CN104822623B - 用于生产气体的装置 - Google Patents

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Abstract

用于生产气体的装置，包括：具有确定体积的反应器(R)，其设置用于容纳两种或更多种反应物和至少一种气体；连接管路(S)，其设置用于将反应器(R)与用户(U)连通；供应设备(2)，其设置用于向反应器(R)供应至少一种反应物；控制模块(MC)，其与供应设备(2)相连；与控制模块(MC)相连的控制阀(5)，其设置用于按照命令调节用户(U)的气体供应；设置用于检测控制阀(5)上游气体的第一压力(P1)的第一压力检测器(6)，其与控制模块(MC)相连且向控制模块(MC)传送指示所检测到的压力(P1)的第一信号；设置用于检测控制阀(5)下游气体的第二压力(P2)的第二压力检测器(7)，其与控制模块(MC)相连且向控制模块(MC)传送指示所检测到的压力(P2)的第二信号。

Description

用于生产气体的装置
本发明涉及一种用于生产气体的装置。
特别地，本发明涉及一种装置，其包括反应器，其中在两种或更多种反应物之间发生生产气体的反应。所述反应器与用户连通放置，其接收所产生的气体并用其产生热或电能或者用于其他目的。
该类设备应用的典型实例与生产氢气有关。所产生的氢气可用于供应给燃料电池或者用于其他目的。反应器旨在容纳两种或更多种反应物，所述反应物在置于合适条件下时产生特定流量的氢气。
与目前可用设备的操作和控制有关的关键方面是控制反应器中发生的反应。
在生产氢气的情况下，反应的控制极其重要。实际上，最有效的反应设想使用具有特别有反应性的反应物，这可导致反应难以控制且因此导致所产生的气体量难以控制。
在目前可用的设备中，反应的控制使用不同的方法对生产气体的反应器的典型参数进行。通常为压力、生产的气体量和相对地为压力和流量。所获取的值通过控制模块处理，所述控制模块控制反应物的流入从而改变反应本身。
就控制生产用户所需气体的反应而言，目前可用的设备并非完全令人满意。特别地，由于通过反应物的极端反应性限制反应动力学，可确定无疑地就控制生产所需氢气的反应改进用于生产氢气的设备。
实际上，用于生产氢气的反应是相当无规律的，即在相同的条件下，其可在相同的时间单位内生产不同量的气体。在已知类型的设备中，由于试图通过改变至少一种反应物进入量而调节反应动力学，因此基本上无法根据其用途而即时调节反应中生产的气体量。出于已提及的反应不稳定原因，该类控制并非非常有效。因此，通常需要采用储罐以补偿在气体本身的低使用量时生产过量的气体。
本发明的目的是提供一种用于生产气体的装置，其允许改进目前所用设备的性能。
本发明设备的一个优点在于，其允许根据用户的要求即时调节气体的生产。
本发明设备的另一优点在于，其不需要采用用于所产生气体的储罐。
本发明的其他特征和优点将由下文本发明实施方案的详述变得明显，所述实施方案以非限制性实例的方式在附图中描述，其中：
-图1显示了表示本发明设备的实施方案的示意图。
正如本说明书引言部分中已述的那样，本发明用于生产气体的装置特别适于控制氢气的生产。所产生的氢气可用于燃料电池中、作为燃料供应给燃烧器、用于储存、用于实验室应用或者用于其他应用。这不排除如下事实：所述装置还完美地适于使用其他反应物和活化剂生产其他气体。
所述装置包括具有确定体积的反应器(R)，其设置用于容纳两种或更多种反应物和一种或多种由所述反应物之间的反应生产的气体。
在所述装置的优选应用中，所产生的气体为氢气。反应物可例如为铝和苛性钠，其在添加水时根据如下反应生产氢气：
2Al+2NaOH+6H2O→2NaAl(OH)4+3H2
用于生产氢气的反应的另一实例包括硼氢化钠，其根据如下反应与水反应：
NaBH4+2H2O→NaBO2+4H2
苛性钠和铝，或者第二实例中的硼氢化钠可有利地以固体形式或者以溶液形式提供至反应器(R)中。为了引发所述反应，将水引入反应器(R)中以使其与其他反应物接触就足够了。
所述装置进一步包括设置用于使反应器(R)与用户(U)连通的连接管路(S)。在所述装置的优选应用中，用户(U)为燃料电池。
