CZ2007588A3 - Zpusob separace vodíku z plynných smesí - Google Patents

Abstract

Zpusob separace vodíku z plynných smesí spocívá vtom, že plynná smes s libovolným obsahem vodíku se privádí do uzavreného prostoru, v nemž je polymerní pena obsahující nekomunikující póry. Vzhledem k tomu, že parciální tlak vodíku v pórech polymerní peny je nižší, proniká vodík do póru. Plynná smes odcházející z uzavreného prostoru je proto o tento vodíku chudší. Prívod plynné smesi do uzavreného prostoru lze prerušit v dobe, kdy odcházející smes má stejné složení jako privádená plynná smes nebo dríve. Potom se v uzavreném prostoru sníží tlaka díky vyrovnávání parciálního tlaku vodíku se vodík uvolnuje z polymerní peny a je možné ho jímat pro další použití. Jeho koncentrace je pritom vyšší než ve výchozí smesi.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká separace vodíku z plynných směsí pomocí polymerních pěn s uzavřenými póry.

Dosavadní stav techniky „ Nejpoužívanější technologie výroby vodíku (parní reforming, zplynování uhlí, krakování uhlovodíků) produkují směsi plynů, ze kterých je nutné vodík získávat pomocí vhodného separačního procesu. Například při výrobě vodíku parním reformingem se kjeho čištění používá zejména procesu PSA' (pressure swing adsorption) popsaného v patentech USA č. 3430418 a č. 3564816. Při průmyslově aplikované adsorpci se využívá zejména zeolitů a aktivního uhlí..V obou případech se preferenčně sorbují ostatní složky, nejméně se sorbuje vodík. Výsledný produkt obsahuje až 99,9% vodíku, přitom však se dosti vodíku ztrácí v odpadním plynu, který obsahuje 35% vodíku. Lze konstatovat, že dosud používané separacní procesy vyžadují vyšší obsah vodíku už ve výchozí směsí, jinak pracují velmi neefektivně. Je totiž nevýhodné sorbovat složky, které tvoří větší část směsi. Problém spočívá v tom, že neexistuje levný absorbér vodíku. Nejznámější jsou některé drahé kovy (paládium), slitiny La a Ni, alanáty, z nichž žádný dosud nelze použít průmyslově. V budoucnu však lze očekávat, že vodík bude získáván i ze směsí zředěných, jako je tomu například u biologických metod výroby. K této separaci se zvlášť dobře hodí právě navrhovaný proces.

Podstata vynálezu

Podstatou vynálezu je využití polymerních pěn s nekomunikujícími (uzavřenými ) póry pro separaci vodíku ze směsí plynů. Polymerní pěna se jeví jako soustava separačních membrán rozdělující prostor do buněk - tj. jednotlivých pórů. Polymerní membrány jsou různě propustné pro různé plyny. Vodík prochází mnoha polymery nejsnáze. Protéká-li směs plynů (mobilní fáze) okolo pěny z takového polymeru (stacionární fáze), vodík rychleji než ostatní plyny proniká do pórů. Tam může být zadržen do doby, než vně pěny nepoklesne jeho parciální tlak. Pokud se tak stane, vodík opět rychleji než ostatní plyny opouští pěnu. Pro separaci je rozhodující poměr propustností daného polymeru pro jednotlivé plyny ze * ·· · rv * '«i· •r 4 4' ·. 4 · · 4,|· •i · ·:·) · 4 ♦' 414: 4 44

4- 4 « 4 4 4.. 4·' ' >. #?,4'

4,4.4) 4,4 4 4/ 4 4¹44 4 směsi a dynamika separačního procesu - tj. časová závislost změny tlaku ve směsi a rychlost proudění směsi. Při vhodné dynamice dojde k obohacení mobilní fáze o vodík.

Způsob separace vodíku z plynných směsí spočívá v tom, že plynná směs s libovolným obsahem vodíku se přivádí do uzavřeného prostoru, v němž je polymerní pěna obsahující nekomunikující póry. Vzhledem ktomu, že parciální tlak vodíku v pórech polymerní pěny je nižší, proniká vodík- dovnitř do pórů. Plynná směs odcházející z uzavřeného prostoru je proto o tento vodík chudší. Přívod plynné směsi do uzavřeného prostoru lze přerušit v době, kdy odcházející směs má stejné složení jako přiváděná plynná směs nebo dříve. Potom se v uzavřeném prostoru sníží tlak (například vývěvou) a díky vyrovnávání parciálního tlaku vodíku se vodík uvolňuje z polymerní pěny a je možné ho jímat pro další použití,’ přičemž je jeho koncentrace vyšší než v původně přiváděné plynné směsi.

Jako polymerní pěnu je možno použít extrudovaný pěnový polystyren, pěnový polystyren vyrobený z perliček nebo jinou pěnu obsahující nekomunikující póry.

Přehled obrázků na výkresech

Na obr. 1 je znázorněn kousek polymerní pěny s uzavřenými póry, kolem které protéká jsměs plynů, což je detail obsahu uzavřeného prostoru z obr.2. Na obr.2 je znázorněn průřez uzavřeným prostorem pro separaci vodíku. .

