IT8320752A1 - Metodo per recuperare ossigeno da sistemi di conversione dell'anidride carbonica - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo:
"METODO PER RECUPERARE OSSIGENO DA SISTEMI DI CONVERSIONE DELL'ANIDRIDE CARBONICA"
RIASSUNTO
Viene presentato un procedimento per recuperare ossigeno dall'anidride carbonica, che costituisce un miglioramento rispetta al procedimento convenzionale consistente nell'utilizzare un catalizzatore carburo di ferro in tale procedimento di recupero. Come nei procedimenti convenzionali, l'anidride carbonica viene fatta reagire con l'idrogeno per formare una miscela di metano ed acqua. Il metano prodotto viene quindi fatto passare su una superficie di vetro stabile alle alte temperature, riscaldata a circa 1000?C - 1200?C per produrre idrogeno gassoso e carbonio ad alta densit?, avente cio? una densit? superiore a circa 2 g per cm3 Ci? risulta in una diminuzione del problema dell'immagazzinaggio del materiale carbonico dovuto alla sua alta densit?. L'idrogeno gassoso prodotto viene inoltre riciclato nell'anidride carbonica entrante per ottenere la reazione.
TESTO DELLA DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda il ricupero di gas e la formazione di carbonio, e particolarmente i sistemi integrati di questo tipo che funzionano in continuo.
In molti ambienti ? necessario recuperare l'ossigeno dall'anidride carbonica esalata dai mammiferi, per esempio nell'ambiente dei sottomarini o dei veicoli spaziali. Tale recupero viene generalmente realizzato facendo passare l'aria caricata di anidride carbonica attraverso un concentratore di anidride carbonica e quindi trasferendo l'anidride carbonica concentrata in un sistema di riduzione dell'anidride carbonica. Sono stati usati diversi procedimenti di riduzione dell'anidride carbonica inclusi mezzi sia chimici che elettrochimici. Attualmente vengono preferibilmente usati i procedimenti Sabatier e Bosch insieme all'elettrolisi dell'acqua. Bench? la reazione di 5abatier
richieda una strumentazione pi? semplice, il rapporto molare richiesto di 4:1 dell'idrogeno rispetto all'anidride carbonica ^supera il rapporto molare dell'idrogeno rispetto all'anidride carbonica disponibile negli ambienti tipici (come per esempio nei veicoli spaziali dove il rapporto ? di circa 2,6:1) e perci? produce anidride carbonica non reagita.
Le tecniche di riduzione dell'anidride carbonica quali il procedimento Bosch prevedono una serie di reazioni sequenziali con un equilibrio pi? favorevole per un eventuale recupero dell'ossigeno dall'anidride carbonica. L'idrogeno derivante dal sistema di generazione dell'ossigeno pu? essere combinato con l'anidride carbonica nel sistema di riduzione dell'anidride carbonica per produrre acqua e carbonio solido. L'acqua viene quindi trasferita nel sistema di generazione dell'ossigeno dove viene sottoposta ad elettrolisi per produrre ossigeno per l'equipaggio e idrogeno per il sistema di riduzione dell'anidride carbonica, completando cos? il ciclo di recupero dell'ossigeno.
Allo stadio di sviluppo attuale, il sistema Bosch richiede l'uso di un catalizzatore ferro non recuperabile che funziona a 700?C. il carbonio solido con una bassa densit? di impacchettamento di circa 0,5 g per cm3 viene depositato sul catalizzatore. L'attivit? del catalizzatore ferro iniziale, abitualmente in forma di lana di acciaio, aumenta dopo l'avvenuta deposizione dei carbonio. Il motivo di tale condizione sembra essere che il ferro contenente carbonio contiene pi? ferro attivo e/o ingredienti di carburo di ferro.