供应设备(2)设置用于将至少一种反应物供应给反应器(R)。在本发明装置的优选应用中，通过供应设备(2)供应的反应物为水。供应设备(2)优选包括泵。泵的使用允许精确调节引入反应器(R)中的水流量。由于水和反应物(苛性钠和铝或者硼氢化钠)之间的反应非常剧烈，因此可能借助泵计量添加水允许非常精确地控制所述反应以及随后氢气的生产。
所述装置进一步包括控制模块(MC)，其与供应设备(2)相连以控制其操作。
控制阀(5)设置用于调节送至用户(U)的气体的流量。在第一实施方案中，控制阀(5)为开关阀且设置用于通过高频闭合和开启而起压力调节器的作用。控制模块(MC)调节控制阀(5)的开启和闭合循环的频率，从而以基本上连续的方式调节气体的流量。在所述设备的优选实施方案中，控制阀基本上设置在位于与用户(U)连接的段紧上游的连接管路(S)段中。
所述装置还包括第一压力检测器(6)，其设置用于检测控制阀(5)上游气体的第一压力(P1)。第一压力检测器(6)与控制模块(MC)相连且将指示在控制阀(5)上游检测到的压力(P1)的第一信号传送给控制模块(MC)。
第二压力检测器(7)设置用于检测控制阀(5)下游气体的第二压力(P2)。第二压力检测器(7)与控制模块(MC)相连且将指示在控制阀(5)下游检测到的压力(P2)的第二信号传送给控制模块(MC)。
在控制阀(5)的上游和下游还置有两个安全阀(M1，M2)，其设置用于在压力超过安全值时干预和释放气体排出口。
控制模块(MC)设置用于将第一压力(P1)与第一阈值(P1最大)比较，且如果第一压力(P1)高于第一阈值(P1最大)，则向供应设备(2)传送降低或停止反应器(R)的至少一种反应物进入量的命令。反之亦然，如果第一压力(P1)低于第一阈值(P1最大)，则设置控制模块(MC)以向供应设备(2)传送提高反应器(R)的至少一种反应物进入量的命令。在所述装置的优选应用中，氢气生产的增大或减小通过提高或降低送至反应器(R)中的水流量实现。
控制模块(MC)进一步设置用于将第二压力(P2)与第二阈值(P2最大)比较，且如果第二压力(P2)高于第二阈值(P2最大)，则向控制阀(5)传送降低气体流量的命令。反之亦然，如果第二压力(P2)低于第二阈值(P2最大)，则设置控制模块(MC)以向控制阀(5)传送提高气体流量的命令。
在所述设备的另一实施方案中，除比较第一压力(P1)和第一阈值(P1最大)以及比较第二压力(P2)和第二阈值(P2最大)之外，还设置控制模块(MC)以检测第一压力(P1)和第二压力(P2)随时间的波动。实质上，控制模块(MC)检测以预定时间间隔由第一压力检测器(6)传送的信号。如果第一压力(P1)随时间增大，则控制模块(MC)向供应设备(2)传送降低反应物进入量的命令。反之亦然，如果第一压力(P1)随时间降低，则控制模块(MC)向供应设备(2)传送提高反应物进入量的信号。控制模块(MC)以相同方式检测以预定时间间隔由第二压力检测器(7)送来的信号。如果第二压力(P2)随时间增大，则控制模块(MC)向控制阀(5)传送降低气体流量的信号。如果第二压力(P2)随时间降低，则控制模块向控制阀(5)传送提高气体流量的信号。该控制设想了控制模块(MC)中的管理程序，其与反应器中的反应物流入相互作用，从而使得作为反应和反应物进入量函数的第一压力(P1)根据第二压力(P2)的波动保持尽可能稳定在接近且低于第一阈值(P1最大)的水平，其中第二压力(P2)相应地取决于用户(U)所需的气体量。
控制模块(MC)对控制阀(5)的干预与用户(U)所需的负荷相关。如果用户(U)经受的负荷降低，则气体的消耗量降低，且因此第二压力(P2)提高。在这种情况下，控制模块(MC)命令降低控制阀(5)的流量。反之亦然，如果用户(U)经受的负荷增大，则气体消耗量增大，且因此第二压力(P2)降低。在第二种情况下，控制模块(MC)命令提高控制阀(5)的流量。
同时，控制模块(MC)控制根据第二压力(P2)变化的第一压力(P1)，且因此调节控制阀(5)的状况。特别是关于其中控制阀(5)处于流量提高步骤中的状况，请注意如果第二压力(P2)降低，则由此第一压力(P1)也降低，且控制模块(MC)命令供应设备(2)提高反应物进入量。反之亦然，在其中阀门(5)处于流量降低步骤中的状况下，第二压力(P2)降低且第一压力(P1)增大，且控制模块(MC)命令供应设备(2)降低反应物进入量。
