[其他]利用钛铁锰合金制备超纯氢的方法和装置

说明书

本发明是利用钛铁锰合金制备超纯氢的方法和装置，它可以获得纯度为99.9999%的超纯氢。

常用的制备超纯氢的方法有三种：钯-银膜热扩散法。分子筛液氮冷冻法和变压吸附法。其中，钯-银膜热扩散法制得的氢气纯度最高，可达99.9999%，氢气露点为≤-70℃，是目前国内外最常用的制备超纯氢的方法。但是，钯-银膜是贵金属，因而钯-银膜氢净化器的价格昂贵，同时，由于钯-银膜易开裂损坏，导致氢气纯度降低，维修和运行费用高。变压吸附法得到的氢气纯度较低，分子筛液氮冷冻法则要消耗液氮，使用不便。

七十年代以来，开始研制用储氢金属制备超纯氢的技术。国外已有专利和文献报导了这一技术。其中，联邦德国专利（专利号2840265）和日本专利（特开昭55-149104），（特开昭57-156304）报导了获得99.9999%以上的超纯氢。联邦德国专利2840265报导了净化氢气的方法和1.7米³储氢合金瓶的性能，但没有提及装料及充氢工艺。其不足之处是：（1）热交换器为十字形结构，热交换面积小，致使在20升/分放氢速率下（用60℃水加热）只能释放出50%的超纯氢。（2）需用99.9%纯度的氢经液氮冷阱脱水后，再充入储氢合金瓶，成本高。（3）当储氢合金瓶放出10%储氢量的氢气后，氢中水含量才降到0.2PPM。（4）储氢合金瓶容量较小（≤1.7立方米）。日本专利特开昭55-149104采用螺旋管状热交换器，单位重量热交换器的热交换面积小，纯化系统复杂，要经过四级提纯;该专利也没有考虑气相空间中富集水汽的液化，使储氢合金的使用期限缩短，也没报导净化后氢气的露点。日本专利（特开昭57-156304）报导的用储氢材料纯化氢气的方法，其制得的氢纯度也较低。日本的文献NationalTechnicalReportVol.29No.1Feb1983，也报导了1.2立方米的储氢合金瓶，虽称可获得99.9999%的超纯氢，但其露点为-75℃，即氢中水含量为1.19PPM，严格地讲纯度只有99.9995%。

储氢合金具有对氢气选择性吸收的本领，它的吸、放氢过程是一可逆的化学反应过程，其反应式为

M+Ｘ/２H_２MH_Ｘ+Q（1）

式中M为储氢合金，MH_Ｘ为金属氢化物，Q为热量。在较高的氢压和较低的温度下，反应向右进行，生成氢化物，即吸氢过程，为放热反应。当氢压降低或升高温度时，反应向左进行，氢化物分解，为放氢过程，是吸热反应。由于氢气中的杂质气体不被储氢合金吸收，故通过适当的手段就可以获得超纯氢。

本发明提出了一种利用钛铁锰合金制备超纯氢的方法和装置。它包括：安装有扇形热交换器的用以装储氢合金的钢瓶，储氢合金TiFe_0.8-0.9Mn_0.1-0.2的装料工艺，活化工艺、充氢工艺，氢气的排杂提纯工艺、工业氢的初提纯工艺，使用本发明的方法和装置可把纯度大于或等于98%的工业氢气经过初提纯和TiFe_0.8-0.9Mn_0.1-0.2储氢合金瓶最终提纯，制得99.9999%的超纯氢。

本发明的储氢合金瓶由不锈钢瓶体、阀门、扇形铜质热交换器及微米级金属过滤片构成。热交换器由紫铜管和与紫铜管焊接在一起的扇形紫铜换热片构成，在换热片弧面上每隔10厘米高度设有一个由里向外的下料口，尺寸为3.2cm宽，2cm高。阀门是能承受150公斤/厘米²压力并能保持≤1.5-2.0×10^-5乇高真空的高压高真空阀门。扇形热交换器结构使热交换面积大，改善了储氢瓶内储氢合金床层的热传导，在60℃水加热条件下，储氢合金瓶能以20-80升/分的速率连续放出85%的超纯氢。微米级金属过滤片由不锈钢或镍质粉末用粉末冶金方法烧结而成，与瓶体用钎焊连接，可滤去0.3m以上的尘埃。高压高真空阀门可防止氢气泄漏，保证安全和提纯效果。合金瓶组装前经清洁处理，组装后经压力和真空检漏。

本发明采用的TiFe_0.8-0.9Mn_0.1-0.2储氢合金是用中频感应方法熔炼的。该合金性能稳定，易活化，储氢量大，使用寿命长，中毒后易再生。储氢合金颗粒用震动方法装入储氢合金瓶，并使密实，其松装密度与合金密度之比达到0.6-0.7。