專(zhuān)利名稱(chēng)：利用容重差分離氫氣的方法及該方法使用的專(zhuān)用分離裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分離氫氣的方法，特別是一種在工業(yè)上用容重差法分離氫氣的方法及其分離裝置。
背景技術(shù)：
氫氣不僅是重要的化學(xué)工業(yè)物質(zhì)，而且隨著近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，氫氣在發(fā)電工業(yè)、能源工業(yè)、甚至在軍事國(guó)防上體現(xiàn)出越來(lái)越大的作用，因此氫氣的生產(chǎn)和提取方法日顯重要，它決定和制約著氫氣在以上幾個(gè)方面的廣泛運(yùn)用。從最基本的化學(xué)試驗(yàn)中知道有用電解水和分解硫化氫等方法來(lái)提取少量純度較高的氫氣，而在工業(yè)生產(chǎn)中由于要連續(xù)不斷地收集氫氣，試驗(yàn)室的方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足氫氣的工業(yè)化生產(chǎn)。實(shí)際上現(xiàn)行大量生產(chǎn)氫氣的方法是在含氫氣的混合氣體中分離提取氫氣，用的是一種叫“深度冷凍”的方法，將含氫氣的混合氣體低溫冷凍，當(dāng)冷凍溫度達(dá)到氫氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，氫氣成為流動(dòng)的液態(tài)，再經(jīng)分溜塔分離后就可以直接得到液態(tài)氫氣，液態(tài)氫氣經(jīng)氣化后即可應(yīng)用于所屬領(lǐng)域。作為對(duì)傳統(tǒng)“深度冷凍”法生產(chǎn)氫氣的補(bǔ)充，近年來(lái)開(kāi)發(fā)了一種膜分離氫氣的方法，專(zhuān)利號(hào)為95117302.2的發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)了一種“用選擇性遞增的串聯(lián)膜分離氫氣”的方法，該方法是使用了至少兩個(gè)連續(xù)的氫膜分離器來(lái)完成氫氣的分離過(guò)程，入口含氫氣的混合氣通過(guò)處于第一操作溫度和壓力下的第一氫膜分離器，全部或部分從第一氫膜分離器出來(lái)的殘留混合氣通過(guò)處于第二操作溫度和壓力下的第二氫膜分離器，在兩個(gè)分離器中每一個(gè)的滲透出口都可以收集到純度較高的氫氣。以上介紹的是目前工業(yè)上普遍使用的氫氣的兩種分離方法，兩者互為補(bǔ)充各有特點(diǎn)，但都存在著設(shè)備復(fù)雜昂貴、操作條件嚴(yán)格、生產(chǎn)過(guò)程中能源消耗量大、成本高等問(wèn)題，還是無(wú)法滿(mǎn)足各行各業(yè)對(duì)氫氣量的大量需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出了一種利用容重差分離法的原理，可在常溫常壓下從含氫氣的混合氣體中大量分離氫氣的方法。
從主要含氫氣的混合氣體中分離氫氣的容重差分離法，是將常壓下含氫氣的混合氣體從入口通入中空的分離容器中，分離容器應(yīng)該有足夠大的容積，其橫截面積最小要達(dá)到28.26平方米，高度最小為9米，當(dāng)混合氣體的流速小于氫氣的分離速度時(shí)，含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混合氣體的氫氣自分離容器上方的出口排出并被收集，其余殘留氣體由分離容器下方的出口排出。氫氣的分子量為2，是化學(xué)元素中質(zhì)量最輕的物質(zhì)，與其它的氣體有著最大的容重差比，因此當(dāng)氫氣與其它氣體混合進(jìn)入體積足夠的容腔中時(shí)，當(dāng)混合氣體的流速小于氫氣的分離速度時(shí)，氫氣會(huì)從混合氣體中逐漸分離，最后基本上全部集中于容腔的頂部，其原理如同不同比重的液體在靜止?fàn)顟B(tài)下自動(dòng)分層一樣，這種容重差分離法按道理適用于任何混合氣體的分離，但由于氫氣特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)，本發(fā)明特別適用于從含氫氣的混合氣體中分離氫氣；容重差分離法不僅在理論上是成立的，還可以從一些簡(jiǎn)單的生活實(shí)踐中得以佐證比如說(shuō)自然界中，最輕的氫氣在大氣層外圍有少量存在，水汽上升到幾千米的高空冷凝成單個(gè)的水分子就成了云，二氧化碳、硫化氫等氣體下降到枯井，地窯中使人和動(dòng)物死亡，分離表現(xiàn)最清楚的是歐洲有一山洞，人進(jìn)去沒(méi)有問(wèn)題，而小貓小狗進(jìn)去卻會(huì)死亡，人把它們抱起來(lái)就沒(méi)事了，也就是說(shuō)分離高度不到2米，底層主要是二氧化碳，這是一個(gè)最好的自然容重差分離的例子。
