專利名稱：從混合氣中分離氫的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及從混合氣中分離氫的方法和設(shè)備，混合氣含氫、氧和殘余物并由一電氣機(jī)械尤其是充氫的渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生。
許多大型電氣機(jī)械尤其是輸出功率或消耗功率200MW以上的大型機(jī)械都充填氫和至少局部通過氫冷卻。由于氫的易燃性，所以這些機(jī)械要求采取認(rèn)真的密封措施，以防氫無控制地逸出。與此同時(shí)還需要遵守嚴(yán)格的安全規(guī)程，其中仔細(xì)記錄了在一臺(tái)機(jī)器中使用的氫和此氫萬一滲漏的量。尤其例如在密封裝置處可能出現(xiàn)的未被控制住的氫氣滲漏只允許在極有限的范圍內(nèi)，在這里往往關(guān)系到一個(gè)極限值，這一極限值要求動(dòng)用一切原則上可供使用的測(cè)量技術(shù)，以便控制氫的損失并保證，氫的絕大部分量至多經(jīng)一適當(dāng)設(shè)計(jì)和安全的通道泄出。
除了仔細(xì)地平衡氫的損失外，人們?cè)絹碓疥P(guān)注對(duì)受污染的氫的再處理，這種受污染的氫是在電氣機(jī)械的密封裝置等處產(chǎn)生的。污染的氫，其中污染物可能是空氣成分和來自潤(rùn)滑劑和密封劑的油霧和類似物，這種氫的再處理可有助于顯著減少氫的損失，并因而除了易于滿足按規(guī)范監(jiān)控氫的存在狀況的條件外，還能有助于令人滿意地降低該電氣機(jī)械的運(yùn)行成本。
由WO94/10740A1已知一種方法和一種設(shè)備，用于廢物處理來自充氫的電氣機(jī)械的含氫和殘余氣的排氣。其中，通過將殘余氣從排氣中分離出來使氫與殘余氣分離，并引回此電氣機(jī)械。殘余氣的分離例如通過使殘余氣被一種固態(tài)基體吸收來這實(shí)現(xiàn)。用于排氣的廢物處理的設(shè)備例如與一密封油箱連接，油箱內(nèi)收集用于密封電氣機(jī)械并在工作中飽含氫的專用油。氫和殘余氣通過真空萃取從密封油中提出，以及在氫與殘余氣分離后引回電氣機(jī)械。
WO94/10739A1涉及從一種充氫的電氣機(jī)械中排出氫。其中主要有關(guān)于從電氣機(jī)械中完全去除氫，以便能打開此機(jī)器進(jìn)行檢查或修理。在這種情況下氫被一固體存儲(chǔ)器尤其是氫化物存儲(chǔ)器所吸收，存儲(chǔ)器將氫以某種金屬氫化物的形式儲(chǔ)存起來。
此外，為了凈化在電氣機(jī)械中產(chǎn)生的氫可參閱美國(guó)專利4531070和JP1-318525A2(見日本專利摘要E-900第14卷125號(hào)，1990年3月8日)。在這兩種對(duì)比文件中，均通過將來自電氣機(jī)械的污染氫氣引入凈化裝置進(jìn)行干燥和凈化。在凈化裝置中，借助于適當(dāng)?shù)倪^濾器或吸附劑將污染物與氫分開，并將純凈的氫引回電氣機(jī)械。
有關(guān)氫的提純的現(xiàn)有技術(shù)一般可參閱第五次完全修訂版的書“Ullmann′s Encyclopedia of Industrial Chemistry”卷A13，363至385頁(yè)。該書的內(nèi)容較少涉及凈化在量上如作為電氣機(jī)械的廢氣等實(shí)際上可預(yù)期的量的氫，而主要涉及與氫的工業(yè)生產(chǎn)有關(guān)的氫的提純。由該書可知的有關(guān)現(xiàn)有技術(shù)所提供的指示，卻完全不能用于電氣機(jī)械。
在對(duì)化學(xué)工業(yè)而言為典型的范圍內(nèi)有關(guān)氫的提純，可見D Werner的論文“用于大量氫氣的氣體凈化方法(Gasreinigungsverfahren für groβeWasserstoff-Mengen)”，Chem.-Ing.-Tech.53(1981)73。特別應(yīng)提及在此論文中所闡述的擴(kuò)散法，它包括作為重要步驟的氫通過薄膜的擴(kuò)散。
同樣重要的還有DE2855049A1。由此可知，通過將氫化合在恰當(dāng)?shù)慕饘僦猩蓺浠?，使氫與伴生的雜質(zhì)分開。介紹了多種多樣這種金屬的實(shí)施例。
本發(fā)明的目的是提供一種從混合氣中分離氫的方法，這種混合氣含氫、氧和殘余物，該混合氣在一種電氣機(jī)械中形成。本發(fā)明還應(yīng)提供一種相應(yīng)的設(shè)備。
為達(dá)到本發(fā)明有關(guān)方法方面的目的，提供了一種用于從含氫、氧和殘余物的并在電機(jī)械中產(chǎn)生的混合氣中分離氫的方法，此方法包括下列步驟a)在混合氣中使氧與氫化合生成水；b)將水從混合氣中分離出來；以及c)通過將氫化合在固體反應(yīng)器內(nèi)將氫從混合氣中分離出來。
