CN112999821A - 安全节能无污染的氢、氧混合气体分离设备及分离方法 - Google Patents

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胡亮
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Abstract

本发明涉及一种安全节能无污染的氢、氧混合气体分离设备及分离方法，属于新能源领域。设备主体为一个体积不变的密闭容器，主体内的温度恒定在‑45℃~‑35℃，压强为4~5Pa；主体的中部两侧分别设有氢氧混合气体进口和氮气进口，主体的上部设有氢气出口，下部设有氧气出口，所述氢氧混合气体进口、氮气进口分别安装进气阀门，所述氢气出口、氧气出口分别安装出气阀门；主体的内部设有密封的活塞一、塞二，在气压的作用下沿主体的内壁上下移动。在氢气、氧气的混合气体中，加入一定比例的氮气，在一定大气压下，通过改变温度的方式，可以分离出氢气，这种方法不但安全，而且节能、无污染。

Description

安全节能无污染的氢、氧混合气体分离设备及分离方法
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，特别涉及多种混合气体分离领域，尤指一种安全节能无污染的氢、氧混合气体分离设备及分离方法。
背景技术
传统的氢气分离方法主要有：低温冷凝法、变压吸附法、金属氢化物法、催化脱氧法等几种方法。
低温冷疑法：基于氢与其它气体沸点差异大的原理，在操作温度下，使除氢以外所有高沸点组分冷凝为液体的分离方法·适合氢含量30-80%的原料气回收氢。产氢纯度90-98%。冷凝法的最大弊端是耗能，氢气的标准沸点为-256.75℃,氧气-118.57℃，达到这样的温度需要的能耗非常巨大并且安全度很低。
变压吸附（PSA）：是以特定的吸附剂（多孔固体物质）内部表面对气体分子的物理吸附为基础，利用吸附剂在相同压力下易吸附高沸点组分、不易吸附低沸点组分和高压下吸附量增加、低压下吸附量减少的特性，将原料气在一定压力下通过吸附床，相对于氢的高沸点杂质组分被选择性吸附，低沸点的氢气不易被吸附而穿过吸附床，达到氢和杂质组分的分离，此方法由于吸附剂的使用，污染环境严重，不符合节能环保的要求。
金属氢化物法：利用贮氢合金对氢的选择性，生成金属氢化物，氢中的其它杂质浓缩于氢化物之外，随着废气排出。金属氢化物分离放出氢气。从而使氢气纯化，此方法也是污染高，不符合节能环保要求。
催化脱氧法：用钯或铂作催化剂，氧和氢反应生成水，用分子筛干燥脱水，特别适用于电解氢的脱氧纯化，可制得高纯氢，但由于钯或铂的使用，此方法也是高污染，高消耗的方案。
综上所述，传统的制氢方法存在诸多问题，急需改造出一种安全节能无污染的氢、氧混合气体分离方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种安全节能无污染的氢、氧混合气体分离设备及分离方法，解决了现有氢气低温分离技术存在的上述问题。本发明采用增加氮气的方式，在高压低温情况下进行高纯度氢气提存，能够达到安全、节能、无污染的提纯目的。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
安全节能无污染的氢、氧混合气体分离设备，主体1为一个体积不变的密闭容器，主体1内的温度恒定在-45℃~ -35℃，压强为4~5Pa；主体1的中部两侧分别设有氢氧混合气体进口2和氮气进口3，主体1的上部设有氢气出口4，下部设有氧气出口5，所述氢氧混合气体进口2、氮气进口3安装进气阀门，所述氢气出口4、氧气出口5分别安装出气阀门；主体1的内部设有密封的活塞一6、活塞二7，活塞一6、活塞二7在气压的作用下沿主体1的内壁上下移动。
所述的氢气出口4的出气阀门内安装氢气分子筛网。
所述的氧气出口5的出气阀门内安装氧气分子筛网。
本发明的另一目的在于提供一种安全节能无污染的氢、氧混合气体分离方法，包括如下步骤：
步骤一、准备氢、氧混合气体分离设备；
步骤二、通过氮气进口3向主体1加压注入1/5体积的氮气，并保持主体1内的压强、温度不变；
步骤三、通过氢氧混合气体进口2向主体1内加压注入氢气、氧气的混合气体，继续保持压强、温度不变，增加氢气、氧气的混合气体后，活塞一6向上移动至氢气出口4与主体1顶端之间的位置，活塞二7向下移动至氧气出口5与主体1底部之间的位置，氢气、氧气、氮气进行分层，最上层是分离后的氢气，最下层是分离后的氧气，中间层为氮气；分离后的氢气通过氢气出口4排出，浓度在95%以上；分离后的氧气通过氧气出口5排出。
本发明的有益效果在于：
1、安全，由于氮气的加入，本方法中氢气与氧气所产生的混合物，不会因为膨胀、体积突然变大、静电等不安全因素产生***，混合气体会产生氨气（NH3）。
2、低能耗，和传统低温分离方法比较，恒温-40℃所使用的能耗非常低。
3、无污染，不同于金属氢化物法，本发明生产过程中不会使用到重金属等反应物，也不会产生污染气体。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的氢、氧混合气体分离设备的结构示意图；
