朱同清

(蘇州金宏氣體股份有限公司,江蘇蘇州 215131)

超純氫生產(chǎn)的新方法①

朱同清

(蘇州金宏氣體股份有限公司,江蘇蘇州 215131)

簡介了當(dāng)前國內(nèi)外生產(chǎn)超純氫的三種方法及優(yōu)缺點(diǎn)。提出了以高純氫為原料,采用Pu-8新型吸附劑,高壓低氣速純化直接灌充鋼瓶下生產(chǎn)超純氫的新方法。

超純氫;生產(chǎn);新方法

電子特氣產(chǎn)品超純氫(含氫量≥99.9999%),是現(xiàn)代電子、光纖、石化等方面和一些尖端科技上的重要原料;是環(huán)境、衛(wèi)星、飛船、海底實(shí)驗(yàn)室、潛艇、外太空等大氣成分分析測定和星球物質(zhì)即時(shí)測量必需的高純氣源;是半導(dǎo)體集成電路和光導(dǎo)纖維研制生產(chǎn)、集成光學(xué)和納米研究、晶體外延生長等不可缺少的原料;食品、藥品、疾病控制、化學(xué)污染、公安破案、運(yùn)動(dòng)員興奮劑檢測、貴金屬熔煉、火箭燃料分析等方面也離不開超純氫。隨著新興產(chǎn)業(yè)和科技迅速發(fā)展,應(yīng)用范圍越來越廣,用量逐年增長。

電子特氣產(chǎn)品超純氫生產(chǎn)難度大,生產(chǎn)廠家少,產(chǎn)量小。當(dāng)前,國內(nèi)外有三種生產(chǎn)方法,各有優(yōu)缺點(diǎn),分別為:

1.鈀合金擴(kuò)散膜(或管)分離法。以純氫為原料,其膜(或管)只允許氫及其同位素通過,從而獲得超純氫。這為典型超純氫生產(chǎn)法。該法的膜(管)極為昂貴,生產(chǎn)成本極高,生產(chǎn)量極小,只用在100～300超純氫發(fā)生器上,作為分析儀載氣或焰氣。

國內(nèi)上海碩光電子科技有限公司75-34UK型派克—波思騰超純氫發(fā)生器,北京科普生分析科技有限公司、北京精華正成科技開發(fā)公司、大連化物所、大連凱華新技術(shù)工程有限公司和大連科納科學(xué)技術(shù)公司及光明化工研究設(shè)計(jì)院等生產(chǎn)的SPH-300全自動(dòng)超純氫發(fā)生器,蘇州安創(chuàng)儀器有限公司和上海青柏科技有限公司生產(chǎn)的Parker超純氫發(fā)生器,山東聊城科威化工儀器公司生產(chǎn)的BG5型數(shù)控鈀擴(kuò)散管,均屬極昂貴的鈀合金擴(kuò)散膜(管)、小氣量、小型生產(chǎn)方法。

據(jù)報(bào)道,莫斯科Topchie石油化學(xué)研究所研究出了廉價(jià)的以特種材料制成的氣體分離膜生產(chǎn)超純氫方法。該法的原理同上,但它是降低成本、擴(kuò)大生產(chǎn)量的新途徑、新方法。

2.儲(chǔ)氫合金吸放法。在一定溫度、壓力下,鈦系、鋯系、稀土系等金屬能大量吸收氫氣,單位體積吸儲(chǔ)的氫氣可為相同溫度、壓力下氣態(tài)的1000倍。吸氣時(shí)放熱,加熱就能夠釋放獲得高壓、質(zhì)好、量大的超純氫。

浙江大學(xué)首次提出該法,并處國內(nèi)研究應(yīng)用的領(lǐng)先地位,其儲(chǔ)氫合金法生產(chǎn)13～15 Pa,產(chǎn)量12、24、48 m3/h的超純氫裝置,20世紀(jì)90年代起已較多投放市場應(yīng)用。但是,該法由于氫化物自身很不穩(wěn)定,易受有害成分毒害,長時(shí)間多次反復(fù)吸放使用,性能會(huì)明顯下降。同時(shí),還存在著機(jī)械強(qiáng)度問題,目前的儲(chǔ)氫合金材料反復(fù)吸放,應(yīng)用次數(shù)不多就要更換,而更換一次價(jià)格很高,生產(chǎn)成本就高上去了。

我國物理冶金和金屬材料學(xué)家陳炳兆等人發(fā)明了鈦鐵錳合金制備超純氫方法和裝置,以≥98%工業(yè)氫氣,通過中間放氫和最終三次排雜放氫法,能快速連續(xù)制取30～80 L/min超純氫。

東北大學(xué)、四川大學(xué)發(fā)明LaNi5型吸釋氫材料獲得超純氫法。最近又研究成功直接從太陽和水,通過金屬催化劑,直接、便宜、清潔地獲氫后,通過鈀銀合金制備超純氫法。另有太陽能光電水解得氫后,通過納米、鎂鎳等礦物儲(chǔ)氫獲超純氫法。然而,它們也都屬儲(chǔ)氫合金吸放生產(chǎn)超純氫法。

3.低溫吸附法。此法一般以水電解制得氫,先采用催化吸附工藝制得高純氫,后將高壓高純氫采用純化深度深的液氮溫度下的低溫吸附,除去微量的氮、氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、水等雜質(zhì),獲得10-9級(jí)的超純氫。