這種方法的重要優(yōu)點(diǎn)在于，原則上既不需要極端的溫度也不需要極端的壓力或不尋常的和難以處理的原料。只需使用相當(dāng)常用的原料和措施。
氧化合在氫中最好催化地進(jìn)行，也就是說借助于適用的催化劑。這種催化劑可以全部或部分地由金屬如鉑和鈀組成或由某些金屬氧化物組成；其他的指示可參閱上面已援引的書“Ullmann′s Encyclopedia of IndustrialChemistry”。
可能有利的是在氧與氫化合的步驟前壓縮混合氣，主要為了達(dá)到預(yù)期的減小要處理的容積的目的；當(dāng)然通常不需要如前面提及的書中所推薦用于某些方法中那樣以數(shù)百巴的數(shù)量級(jí)的壓力壓縮。
此外，有利的是在氧與氫化合的步驟前在混合氣中摻入附加的氫。通過附加地?fù)饺霘溆欣靥岣吡嘶旌蠚庵械臍涞臐舛鹊竭@樣的程度，即混合氣不再可能點(diǎn)燃。此外，有利的是，作為附加要摻入的氫所使用的是那些事先從混合氣中分離出來的氫。為此設(shè)計(jì)了某種氫的循環(huán)回路，為了降低和避免混合氣的易燃性必須制備附加的氫。
此外有利的是，從混合氣中分離水至少部分地通過冷凝和/或離心分離進(jìn)行。為了實(shí)施冷凝可設(shè)置一普通的熱交換器，它通過在氧與氫化合后冷卻混合氣完成所期望的冷凝；此外，最好附加地使含水的混合氣能例如在一旋風(fēng)分離器中遭受一次離心分離。
此外，為了將水盡可能充分地從氣流中分離出來，有利的是實(shí)施混合氣分子過篩?？赏ㄟ^使混合氣流過特殊的沸石，一種所謂的分子篩，來實(shí)施此分子過篩。這種分子過篩最好在一個(gè)由兩個(gè)分子篩組成的裝置中進(jìn)行，在一個(gè)分子篩中對(duì)混合氣進(jìn)行分子過篩，而另一個(gè)分子篩通過用干燥氣體最好氫吹洗再生。以此方式防止產(chǎn)生衰減，因?yàn)橛糜诜蛛x水的分子篩不必作為廢物排除，而是得到再生和重新使用并無需為此從設(shè)置用于實(shí)施此方法的設(shè)備中拆下此分子篩。用來再生分子篩的干燥氣體最好是氫，它事先從混合氣中分離出來，在輪到此分子篩執(zhí)行水的分離步驟前將此氫重新供入混合氣中。在一個(gè)分子篩中收集的水以此方式進(jìn)入此混合氣中或新提供的混合氣中，這是在提取此混合氣中本來就存在的水的部分前進(jìn)行的。有意義的是在一個(gè)分子篩上游設(shè)以其他方式工作的水分離器，它可以是旋風(fēng)分離器或冷凝器，這一水分離器最終吸納在分子篩內(nèi)收集的水并送往廢物處理裝置。應(yīng)當(dāng)指出，從混合氣中取出的水中包含溶解的氫；根據(jù)所產(chǎn)生的量也許這部分氫只具有次要的意義并因而可以忍受，不過當(dāng)然也可以將此含有氫的水在其最終作廢物排除前進(jìn)行一次真空萃取或采取類似的措施，以提取溶解的氫；所產(chǎn)生的當(dāng)然含雜質(zhì)的氫可以重新輸入反正要處理的混合氣中。
通常，有利的是在分離水的步驟中降低水在混合氣中的濃度到這樣的程序，即，此濃度與最高為-70℃的露點(diǎn)相應(yīng)。這意味著，只有在混合氣冷卻到低于一個(gè)適當(dāng)?shù)臏囟葧r(shí)才在混合氣中發(fā)生冷凝。在低溫下處理混合氣時(shí)并不一定要采取這一措施。
在本方法第一種最佳設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，氫在化合在固體反應(yīng)器內(nèi)的步驟中儲(chǔ)存在固體反應(yīng)器內(nèi)并排出混合氣的殘余物。在下面還將介紹其他適用的存儲(chǔ)器方案。
如已針對(duì)分子過篩在上面所說明的那樣，氫的化合同樣最好在一個(gè)至少有兩個(gè)存儲(chǔ)器的裝置中進(jìn)行，在其中一個(gè)存儲(chǔ)器內(nèi)實(shí)施化合，而此另一個(gè)存儲(chǔ)器排出事先儲(chǔ)存的氫。因此，此裝置可以保證本方法基本上穩(wěn)定地運(yùn)作。
在本方法另一種最佳設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，氫在固體反應(yīng)器中化合在薄膜上并通過薄膜擴(kuò)散；它以此方式與混合氣的殘余物分離。在下文中還將介紹設(shè)計(jì)為此類固體反應(yīng)器的其他方案。
此方法的每一種設(shè)計(jì)均非常適合于處理由充滿氫氣的渦輪發(fā)電機(jī)中獲得的混合氣，其中由混合氣中分離出的氫被引回到此電氣機(jī)械中。
為達(dá)到本發(fā)明有關(guān)設(shè)備方面的目的，按本發(fā)明提供了一種設(shè)備，用于在電氣機(jī)械中含氫、氧和殘余物的混合氣中分離氫，該設(shè)備有下列可被混合氣依次流過的部件a)反應(yīng)器，用于將氧化合在氫中生成水；b)水分離器，用于將水從混合氣體中分離出來；以及c)固體反應(yīng)器，用于通過將氫化合在固體反應(yīng)器中將氫分離出來。
