Способ и установка для аккумулирования газа внутри нанопор твердого носителя

Способ и установка для аккумулирования газа внутри нанопор твердого носителя

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к физико-химическим методам аккумулирования газообразных веществ и позволяет выполнять аккумулирование таких веществ в порах нанометрового размера внутри твердого носителя.

Известно устройство аккумулирования газа (Патент США 2663626, опубл. 22.12.1953), в котором для аккумулирования природного газа (метана) используется предварительное охлаждение газа до температуры, слегка выше температуры сжижения газа при данном рабочем давлении (˜ -160°С при атмосферном давлении) и дальнейшее адсорбирование данного газа внутри твердого адсорбента. За счет охлаждения газа адсорбирование газа происходит намного эффективнее, чем при обычной температуре. Также при этом происходит эффективное удаление тех примесей газа, адсорбция которых существенно не возрастает при используемых низких температурах (азот и т.д.).

Недостатками данного изобретения являются необходимость использования криогенных температур, что усложняет конструкцию и возможность адсорбирования только определенных газов (метан), адсорбция которых существенно возрастает при понижении температуры.

Известен способ и установка для аккумулирования газа (Патент РФ N 2228485, МПК F17C 11/00, опубл. 2004.05.10), выбранные в качестве прототипа. Данное устройство состоит из источника подачи газа, емкости для аккумулирования газа, адсорбента, заключенного в данную емкость, газообразной или жидкой среды с температурой замораживания, более высокой, чем соответствующая температура сжижения данного газа, устройства для введения данного газа и данной среды в данную емкость, устройства для выдерживания указанного содержимого данной емкости при низкой температуре, ниже соответствующей температуры сжижения данного газа, а также устройства для выдерживания указанного содержимого данной емкости при температуре, более высокой, чем соответствующая температура сжижения адсорбата, но более низкой, чем соответствующая температура замораживания жидкой среды.

В указанном выше прототипе для аккумулирования газа используется 3-х стадийный процесс. На первой стадии аккумулируемый газ вводится в адсорбент при температуре - ниже температуры сжижения данного адсорбируемого газа, т.е. газ адсорбируется в сжиженном состоянии. На второй стадии в адсорбент вводится промежуточная жидкая или газообразная среда с температурой замораживания, более высокой, чем температура сжижения аккумулированного газа. При этом адсорбированный в сжиженном состоянии газ инкапсулируется данной замороженной средой. На третьей стадии температура системы повышается до нормальных значений, при которой адсорбированный газ переходит в газообразное, но инкапсулированное в промежуточной среде состояние.

Недостатком этого способа является необходимость использования пониженных температур (в случае адсорбции водорода - -252.87°С), что значительно увеличивает энергопотребление процесса.

Недостатками устройства в данном патенте являются использование сосуда Дъюара для охлаждения адсорбента и адсорбата, что является сложным технически, особенно для больших объемов материалов, а также необходимость использования криогенных жидких газов (например, жидкого азота), что существенно удорожает процесс хранения. Также недостатком является необходимость использования дополнительного бака для хранения вещества с повышенной температурой замерзания.

Задачей изобретения является улучшение степени аккумулирования газообразных веществ в порах нанометрового размера, образованных внутри твердого носителя, без использования низких температур.

Технический результат данного изобретения заключается в упрощении процесса адсорбирования газа за счет специального подбора комбинации: диаметр нанопор носителя - размер молекул-присадок, которые в определенной пропорции добавляются в адсорбируемый газ, а также выбора диапазона рабочей температуры хранения и температуры адсорбирования/десорбирования газа.

Технический результат достигается тем, что в способе аккумулирования газа внутри нанопор твердого носителя, включающем трехстадийный процесс аккумулирования адсорбента с использованием газообразной присадки, новым является то, что на первой стадии проводят адсорбцию газообразного вещества и вещества присадки при повышенной температуре и высоком давлении, на второй стадии температуру системы понижают до температуры хранения, а давление - до нормального, и на третьей стадии систему регулируемо нагревают до температуры, обеспечивающей требуемый отбор газа.

Технический результат достигается также тем, что в установке для аккумулирования газа внутри нанопор твердого носителя, содержащей емкость, слой адсорбента и патрубок для введения и выведения газа, новым является то, что материал адсорбента имеет нанопоры с диаметром 4-20 Å, а диаметр молекул присадки выбирается на 1.5-4 Å меньше диаметра нанопор, но при этом больше либо равным диаметра молекул адсорбированного газа, а также нагреватель.