20世紀(jì)80年代,化工部光明化工研究設(shè)計(jì)院研制有QCH-24低溫吸附法試驗(yàn)裝置生產(chǎn)超純氫。20世紀(jì)90年代,化工部光明化工研究設(shè)計(jì)院又研制了60 m3/h產(chǎn)量的低溫吸附生產(chǎn)超純氫裝置,于無錫新苑科學(xué)氣體廠使用。目前,大連圣邁化學(xué)有限公司應(yīng)用大連化物所技術(shù),生產(chǎn)全自動(dòng)低溫法超純氫凈化設(shè)備投放市場。

該法雖為國內(nèi)外成熟方法,能擴(kuò)大超純氫產(chǎn)量,但在實(shí)際操作使用中,在適應(yīng)條件、液氮調(diào)節(jié)、控制溫度等等方面還存在著許多問題,常常影響裝置不能正常生產(chǎn),產(chǎn)品質(zhì)量很不穩(wěn)定。

針對(duì)國內(nèi)外三種超純氫生產(chǎn)方法存在的問題,本公司實(shí)施了以高壓、高純氫為原料,篩選使用北京大學(xué)化學(xué)學(xué)院研發(fā)的,對(duì)氮氧吸附容量均大、同時(shí)可除其他微量雜質(zhì)的Pu-8新型吸附劑,自控在高壓下,采用常溫、高壓低氣速吸附除雜和常壓加溫下再生工藝,并直接灌充潔凈鋼瓶獲得超純氫。該新生產(chǎn)方法效果為:1.Pu-8新型吸附劑吸附氮氧容量大,同時(shí)也可除CO、CO2、CH4、H2O等雜質(zhì),可獲得符合GB/T 7445的超純氫。2.與當(dāng)前的三種方法相比,該法簡單,造價(jià)低,投資少,控制穩(wěn)定,操作使用方便,產(chǎn)量易調(diào)。

1 具體實(shí)施

純氫、高純氫、超純氫系統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程線見圖1。超純氫生產(chǎn)工藝流程圖(Pu-8吸附劑除氮氧等雜質(zhì)工藝流程)見圖2。

根據(jù)超純氫生產(chǎn)產(chǎn)量和高純氫含雜質(zhì)量及Pu-8型吸附劑吸附容量,計(jì)算出Pu-8新型除氮氧等雜質(zhì)的吸附劑用量;設(shè)計(jì)出高壓吸附器和高壓氫氣過濾器及高壓控制、加熱開閉、溫度控制、閥門切換工藝;選用潔凈耐高壓閥門和管道及附件等生產(chǎn)一臺(tái)高壓氫氣除氮氧等雜質(zhì)的超純氫裝置,并設(shè)置于系統(tǒng)生產(chǎn)工藝流程線中。按生產(chǎn)操作規(guī)程,生產(chǎn)灌裝超純氫。

2 生產(chǎn)技術(shù)要點(diǎn)

1.以水電解氫經(jīng)純化、膜式氫壓機(jī)加壓至15 MPa的高純氫氣為原料。2.采用北京大學(xué)化學(xué)院開發(fā)的新型Pu-8吸附劑。3.采用正向填氣高壓低氣速下吸附除雜,逆向和加熱溫控250℃及低壓下的再生工藝。4.使用高潔凈管路施工技術(shù)組裝設(shè)備裝置。5.嚴(yán)格檢查高壓純化系統(tǒng)的氣密性。嚴(yán)格恒壓15 MPa壓力操作。6.灌裝前用合格產(chǎn)品氣徹底置換管道、閥門和接口。7.充灌的超純氫氣瓶,應(yīng)進(jìn)行內(nèi)壁處理、試壓、檢漏,事先完成加熱抽空、高效過濾除塵、填氣。待氣瓶內(nèi)余氣分析氧氣、氮?dú)狻⒑入s質(zhì)合格后,方可進(jìn)行充灌。8.按GB/T 7445—1995規(guī)定的檢驗(yàn)方法,逐瓶檢驗(yàn)、逐瓶驗(yàn)收。檢驗(yàn)結(jié)果如有任何一項(xiàng)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)不符合國家標(biāo)準(zhǔn),該瓶氣就不能出廠。

New Process For Ultra Purity Hydrogen Production

ZHU Tongqing
(Suzhou Jinhong Gas Co.,Ltd.,Suzhou 215131,China)

Described briefly the three processes for ultra purity hydrogen production and their virtues and defects.Brought the new process to product ultra purity hydrogen through applied Pu-8 sorbent,raw material high purity hydrogen,high pressure and low gas speed purification,filled directly cylinder.

ultra purity hydrogen;production;new process

TQ116.2

:A

:1007-7804(2010)04-0001-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2010.04.001

朱同清(1940),男,高級(jí)工程師,江蘇省江陰市人,九三學(xué)社成員。1964年畢業(yè)于天津大學(xué)化工系工程物理專業(yè)。先后申請獲得6項(xiàng)國家發(fā)明專利和國家實(shí)用新型專利?，F(xiàn)聘為蘇州金宏氣體股份有限公司技術(shù)顧問。

2010-06-12