ITRM20100066U1 - "dispositivo compatto a membrana metallica per la produzione di fluidi gassosi". - Google Patents

Description

DISPOSITIVO COMPATTO A MEMBRANA METALLICA PER LA PRODUZIONE DI FLUIDI GASSOSI;

Settore tecnico

Il presente trovato riguarda un dispositivo a membrana metallica di permeazione per la produzione di fluidi gassosi ed in particolare di idrogeno ultrapuro (100 %).

Più in particolare oggetto del trovato è un dispositivo compatto per la separazione di idrogeno che utilizza membrane di permeazione preferibilmente in lega di palladio.

Stato della tecnica

Allo stato attuale è noto l’utilizzo di dispositivi comprendenti membrane metalliche dense in lega di palladio costituite da una singola lamina o da un singolo tubo a parete sottile.

In questi noti dispositivi la differenza di pressione parziale di idrogeno a monte ed a valle della membrana (gradiente di pressione transmembrana) è la forza operativa del processo di trasferimento di materia (permeazione) durante il quale la membrana effettua la separazione dell’idrogeno contenuto in miscele gassose alimentate a monte della membrana e che attraversa selettivamente la parete metallica densa (i.e. priva di difetti) per essere raccolto a valle della membrana, ad esempio nel mantello tubolare del dispositivo in caso di membrana tubolare.

Per la raccolta dell’idrogeno permeato è generalmente utilizzato un gas di lavaggio, mentre la corrente in uscita dalla membrana tubolare (retentato) è costituita dalla miscela di alimentazione privata dell'idrogeno permeato.

Per applicazioni che richiedono portate di idrogeno puro maggiori (fino a qualche L/min) possono essere realizzati dispositivi che prevedono l'impiego di più tubi permeatori in parallelo (fascio tubiero).

Queste note soluzioni si prestano tuttavia ad applicazioni di tipo sperimentale con piccole portate gassose di idrogeno puro (fino a 100-200 cm3/min) e sono poco adatte nel caso di portate di idrogeno maggiori e nel caso di applicazioni nelle quali le dimensioni ed il peso del dispositivo per la produzione di idrogeno devono essere minimizzati (ad esempio applicazioni veicolari).

Scopo del trovato

Forma pertanto un primo scopo del presente trovato la realizzazione di un dispositivo a membrana metallica di permeazione per la produzione di idrogeno puro, che risulti di efficienza elevata e di struttura compatta e modulabile per ottenere portate di idrogeno scalabili.

Sommario del trovato

A tali scopi si è pervenuti con un dispositivo a membrana metallica di permeazione per la produzione di idrogeno puro secondo almeno una delle rivendicazioni allegate.

In particolare, il dispositivo del trovato comprende una serie di membrane dense a parete sottile (preferibilmente fogli metallici in lega di palladio) ed è pertanto in grado di separare idrogeno con flussi di permeazione anche elevati.

I fogli metallici sono tenuti insieme mediante l'applicazione di cornici metalliche in modo da creare un flusso di una miscela gassosa di alimentazione attraverso le intercapedini o camere che si formano tra le membrane e che consentono la raccolta dell’idrogeno e la rimozione del retentato.

I vantaggi ottenuti consistono essenzialmente nel fatto di poter ottenere la produzione di idrogeno ultrapuro all'interno di un dispositivo compatto di ridotte dimensioni con una elevata area di contatto tra il flusso della miscela gassosa e la superficie della membrana metallica.

Un ulteriore vantaggio consiste nella scalabilità del dispositivo per ottenere produzioni maggiori di idrogeno. Un ancora ulteriore vantaggio è dato dalla semplicità costruttiva.

Lista dei Disegni

Questi ed ulteriori vantaggi saranno meglio compresi da ogni tecnico del ramo dalla descrizione che segue e dagli annessi disegni, dati qual esempio non limitativo, nei quali:

- la fig.1 mostra un possibile esempio di realizzazione del dispositivo del trovato in configurazione esplosa;

- la fig.2 mostra il dispositivo di fig.1 in configurazione assemblata;

- l a fig. 3 mostra le sezioni I-I e II-II del dispositivo di fig.1 comprendente tre membrane metalliche in configurazione piana ed il relativo schema di funzionamento;

- l a fig. 4 mostra uno schema di funzionamento analogo allo schema di fig.3, ma di un dispositivo comprendente quattro membrane metalliche;

- le fig.5a e 5b mostrano rispettivamente una vista in elevazione ed in sezione di una cornice di tenuta intermedia disposta tra due membrane;

- le fig.6a e 6b mostrano rispettivamente una vista in elevazione ed in sezione di una cornice con piastra esterna di chiusura e 4 fori di ingresso delle correnti gassose.

