CN103842709B - 用于填充气体存储容器的填充方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用气相的气体填充容器（1）以将气体以固相存储在容器中的填充方法，所述填充方法包括在以下条件下将气体输入到容器（1）中：或者填充压力（Pr），其等于反应物在填充温度下的平衡压力加上气体在填充温度（Tr）下的饱和蒸汽压力（PS）与反应物的平衡压力之差的α倍，α在0.1－0.9之间；或者填充温度（Tr），其等于气体在填充压力（Pr）下的蒸发温度加上反应物在填充压力（Pr）下的平衡温度（Te）与气体的蒸发温度之差的β倍，β在0.1－0.9之间。

Description

用于填充气体存储容器的填充方法
技术领域
本发明涉及一种用起初为气相的气体填充存储容器以将该气体以固相存储在存储容器中的填充方法。
背景技术
公知地，为了确保在常温常压条件下存储通常为气相的气体，尤其为了确保其运输，要压缩气体，使气体变成液相，以使得以相同体积存储的气体量大大增加。
但是，这些气体以液相存储存在多种缺陷。
第一种缺陷是存储的液相不稳定，这使得使用者必须采取多种预防措施，运输时尤其如此。
第二种缺陷是，一方面，液化气体的体积随温度而增大，另一方面，存储容器中压力高且也随温度而增大，因此，存储容器必须综合考虑这些不同的因素，因此要求设计者必须使其厚度远大于仅容纳有气相的气体的存储容器的厚度。
此外，在其它技术领域中，存在通过热化学方法进行制冷的制冷系统，在该制冷系统中反应器与容纳有液相气体的容器进行受控连通。当反应器与容器连通时，容纳在容器中的液化气体蒸发，从而吸收一定的热量，因此，容器冷却，该气体被反应物吸收，从而产生放热化学反应，因此，反应器是放热源。一旦反应终止，如果加热容纳在反应器中的物质，就释放出被反应物吸收的气体，该气体因而在容器中冷凝。这种装置用于某些制冷系统中，特别是当希望自动控制电源时。
在新的应用中，可以将前面使用的热化学反应用于制冷，以确保以固相存储起初为气相的气体。为此，将这种装置的反应器用作气体存储容器。实际上，可以发现，当全部气相的气体与反应物反应时，由此产生形成固体化合物的反应物，所形成的固体化合物是存储的对象。
因此，例如，在反应物由氯化钙构成和气体由氨气构成的情况下，那么，该热化学反应如下：
获得的反应产物是固体，由氯化钙构成。
但是，为了使这种反应应用于存储气体的领域，应存储最大可能量的气体以使之有效。然而，已知的是，实际上，使用一种与称为“基质粘合剂”的物质混合的反应物，所述基质粘合剂用于确保两种功能。
基质粘合剂的第一种功能是使气体在反应物内自由流通。实际上，已知的是，为使全部反应物能够与气体起反应，气体必须能够与其全部“质量”相接触。因此，有人提出在要求该同类的热化学反应的制冷技术中，使用优选地由膨胀天然石墨构成的基质粘合剂，该基质粘合剂与反应物形成反应混合物，尤其构成一种反应芯，气体可经该反应芯自由流动。
基质粘合剂的第二种功能是向外排放由热化学反应产生的热量，否则在反应完成之前反应会被停止，因此，基质粘合剂必须具有良好的导热率，这是上述石墨的情况。
已经发现，当在制冷领域要求进行前面所用的热化学反应以确保存储气体时，使用反应混合物是重要的，反应混合物中反应物的比例更高，即约为85％－96％(质量)，优选地约为94％。
应理解的是，在这些情况下，这种反应混合物用气相的气体填充更加困难，因为为了不造成发生反应物不可逆转的变质，必须防止液化气体与反应物接触。
本发明的目的在于提出这样一种方法，所述方法允许用待存储气体最佳实施反应混合物的这种填充，以使使用者能够控制该操作的两个基本参数，即填充时间以及在整个填充操作期间液化气体任何时候都不能进入存储容器中。
发明内容
