Reaktor na simultánnu separáciu vodíka a kyslíka z vody

Číslo patentu: E 13025

Dátum: 16.12.2004

Autori: Wirth Harald, Röhrich Klaus, Kongmark Nils

Stiahnuť PDF súbor.

Text

Pozerať všetko

0001 Vodík je palivom budúcnosti. Hoci prebiehajú mnohé vývojové práce v oblasti palivových článkov, vodíkových spaľovacích motorov a v príbuzných technológiách, spotrebiče vodíka sú stále veľmi ďaleko od ekonomickej životaschopnosti. Doprava a uskladnenie vodíka sú ďalšími prekážkami pre rýchlu zmenu od ekonomiky poháňanej fosíinymi palivami k ekonomike poháñanej vodíkom.0002 Príklad z doterajšieho stavu techniky známych zariadení na generovanie vodíka z vody je opísaný v dokumente GB 1 532 403.0003 Zariadenie podľa nároku 1 je založené na tepelnej disociácii vody v membránovom reaktore na simultánnu stechiometrickú separáciu kyslíka a vodíka s optimalizovaným prenosom tepla a látky. Tak ako v samostatných malých výrobných prevádzkach vodíka alebo v prevádzkach stredného rozsahu, toto zariadenie bude napomáhať znižovaniu potreby transportu a uskladňovania vodíka. Preto to pomôže urýchliť zavedenie vodíka ako vektora energie, a preto sa očakáva, že to bude mať podstatný ekonomický význam.0004 Vodík vyrábaný pomocou zariadenia podľa vynálezu je čistý, jediným kontaminantom je voda. Môže sa dodávať priamo do palivového článku, a teda sa môže kombinovať so sériou palivových článkov na spoločnú produkciu tepla a elektriny pre domácnosti alebo malé prevádzky. Predstaviteľné je použitie tohto zariadenia v mobilných aplikáciách a veľmi kompaktné verzie sa môžu použiť v palivových článkoch automobilov.0005 Posledný vývoj v materiálovom sektore, a zvlášť vývoj nových typov membrán, umožnil výrobu ekonomicky životaschopných zariadení s dlhou životnosťou typu zariadení opísaných v tomto vynáleze.0006 Zariadenie podľa tohto vynálezu sa môže realizovať tak, ako je opísané s využitím spaľovania ako zdroja tepla. Dostupné teplo vyrábané spaľovaním sa zvýši použitím horúceho kyslíka z procesu rozkladu vody separovaného pomocou tohto zariadenia. Aj ked je spaľovanie acetyíénu s kyslíkom vyrábaným pomocou tohto zariadenia tepelne najvýhodnejšie, majú dalšie plyny, ako napríklad bután, zemný plyn alebo metanol, teploty plameňa (pozri Tabuľka 2) dostatočne vysoké na výrobu vodíka pomocou temiolýzy.0007 Výfukový plyn zo spaľovania bude obsahovať minimum oxidov uhlíka, pretože sa optimalizuje tok tepla a hmoty. Dalšími výfukovými produktmi sú len voda a prípadne niektoré uhľovodíky v dôsledku nedokonalosti spaľovania.0008 Zariadenie podľa tohto vynálezu sa môže modifikovať na použitie slnečného žiarenia ako zdroja tepla, a teda na výrobu vodíka z vody bez akýchkoNek emisií oxidov uhlíka.0009 Obrázok 1 ukazuje zariadenie podľa tohto vynálezu. Týmto zariadením je tepelne izolované vaícovitá komora reaktora (1). Cez komoru reaktora paralelne s jej osou prechádzajú tri typy jednej alebo viacerých rúrok so špecifickou funkciou1. jedna alebo viaceré v podstate pre plyn nepriepustné tuhé rúrky použité ako membrána na selektívny prechod vodíka (2), 2. jedna alebo viaceré v podstate pre plyn nepriepustné tuhé rúrky použité ako membrána na selektívny prechod kyslíka (3), a3. jedna alebo viaceré v podstate pre plyn nepriepustné tuhé rúrky obsahujúce zdroja tepla (4).0010 Usporiadanie s viacerými vyhrievajúcimi rúrkami alebo s práve jednou rúrkou je ilustrované na obrázkoch 2 a a 2 b. Významné je umiestnenie kyslíkovo-selektívnych membrán okolo zdroja tepla na ochranu ostatného