优选地，控制模块(MC)设置用于向供应设备(2)传送与第一压力(P1)随时间的波动成比例的信号。供应设备(2)设置用于与所接受命令信号成比例地调节至少一种反应物进入量。换言之，压力(P1)随时间的波动越大，则反应器(R)中的至少一种反应物进入量波动也就越大。
优选地，所述装置包括蒸汽分离器(3)，其设置用于与反应器(R)连通，从而从反应器(R)中生产的气体中除去蒸汽和/或液体。在图1中，分离器(3)位于控制阀(5)的上游，但也可位于控制阀(5)的下游和用户的上游。在所述装置的优选应用中，蒸汽分离器(3)的存在是特别有利的，因为用于生产氢气的最有效反应产生了显著量的水蒸汽。水蒸汽以水的形式在蒸汽分离器(3)冷凝。有利地，所述装置包括再循环管路(31)，其将蒸汽分离器(3)与反应器(R)相连，用于将分离器(3)本身中累积的液体流量送至反应器(R)。在所述装置的优选应用中，可将在蒸汽分离器(3)中累积的水通过再循环管路(31)送至反应器(R)以起一种反应物的作用。供应设备(2)(优选泵)沿再循环管路(31)本身设置。
在反应器(R)中进行的反应高度放热且确保在不使用再循环的设备中，在设备的运行期间，消耗的量水比由所述反应的化学计量确定的更高，因此再循环管路(31)的存在显著降低了对外部水进入量的需求。
优选地，所述装置进一步包括过滤器(4)，其设置成与反应器(R)连通，从而从反应器(R)中生产的气体中除去颗粒和/或不希望的产物。在图1中，过滤器(4)位于控制阀(5)的上游，但也可位于阀门本身的下游和用户的上游。在这两种情况下，过滤器(4)优选设置在分离器(3)的下游。
过滤器(4)和分离器(3)二者共同地对气体生产的功能性及其质量作出贡献。
在所述装置的优选实施方案中，分离器(3)、过滤器(4)和控制阀(5)以及将反应器(R)与分离器(3)相连的第一管路(C1)、将分离器(3)与过滤器(4)相连的第二管路(C2)和将过滤器(4)与控制阀(5)相连的第三管路(C3)整体上限定了将反应器(R)与用户(U)连通的连接管路(S)。整体而言，构造连接管路(S)使得每一段中的压力均相同。特别地，对分离器(3)和过滤器(4)进行构造并彼此相连且与反应器(R)相连，从而能作为蓄压器运行。换言之，反应器(R)中生产的气体可累积在分离器(3)和过滤器(4)中，其中对分离器(3)和过滤器(4)的尺寸进行设计，从而能具有确定体积的气体。这使得可累积确定量的所产生的气体，且因此稳定第一压力(P1)以降低由于反应所特有的气体生产中的波动所导致的压力峰值，且延缓控制模块(MC)的干预，从而当所述装置处于其中第二压力(P2)高于第二阈值(P2最大)或者第二压力(P2)处于降低步骤中且因此控制阀(5)处于流量降低构造中的状况下时，降低至少一种反应物进入量。实质上，如果第二压力(P2)处于降低步骤中或者高于第二阈值(P2最大)，则控制模块(MC)干预，从而首先命令降低控制阀(5)的流量。在降低控制阀(5)的流量之后，在反应器(R)中生产气体而不发生波动，且生产的气体累积在反应器(R)和连接管路(S)(包括分离器(3)和过滤器(4)中，且第一压力(P1)增大。由于第一压力(P1)增大，控制模块(MC)命令供应设备(2)降低反应器(R)中的至少一种反应物进入量。在所述装置的优选应用中，控制模块(MC)命令降低由泵(2)经由再循环管路(31)送至反应器(R)中的水流量。如果由于用户的气体消耗量增大，第二压力(P2)降低，则控制模块(MC)命令提高经过控制阀(5)的流量，从而导致经过控制阀(5)的第二压力(P2)增大。因此，第一压力(P1)停止降低。当第一压力(P1)降低时，控制模块(MC)向供应设备(2)(泵)传送提高反应器(R)中的水进入量的信号。

Claims (11)

1.一种用于生产气体的装置，包括：具有确定体积的反应器(R)，其设置用于容纳两种或更多种反应物和至少一种气体；连接管路(S)，其设置用于将反应器(R)与用户(U)连通；供应设备(2)，其设置用于向反应器(R)供应至少一种反应物；控制模块(MC)，其与供应设备(2)相连；与控制模块(MC)相连的控制阀(5)，其设置用于按照命令调节用户(U)的气体供应；设置用于检测控制阀(5)上游气体的第一压力(P1)的第一压力检测器(6)，其与控制模块(MC)相连且向控制模块(MC)传送指示所检测到的压力(P1)的第一信号；设置用于检测控制阀(5)下游气体的第二压力(P2)的第二压力检测器(7)，其与控制模块(MC)相连且向控制模块(MC)传送指示所检测到的压力(P2)的第二信号；其特征在于，控制模块(MC)设置用于检测第一压力(P1)和第二压力(P2)随时间的波动，且控制模块(MC)设置用于执行以下控制：