Tuttavia anche con questa sistema vi sono dei problemi. La gestione del carbonio prodotto presenta seri problemi in questo schema di procedimento Bosch. Il carbonio reagisce con il catalizzatore ferro formando carburo di ferro che migra attraverso la massa del carbonio prodotto. Ci? presenta un problema difficile nella separazione del carbonio dal catalizzatore, il che porta ad un consumo del catalizzatore che richiede ulteriore catalizzatore non recuperabile. Il carbonio viene depositato come un solido con una bassa densit? di impacchettamento (0,5 g per cm3) il che provoca un notevole problema di immagazzinaggio. A causa delle alte temperature interessate, devono essere maneggiati degli inquinanti problematici quali ossido di carbonio, anidride carbonica, metano ed idrogeno.
Di conseguenza, ci? di cui si ha bisogno in questo campo ? un procedimento per recuperare l'ossigeno dall'anidride carbonica, che risolva i problemi precedentemente descritti.
La presente invenzione concerne un perfezionamento del metodo convenzionale di recupero dell'ossigeno dagli scarichi di anidride carbonica facendo reagire l'anidride carbonica con l'idrogeno per formare una miscela di metano ed acqua e sottoponendo ad elettrolisi l'acqua per formare idrogeno gassosa ed ossigeno. Questo metodo viene perfezionato facendo passare il metano prodotto su una superficie di vetro stabile alle alte temperature che viene riscaldata ad una temperatura di circa 1000 - 1200?C per produrre idrogeno gassoso per la reazione con anidride carbonica e producendo anche un deposito di carbonio con una densit? superiore a circa 2 g per cm3. Tale metodo ha i vantaggi di eliminare le grandi quantit? di ossido di carbonio dei sistemi convenzionali Bosch, di produrre carbonio con una densit? molto superiore che richiede un volume di immagazzinaggio inferiore, ed di eliminare il materiale catalizzatore non recuperabile che potrebbe essere contaminato o diversamente dover essere sostituito.
Quanto detto precedentemente ed altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione diventeranno pi? chiari dalla seguente descrizione e dai disegni allegati.
La figura 1 mostra schematicamente il sistema di recupero dell'ossigeno basato sull'anidride carbonica secondo la presente invenzione.
La figura 2 mostra un apparecchio tipico per la parte di formazione del carbonio ad alta densit? della presente invenzione.
Il sistema di conversione dell'anidride carbonica per il recupero di ossigeno della presente invenzione viene mostrato con riferimento alle figure. Come qui mostrato, il procedimento ? un procedimento a due fasi che porta alla produzione totale di un carbonio ad alta densit? e di acqua che pu? essere dissociata per fornire ossigeno. L'anidride carbonica viene idrogenata su di un catalizzatore di idrogenazione (quale Hamilton Standard UASC 151G - 20% in peso di rutenio su granuli di allumina) nel reattore iniziale 1 per formare metano ed acqua come descritto dalla reazione esotermica: II gas trattato che lascia il reattore iniziale viene raffreddato, il vapore acqueo prodotto nella reazione viene condensato e separato in un condensatore/separatore convenzionale 2 (si noti che per applicazioni di viaggi spaziali viene preferito un condensatore/separatore a lastra porosa). -L'aria dell'ambiente della cabina pu? essere utilizzatat per effettuare la condensazione del vapore acqueo. Il metano non condensabile contenente corrente di gas viene quindi diretto ad uno scambiatore di calore a ricupero 3 dove viene riscaldato prima di entrare nella seconda fase.
Il metano viene decomposto nel reattore del secondo stadio 4 in carbonio denso (superiore a 2 gm/cc) e idrogeno su una superficie di vetro non catalitico liscia a circa 10D0?C - 12D0?C con la seguente reazione endotermica:
* L'idrogeno prodotto in questa reazione viene quindi aggiunto alla corrente di alimentazione dell'idrogeno che entra con un rapporto molare di circa 2, 2:2, 8 dell'idrogeno gassoso rispetto all'anidride carbonica. Questo risulta in un rapporto molare della corrente globale dei reagenti di 4,2 - 4,8. Questo rapporto molare dell'idrogeno rispetto all'anidride carbonica assicura che tutta l'anidride carbonica entrante verr? fatta reagire fino a completamento.
