通过两个工作塔同时进行膜过滤，加快效率，在膜过滤中添加回路，使提纯后的气体再次提纯，效率增加，节约原料，通过除湿装置对湿润的高浓度的湿润氢气进行干燥，干燥效果明显。显。

技术研发人员：周振华 仝淑月 王怡 李光 李冬林 高继峰 戚兴兴 郭东耀

受保护的技术使用者：中石化中原石油工程设计有限公司

技术研发日：2020.12.29

技术公布日：2022/6/30