-如果第一压力(P1)随时间增大，则控制模块(MC)设置用于向供应设备(2)传送降低反应物进入量的命令；如果压力(P1)随时间降低，则控制模块(MC)设置用于向供应设备(2)传送提高反应物进入量的命令；
-如果第二压力(P2)随时间增大，则控制模块(MC)设置用于向控制阀(5)传送降低气体流量的信号；如果第二压力(P2)随时间降低，则控制模块向控制阀(5)设置用于传送提高气体流量的信号。
2.根据权利要求1的装置，其中控制模块(MC)设置用于向供应设备(2)传送与第一压力(P1)和第二压力(P2)随时间的波动成比例的命令信号，且供应设备(2)设置用于与所接受的命令信号成比例地调节至少一种反应物进入量。
3.根据权利要求1的装置，其中控制模块(MC)设置用于将第一压力(P1)与第一阈值(P1最大)比较，且如果第一压力(P1)高于第一阈值(P1最大)，则向供应设备(2)传送降低反应器(R)中至少一种反应物进入量的命令；反之亦然，如果第一压力(P1)低于第一阈值(P1最大)，则控制模块(MC)设置用于向供应设备(2)传送提高反应器(R)中至少一种反应物进入量的命令。
4.根据权利要求1的装置，其中控制模块(MC)设置用于将第二压力(P2)与第二阈值(P2最大)比较，且如果第二压力(P2)高于第二阈值(P2最大)，则向控制阀(5)传送降低流量的命令；反之亦然，如果第二压力(P2)低于第二阈值(P2最大)，则控制模块(MC)设置用于向控制阀(5)传送提高流量的命令。
5.根据权利要求1的装置，包括蒸汽分离器(3)，其设置成与反应器(R)连通，从而从反应器(R)中生产的气体中除去蒸汽和/或液体。
6.根据权利要求5的装置，包括将蒸汽分离器(3)与反应器(R)相连的再循环管路(31)，其将在分离器(3)本身中累积的液体流量送至反应器(R)。
7.根据权利要求1的装置，其中供应设备(2)为泵。
8.根据权利要求6的装置，其中供应设备(2)为沿再循环管路(31)设置的泵。
9.根据权利要求1的装置，包括过滤器(4)，其设置成与反应器(R)连通，从而从反应器(R)中生产的气体中除去颗粒和/或不希望的产物。
10.根据权利要求5或9的装置，其中构造分离器(3)和过滤器(4)并使它们彼此连接且与反应器(R)相连，从而能作为蓄压器运行。
11.用于生产气体的装置，包括：
具有确定体积的反应器(R)，其设置用于容纳两种或更多种反应物和至少一种气体；
蒸汽分离器(3)，其设置成与反应器(R)连通，从而从反应器(R)中生产的气体中除去蒸汽和/或液体；
将蒸汽分离器(3)与反应器(R)相连的再循环管路(31)，其将在分离器(3)本身中累积的液体流量送至反应器(R)；
沿再循环管路(31)设置的供应设备(2)，包括泵；
过滤器(4)，其设置成与蒸汽分离器(3)连通，从而从反应器(R)中生产的气体中除去颗粒和/或不希望的产物；
控制阀(5)，其设置用于按照命令调节用户(U)的气体供应；
控制模块(MC)，其与供应设备(2)和控制阀(5)相连；
第一压力检测器(6)，其设置用于检测控制阀(5)上游气体的第一压力(P1)，与控制模块(MC)相连且向控制模块(MC)传送指示所检测到的压力(P1)的第一信号；
第二压力检测器(7)，其设置用于检测控制阀(5)下游气体的第二压力(P2)，与控制模块(MC)相连且向控制模块(MC)传送指示所检测到的压力(P2)的第二信号；
控制模块(MC)设置用于检测第一压力(P1)和第二压力(P2)随时间的波动，且设置用于执行以下控制：
-如果第一压力(P1)随时间增大，则控制模块(MC)设置用于向供应设备(2)传送降低至少一种反应物进入量的命令；如果压力(P1)随时间降低，则控制模块(MC)设置用于向供应设备(2)传送提高至少一种反应物进入量的命令；
-如果第二压力(P2)随时间增大，则控制模块(MC)设置用于向控制阀(5)传送降低气体流量的信号；如果第二压力(P2)随时间降低，则控制模块(MC)设置用于向控制阀(5)传送提高气体流量的信号。
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