Le superfici di vetro utilizzate per la decomposizione e la raccolta dei carbonio ad alta densit? possono essere costituite da qualsiasi vetro stabile alle alte temperature che non si ammorbidisca n? si deformi alle temperature di 1000?C - 1200?C usate nella presente invenzione. Vetri esempi? icativi resistenti alle alte temperature sono i vetri di quarzo e vetri con un alto contenuto di silice (per esempio i vetri Vycor) prodotti dalla Corning Glass Works, Corning, New York. Il vetro pu? essere usato sotto forma di aste piene, lastre oppure tubi o cilindri cavi. Il carbonio depositato sulle superfici di vetro pu? essere rimosso semplicemente picchiettando il vetro su una superficie solida e levando il carbonio denso formato.
Il riscaldamento pu? essere fornito al sistema mediante qualsiasi mezzo convenzionale, bench? si preferisca il riscaldamento mediante forni a resistenza. Un allestimento esemplificativo dei forni a resistenza include l'uso di refrattari standard e di aste di carburo di silicio Globar prodotte dalla Norton Company, Worcester, Massachusetts. Se si usa un riscaldatore convenzionale a resistenza, le bobine vengono avvolte intorno alla camera del vetro oppure ad un'altra camera di riscaldamento contenente le aste o i tubi in vetro e da qualsiasi fonte di energia convenzionale viene alimentata al riscaldatore a resistenza corrente sufficiente ad ottenere la temperatura desiderata.
Un gruppo riscaldato da un forno a resistenza viene illustrato nella figura 2 dove il tubo in vetro 9 viene inserito tra i dispositivi di tenuta refrattari convenzionali 13 e circondato da una muffola di allumina 14. Due delle sei aste di carburo di silicio Globar 13, come descritto precedentemente, con un elemento di riscaldamento attivo di 228,6 mm, vengono illustrate posizionate intorno alla muffola di allumina e l'intera unit? incassata in una chiusura di refrattari standard. Se il deposita di carbonio deve avvenire all'interno del tubo in vetro, il metano entrer? come indicato dalla freccia 9 e l'idrogeno gassoso verr? scaricato come indicato dalla freccia 10. Tuttavia, se si desidera che la deposizione abbia luogo esternamente al tubo di vetro, dovranno essere previsti dei canali 16 e 17, come indicato dalle linee tratteggiate, attraverso i dispositivi di tenuta refrattari per consentire l'entrata del gas metano 18 e l'uscita dello scarico dell'idrogeno gassoso 19.
Bench? si possano usare per la deposizione temperature superiori a circa 1200?C, non sono desiderabili temperature superiori a 1200?C sia per motivi di rendimento energetico che per motivi di stabilit? del sistema totale. Ed il fatto che non venga usato nessun catalizzatore in questa fase diminuisce la preoccupazione rispetto alia tolleranza alle impurit?. Per esempio, il metano staurato con vapore acqueo pu? ancora essere trattato per ottenere carbonio ad alta densit? e idrogeno gassoso secondo la presente invenzione.
La quantit? di metano fatto fluire attraverso il vetro o sul vetro dipende dall'area di superficie del vetro e dalle temperature usate. Possono essere usate velocit? di flusso da 10 cc al minuto a 1300 cc ai minuto per temperature che vanno da 1000?C a 1200?C, per depositare il carbonio ad alta densit? all'esterno delle aste o dei tubi in vetro oppure all'interno dei tubi in vetro con diametri che vanno da 3 a 30 mm. Una forma di realizzazione preferita consiste nella deposizione sulla superficie interna di un tubo in vetro cavo di 22 mm ad una velocit? di flusso del metano di 30 cc al minuto ad una temperatura di 1200?C. Il metano viene generalmente fatto passare attraverso il sistema ad una pressione compresa tra la pressione atmosferica e 41370 tar oltre la pressione atmosferica. Bench? si preferisca usare un moto laminare per alimentare il metano ai tubi in vetro nel reattore 4, si pensa che funzioni anche il moto turbolento con la presente invenzione.