objemu reaktora pred priamym radiačným prenosom tepla. Sú možné geometrické konfigurácie typu znázorneného na obrázku 2.0011 Komora reaktora obsahuje isté množstvo vody a má viaceré vstupy pre vodu (5).0012 Plyn sa spaíuje vo vnútri vyhrievajúcich rúrok (6). Zdrojom tepla môžu byť trubicové pórovité horáky, ktoré optimalizujú spaľovanie vo vnútri malých objemov. Acetylén je zvolený ako príklad uvedený na obrázku, ale môže sa tiež použit akýkoľvek iný plyn dosahujúci dostatočne vysoké teploty plameňa. Teplo sa prenáša stenami vyhrievajúcich rúrok, a vedením, konvekčne a radiačne, do vody vo vnútri reaktora a tiež na iné súčasti zariadenia.0013 Voda vo vnútri reaktora sa bude eventuálne meniť na paru a nakoniec disociovať na svoje súčasti atómový a molekulový vodík, kyslík a hydroxyl OH. lné možné kombinácie vodíka a kyslíka sú zanedbateľné, ich množstvo je pod ppm hladinou pre praktické teploty až do 2500 K a nad túto teplotu v závislosti od tennodynamických podmienok vo vnútri reaktora.0014 Kyslíkovo-selektívne membránové rúrky sú rozložené okolo zdroja tepla a umiestnené najtesnejšie k zdroju tepla, t.j. v oblasti, kde teplota, a teda stupeň disocíácie vody, je najvyššia a kde existuje značný parciálny tlak kyslíka. Kyslík prechádza membránou v dôsledku koncentračného rozdielu medzi vnútrom reaktora a vnútrom membránovej rúrky. Oddelený kyslík je smerovaný do plynového horáka, aby sa dosiahla najvyššia možná spalovacia teplota, a teda najvyšší možný stupeň disocíácie vody.0015 Okrem toho, kysIíkovo-selektívne membránové rúrky slúžia ako tepelný štít medzi zdrojom tepla a vodíkovými membránovými rúrkami a stenami reaktora.0016 Vodíkovo-selektívne membránové rúrky sú umiestené bližšie k stenám reaktora. Stena reaktora a prípadne aj vodíkové membránové rúrky sa chladia. Teploty v oblasti vodíkových membránových rúrok sú teda ovela nižšie než teploty v mieste disocíácie vody. Na zabezpečenie optimalizovaného fungovania vodíkovo-selektívnych membrán sú teploty typicky okolo 1000 °C alebo pod 1000 °C pri vyšších teplách začne prenos kyslíka a zhorší selektivitu, s poklesom teploty sa rýchlosti prenosu vodlka znížia.0017 Nadbytočný vodík v disociačnej oblasti, po tom ako sa extrahoval kyslík, bude difundovať v reaktore. Vodik sa extrahuje tak, aby pôsobil proti strate separovaného kyslíka a teda sa udržuje vyvážený absolútny pomer vodlka ku kyslíku v komore reaktora, t.j. v molekulovom pomere 21. 0018 Vo vnútri plynovo-selektívnych membránových rúrok musí byť nižší parciálny tlak zodpovedajúceho plynu ako zvonku, čím sa umožní funkcia membrány. To sa môže zabezpečiť napríklad pomocou pripojenia plynovo-selektívnych membránových rúrok k čerpadlem. Pomocou čerpania sa vytvorí plynový koncentračný gradient cez membránovú stenu. Vodik a kyslík budú prechádzať cez zodpovedajúce membrány a tieto plyny sa môžu nasmerovať na uskladnenie alebo k spotrebičom. Malá turbina v prúde výfukových plynov môže poskytnúť potrebnú elektrinu pre čerpadlá kyslíka a vodíka.0019 Na kompenzáciu extrahovaného kyslíka a vodlka sa vstrekuje voda. Vstupy vody sú usporiadané tak, že vodné kvapky alebo studené pary chladia všetky spoje medzi funkčnými rúrkami a komorou reaktora. vstrekovanie vody sa môže tiež realizovať pomocou penetrácie pár cez steny reaktora. Voda alebo para, ktorá sa vstrekuje, sa môže predhríať ako súčasť tepelnej izolácie a s teplom od výfukových plynov horákov.0020 Extrahované množstvo vodlka a kyslíka sa riadi tak, aby bolo 2 k 1, v ich stechiometrickom