因此，本发明的目的在于一种用气相的气体填充容器以将气体以固相存储在容器中的方法，该存储容器为此容纳有反应物，反应物和气体为，当反应物和气体设置为彼此存在时，发生热化学反应，该热化学反应的作用是气体被反应物吸收和产生固体反应产物；以及相反地，反应物和气体发生解吸反应，该解吸反应是在反应物已经吸收了气体时在施加于反应物的加热的作用下，解吸由反应物吸收的气体，其特征在于，在下述条件下，将气体输入到存储容器中：
－或者填充压力，其等于反应物在填充温度下的平衡压力加上气体在填充温度下的饱和蒸汽压力与反应物在该同一填充温度下的平衡压力之差的α倍；α的值在0.1－0.9之间，优选地等于0.5，
－或者填充温度，其等于气体在填充压力下的蒸发温度加上反应物在填充压力下的平衡温度与气体在该同一填充压力下的蒸发温度之差的β倍；β的值在0.1－0.9之间，优选地等于0.5。
在本发明的一特别有利的实施方式中，通过调整存储容器的温度和调整容纳有气体的贮存器的温度，获得气体的填充压力。为此，在填充期间：
－使存储容器和容纳有气体的贮存器保持恒定温度，
－对于一给定的填充温度，容纳有气体的贮存器的保持温度等于气体在填充压力下的蒸发温度。
通过将存储容器和/或容纳有气体的贮存器浸入在所需温度的恒温浴中，尤其可获得保持温度。也可在调节温度下使用套环，该套环围住希望保持在一恒定的给定温度的容器和/或容纳有气体的贮存器。
为使气体在大部分的反应物中良好流通，可使反应物与“基质粘合剂”混合，以构成称为“反应混合物”的混合物。有利地，这种基质粘合剂由膨胀天然石墨构成，保证膨胀天然石墨与反应物构成的反应混合物的表观密度在40kg/m3－120kg/m3之间，优选地约为50kg/m3。
待存储气体可以由氨气构成，反应物尤其可以由碱性盐、碱土或金属盐与尤其是氯化钙、氯化钡或氯化锰构成。
优选地，使用的反应混合物中，反应物的质量比例在50％－98％之间，优选地约为94％。
本发明的目的还在于一种用容纳在贮存器中的气相的气体填充存储容器以将气体以固相存储在存储容器中的填充设备，存储容器为此容纳有反应物，反应物和气体为，当它们设置为彼此存在时，发生热化学反应，该热化学反应的作用是气体被反应物吸收和产生固体反应产物；以及相反地，发生解吸反应，该解吸反应是在反应物已经吸收了气体时在施加于反应物的加热的作用下，解吸由反应物吸收的气体，其特征在于，所述填充设备包括部件，所述部件允许在存储容器填充期间：
－使存储容器和容纳有气体的贮存器保持恒定温度，
－对于一给定的填充温度，调节容纳有气体的贮存器的温度的值到等于气体在填充压力下的蒸发温度的值。
在存储容器的填充期间，这些保持温度的部件可以由恒温浴构成，该恒温浴接纳存储容器和/或容纳有气体的贮存器。
附图说明
以下参照附图描述作为非限制性实施例的本发明的一个实施方式，附图中：
－图1是温度压力曲线图，示出本发明的第一实施方式中使用的氨气的状态变化曲线和氯化钡的分解曲线；
－图2是本发明的填充设备的示意图；
－图3是温度压力曲线图，示出本发明的第二实施方式中使用的氨气的状态变化曲线和氯化钡的分解曲线。
具体实施方式
在本发明的第一实施例中，用氨气填充容器1，以将氨气以固相存储在该容器中。
该存储容器1容纳有反应物，在此情形下是氯化钡，能够与氨气起反应，根据反应产生固体反应产物：
反应物与基质粘合剂混合，如上所述，其作用是，一方面，使待存储的气体自由流通，使气体与大部分反应物良好接触，另一方面，向外排放反应所产生的热量。反应混合物是由反应物和基质粘合剂构成的混合物。
本申请人进行的试验表明，为了存储相对于存储体积最佳的气体量，反应混合物中的反应物比率必须远大于利用同类型热化学反应的制冷装置中使用的反应物比率。
因此，在同类型的热化学反应的制冷装置中，反应物的比率T约为75％－78％，即在质量上，反应混合物含有75％－78％的反应物和25％－22％的膨胀天然石墨。
本发明使用的反应混合物中，反应物的质量比率为85％－96％，优选地约为94％。膨胀天然石墨与反应盐组成的反应混合物的表观密度在40kg/m3-120kg/m3之间，优选地，约为50kg/m3。在这种情况下，已知道，在一升体积的反应混合物中，能够存储500g的氨气量。