此設(shè)備的重要優(yōu)點(diǎn)由前面對(duì)本發(fā)明方法的說明中可以推斷，對(duì)此應(yīng)強(qiáng)調(diào)指出。
設(shè)備最好有一回流管，用于在用來將氧化合在氫中的反應(yīng)器前將事先分離出來的氫摻入混合氣中。因此提供了這種可能性，即混合氣在氧與氫產(chǎn)生反應(yīng)前稀釋到不可能著火。所以可以推斷設(shè)備的操作特別簡(jiǎn)便，因?yàn)樵谌绱送昝赖脑O(shè)備中由氫和氧組成的以被普遍看作“爆轟氣”聞名的混合氣成問題的特性能順利地得到控制。
用于將氧化合在氫中的反應(yīng)器最好含有催化劑，用于催化氧和氫之間的反應(yīng)。這一改進(jìn)與剛才所說的這種改進(jìn)結(jié)合起來有突出的重要意義，其中通過摻入附加的氫降低了混合氣的易燃性。在這種情況下仍始終有可能造成一種因有大量過剩的氫所以是緩慢的并因而安全的催化反應(yīng)。即使沒有摻合附加的氫，尤其在混合氣內(nèi)氫的含量已足夠高或按其他方式采取了預(yù)防偶然點(diǎn)燃的措施時(shí)，設(shè)置用于氧與氫化合的催化劑也是有利的。因?yàn)檫@種催化劑使所期望的反應(yīng)自動(dòng)地和在沒有采取其他特殊易燃措施的情況下進(jìn)行。
此外，在設(shè)備中最好在用于氧化合在氫中的反應(yīng)器前設(shè)一壓縮機(jī)。此壓縮機(jī)可用來減小要處理的混合氣的容積并因而使設(shè)備的尺寸在總體上保持得較小；壓縮機(jī)還可以利用來為在混合氣中規(guī)定的其它反應(yīng)實(shí)現(xiàn)有利的壓力提升。應(yīng)指出這種可能性，即，使氫通過適當(dāng)?shù)谋∧U(kuò)散，來完成將氫從混合氣中分離出來的最后一個(gè)步驟。為了使之以具有適宜的高的速率地進(jìn)行，有必要調(diào)整為通過薄膜有一個(gè)足夠高的壓力降。為此，有此壓縮機(jī)也可以是有利的。
在設(shè)備中的水分離器最好包括一冷凝器和/或一旋風(fēng)分離器。有一個(gè)冷凝器和一個(gè)旋風(fēng)分離器是很恰當(dāng)?shù)模员闶顾罅糠蛛x。因此它們尤其考慮直接安排在將氧化合在氫中的反應(yīng)器后面，并將存在于混合氣中的水的絕大部分從氣流中除去。一個(gè)冷凝器和一個(gè)旋風(fēng)分離器還提供了這種可能性，即，將被分離的水連續(xù)地引出，并因而設(shè)備連續(xù)地和在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)工作；這一點(diǎn)對(duì)于在大型發(fā)電機(jī)中的使用有重要意義。
此外，在設(shè)備中的水分離器最好有一個(gè)具有分子篩的裝置。分子篩可用來使水的含量降到最低程度，并與此同時(shí)尤其達(dá)到對(duì)應(yīng)于低溫區(qū)露點(diǎn)的含水量。這一點(diǎn)是重要的，以便能從混合氣獲得最高純度的氫。但是通常一個(gè)分子篩不太適宜于從混合氣中除去大量的物質(zhì)。因此最好在一個(gè)分子篩前面設(shè)一其他型式的水分離裝置，尤其是一冷凝器或一旋風(fēng)分離器，和/或創(chuàng)造一種可能性，也即能用一新鮮的分子篩代替滿含水的分子篩，與此同時(shí)無需中斷設(shè)備的運(yùn)行。為此，設(shè)備尤其有一個(gè)具有兩個(gè)可交替地流過混合氣的分子篩的裝置和一個(gè)可輪流連接在每一個(gè)分子篩上的吹洗裝置，其中吹洗裝置規(guī)定用來借助于干燥氣體吹洗含水的分子篩。干燥氣體最好是事先分離出來的氫，它被相應(yīng)地引出，并在流過分子篩和吸收了水分后重新引入混合氣中，確切地說在水分離器前引入。
在設(shè)備的第一種最佳設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，固體反應(yīng)器是一個(gè)只用于流過氫的薄膜。
這種薄膜最好由鈀、鈀和銀的合金、鎳或一種塑料，尤其是芳香族的聚酰亞胺制成。這些薄膜市場(chǎng)上有售，并在引言所提及的書“Ullmann′s”中有說明；塑料制的薄膜由于成本原因通常應(yīng)給予最優(yōu)先的考慮。
