DE1252634B

DE1252634B - Vorrichtung zum Abtrennen reiner Gase durch Diffusion

Info

Publication number: DE1252634B
Application number: DENDAT1252634D
Authority: DE
Inventors: Chigasaki shi Teruchika Taura Machida-shi Takashi Eguchi (Japan)
Original assignee: Japan Pure Hydrogen Co , Ltd Yokohama (Japan)
Priority date: 1963-08-31
Publication date: 1967-10-26
Also published as: GB1060451A; DE1252633B; US3534531A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

int. α.:

BOId

Deutsche Kl.: 12 e- 3/04

Nummer: 1252 634

Aktenzeichen: J 30542IV c/12 e

Anmeldetag: 31. August 1964

Auslegetag: 26. Oktober 1967

Bei Gastrennvorrichtungen mit perrneablen Membranen tritt eine Ermüdung des gasdurchlässigen Teils auf, deren Ursache Dittusionsvorgänge an den Berührungsstellen der Membranen'mit den Stützelemen- Vorrichtung zum Abtrennen reiner Gase
durch Diffusion

Ct. 13*

Wenn beispielsweise Wasserstoff mit Hilfe einer Membran aus Palladiumlegierung bei einer Temperatur von 400 bis 500° C aus einem Gemisch von Wasserstoff und anderen Gasen rein abgetrennt werden soll, verliert wegen der hohen Reinheit des durchtretenden Wasserstoffs das gesinterte Eisen oder die Eisenlegierung des Stützgliedes, welches die für reinen Wasserstoff durchlässige Membran abstützt, leicht die Oxydhaut, wodurch ein Diffusionsvorgang zwischen Stützglied und Membran ausgelöst wird, der zu Ermüdungserscheinungen und zu einer verminderten Permeabilität der aus Palladiumlegierung bestehenden und für reinen Wasserstoff durchlässigen Membran führt.

Auch die Befestigung der selektiv permeablen Membranen auf bzw. zwischen den Stützgliedern war bislang nur höchst unvollkommen gelöst. Wegen der leichteren Auswechselbarkeit nicht mehr einwandfreier Membranen sowie wegen der an den Befestigungsstellen auftretenden metallurgischen und technologischen Probleme wurde es möglichst vermieden, Membran und Stützglied miteinander zu verschweißen oder zu verlöten und statt dessen meist eine Klemmverbindung benutzt. Diese an sich praktische Befestigungsart hat jedoch den Nachteil, daß, insbesondere bei Trennvorrichtungen zur Herstellung reinsten Wasserstoffs, Klemmstellen häufig undicht werden, was natürlich ein unreineres Produkt zur Folge hat.

Diese beiden vorstehend beschriebenen Probleme werden bei einer Vorrichtung zum Abtrennen reiner Gase durch Diffusion, welche mindestens eine permeable, aus einem Metall oder einer Metallegierung bestehende und auf einem mit Gasdurchlaßöffnungen versehenen Stützglied angeordnete Membran aufweist, mit mindestens einer Rohgaszufuhrleitung, mindestens einer Entnahmeleitung für unreines Restgas auf der einen Seite der Membran und mindestens einer Reingasentnahmeleitung auf der anderen Seite, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Anwendung einer wellenförmig ausgebildeten Membran das Stützglied auf seiner die Membran berührenden Oberfläche mit einem überzug aus Chrom, Molybdän, Wolfram, Zirkonium, Hafnium oder Aluminium oder einem Oxyd dieser Metalle und das Gebiet der Klemmstelle mit Gold, Silber, Kupfer, Nickel, Kobalt oder Eisen oder einer Legierung dieser Metalle überzogen ist.