- le fig.7a e 7b mostrano rispettivamente una vista in elevazione ed in sezione di una cornice di tenuta con piastra esterna di chiusura secondo lo schema di fig.4 (membrane in numero pari);

- le fig.8a e 8b mostrano rispettivamente una vista in elevazione ed in sezione di una seconda forma realizzativa di una cornice di tenuta con piastra esterna di chiusura lo schema di fig.3 (membrane in numero dispari);

- la figura 9 mostra una forma realizzativa del dispositivo con membrane di forma circolare ed evidenziati i condotti di ingresso ed uscita dei gas; - Le figure 10a e 10b mostrano in elevazione ed in sezione trasversale una griglia di supporto secondo il trovato a forma di disco metallico forato.

Descrizione dettagliata del trovato

Con riferimento ai disegni allegati, è descritto un dispositivo a membrana metallica a permeazione per la produzione di idrogeno.

Il dispositivo comprende almeno una membrana metallica 1, preferibilmente tre (schema di fig.3) o quattro (schema di fig.4) realizzate in forma di un foglio piano sottile selettivamente permeabile all’idrogeno.

Preferibilmente, le membrane 1 sono realizzate in una lega metallica di palladio comprendente inoltre metalli selezionati tra Ag, Ni, Cu oppure realizzata in Nb, V, Ta, Ti o loro leghe.

In una forma preferita di attuazione del dispositivo le membrane 1 sono realizzate come fogli in lega Pd-Ag (con argento 23-25% in peso) di spessore di parete minore di 150 μm (preferibilmente 50 μm) al fine di garantire elevati flussi di permeazione di idrogeno ed al tempo stesso essere privi di difetti (fessure, piccoli fori, ecc.) in grado di ridurre la selettività della membrana nei confronti dell'idrogeno.

Il dispositivo comprende inoltre un condotto di alimentazione 6 per immettere un flusso di una miscela gassosa contenente idrogeno in una camera 2 di raccolta della miscela.

La camera 2 confina con una superficie a monte 3 della membrana, mentre la superficie a valle 4 della stessa membrana 1 confina con una seconda camera 5 per la raccolta dell’idrogeno permeato attraverso la membrana per effetto del gradiente di pressione trans membrana, a sua volta comunicante con un condotto 7 di estrazione dell’idrogeno.

Per effetto della permeazione dell’idrogeno, la prima camera 2 raccoglie la miscela privata dell’idrogeno, detto retentato, che viene estratto attraverso un ulteriore condotto 8 comunicante con la camera 2.

Secondo il trovato, la prima e seconda camera 2, 5 sono delimitate da cornici 9, 10, 16 affiancate a tenuta lungo un perimetro periferico della membrana 1 e provviste di rispettivi fori 11, 12, 13 comunicanti con i condotti di alimentazione 6 o con il condotto di estrazione del retentato 8 o con il condotto di estrazione dell’idrogeno permeato 7.

Nell’esempio descritto, i condotti 6, 7, 8, sono composti da corrispondenti fori 26, 27, 28 delle cornici e 26’, 27’, 28’ delle membrane affiancati ed uniti a tenuta nella configurazione assemblata.

Preferibilmente, le cornici 9, 10, 16 sono cornici in acciaio inox sagomate in modo da permettere la corretta unione alle membrane 1 mediante processi di giunzione a tenuta (saldo-brasatura, saldatura ad arco elettrico, saldatura per diffusione), anche con la interposizione di guarnizioni sagomate 20 tra le cornici e le membrane.

In particolare si è trovata efficace:

- giunzione per saldobrasatura mediante guarnizioni brasanti 20 costituite da fogli di lega Castolin 1802 opportunamente ritagliati ed interposti tra le membrane e le cornici.

- Saldatura ad arco elettrico (ad esempio TIG).

- Saldatura per diffusione. In questo caso le superfici in acciaio delle cornici possono essere preparate mediante deposizione di film di Ag o di Ni e Ag al fine di promuovere il processo di saldatura per diffusione con i fogli in lega di Pd che viene realizzato con opportuno trattamento termico in atmosfera controllata di per se di tipo noto.