在本發(fā)明第二種最佳設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，固體反應(yīng)器包含一個(gè)氫的存儲(chǔ)器，尤其是氫化物存儲(chǔ)器。在此設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，通過氫被存儲(chǔ)器吸收，實(shí)現(xiàn)氫與混合氣其他成分的分離，所以留下的是基本上沒有氫的殘余物，它可以從設(shè)備排出。氫的存儲(chǔ)器已知各種各樣的形式，仍可參閱援引的書“Ullmann′s”。用作這種存儲(chǔ)器的材料仍可考慮鈀，此外還有某些合金，例如由鐵和鈦組成的合金，它可以以某種金屬氫化物形式儲(chǔ)存氫。當(dāng)金屬與氫接觸時(shí)自發(fā)地生成這種金屬氫化物，而當(dāng)存儲(chǔ)器中的溫度升高超過某個(gè)肯定不是很高的極限時(shí)重新分解。存儲(chǔ)器的這種過程是可逆的；它可以按愿望重復(fù)進(jìn)行。
為了使設(shè)備有可能連續(xù)運(yùn)行，最好設(shè)兩個(gè)存儲(chǔ)器，它們可交替地連接在一根用于供應(yīng)混合氣的供入管上和一根用于排出已分離的氫的凈氣體管上，所以總有其中一個(gè)存儲(chǔ)器可儲(chǔ)存混合氣中的氫，而另一個(gè)存儲(chǔ)器排出事先被儲(chǔ)存的氫。因?yàn)樵S多存儲(chǔ)器在吸納和釋出氫的方面可通過調(diào)整其溫度得到控制，所以最好設(shè)一熱泵，它可冷卻規(guī)定用于吸納氫的那個(gè)存儲(chǔ)器，并與此同時(shí)可加熱規(guī)定用于釋出所儲(chǔ)存的氫的那個(gè)存儲(chǔ)器。這樣一種熱泵允許設(shè)備特別經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。
每一種前面所述結(jié)構(gòu)的設(shè)備的一項(xiàng)有利的進(jìn)一步改進(jìn)，其特點(diǎn)在于有一個(gè)設(shè)在氣體控制系統(tǒng)內(nèi)水分離器與固體反應(yīng)器之間的附加的過濾器，借助于此過濾器可將可能存在的有害物質(zhì)在它們到達(dá)固體反應(yīng)器之前從混合氣中除去，在這里有害物質(zhì)指的是一氧化碳和二氧化碳，可能還存在的氧以及氮化物和硫化物。用作這種過濾器的材料仍考慮采用一種合金，這種合金與可用于儲(chǔ)存形式上為金屬氫化物的氫的合金是相同的。這種合金比較容易與上述有害物質(zhì)化合，其結(jié)果可能使這種合金在用作氫的存儲(chǔ)材料時(shí)產(chǎn)生問題。然而正是這種造成反應(yīng)的趨勢(shì)可有利地加以利用，以便將這些有害物從混合氣中除去。在這里氫的儲(chǔ)存能力無關(guān)緊要。若這種過濾器完全充滿有害物質(zhì)，則可以將它換掉。存儲(chǔ)材料的再生按慣例是可能的，當(dāng)然需要加熱到一個(gè)較高的溫度，通常此溫度為攝氏數(shù)百度，當(dāng)此過濾器裝在設(shè)備中時(shí)這不是絕對(duì)可行的。
下面借助于


本發(fā)明的最佳實(shí)施例。附圖示意表示設(shè)備的線路圖，圖中在每一種情況下只表示了那些對(duì)于說明比較重要的組成部分。應(yīng)當(dāng)理解，真正實(shí)現(xiàn)所述類型的設(shè)備必須考慮到所有相關(guān)的要求，對(duì)于權(quán)威性的專家這些要求是常見的。在個(gè)別情況下可能需要在設(shè)備中設(shè)附加的部件，尤其是附加的閥和其他輔助裝置，具體為輸送裝置、調(diào)壓器、加熱器和冷卻器等。還必須考慮，按慣例必須有可能在設(shè)備充填氫和/或含氫的混合氣之前，能將氧完全從此設(shè)備中去除。此類裝置對(duì)于有關(guān)的專家而言都是熟悉的；因此略去對(duì)這些裝置的說明。
附圖具體表示圖1為用于從混合氣中分離出與電機(jī)相配置的氫的設(shè)備系統(tǒng)圖；圖2和圖3所示分別為在圖1所示設(shè)備中設(shè)置的固體反應(yīng)器的兩種實(shí)施例。
圖1表示一充填氫的帶有軸密封裝置2的電氣機(jī)械1，軸密封裝置對(duì)一根穿過此機(jī)械1的外殼從此電氣機(jī)械1伸出的軸進(jìn)行密封。密封借助于專用的油實(shí)現(xiàn)，此油在其使用過程中吸飽了氫并為了保證無可指摘地起作用從油中重新除去氫。這在一脫氣罐3中最好通過真空萃取或類似的處理來實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)然，用來密封電氣機(jī)械1的油中通常不僅含氫，而是還含有其他氣體，主要是空氣的成分并因而是氧，以及下面稱為“殘余物”的其他氣體。這些其他氣體主要是氮，由于它的反應(yīng)比較緩慢因此并不是必然會(huì)帶來問題，除氮之外還有二氧化碳和惰性氣體。殘余物的其他成分可以是碳?xì)浠衔?，它們包含在油中或通過分解由油生成。去除氧和殘余物也有重要意義，因?yàn)橐蝗辉趯⒂鸵貢r(shí)這些氣體會(huì)侵入電氣機(jī)械1并可能持續(xù)污染那里存在的氫。因?yàn)橥ǔ溆欣鋮s任務(wù)，它的功能因存在別的氣體顯著受損。因此，氧和殘余物必須仔細(xì)地從機(jī)械1中除去。