Durch die obenerwähnten Überzüge wird verhin- \r

Anmelder: ^J<" - —^

Japan Pure Hydrogen Co., Ltd.,
Yokohama (Japan)

Vertreter:

Dr. E. Jung

und Dr. V. Vossius, Patentanwälte,

München 23, Siegesstr. 26

Als Erfinder benannt:
Takashi Eguchi, Chigasaki-shi;
Teruchika Taura, Machida-shi (Japan)

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 31. August 1963 (46 843).
vom 20. Januar 1964 (2395),
vom 10. Februar 1964 (6779),
vom 18. März 1964 (14 980)

dert, daß die Oxydhaut auf der Oberfläche des Stützgliedes für die wasserstoffdurchlässige Membran zu Eisen oder Eisenlegierungen reduziert wird, welche mit der Membran in Berührung stehen. Eine solche Reduktion beruht auf der hohen Reinheit des Wasserstoffs, der durch die Membran aus Palladiumlegierung bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 500° C hindurchtritt. Durch die Reduktion der Oxydhaut kann es zu Diffusionsvorgängen zwischen Stützglied und Membran und dadurch zu einer Ermüdung und einem Nachlassen der Membran kommen.

Bei der Herstellung der Metallüberzüge auf der Oberfläche eines Stützgliedes können verschiedene Methoden angewandt werden, beispielsweise Plattieren, Aufdampfen, Flammspritzen, Zementieren, Auskleiden mit einer Metallfolie usw. Vorzugsweise wird die Stelle der Oberfläche des Stützgliedes, welche mit dem durchlässigen Teil der Membran in Berührung steht mit einem eine Verbindung verhindernden Metall überzogen und dieses in ein O*yel übergeführt. Der Oxydüberzug wird durch den röjeerTWaSserstoff

bei Temperaturen von 400 bis 500° C, tot&denen die für reinen Wasserstoff durchlässige Membran verwendet wird, nicht reduziert.

709 679/469

Die Erfindung wird an Hand der Figur weiter erläutert, die einen Querschnitt einer Gastrennvorrichtung zeigt, die ein Stützglied für eine wellenförmige, für Wasserstoff durchlässige Membran verwendet.

Gemäß der Figur wird auf den Teil der Oberfläche 30 des Stützgliedes 2, der mit dem durchlässigen Teil der Membran 1 in Berührung steht, ein Überzug aus einem Metall aufgebracht, das aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Chrom, Molybdän, Wolfram, Titan, Zirkon, Hafnium, Aluminium bzw. aus Oxyden dieser Metalle. Die Membran 1 ist wellenförmig und besteht aus Palladium, Gold oder Silber. Auf den Teil der Oberfläche 30' des Stützgliedes 2, welcher mit der Klemmstelle 29 der Membran in Berülirung steht, ist ein Überzug aus Gold, Silber, Kupfer, Nikkei, Kobalt oder Eisen oder eine Legierung davon aufgebracht.

Die Membran 1 ist an das Stützglied 2 auf der Entnahmeseite für reinen Wasserstoff angepaßt. Die Stützglieder 2 und 3Γ weisen Durchlaßkanäle 3 für reinen Wasserstoff auf. Das Stützglied 31 ist auf der Rohwasserstoffseite mit einem Zulaß 6 für rohen Wasserstoff und einem Auslaß 7 für unreine Gase versehen. Im Stützglied 31' ist eine Entnahmeleitung 9 für reinen Wasserstoff angeordnet. Die Trennvorrichtung, in der die Membran 1 verwendet wird, wird durch Stützglieder 2, 31 und 31' zusammengeklemmt und durch Schrauben und Muttern 32 zusammengehalten. Heizeinrichtungen 19 werden an der äußeren Oberfläche der Vorrichtung befestigt.

Es wird bevorzugt, das Stützglied 31 auf der Rohwasserstoffseite genauso zu behandeln wie das Stützglied 2 auf der Reinwasserstoffseite.

Beispiel

Aus Stützgliedern, deren mit dem durchlässigen Teil der Membranen in Berührung stehende Teil mit Chrom, Molybdän, Wolfram, Titan, Zirkon, Hafnium, Aluminium oder Aluminiumoxyd und deren Klemmteil mit Gold, Silber, Kupfer, Nickel, Kobalt oder Eisen beschichtet ist, sowie aus für Wasserstoff durchlässigen Membranen wurden Gastrennvorrichtungen gemäß der Figur hergestellt. Die für reinen Wasserstoff durchlässigen Membranen bestanden aus einer Palladiumlegierung folgender Zusammensetzung: Palladium 74,5 Vo, Gold 5 Vo, Silber 20%, Ruthenium 0,5%.