本发明的填充方法可以控制填充速度，以特别是尽快地填充反应混合物与待存储的气体，而待存储的气体任何时候都不变成液相，否则会溶解反应物，从而不可逆转地变质。
图1示出表示要注入存储容器1的气体即氨气的状态变化的曲线a，以及表示构成反应物的氯化钡随温度和压力而分解的曲线b。
在本发明的该实施方式中，填充温度Tr选择成例如等于22℃，且选用表示气体在该温度的饱和蒸汽压力的A点和表示反应物即氯化钡在该同一温度的分解温度的B点之间的区段AB。在该区段AB上选择称为填充点的C点。根据所述填充点的选择，根据所选应用要求的需要，最佳地控制填充。
因此，填充点C越接近曲线a，存储容器的填充越快速，但是，液滴可能进入其中的危险性越大。
因此，如果对于一定的应用来说，存储容器1的填充时间不是极其重要的，而相反，任何液化气液滴都不能进入存储容器中，那么，就选择例如位于A点和B点之间的中间位置的填充点C，如图1所示。
在这些情况下，在图1中可以看到，对于22℃的填充温度Tr与A和B之间的中间工作点C来说，压力为6×105Pa，其表示填充压力Pr。对于氨气，在该压力Pr下，蒸发温度为10℃。
在这些情况下，根据本发明，为了用氨气填充存储容器1，而在该填充操作过程中液化气体任何时候都不进入存储容器，使之保持在22℃的填充温度Tr，且使容纳有氨气的贮存器2保持在10℃的温度Tg，该温度Tg等于氨气在填充压力Pr下的蒸发温度。
为此，如图2所示，例如把想要填充的存储容器1浸在一个容纳有温度Tr为22℃的恒温浴的槽4中，将容纳有氨气的贮存器2浸在另一个容纳有温度Tg为10℃的恒温浴的槽6中，使存储容器1和贮存器2通过一个管8进行连通。
根据本发明，存储容器1和容纳有氨气的贮存器2可以用恒温浴以外的方法，例如借助于加热或冷却套环进行保温。
可以限定所有填充点C位于区段AB上的尤其是位于其中部的确定位置的相应的曲线。
图1示出曲线d，在该曲线上所有填充点C都位于中间位置。
在该曲线d上具有第二填充点C'，该第二填充点对应于为25℃的另一个填充温度T'r，因此，氨气的蒸发温度T'g等于15℃时，获得8×105Pa的填充压力P'r。在这些情况下，在填充期间，存储容器1保持在25℃的温度T'r，容纳有氨气的贮存器2保持在15℃的温度T'g。
如上所述，根据应用情况，填充点C可以在区段AB上移动，这种定位的限值可以为AC和BC≥AB/10。
在这些情况下，Pr是存储容器1的填充压力，Pe是反应物在填充温度Tr下的平衡压力，以及Ps是气体在填充温度Tr下的饱和蒸汽压力：
Pr＝Pe+α(Ps-Pe)，其中，0.1<α<0.9
在本发明的另一种实施方式中，如图3所示，选用例如5×105Pa的填充压力Pr，以及选择表示气体在该填充压力下的蒸发温度Tg(4℃)的A点和表示反应物在该同一压力下的分解温度Td(37℃)的B点之间的区段AB。在该区段AB上选择一个填充点C。根据C点在AB区段上的位置，根据所选应用情况的以及前一种实施方式中的限制条件，将能最佳地控制填充。因此，AC和BC≥AB/10。
在这些情况下，Tr是存储容器1的填充温度，Tg是气体在填充压力Pr下的蒸发温度，Te是反应物在填充压力Pr下的平衡温度，以及Tg是气体在该同一填充压力下的蒸发温度：
Tr＝Tg+β(Td-Tg)，其中，0.1<β<0.9
因此，如果对于一个给定的应用来说，存储容器1的填充时间不是极其重要的，而相反，任何液化气液滴都不能进入存储容器中，那么，就选择例如位于A点和B点之间的中间位置的一个填充点C。在这些情况下，对于5×105Pa的填充压力Pr，存储容器1在填充操作期间保持的填充温度Tr为20℃，因此，容纳有气体的贮存器2保持的温度Tg为4℃。
相反，如果对于另一种应用来说，填充时间是极其重要的，那么，就选择较靠近A点的工作点C'，其具有使一些液化气液滴进入存储容器1中的危险性，显然有损于反应物的使用寿命。因此，在这些情况下，存储容器1在填充期间保持的温度T'r为10℃。