由脫氣罐3獲得的含氫、氧和殘余物的混合氣，經(jīng)由供入管4輸入用于分離氫的設(shè)備。在此設(shè)備中混合氣首先到達(dá)壓縮機(jī)5，在那里壓縮到一個(gè)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行有利的壓力。接著混合氣到達(dá)反應(yīng)器6，反應(yīng)器促使混合氣中的氧與氫化合生成水。反應(yīng)器6最好含一適當(dāng)?shù)拇呋瘎?，它例如可以是鉑或鈀。也可考慮選用某些金屬氧化物作催化劑。根據(jù)催化劑的類型可能要求反應(yīng)器6是能加熱的，以便能達(dá)到一個(gè)適合于催化劑的工作溫度。
離開反應(yīng)器6的混合氣流入水分離器7、8、9，在那里首先流入冷卻器7。冷卻器7可設(shè)計(jì)為冷凝器，也就是說它可將混合氣冷卻到使其中存在的水絕大部分凝結(jié)。在冷卻器7下游設(shè)一旋風(fēng)分離器8，它將以霧的形式分散在混合氣中的水分離出來。在旋風(fēng)分離器8中還可以通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)促使以蒸汽形式存在的水凝結(jié)。旋風(fēng)分離器8下游設(shè)有一具有兩個(gè)分子篩9的裝置。一個(gè)這樣的分子篩9含有一個(gè)作為主要部件的例如沸石，它有能力做到將一個(gè)個(gè)水的分子從混合氣濾出。這樣一種沸石例如是一種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的由硅、鋁、氧和鈉組成的化合物；這些物質(zhì)都是有關(guān)人員熟知的。設(shè)備相應(yīng)的閥可以使分子篩9輪流地流過混合氣或提供干燥氣流，干燥氣吸收并帶走儲(chǔ)存在分子篩9中的水。由此可使一個(gè)吸飽了水并因而沒有工作能力的分子篩去除水份，并恢復(fù)其篩濾功能。在此再生過程中同時(shí)形成的濕氣體原則上可作為廢氣排除；本發(fā)明的一種有利的進(jìn)一步改進(jìn)沒有這樣做，對(duì)此在下面將給予說明。在混合氣至少流過一個(gè)分子篩9之后，它基本上失去了所有的水份。因?yàn)樵群诨旌蠚庵械娜垦跻艳D(zhuǎn)變成水，所以此混合氣實(shí)際上也已無氧。因此混合氣僅僅還含有殘余物，至少含所有與水不同的殘余物組成部分。
在分子篩9之后混合氣來到一附加的過濾器10，它滯留住可能損害后面固體反應(yīng)器11的有害物質(zhì)。這些有害物質(zhì)就這里有關(guān)的而言為一氧化碳、二氧化碳、氧、二氧化硫、氧化氮以及活性的碳氧化合物。此附加的過濾器10最好含氫化物存儲(chǔ)物質(zhì)作為主要部分，它儲(chǔ)存形式上為氫化物的氫。此氫化物存儲(chǔ)物質(zhì)在附加的過濾器10中當(dāng)然并不是利用來儲(chǔ)存氫，而是利用其親合性來沉積已提及的有害物質(zhì)。若此氫化物存儲(chǔ)物質(zhì)已飽含了這種有害物質(zhì)，則必須更換此氫化物存儲(chǔ)物質(zhì)或整個(gè)附加的過濾器10。在有些情況下可以使之再生，然而這種再生需要將氫化物存儲(chǔ)物質(zhì)加熱到攝氏數(shù)百度的溫度，所以這最好在設(shè)備以外進(jìn)行。
在附加的過濾器之后混合氣到達(dá)一固體反應(yīng)器11，它從混合氣中除去全部留下的殘余物，并按最高純度制備氫。排氣管12用來排出從混合氣中留下的殘余物；純氫通過凈氣體管13引回電氣機(jī)械1。
純氫的一部分可從凈氣體管13中取出并供給分子篩9，以便為其中一個(gè)分子篩9脫去儲(chǔ)存的水并為了恢復(fù)其篩濾功能。圖1表示兩個(gè)帶閥門裝置的分子篩9，此閥門裝置允許執(zhí)行上述任務(wù)。在一個(gè)分子篩9中含有水的氫可通過一吹洗氣體管15重新引回設(shè)備的進(jìn)口區(qū)，具體而言是引回由冷卻器7、旋風(fēng)分離器8和這些分子篩9組成的水分離器之前。因此沒有損失任何氫，也不形成任何廢氣。從分子篩9釋出的水最終以液態(tài)收集在冷卻器7內(nèi)或旋風(fēng)分離器8內(nèi)，從那里可借助于相應(yīng)的設(shè)施間歇性地或連續(xù)地排出。
在圖1中沒有表示控制設(shè)備運(yùn)行的控制器。這種控制器的設(shè)計(jì)是眾所周知的，因此在這里無需作為對(duì)有關(guān)行家應(yīng)盡的義務(wù)作任何進(jìn)一步的說明。為了視圖清晰起見，在此附圖中也沒有畫上控制器。