Die Membranen wiesen einen Durchmesser von 70 mm und einen durchlässigen Teil von 60 mm

ίο Durchmesser auf. Der durchlässige Teil besaß eine Stärke von 0,08 mm und war in 2-mm-Abständen mit Wellen versehen. Die Breite des Klemmbereichs betrug 5 mm.

Weiter wurden zu Vergleichszwecken auch zwei Trennvorrichtungen mit nicht beschichteten Stützgliedern hergestellt. Mit den in vorstehend beschriebener Weise hergestellten Gastrennvorrichtungen wurden folgendermaßen Versuche durchgeführt:
Nach dem Evakuieren der Rohgasseite und der

ao Reingasseite der Vorrichtung auf 1 · 10~³ mm Hg wurden die Heizeinrichtungen eingeschaltet, um die Membran bzw. die Vorrichtung auf 450° C aufzuhei-, zen und die Temperatur bei einem Wert von 450 ±5° C zu halten. Darauf wurde technisches unreines

»5 Wasserstoffgas als Rohgas unter einem Druck von 10 kg/cm² über den Rohgaseinlaß zugeführt. Wenn ein Teil des Rohgases als unreines Restgas auf der Auslaßseite abgezogen wurde, diffundierte nur reiner Wasserstoff durch die Membranen. Bei vorstehender Anordnung wurden 55 1/Std. an reinem Wasserstoffgas aus der Entnahmeleitung gewonnen. Nach 8 Stunden Betriebsdauer wurde die Zuführung von rohem Wasserstoffgas abgestellt, die Rohgas- und die Reingasseite der Vorrichtung evakuiert und die Heizeinrichtung beim Erreichen eines Vakuums von 1 · 10~³ mm Hg abgeschaltet. Zum Abkühlen wurde die Vorrichtung 6 Stunden stehengelassen, auseinandergenommen und der Zustand der Berührungsstellen der Membran mit der Oberfläche der Stütz- glieder geprüft. Folgende Ergebnisse wurden unter gleichen Bedingungen, bei gleicher Konstruktion und gleichen Herstellungs- und Arbeitsmethoden erhalten:

Stützfläche	Überzug	Cr	Haftverhalten der Membran an der Stützfläche
	Mo
	W
	Ti Zr
	Hf	kein Haften
	Al
Kontaktfläche mit dem durch	Al₂O₃
lässigen Teil der Membran	kein Überzug, Stützfläche besteht
	aus 18-8-rostfreiem Stahl	geringes Haften
	kein Überzug, Stützfläche besteht
	aus Monel-Metall	vollständiges Haften
	Au Λ η
	Ag Cu
Kontaktfläche mit Klemmteil	Ni	Verbindung ist vollständig, keine
der Membran	Co	undichte Stelle
	Fe

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zum Abtrennen reiner Gase durch Diffusion, welche mindestens eine permeable, aus einem Metall oder einer Metallegierung bestehende und auf einem mit Gasdurchlaßöffnungen versehenen Stützglied angeordnete Membran aufweist, mit mindestens einer Rohgaszufuhrleitung, mindestens einer Entnahmeleitung für unreines Restgas auf der einen Seite der Mem- ίο bran und mindestens einer Reingasentnahmeleitung auf der anderen Seite, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung einer wellenförmig ausgebildeten Membran (1) das Stützglied (2) auf seiner die Membran (1) berührenden Oberfläche (30) mit einem Überzug aus Chrom, Molybdän, Wolfram, Zirkonium, Hafnium oder Aluminium oder einem Oxyd dieser Metalle und das Gebiet der Klemmstelle (30') mit Gold, Silber, Kupfer, Nickel, Kobalt oder Eisen oder einer Legierung dieser Metalle überzogen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 540152.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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