Claims (16)

1.一种用气相的气体填充存储容器(1)以将气体以固相存储在存储容器中的填充方法，存储容器(1)为此容纳有反应物，反应物和气体为，当反应物和气体设置为彼此存在时，发生热化学反应，该热化学反应的作用是气体被反应物吸收和产生固体反应产物；以及相反地，发生解吸反应，该解吸反应是在反应物已经吸收了气体时在施加于反应物的加热的作用下，解吸由反应物吸收的气体，
其特征在于，在下述条件下，将气体输入到存储容器(1)中：
－或者填充压力(Pr)，其等于反应物在填充温度下的平衡压力加上气体在填充温度(Tr)下的饱和蒸汽压力(PS)与反应物在同一填充温度下的平衡压力之差的α倍；α的值在0.1－0.9之间；
－或者填充温度(Tr)，其等于气体在填充压力(Pr)下的蒸发温度加上反应物在填充压力(Pr)下的平衡温度(Te)与气体在同一填充压力下的蒸发温度之差的β倍；β的值在0.1－0.9之间。
2.根据权利要求1所述的填充方法，其特征在于，α的值等于0.5。
3.根据权利要求1所述的填充方法，其特征在于，β的值等于0.5。
4.根据权利要求1所述的填充方法，其特征在于，通过调整存储容器(1)的填充温度(Tr)和/或调整容纳有气体的贮存器(2)的温度，调节填充压力(Pr)。
5.根据权利要求4所述的填充方法，其特征在于，在填充期间：
－使存储容器(1)和容纳有气体的贮存器(2)保持恒定温度，
－对于一给定的填充温度(Tr)，容纳有气体的贮存器(2)的保持温度(Tg)等于气体在填充压力(Pr)下的蒸发温度。
6.根据权利要求5所述的填充方法，其特征在于，通过将存储容器(1)和/或容纳有气体的贮存器(2)浸入在恒温浴中，获得保持温度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的填充方法，其特征在于，使反应物与“基质粘合剂”混合，以构成反应混合物。
8.根据权利要求7所述的填充方法，其特征在于，使用由膨胀天然石墨构成的基质粘合剂。
9.根据权利要求8所述的填充方法，其特征在于，使用由反应物和膨胀天然石墨组成的反应混合物，该反应混合物的表观密度在40kg/m3－120kg/m3之间。
10.根据权利要求9所述的填充方法，其特征在于，所述反应混合物的表观密度为50kg/m3。
11.根据权利要求1至6中任一项所述的填充方法，其特征在于，气体由氨气构成。
12.根据权利要求7所述的填充方法，其特征在于，使用一种反应混合物，在该反应混合物中，反应物的质量比例在50％－98％之间。
13.根据权利要求12所述的填充方法，其特征在于，在该反应混合物中，反应物的质量比例为94％。
14.根据权利要求1至6中任一项所述的填充方法，其特征在于，使用一种由氯化钙、氯化钡或氯化锰构成的反应物。
15.一种用容纳在贮存器(2)中的气相的气体填充存储容器(1)以将气体以固相存储在存储容器(1)中的填充设备，存储容器容纳有反应物，反应物和气体为，当反应物和气体设置为彼此存在时，发生热化学反应，该热化学反应的作用是气体被反应物吸收和产生固体反应产物；以及相反地，发生解吸反应，该解吸反应是在反应物已经吸收了气体时在施加于反应物的加热的作用下，解吸由反应物吸收的气体，
其特征在于，所述填充设备包括部件，所述部件在存储容器(1)的填充期间允许：
－使存储容器(1)和容纳有气体的贮存器(2)保持恒定温度，
－对于一给定的填充温度(Tr)，调节容纳有气体的贮存器(2)的温度(Tg)的值到等于气体在填充压力(Pr)下的蒸发温度的值。
16.根据权利要求15所述的填充设备，其特征在于，所述填充设备包括适于在存储容器(1)的填充期间使恒温浴保持温度的部件，恒温浴接纳存储容器(1)和/或容纳有气体的贮存器(2)。
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