下面借助于一個(gè)具體例子說明用此方法可以達(dá)到的凈化效果在電氣機(jī)械1密封系統(tǒng)中由脫氣罐3產(chǎn)生一種排氣，它(按體積比例)含60％氫，10％氧和30％殘余物，后者由29％氮和1％其他氣體組成。此排氣用直接取自電氣機(jī)械1的氣體稀釋到5倍體積。這種氣體(按體積比例)含97％氫，0.5％氧和3％殘余物，后者含2％氮和1％其他氣體。通過稀釋排氣形成的混合氣首先到一個(gè)常規(guī)的分離器中，它按傳統(tǒng)的方法除去水和可能在密封系統(tǒng)中產(chǎn)生的油蒸氣。接著，混合氣到達(dá)上面所介紹類型的設(shè)備中。在反應(yīng)器7內(nèi)存在的氧與氫化合并產(chǎn)生水。在反應(yīng)器之后，混合氣含90％氫，0.05％氧，7％氮和2.35％水。此混合氣到達(dá)水分離器7、8、9，并在那里最后去分子篩9。在分子篩9之后形成的混合氣含92％氫，0.05％氧，7％氮和0.05％水?；旌蠚庖赃@一形式到達(dá)固體反應(yīng)器11，在其中進(jìn)行進(jìn)一步的凈化并在那里最終獲得一種凈氣體，它由99.999％的氫組成。并有0.0001％氧，0.0005％氮和0.0004％水作為一些主要的雜質(zhì)。此凈氣體被引回電氣機(jī)械1。
人們知道，利用此設(shè)備不僅可保持在電氣機(jī)械1內(nèi)氣體有確定的純度，而且此設(shè)備甚至可促使氣體更加純凈。在電氣機(jī)械1中存在著氫，如已說明的那樣這種氫的純度只有約97％。通過利用上述設(shè)備使氫獲得顯著提高了的純度，亦即99.999％，并引回電氣機(jī)械1，因此在此電氣機(jī)械內(nèi)的其他氣體的比例下降。通過適當(dāng)選擇在設(shè)備中加以處理的混合氣的量，可以調(diào)整在電氣機(jī)械1內(nèi)氫所期望的純度。在所描述的實(shí)際例子中，在設(shè)備內(nèi)處理的混合氣量為1NM3/h；在設(shè)備內(nèi)輸送的總氣體量約為3.5NM3/h，總氣體量中包括如已提及的循環(huán)的氫。
圖2表示固體反應(yīng)器11的最佳實(shí)施例。此固體反應(yīng)器11的主要組成部分是兩個(gè)氫化物存儲(chǔ)器17，它們通過相應(yīng)的閥18和19與排氣管12、凈氣體管13和供入管16(還可見圖1)連接。在排氣管12上的連接經(jīng)由安全閥18實(shí)現(xiàn)，當(dāng)在“一個(gè)”氫化物存儲(chǔ)器17內(nèi)壓力超過某一閾值時(shí)，通過安全閥18泄出從混合氣體分離出來的殘余物。當(dāng)然可以設(shè)更復(fù)雜的閥門裝置，但并不是絕對(duì)必要的。分配閥19最終可以使此氫化物存儲(chǔ)器17交替地與供入管16或凈氣體管13連接。設(shè)有兩個(gè)氫化物存儲(chǔ)器17，為的是允許準(zhǔn)連續(xù)式工作?？偸瞧渲幸粋€(gè)氫化物存儲(chǔ)器17連接在供入管16上，而另一個(gè)氫化物存儲(chǔ)器17連接在凈氣管13上。每一個(gè)氫化物存儲(chǔ)器17有一水套20，借助于此水套20，氫化物存儲(chǔ)器17仍經(jīng)由相應(yīng)的分配閥有選擇地用熱泵21冷卻或加熱。為了使氫化物存儲(chǔ)器17能儲(chǔ)存氫，對(duì)其進(jìn)行冷卻，為此經(jīng)冷卻水泵22和相應(yīng)接通的閥在其水套內(nèi)泵入冷卻水。若氫化物存儲(chǔ)器17重新放出所儲(chǔ)存的氫，則其水套20經(jīng)由熱水泵23充填熱水并釋放所儲(chǔ)存的氫，所以氫可到達(dá)凈氣體管13中。雖然具有氫化物存儲(chǔ)器17和熱泵21的固體反應(yīng)器11乍一看比較復(fù)雜，但是當(dāng)電氣機(jī)械1為了檢查或修理應(yīng)當(dāng)打開時(shí)，按照這些氫化物存儲(chǔ)器17的尺寸，固體反應(yīng)器11或許能允許附加地儲(chǔ)存包含在電氣機(jī)械1內(nèi)的全部氫。對(duì)此仍可參閱所援引的現(xiàn)有技術(shù)的相應(yīng)的文獻(xiàn)。此外，為了運(yùn)行熱泵21可利用借助于圖1說明的冷卻器7作為附加的熱源，并因而可以非常節(jié)能地工作。
圖3表示了固體反應(yīng)器11的另一個(gè)最佳實(shí)施例，其中的一個(gè)主要組成部分是帶有一個(gè)裝在它里面的透氫薄膜26的薄膜殼體25。薄膜26圍繞著一個(gè)腔，腔內(nèi)只有氫能進(jìn)入，氫沉積在薄膜26內(nèi)并通過薄膜擴(kuò)散。在此腔外薄膜殼體25內(nèi)通入供入管16并供應(yīng)預(yù)凈化的混合氣。只有氫能通過薄膜26擴(kuò)散并因而到達(dá)凈氣體管13中；氧和混合氣的其他成分不可能穿過薄膜26；它們聚集在被薄膜26封閉的腔外部的薄膜殼體25內(nèi)，并可經(jīng)安全閥27進(jìn)入排氣管12。為了必要時(shí)能清洗薄膜殼體25設(shè)一氮?dú)夤?8，在需要時(shí)例如為了吹洗，可從氮?dú)夤?8在薄膜殼體25內(nèi)放入純凈的氮。為了使此氮?dú)獠粫?huì)去設(shè)備的其他部分，在供入管16中設(shè)相應(yīng)的截止閥29。為了薄膜26的工作在有些情況下提高溫度是有利的；為此在必要時(shí)可設(shè)一加熱器30。由現(xiàn)有技術(shù)已知薄膜26用的材料；可考慮選用材料如鈀和鎳，此外還有某些可透過氫的塑料。這種塑料的一個(gè)例子是商標(biāo)名稱為“Naphion”的芳香族聚酰亞胺。