图2为本发明的氢、氧混合气体分离方法的流程图。
图中：1、主体；2、氢氧混合气体进口；3、氮气进口；4、氢气出口；5、氧气出口；6、活塞一；7、活塞二。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1及图2所示，本发明的安全节能无污染的氢、氧混合气体分离设备及分离方法，可以对氢气、氧气的混合气体进行提纯氢气，在中氢氧混合气体，加入一定比例的氮气，在一定大气压下，通过改变温度的方式，可以分离出氢气，这种方法不但安全，而且节能、无污染。
参见图1所示，本发明的安全节能无污染的氢、氧混合气体分离设备，主体1、氢氧混合气体进口2、氮气进口3、氢气出口4、氧气出口5、活塞一6、活塞二7，所述主体1为一个体积不变的密闭容器，主体1内的温度恒定在-45℃~ -35℃，压强为4~5帕标准大气压；主体1的中部两侧分别设有氢氧混合气体进口2和氮气进口3，主体1的上部设有氢气出口4，下部设有氧气出口5，所述氢氧混合气体进口2、氮气进口3安装进气阀门，所述氢气出口4、氧气出口5分别安装出气阀门；主体1的内部设有密封不透气的活塞一6、活塞二7，活塞一6、活塞二7在气压的作用下沿主体1的内壁上下移动。
所述的氢气出口4的出气阀门内安装氢气分子筛网，氢气分子筛只允许氢气通过。
所述的氧气出口5的出气阀门内安装氧气分子筛网，氧气分子筛可以允许氧气和氮气排出。
参见图2所示，本发明的安全节能无污染的氢、氧混合气体分离方法，包括如下步骤：
步骤一、准备氢、氧混合气体分离设备；
步骤二、通过氮气进口3向主体1内加压注入体积1/5比例的氮气，并保持主体1内的压强、温度不变；
步骤三、通过氢氧混合气体进口2向主体1内加压注入氢气、氧气的混合气体，继续保持压强、温度不变，增加氢气、氧气的混合气体后，活塞一6向上移动至氢气出口4与主体1顶端之间的位置，活塞二7向下移动至氧气出口5与主体1底部之间的位置，氢气、氧气、氮气进行分层，最上层是分离后的氢气，最下层是分离后的氧气，中间层为氮气；分离后的氢气通过氢气出口4排出，浓度在95%以上；分离后的氧气通过氧气出口5排出。
实施例：
准备密闭钢质圆柱形容器一个，高1.2米，柱面半径0.2米，中部两侧分别设有氢氧混合气体进口2和氮气进口3，上部设有氢气出口4，下部设有氧气出口5，所述氢氧混合气体进口2、氮气进口3安装进气阀门，所述氢气出口4、氧气出口5分别安装出气阀门；容器内部设有密封不透气的活塞一6、活塞二7，活塞一6、活塞二7在气压的作用下沿主体1的内壁上下移动。通过氮气进口3加入氮气，保持5Pa大气压，-40℃。完成后，向容器内注入氢气、氧气混合气体，保持大气压不变，但可以推动活塞一、活塞二上下移动，在这个温度和压强下，氢气、氧气、氮气进行分层，最上层是氢气，最下层是氧气，中间层为氮气，随着活塞的移动，氢气通过氢气出口排出，氧气通过氧气出口排出，氢气分子筛只允许氢气通过，氧气出口的氧气分子筛可以允许氧气和氮气排出，这样就完成了氢气的提取。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种安全节能无污染的氢、氧混合气体分离设备，其特征在于：主体（1）为一个体积不变的密闭容器，主体（1）内的温度恒定在-45℃~ -35℃，压强为4~5Pa；主体（1）的中部两侧分别设有氢氧混合气体进口（2）和氮气进口（3），主体（1）的上部设有氢气出口（4），下部设有氧气出口（5），所述氢氧混合气体进口（2）、氮气进口（3）分别安装进气阀门，所述氢气出口（4）、氧气出口（5）分别安装出气阀门；主体（1）的内部设有密封的活塞一（6）、活塞二（7），活塞一（6）、活塞二（7）在气压的作用下沿主体（1）的内壁上下移动。
2.根据权利要求1所述的安全节能无污染的氢、氧混合气体分离设备，其特征在于：所述的氢气出口（4）的出气阀门内安装氢气分子筛网。
3.根据权利要求1所述的安全节能无污染的氢、氧混合气体分离设备，其特征在于：所述的氧气出口（5）的出气阀门内安装氧气分子筛网。
4.一种利用权利要求1-3任一项所述的安全节能无污染的氢、氧混合气体分离设备实现的安全节能无污染的氢、氧混合气体分离方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、准备氢、氧混合气体分离设备；
步骤二、通过氮气进口（3）向主体（1）内加压注入1/5体积的氮气，并保持主体（1）内的压强、温度不变；
步骤三、通过氢氧混合气体进口（2）向主体（1）内加压注入氢气、氧气的混合气体，继续保持压强、温度不变，增加氢气、氧气的混合气体后，活塞一（6）向上移动至氢气出口（4）与主体（1）顶端之间的位置，活塞二（7）向下移动至氧气出口（5）与主体（1）底部之间的位置，氢气、氧气、氮气进行分层，最上层是分离后的氢气，最下层是分离后的氧气，中间层为氮气；分离后的氢气通过氢气出口（4）排出，浓度在95%以上；分离后的氧气通过氧气出口（5）排出。
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