CZ302850B6 - Zpusob separace vodíku z plynných smesí - Google Patents

Abstract

Zpusob separace vodíku z plynných smesí spocívá v tom, 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 vodík 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 tlak a 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 polymemích 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 separaěního procesu. Například při výrobě vodíku parním reformingem s kjeho čištění používá zejména procesu PSA (pressure swing adsorption) popsaného v patentech US 3430418 a US 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 separační procesy vyžadují vyšší obsah vodíku už ve výchozí směsi, 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 polymemích (např. polystyrénových, polyethylenových, polyímidových) pěn, s nekomunikujícími (uzavřenými) póry pro separaci vodíku ze směsí plynů, Polymemí pěna se jeví jako soustava separačních membrán rozdělující prostor do buněk - tj. jednotlivých pórů. Polymemí 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 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, vyplněného polymemí pěnou obsahující nekomunikující póry. Vzhledem k tomu, že na začátku separace je parciální tlak vodíku v pórech polymemí pěny nižší než vně pórů, 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 i dříve. Potom se uzavřený prostor propojí s prostorem o nižším tlaku (otevření odvodu, připojení na vývěvu) a díky vyrovnávání parciálního tlaku vodíku se vodík uvolňuje z polymemí pěny a je možné ho jímat pro další použití, přičemž je jeho koncentrace vyšší než v původně přiváděné plynné směsi.

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

-1 CZ 302850 B6

Přehled obrázků na výkresech

Obr. I: detail kousku polymemí pěny 1 obsahující uzavřené póry 2, přičemž šipkou je naznačen směr proudění plynné směsi 3.

Obr. 2: průřez uzavřeným prostorem 4 pro separaci vodíku, který je obalen kovovou fólií 5 a vyplněný polymemí pěnou s nekomunikujícími póry, přičemž obsahuje dva rovnoběžné kanály pro přívod 6 a odvod 7.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

K separaci byl vybrán fasádní pěnový polystyren, který se skládá z kousků polymemí pěny 1 (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 fólií 5, která byla na jeho povrch nalepena epoxidovou pryskyřicí. Fólie 5 zamezuje úniku plynů z hranolu. Do hranolu jsou vyvrtány dva rovnoběžné kanály 6, 7 pro přívod a odvod plynných směsí. 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 2 obsahovala asi 50 % vodíku.

Příklad 2

K separaci byl vybrán fasádní pěnový polystyren, který se skládá z kousků polymemí pěny 1 (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 fólií 5, která byla na jeho povrch nalepena epoxidovou pryskyřicí. Fólie 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 fólií 5, která byla na jeho povrch nalepena epoxidovou pryskyřicí. Fólie 5 zamezuje uniku plynů z hranolu. Hranol byl provrtán radou rovnoběžných kanálů vzájemně vzdálených 3 cm. Do kanálů, které byly propojeny v sérii, byla přivedena sepa- 2 CZ 302850 B6 rovaná 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.

Průmyslová využitelnost vynálezu

Způsob separace vodíku z plynných směsí je vhodný i pro směsí, 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 do kanálu (6) pro přívod v uzavřeném prostoru (4), který je vyplněný polymemí pěnou (1), která je, z přítomných složek plynné směsi, nejpropustnější pro vodík a obsahuje nekomunikující póry (2), se přivádí plynná směs (3), po té se kanál (6) pro přívod uzavře a kanál (7) pro vývod se propojí s prostorem o tlaku nižším než v uzavřeném prostoru (4), do něhož se unikající vodík jímá.
2. 2. Způsob separace vodíku podle nároku 1, vyznačující se tím, že polymemí pěnou (1) je extrudovaný pěnový polystyren.
3. 3. Způsob separace vodíku podle nároku 1, vyznačující se tím, že polymemí pěnou (1) je pěnový polystyren vyrobený z perliček.