按圖3的固體反應(yīng)器11結(jié)構(gòu)比按圖2的固體反應(yīng)器11簡(jiǎn)單；然而與結(jié)構(gòu)方面帶來的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)相比，肯定給功能造成了相對(duì)的缺點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)適宜的氫的流量通過薄膜26，必須經(jīng)由此薄膜26保持一個(gè)相當(dāng)大的壓力降，這意味著借助于薄膜26待凈化的混合氣必須壓縮到一個(gè)相應(yīng)的高壓。因此需要功率特別大的壓縮機(jī)5(見圖1)，或在有的情況下需要加一臺(tái)壓縮機(jī)；這意味著，在有的情況下圖3所示固體反應(yīng)器11的能耗，明顯地高于圖2所示固體反應(yīng)器11的能耗。
因此，所介紹的兩種固體反應(yīng)器11的實(shí)施形式地位彼此均等；在它們之間的選用可在考慮了有關(guān)的所有特殊情況后作出。
權(quán)利要求
1.一種從在電氣機(jī)械(1)中形成的混合氣分離氫的方法，此混合氣含氫、氧和殘余物，此方法包括下列步驟a)使混合氣中的氧與氫化合生成水；b)將水從混合氣中分離出來；以及c)通過將氫化合在固體反應(yīng)器(11)內(nèi)將氫從混合氣中分離出來。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中，將氧化合在氫中催化地進(jìn)行。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，混合氣在氧與氫化合的步驟前被壓縮。
4.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，混合氣在氧與氫化合的步驟前摻合附加的氫。
5.按照權(quán)利要求4所述的方法，其中，通過附加地?fù)胶蠚涮岣吡嘶旌蠚庵袣涞臐舛龋够旌蠚獠豢赡茳c(diǎn)燃。
6.按照權(quán)利要求4或5所述的方法，其中，附加地?fù)饺氲臍涫孪葟幕旌蠚庵蟹蛛x出來。
7.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，從混合氣中分離水至少部分地通過冷凝和/或離心分離進(jìn)行。
8.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，水的分離至少部分地通過分子過篩進(jìn)行。
9.按照權(quán)利要求8所述的方法，其中，分子過篩在一個(gè)由兩個(gè)分子篩(9)組成的裝置中進(jìn)行，在一個(gè)分子篩(9)中進(jìn)行分子過篩，而另一個(gè)分子篩(9)通過用干燥氣體最好氫吹洗再生。
10.按照權(quán)利要求9所述的方法，其中，此另一個(gè)分子篩(9)用氫再生，氫事先從混合氣分離出來，在輪到此分子篩實(shí)施分離水的步驟前，將它重新供入混合氣中。
11.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，在分離水的步驟中降低水在混合氣中的濃度到這樣的程度，即，此濃度與最高為-70℃的露點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。
12.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，氫在化合在固體反應(yīng)器(11)中的步驟中儲(chǔ)存起來并排出混合氣的殘余物。
13.按照權(quán)利要求12所述的方法，其中，氫化合在固體反應(yīng)器(11)中借助于至少兩個(gè)存儲(chǔ)器(17)進(jìn)行，在其中一個(gè)存儲(chǔ)器(17)內(nèi)實(shí)施化合，而此另一個(gè)存儲(chǔ)器(17)排出事先儲(chǔ)存的氫。
14.按照權(quán)利要求1至11中任一項(xiàng)所述的方法，其中，氫在固體反應(yīng)器(11)中化合在薄膜(26)上，通過薄膜擴(kuò)散并以此方式與混合氣殘余物分離。
15.按照上述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中，由混合氣分離出來的氫被送回電氣機(jī)械(1)。