根據(jù)以上的方法為了得到含量更高的氫氣，含氫氣的常壓混合氣體在進(jìn)入分離容器之前，先經(jīng)過(guò)一段橫截面積大于28.26平方米的水平緩沖氣道，并使混合氣體在其中的層流速度小于0.01米/秒；在實(shí)際的氫氣分離生產(chǎn)過(guò)程中，不可能將混合氣體處于靜止?fàn)顟B(tài)下分離氫氣，而是將混合氣體不斷地通入分離容器，氫氣則不斷的被提取收集，但混合氣體在分離容器的流速過(guò)大，氫氣與混合氣體始終處于混濁狀態(tài)無(wú)法分離，只有混合氣體在分離容器處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)才是氫氣分離的最基本的前提條件，為此將混合氣體先通入水平緩沖氣道中，使其前行速度盡量減少，根據(jù)反復(fù)多次試驗(yàn)得知當(dāng)前行速度小于0.01米/秒的層流速度時(shí)，才是氫氣最佳的分離狀態(tài)，此時(shí)的混合氣體緩慢前行，氫氣已開(kāi)始在行進(jìn)的垂直方向進(jìn)行分離，逐漸聚積至緩沖氣道的上部，混合氣體進(jìn)入分離容器后被進(jìn)一步細(xì)分，氫氣直接從分離容器的上方排出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明當(dāng)水平緩沖氣道的長(zhǎng)度大于72米時(shí)，常溫常壓下從分離容器中收集到的氫氣含量純度為90.2％，這里所述的混合氣體是由重油、輕油、天然氣、煤炭等氣化產(chǎn)生，主要成分為氫氣和一氧化碳，其中氫氣的含量約為40％；從試驗(yàn)中得知混合氣體的密度越大，分離出的氫氣的純度越高，當(dāng)水平緩沖氣道和分離容器中的壓力為400毫米水柱高時(shí)，從分離容器中收集到的氫氣含量純度為98％。在以上各個(gè)條件下要擴(kuò)大氫氣的生產(chǎn)量，只要相應(yīng)增加水平緩沖氣道的橫截面積和分離容器的橫截面積即可。
根據(jù)以上容重差法分離氫氣而設(shè)計(jì)的分離裝置的結(jié)構(gòu)如下中空柱體狀分離容器的上方設(shè)有氫氣排放出口，下方設(shè)有殘留氣體排放出口，分離容器在其柱體壁的偏下方的位置上與水平布置的混合氣體緩沖通道相連通，混合氣體進(jìn)口設(shè)在混合氣體緩沖通道的前端，減速通道將混合氣體進(jìn)口與混合氣體緩沖通道前端相連通；減速通道的作用是將有一定流速的混合氣體的速度減低至小于0.01米/秒的層流流速。
本發(fā)明所使用的分離容器為圓柱體形狀，其直徑最小為6米，高度最小為9米，混合氣體緩沖通道也是直徑最小為6米的圓柱體形狀，其長(zhǎng)度大于72米，這種結(jié)構(gòu)尺寸的分離設(shè)備可以保證在常溫常壓下，從分離容器氫氣排放出口處收集到的氫氣含量可以達(dá)到90.2％，在壓力為400毫米水柱高時(shí)，從分離容器氫氣排放出口處收集到的氫氣含量可以達(dá)到98％。
為了觀察了解分離容器中氫氣與其他氣體分界的情況，可以在分離容器圓柱體的外壁上安裝上氫位計(jì)，氫位計(jì)透明管中氫氣球的停留位置即是氫氣與其他氣體分界的位置；為了檢測(cè)混合氣體緩沖通道中不同路段氫氣的含量，可以在混合氣體緩沖通道的頂部安裝上三個(gè)氫表，第一個(gè)氫表離混合氣體緩沖通道的前端25米，測(cè)量范圍在40％--80％之間，第二個(gè)氫表離第一個(gè)氫表25米，測(cè)量范圍在60％--90％之間，第三個(gè)氫表離第二個(gè)氫表20米，測(cè)量范圍在60％--100％之間。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1容重差法分離氫氣完全利用了氫氣特有的物理性質(zhì)，因此工藝簡(jiǎn)單，所使用的分離裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便。2氫氣在分離過(guò)程中所產(chǎn)生的壓力主要來(lái)自于混合氣體氣化時(shí)的蒸氣壓力，無(wú)須額外輸入能量，因此能耗少成本低。3只要充分保證混合氣體供給的前提下，用本發(fā)明制造的分離裝置就能不間斷的收集氫氣，以滿(mǎn)足各行業(yè)對(duì)氫氣的大量需求。


圖1是根據(jù)本發(fā)明方法制造的一種典型分離裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，用容重差法分離氫氣的分離裝置的典型結(jié)構(gòu)主要由混合氣體緩沖通道4和分離容器2組成，分離容器2可以為任意形狀的中空密閉容腔，為制造、安裝和使用方便，將分離容器2定為圓柱體形狀并且豎直就位，為達(dá)到理想的氫氣收集效果，分離容器2的內(nèi)徑尺寸應(yīng)大于6米，高度大于9米，分離容器2的頂部和底部都固聯(lián)著向外有開(kāi)口的錐形端蓋，氫氣排放出口1與分離容器2頂部的錐形端蓋開(kāi)口連通，殘留氣體排放出口3與分離容器2底部的錐形端蓋開(kāi)口連通；混合氣體緩沖