Allo scopo di migliorare la resistenza delle membrane 1 al gradiente di pressione transmembrana, secondo il trovato si è inoltre pensato di utilizzare strutture meccaniche di rinforzo quali ad esempio reti o griglie metalliche 19 interposte tra le membrane 1 e le cornici 9, 10, 16 e giuntate alle membrane stesse durante la stessa procedura di giunzione delle membrane alle cornici.

Con riferimento alle figure 9e 10, è mostrato un esempio di un dispositivo secondo il trovato con membrane di forma circolare supportate da griglie realizzate come dischi metallici forati rappresentate in particolare nelle figure 10a, 10b.

Si intende che la forma delle membrane e delle griglie è data quale esempio non limitativo e che potrà variare ad esempio a seconda della applicazione del trovato.

Vantaggiosamente, l’impiego degli elementi di rinforzo 19 consente di evitare rotture delle membrane e al tempo stesso di sfruttare il maggiore flusso di idrogeno permeato ottenibile con l'aumento delle differenza di pressione transmembrana.

Preferibilmente, il dispositivo comprende due piastre di chiusura 14, 15 disposte esternamente alle membrane 1 e solidali a rispettive cornici periferiche esterne 9, 10.

In posizione intermedia, può inoltre essere prevista una o più cornici intermedie 16 come illustrato nello schema delle fig. 3 e 4.

Ancora con riferimento alle figure 3 e 4, è mostrato il dispositivo del trovato provvisto di due piastre di chiusura 14, 15 alle estremità, delle quali la prima è chiusa e la seconda presenta tre fori 21, 22, 23 comunicanti rispettivamente con i condotti 6, 7, 8 per l'ingresso della alimentazione, l'uscita del retentato, e l’uscita dell’idrogeno permeato.

Preferibilmente, è inoltre previsto un quarto foro 24 comunicante con un condotto 17 provvisto di rispettivi fori 18 di almeno una cornice 9, 10, 16 per l’immissione di un fluido di lavaggio in detta seconda camera 5.

Analogamente ai condotti 6, 7, 8, anche il condotto 17 è composto da corrispondenti fori affiancati 29, 29’ delle cornici e delle membrane unite a tenuta nella configurazione assemblata del dispositivo.

Nel funzionamento del dispositivo, facendo riferimento allo schema di figura 3, la miscela alimentata dal foro 21 della piastra esterna 15 entra nel canale 6 e quindi nelle camere 2 attraverso i fori 11 della prima cornice intermedia 16 e della cornice di chiusura 9.

Dalle camere 2 l'idrogeno attraversa selettivamente le membrane 1 e finisce nelle camere 5 in corrispondenza della prima cornice di chiusura 10 e della seconda cornice intermedia 16 dove è raccolto dalla corrente di gas di lavaggio immesso dal foro 24 ed entrante nella camera 5 attraverso il condotto 17 ed i fori 18.

La corrente di lavaggio entra nella parte bassa della camera 5 (fig.3 Sez. I-I) attraversa in diagonale la camera 5 delimitata dalla cornice e viene estratta dal canale 7 (fig.3 , sezione II-II).

Al tempo stesso i gas non permeati raccolti nelle camere 2 in corrispondenza della seconda e quarta cornice attraversano i fori 12 e possono essere raccolti all'esterno del dispositivo attraverso il condotto 8 ed il foro 22 della prima piastra di chiusura 15 (fig.3 sez. II-II).

Lo schema di figura 3 può essere replicato nel caso di un numero maggiore di membrane, ad esempio quattro membrane come illustrato in fig. 4.

A titolo esemplificativo, le figure 5a,b mostrano in vista in elevazione e laterale la seconda cornice intermedia 16’ del dispositivo di figura 4; le figure 6a,b mostrano in vista in elevazione e laterale la prima cornice di estremità 10 e la piastra di chiusura 15 del dispositivo di fig.4; le figure 7a,b mostrano in vista in elevazione e laterale la cornice di estremità 9 la piastra di chiusura 14 del dispositivo di figura 4; le figure 8a,b mostrano in vista in elevazione e laterale la cornice di estremità 9 la piastra di chiusura 14 del dispositivo di figura 3.

Il dispositivo consegue gli importanti vantaggi descritti e si presta ad applicazioni di elevato interesse industriale.

Tra queste, applicazioni di particolare interesse sono come permeatore per la separazione di idrogeno da miscele gassose oppure per produrre idrogeno da reazioni di reforming (reattore a membrana).