16.一種從在電氣機(jī)械(1)中的混合氣分離氫的設(shè)備，此混合氣含氫、氧和殘余物，此設(shè)備有下列可被混合氣依次流過的部件a)反應(yīng)器(6)，用于將氧化合在氫中生成水；b)水分離器(7、8、9)，用于將水從混合氣中分離出來；以及c)固體反應(yīng)器(11)，用于通過將氫化合在固體反應(yīng)器(11)中將氫分離出來。
17.按照權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其有一回流管(14)，用于在用來將氧化合在氫中的反應(yīng)器(6)前將事先分離出來氫摻入混合氣。
18.按照權(quán)利要求16或17所述的設(shè)備，其中，用于將氧化合在氫中的反應(yīng)器(6)有一催化劑，用于催化氧和氫之間的反應(yīng)。
19.按照權(quán)利要求16至18中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，包括一個(gè)壓縮機(jī)(5)，用于在將氧化合在氫中的反應(yīng)器(6)前壓縮混合氣。
20.按照權(quán)利要求16至19中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，水分離器(7、8、9)有一冷凝器(7)和/或一旋風(fēng)分離器(8)。
21.按照權(quán)利要求16至20中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，水分離器(7、8、9)有一分子篩裝置(9)。
22.按照權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其中，分子篩裝置(9)有兩個(gè)可交替地流過混合氣的分子篩(9)和一個(gè)可輪流連接在每一個(gè)分子篩(9)上的吹洗裝置(15)，后者用于借助于干燥氣體吹洗相應(yīng)的分子篩(9)。
23.按照權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中，吹洗裝置(15)安排用于導(dǎo)出事先分離出來的氫、用氫吹洗分子篩(9)以及將氫回流到水分離器(7、8、9)前面。
24.按照權(quán)利要求16至23中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，固體反應(yīng)器(11)有一個(gè)只用于流過氫的薄膜(26)。
25.按照權(quán)利要求24所述的設(shè)備，其中，薄膜(26)由鈀、鈀和銀的合金、鎳或一種塑料尤其是芳香族的聚酰亞胺制成。
26.按照權(quán)利要求16至23中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，固體反應(yīng)器(11)包括一個(gè)氫的存儲(chǔ)器(17)，尤其是氫化物存儲(chǔ)器(17)。
27.按照權(quán)利要求26所述的設(shè)備，它有一個(gè)包括兩個(gè)存儲(chǔ)器(17)的裝置，它們可交替地連接在一根供入混合氣的供入管(16)上和一根排出氫的凈氣體管(14)上。
28.按照權(quán)利要求27所述的設(shè)備，它包括一臺(tái)熱泵(21)，通過它可冷卻連接在供入管(16)上的存儲(chǔ)器(17)，并與此同時(shí)可加熱連接在凈氣體管(14)上的存儲(chǔ)器(17)。
29.按照權(quán)利要求16至28中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中，在水分離器(7、8、9)與固體反應(yīng)器(11)之間設(shè)一附加的過濾器(10)。
30.按照權(quán)利要求29所述的設(shè)備，其中，附加的過濾器(10)是一氫的存儲(chǔ)器，尤其是氫化物存儲(chǔ)器。
全文摘要
一種從混合氣中分離氫的方法和設(shè)備,此混合氣含氫、氧和殘余物并由一電氣機(jī)械(1)產(chǎn)生。其中首先為了生成水將氧化合在氫中并將水分離出來,接著通過將氫化合在固體反應(yīng)器(11)中完成氫的分離。實(shí)施此方法的設(shè)備包括用于將氧化合在氫中的反應(yīng)器(6)、用于分離水的水分離器(7、8、9)以及固體反應(yīng)器(11)。該方法和設(shè)備特別適用于處理由借助于氫冷卻的渦輪發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的混合氣。
文檔編號(hào)C01B3/00GK1196030SQ96196856
公開日1998年10月14日 申請(qǐng)日期1996年9月5日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月14日
發(fā)明者赫爾穆特·雷姆, 克勞斯·韋勒, 彼得·舍恩菲爾德 申請(qǐng)人:西門子公司