通道4截面形狀為圓形，其內(nèi)徑尺寸大于6米，長(zhǎng)度尺寸大于72米，混合氣體緩沖通道4水平直線放置，在混合氣體緩沖通道4的底部與分離容器2的底部平齊的位置上，混合氣體緩沖通道4的一端垂直穿過(guò)分離容器2的外壁與分離容器2內(nèi)腔連通，另一端與減速通道6連通，減速通道6再和混合氣進(jìn)口5連通，混合氣進(jìn)口5連通著氣化爐；氫位計(jì)7豎直安裝在分離容器2旁并與分離容器2外壁平行，氫位計(jì)7的上下進(jìn)出氣管穿過(guò)分離容器2外壁與分離容器2的內(nèi)腔連通，連通位置與混合氣體緩沖通道4的頂部和底部的位置相一致；三塊氫表安裝在在混合氣體緩沖通道4的頂部，第一個(gè)氫表的安裝位離混合氣體緩沖通道的前端25米，測(cè)量氫氣含量范圍在40％--80％之間，第二個(gè)氫表離第一個(gè)氫表25米，測(cè)量氫氣含量范圍在60％--100％之間，第三個(gè)氫表離第二個(gè)氫表20米，測(cè)量氫氣含量范圍在60％--100％之間。
權(quán)利要求
1利用容重差分離氫氣的方法，其特征在于常壓下含氫氣的混合氣體從入口通入中空的分離容器中，并使混合氣體的流速小于氫氣的分離速度時(shí)，含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混合氣體的氫氣自分離容器上方的出口排出并被收集，其余殘留氣體由分離容器下方的出口排出。
2根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用容重差分離氫氣的方法，其特征在于分離容器的橫截面積最小為28.26平方米，高度最小為9米。
3根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用容重差分離氫氣的方法，其特征在于為了得到含量更高的氫氣，含氫氣的常壓混合氣體在進(jìn)入分離容器之前，先經(jīng)過(guò)一段水平緩沖氣道進(jìn)行流速減速，使混合氣體在其中的層流速度小于0.01米/秒的氫氣分離速度。
4根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用容重差分離氫氣的方法，其特征在于水平緩沖氣道的長(zhǎng)度最小為72米，橫截面積最小為28.26平方米，當(dāng)混合氣體是由重油、輕油、天然氣、煤炭等氣化產(chǎn)生時(shí)，從分離容器中收集到的氫氣含量純度可達(dá)到90.2％。
5根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用容重差分離氫氣的方法，其特征在于當(dāng)水平緩沖氣道和分離容器中的壓力為400毫米水柱高時(shí)，從分離容器中收集到的氫氣含量純度可達(dá)到98％。
6利用容重差分離氫氣的分離裝置，其特征在于中空柱體狀分離容器(2)的上方設(shè)有氫氣排放出口(1)，下方設(shè)有殘留氣體排放出口(3)，分離容器(2)在其柱體壁的偏下方位置上與水平布置的混合氣體緩沖通道(4)相連通，混合氣體進(jìn)口(5)設(shè)在混合氣體緩沖通道(4)的前端，減速通道(6)將混合氣體進(jìn)口(5)與混合氣體緩沖通道(4)的前端相連通。
7根據(jù)權(quán)利要求6所述的分離裝置，其特征在于分離容器(2)為圓柱體形狀，其直徑最小為6米，高度最小為9米，混合氣體緩沖通道(4)也為直徑最小是6米的圓柱體形狀，長(zhǎng)度大于72米。
8根據(jù)權(quán)利要求7所述的分離裝置，其特征在于分離容器(2)的外壁上安裝有氫位計(jì)(7)，混合氣體緩沖通道(4)的頂部安裝有三個(gè)氫表，第一個(gè)氫表離混合氣體緩沖通道(4)的前端25米，第二個(gè)氫表離第一個(gè)氫表25米，第三個(gè)氫表離第二個(gè)氫表20米。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種利用容重差分離氫氣的方法，主要解決從含氫氣的混合氣體中將氫氣分離出來(lái)的問(wèn)題，利用氫氣容重比最大的特性，將含氫氣的混合氣體通入體積足夠大的容器中，并使混合氣體的流速小于分離速度時(shí)，氣體按容重差分離，氫氣上升至容器的上方并被提取收集，殘余氣體下降至容器的下方排出；容重差分離法分離氫氣的裝置也非常簡(jiǎn)單，主要由分離容器和混合氣體緩沖通道相連通組成，混合氣體緩沖通道前端還安裝有減速通道，混合氣體進(jìn)口與減速通道連通，用這種方法和裝置分離氫氣具有設(shè)備少、工藝簡(jiǎn)單、能耗少、成本低的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C01B3/50GK1669910SQ20051002048
公開(kāi)日2005年9月21日 申請(qǐng)日期2005年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月4日
發(fā)明者黎健雄 申請(qǐng)人:黎健雄