pomere vo vode. Teda, reaktor sa dopĺňa s presne zodpovedajúcim množstvom vody.0021 Požadovaná teplota pre disociáciu vody sa môže získať s rôznymi plynmi s dostatočne vysokou teplotou plameňa. Dostatočne vysoká teplota je definovaná pomocou požadovaného stupňa disocíácie vody. Tabulka 1 ukazuje pre tlak 1 bar stupeň disocíácie vody (hmotnostný zlomok v percentách) a parciálny tlak vodlka pri rôznych teplotách pary. Hodnoty boli vypočítané použitím softvéru STANJAN 11.Tabuľka 1 Disocíácia vody v hmotnostných percentách pri rôznych teplotách a pri zodpovedajúcom parciálnom tlaku vodíka.0022 Opísané zariadenie separuje kyslík z vody. Tento kyslík sa vedie do horáka na zlepšenie spaľovania v zmysle (a) čistejšieho odpadu a (b) vyššej teploty plameňa.(a)Ako čistejší sa rozumie zníženie obsahu NO, a uhľovodíkov vo výfukovom plyne. Výfukový plyn, ktorý bude hlavne obsahovať C 02 a vodu, sa môže kombinovať s vodíkom z tohto zariadenia na dávkovanie napríklad do Fischerovho-Tropschovho procesu. Oxid uhličitý sa môže zachytiť napríklad tak, že sa výfukový plyn nechá prebublávať cez kúpeľ s vápennou vodou.Tabulka 2 Približne teploty plameňa vo vzduchu a v kyslíku pre Vybraté plyny.približne teploty plameňa so vzduchom °C s O 2 °C bezolovnatý benzín 2030 2260 vodík 2100 2800 metanol 1870 2200 etanol 1920 2380 metán 1 960 2800(b) Zvýšenie teploty spaľovania je dôležité. Plamene väčšiny plynov so vzduchom dosahujú len teploty okolo 2000 °C (pozri Tabuľka 2), pričom teploty plameňa sa môžu zvýšiť nad 3000 °C. ked sa plyn spaluje s kyslíkom. Vzávislosti od použitého plynu, môže byť potrebné počas spúšťania zariadenia dodávať zásobný kyslík.0023 Neexistujú žiadne balastné plyny a dodávaná energia je len tá, ktorá je potrebná na teplo a disociáciu čerstvej vody a tá. ktorá je potrebná na udržanie pracovného bodu tepelne rovnovážnej situácie. ×0024 Tepelná účinnosť zariadenia sa môže zlepšiť, ak sa použije na dodávanie do zariadenia horúca para zo spotrebiča vodlka (palivového článku, vodíkového spaľovacieho motora).0025 Výroba vodíka a kyslíka sa môže zvýšiť pridaním kalalyzátora do reaktora. Príkladom sú katalyzátory s dvomi alebo viacerými oxidačnými stavmi ako napríklad systémy Zn-ZnO alebo FeOP 3203, kde Zn alebo FeO redukuje molekulu vody, kým ZnO alebo P 6203 uvoľňuje kyslík pri vysokej teplote.0026 Výroba vodíka a kyslíka sa môže tiež zvýšiť pomocou použitia katalytických membrán,ktoré štiepia molekuly vody, keď prichádzajú do kontaktu s povrchom membrány. Oxidy titánu a ceru vykazovali katalytické účinky. ked boli integrované do vysoko teplotných keramických membrán 21.0027 Aj pre membrány bez katalyzátora alebo aj pre katalytické membrány je pracovná teplota dosť vysoko nad 2000 °C. Napríklad pri 2227 °C (2500 K) a tlaku 6,75 barov vo vnútri reaktora je parciálny tlak vodíka okolo 169 mbarov.0028 Materiály, ktoré znášajú tieto podmienky, sú vzácne. Avšak dnešné materiály sú dostupné aj pre vyhrievajúce rúrky a horák, ako aj pre membrány separujúce plyn.0029 Pre vyhrievajúce rúrky je prvou voľbou graft alebo zirkónium s dostatočnou ochrannou povrchovou vrstvou s niektorým oxidom s vysokou teplotou topenia.0030 Separácia kyslíka sa môže uskutočniť s vysokým výťažkom pri teplote začinajúcej pri okolo 1200 °C. Separácia kyslíka v dôsledku iónového vedenia pre mnohé žiaruvzdorné materiály vzrastie s teplotou.0031 Použitím existujúcich membránových materiálov sa vodikovo-selektívne membránové rúrky umiestnili v oblasti, kde teplota je rádovo alebo