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

K separaci byl vybrán fasádní pěnový polystyren, který se skládá z kousků polymerní pěny Ž (perliček) obsahujících uzavřené póry 2, přičemž mezí těmito kousky (perličkami) jsou komunikující póry, kterými mohou proudit plynné směsi 3. Uzavřený prostor 4 pro separaci vodíku byl vyplněn hranolem o objemu 10 litrů z fasádního pěnového polystyrenu, který byl zcela obalen kovovou folií 5, která byla na jeho povrch nalepena epoxidovou pryskyřicí. Folie 5 zamezuje úniku plynů z hranolu. Do hranolu jsou vyvrtány dva rovnoběžné kanály 6, 7 pro přívod a odvod plynných směsi. Pro separaci je využita především ta část hranolu, která se nachází mezi kanály 6, 7, proto byly kanály 6, 7 vyvrtány blízko protilehlých stran hranolu. Do jednoho kanálu 6 byla přiváděna směs 3 vodíku a dusíku v poměru 1:1 pod tlakem 100 kPa rychlostí 5 ml/s. Směs 3 procházela póry mezi perličkami. Z druhého kanálu 7 byla jímána směs, jejíž složení se měnilo s časem. Dokud nebylo do prvního kanálu 6 přivedeno množství směsi 3 odpovídající asi polovině objemu hranolu, tak vycházející směs obsahovala vodíku méně než 1%. Potom postupně ve vycházející směsi koncentrace vodíku narůstala, až dosáhla stejného složení jako v přiváděné směsi. V-hranolu bylo přitom uskladněno asi 8 litrů vodíku, tj. asi 80% objemu hranolu. Potom byl do kanálu 6 přiváděn Čistý dusík. Směs vycházející z druhého kanálu 7 obsahovala asi 50% vodíku.

Příklad 2

K separaci byl vybrán fasádní pěnový polystyren, který se skládá z kousků polymemí pěny X (perliček) obsahujících uzavřené póry 2, přičemž mezi těmito kousky (perličkami) jsou komunikující póry, kterými mohou proudit plynné směsi 3. Uzavřený prostor 4 pro separaci vodíku byl vyplněn hranolem o objemu 10 litrů z fasádního pěnového polystyrenu, 'který byl zcela obalen kovovou folií 5, která byla na jeho povrch nalepena epoxidovou pryskyřicí. Folie 5 zamezuje úniku plynů z hranolu. Do hranolu jsou vyvrtány dva rovnoběžné kanály 6,7 pro přívod a odvod plynné směsi 3. Pro separaci je využita především ta část hranolu, která se nachází mezi kanály 6, 7, proto byly kanály 6, 7 vyvrtány blízko protilehlých stran hranolu. Do jednoho kanálu 6 byla přiváděna směs 3 vodíku a dusíku v poměru 1:1 pod tlakem 200 kPa rychlostí 5 ml/s. Po naplnění pěny vodíkem byl přívod (uzavřen a bylo sledováno složení směsi, která z hranolu vycházela. Koncentrace vodíku překračovala 90%.

Příklad 3 K separaci byl vybrán extrudovaný (vytlačovaný) pěnový polystyren obsahující uzavřené póry 2. Uzavřený prostor 4 pro separaci vodíku byl vyplněn hranolem o objemu 10 litrů z uvedeného polystyrenu, který byl zcela obalen kovovou folií 5, která byla na jeho povrch nalepena epoxidovou pryskyřicí. Folie 5 zamezuje úniku plynů z hranolu. Hranol byl provrtán řadou rovnoběžných kanálů vzájemně vzdálených 3 cm. Do kanálů, které byly propojeny v sérii, byla přivedena separovaná plynná směs vodíku a dusíku v poměru 1:1 pod tlakem 100 kPa. Zpočátku směs na výstupu obsahovala méně než 1% vodíku. Koncentrace vodíku dosáhla hodnoty stejné jako na vstupu poté, co bylo v hranolu uskladněno asi 7 litrů vodíku.

·· , · · ·· a a « ·< a ·,· · »1·* *♦ >· •J ·,· ·'¹ ·..· M.· <*-Ί · *·.·*! a,·: · ·,·' ·'· ,·*.*,

Průmyslová využitelnost vynálezu

Způsob separace vodíku z plynných směsí je vhodný i pro směsi, ve kterých je minoritní složkou, Například odpadní plyny z procesu PSA obsahují 35% vodíku, který je možné dále využít.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob separace vodíku z plynných směsí vyznačující se tím, že plynná směs (3) se přivádí do uzavřeného prostoru (4) s polymemí pěnou (1) obsahující nekomunikující póry (2) po dobu než se alespoň část vodíku ze směsi (3) pohltí vpolymerní pěně (1), potom se v uzavřeném prostoru (4) sníží tlak a unikající vodík se jímá,
2. 2. Způsob separace vodíku podle nároku 1 vyznačující se tím, že polymerní pěnou (1) je extrudovaný pěnový polystyren.
3. 3. Způsob separace vodíku podle nároku 1 vyznačující se tím, že polymerní pěnou (1) je pěnový polystyren vyrobený z perliček.