In quest'ultimo caso un letto di catalizzatore specifico per la reazione di reforming viene alloggiato all'interno del modulo nelle camere comprese tra le membrane (ad esempio nelle camere 2 delle figure 3 o 4).

L'idrogeno prodotto dalla reazione di deidrogenazione viene separato attraverso la membrana e recuperato dalla corrente di lavaggio.

La capacità caratteristica del dispositivo di produrre idrogeno ultrapuro indirizza poi l'utilizzo del modulo sviluppato per applicazioni di laboratorio (ad esempio gascromatografia) e per applicazioni industriali quali la alimentazione di celle a combustibile di tipo polimerico che possono essere avvelenate anche da modeste quantità di inquinanti presenti nell'idrogeno. In particolare, le ridotte dimensioni rispetto ad altre configurazioni (ad esempio a fasci tubieri) rendono il dispositivo particolarmente adatto alle applicazioni veicolari. Inoltre, la possibilità di assemblare più dispositivi in serie o parallelo (modularità) permette di avere una grossa flessibilità nelle applicazioni di processo. Ad esempio l'impiego di più moduli in serie consente di avere una separazione più spinta a parità di portata, mentre l'adozione di moduli in parallelo consente di operare una portata maggiore con la stessa capacità di separazione.

Il dispositivo è stato descritto con riferimento a forme preferite di attuazione, ma si intende che modifiche potranno essere apportate senza comunque uscire dall’ambito di tutela accordato.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo a membrana metallica di permeazione per la produzione di fluidi gassosi, come ad esempio idrogeno, comprendente: almeno una membrana metallica in forma di un foglio piano sottile (1) selettivamente permeabile all’idrogeno, un condotto di alimentazione (6) di un flusso di una miscela gassosa in ingresso contenente idrogeno, almeno una prima camera (2) per la raccolta della miscela gassosa in ingresso, confinante con una superficie a monte (3) della membrana, almeno una seconda camera (5) per la raccolta di idrogeno permeato, confinante con una superficie a valle (4) della membrana, un condotto (7) di estrazione dell’idrogeno in comunicazione di fluido con detta seconda camera (5), un condotto (8) di estrazione del retentato in comunicazione di fluido con detta prima camera (2), caratterizzato dal fatto che dette prima e seconda camera (2, 5) sono delimitate da almeno due cornici periferiche (9, 10, 16) affiancate a tenuta alla membrana (1) e provviste di rispettivi fori (11, 12, 13) comunicanti con detto condotto di alimentazione (6) o con detto condotto di estrazione del retentato (8) o con detto condotto di estrazione dell’idrogeno permeato (7).
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, comprendente due piastre esterne di chiusura (14, 15).
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui dette piastre di chiusura (14, 15) sono solidali a rispettive cornici periferiche esterne (9, 10).
4. 4. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, comprendente almeno una cornice intermedia (16).
5. 5. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, comprendente elementi meccanici di rinforzo delle membrane.
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, in cui detti elementi meccanici comprendono reti o griglie metalliche (19) interposte tra le membrane (1) e le cornici (9, 10, 16).
7. 7. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, comprendente un condotto (17) comunicante con rispettivi fori (18) di almeno una cornice (9, 10, 16) per l’immissione di un fluido di lavaggio in detta seconda camera (5).
8. 8. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui la giunzione tra le membrane (1) e le cornici (9, 10, 16) è ottenuta mediante saldo-brasatura di guarnizioni sagomate (20).
9. 9. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui la giunzione tra le membrane (1) e le cornici (9, 10, 16) è ottenuta mediante saldatura.
10. 10. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, comprendente mezzi di estrazione dell’idrogeno permeato mediante sovrappressione.
11. 11. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, comprendente una pompa di aspirazione per la estrazione dell’idrogeno permeato.
12. 12. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti in cui dette membrane (1) sono realizzate come fogli in lega Pd-Ag preferibilmente con argento 23-25% in peso, di spessore di parete pari a circa 80 μm.
13. 13. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti in cui dette membrane (1) sono realizzate in una lega metallica di palladio comprendente inoltre metalli selezionati tra Ag, Ni, Cu oppure realizzata in Nb, V, Ta, Ti e loro leghe.
14. 14. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la alimentazione della miscela gassosa in ingresso comprende reagenti di una reazione di deidrogenazione, e dal fatto che detta camera (2) è riempita con un letto di catalizzatore specifico per la reazione suddetta.
15. 15. Dispositivo secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che dette membrane (1) e dette cornici (9, 10, 16) sono combinabili in modo modulare scalabile.