Сопоставительный анализ заявляемых решений с прототипом показывает, что в способе адсорбирования газа (прототипе), содержащем твердый носитель с системой нанопор или каналов для адсорбции данного газа, не используется свойство самостоятельной адсорбции этого вещества в нанопорах носителя. Для этого используется специальный адсорбат, содержащий нанопоры с минимальным внутренним диаметром каналов 4-20 Å, а также специальное газообразное вещество-присадка, которое в малой концентрации (10^-5-10^-1 от количества аккумулируемого газа) добавляется в аккумулируемый газ. Молекулы присадки выбираются по диаметру на 1.5-4 Å меньше минимального диаметра каналов адсорбента, но при этом больше или равным диаметра молекул адсорбированного газа. При этом присадка выбирается так, что за счет химического или Вандер-Ваальсового взаимодействия со стенками канала данные молекулы обладают при рабочей температуре (температуре хранения газа) очень низкой подвижностью, т.е. они практически не перемещаются вдоль нанопор. Молекулы присадки разделяют весь объем нанопор на смежные полости со случайной длиной, инкапсулируя внутри этих отдельных полостей молекулы адсорбируемого газа, проникшие внутрь на этапе адсорбирования при высокой температуре. Таким образом, заявляемые технические решения соответствуют критерию «новизна».

Сравнение заявляемых технических решений не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемые решения от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлена упрощенная схема устройства для адсорбирования газа. На фиг.2 представлен адсорбент (однослойные углеродные нанотрубки (7,7) и молекула вещества-присадки (С₁₇Н₃₂) внутри нее.

Предлагаемая установка для применения данного способа (фиг.1) состоит из емкости 1 с вмонтированным внутри нее или снаружи нагревателем 2 и присоединенным к емкости патрубком 3. Через этот патрубок внутрь емкости или наружу подается аккумулируемый газ. Внутри емкости расположен слой порошкообразного твердого носителя-адсорбента 4, который состоит из материала, обладающего развитой системой нанопор (каналов) с определенным диаметром нанопор. В качестве материала могут использоваться однослойные нанотрубки, например - углеродные, с внутренним диаметром канала 4-20 Å или цеолиты типов А, X, Y с каналами, имеющими узкие участки аналогичного диаметра. В емкость введено в малой концентрации (10^-5-10^-1 от количества аккумулируемого газа) газообразное при рабочей температуре вещество-присадка, которое подбирается исходя из диаметра каналов адсорбента.

В качестве конкретной пары адсобент-присадка использовались углеродные однослойные нанотрубки вида (7,7) с внутренним диаметром канала ˜9.8 Å и бицикличекое соединение 1,1,3,3,4,6,7,7,8-нонаметилбицикло[2,2,2]октан с химической формулой C₁₇H₃₂ (фиг.2).

Способ адсорбирования газа включает три стадии.

На первой стадии температура адсорбента повышается до температуры адсорбции, выбираемой в диапазоне 200-900°С. Внутрь него закачивается адсорбируемый газ, например водород, содержащий небольшую концентрацию молекул присадки, под давлением в диапазоне 1-900 атм. Молекулы адсорбируемого газа легко проникают внутрь нанопор адсорбента. При этих условиях туда же в случайном порядке за счет высокой подвижности при высокой температуре проникают молекулы вещества присадки, разделяя, т.е. запирая, весь объем каналов адсорбента на отдельные участки пор со случайной длиной и, соответственно, объемом.

На второй стадии температура адсорбента понижается до рабочей температуры удержания адсорбата, которой обычно является комнатная или близкая к ней температура. При этом внешнее давление газа за счет отбора газа также понижается до нормального значения, при котором происходит хранение газа. За счет понижения температуры подвижность молекул вещества присадки в каналах резко уменьшается, что приводит к запиранию адсорбированного газа внутри нанопор.

На третьей стадии - стадии потребления адсорбата температура адсорбента регулируемо повышается до температуры, необходимой для требуемой скорости выделения адсорбированного газа из нанопор и его потребления.

Необходимо добавить, что в данном способе также возможно аккумулирование смеси различных газов, с различными характеристиками, например температурами сжижения.

К преимуществам данного изобретения относятся:

- высокая степень адсорбции газа;

- отсутствие необходимости использования низких температур;

- возможность адсорбирования смеси газов.

1. Способ аккумулирования газа внутри нанопор твердого носителя, включающий трехстадийный процесс аккумулирования адсорбента с использованием газообразной присадки, отличающийся тем, что на первой стадии проводят адсорбцию газообразного вещества и вещества присадки при повышенной температуре и высоком давлении, на второй стадии температуру системы понижают до температуры хранения, а давление - до нормального, и на третьей стадии систему регулируемо нагревают до температуры, обеспечивающей требуемый отбор газа.

2. Установка для аккумулирования газа внутри нанопор твердого носителя, содержащая емкость, слой адсорбента и патрубок для введения и выведения газа, отличающаяся тем, что материал адсорбента имеет нанопоры диаметром 4-20 Å, а диаметр молекул присадки на 1,5-4 Å меньше диаметра нанопор, но при этом больше или равен диаметру молекул адсорбированного газа, а также нагреватель.