ESEMPIO
E' stato montato un forno di deposizione utilizzando un riscaldatore a resistenza. (Vedere fig. 3). Il forno impiegava 6 riscaldatori ad aste a resistenza di carburo di silicio con un diametro di 1,25 cm ed una lunghezza di 46 cm, disposti in un cerchio intorno ad un tubo di allumina con un diametro di 7 cm ed una lunghezza di 50 cm. Il metano ? stato fatto passare attraverso un tubo di silice sospeso entro la muffola di alluminio. Una termocoppia in platino/platino rodio ? stata usata per misurare la temperatura del tubo di silice. Poich? il diametro interno del tubo di allumina era superiore ai 5 cm, dapprima ? stato posto dentro al forno un tubo di silice con un diametro interno di 25 mm ed un diametro esterno di 28 mm. Un ciclo di 5 ore e mezzo a 1200?C con una velocit? di flusso del metano di 100 cc al minuto ha prodotto un deposito di carbonio denso con una densit? superiore a 2 g/cc. Anche un ciclo simile di 2,8 ore con una velocit? di flusso del metano di 40 cc al minuto ha prodotto degli strati di carbonio depositato ad alta densit? (superiore a 2 g/cc).
La natura ciclica del procedimento secondo la presente invenzione pu? essere apprezzata esaminando pi? da vicino la figura 1. L'acqua uscente dallo scambiatore di calore - condensatore 2 viene convenzionalmente sottoposta ad elettrolisi per produrre ossigeno per la respirazione (per esempio nello spazio) ed idrogeno per la reazione con la CO2 esalata. Lo scambiatore di calore fornisce anche un mezzo per climatizzare l'aria della cabina. Lo scambiatore di calore 3 viene usato sia per riscaldare il metano che per raffreddare l'idrogeno, ambedue per un'ulteriore reazione. Di conseguenza, il sistema non ? solo efficiente dal punto di vista del materiale, bens? anche dal punto di vista del calore.
Le recenti prove realizzate sulla fase di composizione del metano della reazione hanno consentito di ottenere carbonio ad alta densit? che si forma su superfici di vetro non catalitiche con una dissociazione del metano quasi completa. Questo carbonio pu? facilmente essere staccato dalla superficie di vetro mediante raffreddamento. Ci? produce una riduzione nel volume di immagazzinaggio del carbonio ed elimina i fabbisogni di catalizzatore non riceuperabile della tecnica precedente, come precedentemente discusso.
Bench? la presente invenzione sia stata mostrata e descritta con riferimento
Claims (5)
1. Metodo per recuperare ossigeno da scarichi di anidride carbonica comprendente il fatto di far reagire l'anidride carbonica con idrogeno per formare una miscela di metano ed acqua e l'elettrolisi dell'acqua per formare idrogeno gassoso ed ossigeno, caratterizzato dal fatto di comprendere il far passare il metano prodotto su una superficie di vetro stabile alle alte temperature riscaldata ad una temperatura di circa 1000?C - 1200?C per produrre depositi di carbonio avente una densit? superiore a circa 2 g per cm3 e idrogeno gassoso da far reagire con l'anidride carbonica.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il flusso di metano ? di circa 10 cm3 - 1300 cm3 al minuto.
3. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il vetro ? in forma di tubi o aste.
4. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il riscaldamento viene fornito per mezzo di un riscaldamento mediante forno a resistenza.
5. Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il flusso ? sostanzialmente un flusso laminare,
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