pod 1000 °C. ktorá je blízko stien reaktora alebo dokonca sú intezgrované do stien reaktora. Separácia vodíka sa môže uskutočniť s rýchlosťou poriadku 10 cmalcm /min vzhľadom na výsledky s cermetovými membránami so zmiešanou vodivosťou 2, 0032 Nízka teplota v blízkosti a v stene reaktora umožňuje na zostavenie súčasti reaktora použitie lacných a hojných materiálov, ako je napríklad oxid hlinitý.1 STANJAN je softvér na výpočet chemických rovnováh vytvorený prof. Wm. C. Reynoldsom. Volné verzie sú dostupné na internete.2 Pozri napríklad U. Balachandran, T.H. Lee, S. Wang, a S.E. Dorris, Use of Mixed Conducting Membrane to Produce Hydrogen by Water Dissociation, Int. J. Hydrogen Energy 29 (2004) 291 296.1. Zariadenie na separáciu vody na vodík a kyslík, zahrnujúce tepelne izolovanú valcovitú komoru reaktora (1) a, v uvedenej komore reaktora paralelne s jej osou uložené, jednu alebo viaceré v podstate pre plyn nepriepustné tuhé rúrky obsahujúce zdroj tepla (4). jednu alebo viaceré v podstate pre plyn nepriepustné tuhé rúrky použité ako vodlkovo-selektivna(ne) membrána(ny) (2),jednu alebo viaceré v podstate pre plyn nepriepustné tuhé rúrky použité ako kyslíkovoselektívna(ne) membrána(ny) (3), a mechanizmus (5) na prechod vody alebo pary do uvedenej komory reaktora (1), vyznačujúce sa tým, že jedna alebo viaceré kyslíkovo-seIektívna(ne) membrána(ny) (3) je/sú umiestnená(é) okolo zdroja tepla (4) a uložená(é) najbližšie k zdroju tepla(4) tak, že uvedená(é) kyslikovo-selektívna(ne) membrána(ny) (3) sIúži(a) tiež ako tepelná ochrana medzi zdrojom tepla (4) avodíkovo-selektívnou(nymi) membránou(nami) (2) a stenami komory reaktora (1).2. Zariadenie podľa nároku 1. kde viaceré rúrky použité ako kysIíkovo-selektivne membrány (3) sú usporiadané koncentricky okolo vyhrievajúcej rúrky (4), a viaceré rúrky použité ako vodikovoselektivne membrány (2) sú usporiadané v sektore medzi rúrkami použitými ako kyslíkovoselektívne membrány (3) a stenou komory reaktora (1).3. Zariadenie podľa nároku 1, kde viaceré rúrky použité ako kyslíkovo-selektívne membrány (3) sú usporiadané koncentricky okolo vyhrievajúcej rúrky (4), a viaceré rúrky použité ako vodikovoselektívne membrány (2) sú usporiadané koncentricky medzi rúrkami použitými ako kyslíkovoselektlvne membrány (3) a stenou komory reaktora (1 ).4. Zariadenie podľa nároku 1, kde mechanizmus (5) na prechod vody alebo pary do uvedenej komory reaktora (1) zahmuje vstupy vody usporiadané tak, že kvapky vody alebo studená para chIadí(dia) všetky spoje medzi uvedenými rúrkami a uvedenou komorou reaktora (1).5. Zariadenie podľa nároku 1, kde zdroj tepla (4) pozostáva z jedného alebo viacerých pórovitých horákov.6. Zariadenie podľa nároku 1, kde sa ako zdroj tepla (4) používa slnečné žiarenie.7. Zariadenie podľa nároku 1, kde vodikovo-selektívna(ne) membrána(ny) (2) je/sú integrovaná(é) do steny komory reaktora (1).8. Zariadenie podľa nároku 1, kde komora reaktora (1) obsahuje katalyzátor.9. Zariadenie podľa nároku 1, kde vodíkovo-selektívna(ne) membrána(ny) (2) a/alebo kyslíkovoseIektlvna(ne) membrána(ny) (3) je/sú katalytická(ké) membrána(ny).

MPK / Značky

MPK: B01D 53/22, C01B 3/50, C01B 3/04, B01J 19/24, C01B 13/02

Značky: vodíka, reaktor, simultánnu, kyslíka, separáciu

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/6-e13025-reaktor-na-simultannu-separaciu-vodika-a-kyslika-z-vody.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Reaktor na simultánnu separáciu vodíka a kyslíka z vody</a>

Podobne patenty