RU2596258C1

RU2596258C1 - Hydrogen absorber

Info

Publication number: RU2596258C1
Application number: RU2015123978/05A
Authority: RU
Inventors: Виктор Николаевич Борисов; Евгений Владимирович Седов; Ольга Борисовна Матвеева; Наталия Валерьевна Морозова; Вячеслав Иванович Кривоногов; Наталья Николаевна Скрипова; Сергей Петрович Дровосеков
Priority date: 2015-06-19
Filing date: 2015-06-19
Publication date: 2016-09-10

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to chemistry. Hydrogen absorber is placed in closed volume with purified oxygen-containing or oxygen depleted gas medium. Providing oxidation of hydrogen contained in mixture on palladium catalyst 4. Formed water vapors penetrate through membrane 5 in oxygen source 6 accommodating area. As a result of hydrolysis reaction in area 6 oxygen is obtained.

EFFECT: higher efficiency of extracting hydrogen from gaseous mixture in closed volumes owing to recovery of oxygen losses, reducing humidity of gas medium by absorption of water by oxygen source.

7 cl, 2 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к технологии очистки газовых смесей от водорода или его изотопов в статическом режиме из газовоздушных и кислородобедненных газовых смесей, в которых необходимо минимизировать потери кислорода и уменьшить или исключить накопление паров воды в замкнутых объемах, и может быть использовано в электрохимической, химической, радиоэлектронной, приборостроительной и других отраслях промышленности.The invention relates to a technology for the purification of gas mixtures of hydrogen or its isotopes in a static mode from air-gas and oxygen-depleted gas mixtures, in which it is necessary to minimize oxygen loss and reduce or eliminate the accumulation of water vapor in confined volumes, and can be used in electrochemical, chemical, electronic, instrument-making and other industries.

Известно устройство для удаления водорода из смеси газов, содержащей водород, кислород, пары воды и аэрозоли, включающее, по меньшей мере, один носитель, покрытый катализаторным материалом для окисления водорода с выделением тепла и содержащее защитное приспособление, соединенное с носителем, описанное в патенте РФ №2010598 от 08.01.1990 г., опубл. 15.04.1994 г., МПК B01J 8/02, B01D 53/22.A device for removing hydrogen from a mixture of gases containing hydrogen, oxygen, water vapor and aerosols, comprising at least one carrier coated with a catalyst material for the oxidation of hydrogen with heat and containing a protective device connected to the carrier described in the patent of the Russian Federation No.2010598 dated January 8, 1990, publ. 04/15/1994, IPC B01J 8/02, B01D 53/22.

К недостаткам известного устройства в условиях замкнутого объема и кислородсодержащей газовой среды следует отнести:The disadvantages of the known device in a confined space and an oxygen-containing gas environment include:

- увеличение влажности внешней газовой среды вследствие образования воды на катализаторе при окислении водорода,- increase in humidity of the external gas environment due to the formation of water on the catalyst during the oxidation of hydrogen,

- отсутствие реагентов и элементов конструкции, обеспечивающих восполнение потерь кислорода на окисление водорода, что может привести к полному израсходованию кислорода и, как следствие, к остановке работы устройства.- the absence of reagents and structural elements that provide replenishment of oxygen losses for the oxidation of hydrogen, which can lead to a complete consumption of oxygen and, as a result, to stop the operation of the device.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является устройство, описанное в патенте РФ №2121871 от 14.06.1996 г. МПК B01D 7/00, опубл. 20.11.1998 г., под названием «Генератор газа». Устройство содержит корпус в виде полой емкости с областями размещения реагентов, сообщающихся между собой и разделенных мембраной.The closest and selected as a prototype is the device described in the patent of the Russian Federation №2121871 from 06/14/1996, IPC B01D 7/00, publ. November 20, 1998, under the name "Gas Generator". The device comprises a housing in the form of a hollow tank with areas for the placement of reagents that communicate with each other and separated by a membrane.

К недостаткам прототипа следует отнести отсутствие реагентов и элементов конструкции, обеспечивающих удаление водорода из внешней газовой среды, а также сложную процедуру задействования.The disadvantages of the prototype include the lack of reagents and structural elements that ensure the removal of hydrogen from the external gas environment, as well as a complex procedure for activation.

Задачей изобретения является создание устройства для максимально эффективной очистки газовоздушной и кислородобедненной газовой смеси от водорода с минимальным расходом кислорода и ограничением или исключением накопления паров воды в газовой смеси.The objective of the invention is to provide a device for the most efficient purification of a gas-air and oxygen-poor gas mixture from hydrogen with a minimum oxygen consumption and limiting or eliminating the accumulation of water vapor in the gas mixture.

Технический результат заключается в повышении эффективности извлечения водорода из газообразной смеси в замкнутых объемах за счет восполнения потерь кислорода, в упрощении процедуры задействования, а также в снижении влажности газовой среды за счет поглощения воды источником кислорода.The technical result consists in increasing the efficiency of extracting hydrogen from a gaseous mixture in confined spaces by compensating for oxygen losses, in simplifying the activation procedure, and also in reducing the humidity of the gaseous environment due to the absorption of water by an oxygen source.

Это достигается тем, что в поглотителе водорода, включающем корпус в виде полой емкости с областями размещения реагентов, сообщающимися между собой и разделенными газопроницаемой мембраной, последовательно расположенные области размещения источника кислорода, катализатора и адсорбента разделены перегородками, не менее трех, выполненными перфорированными и расположенными между областью размещения катализатора и газопроницаемой мембраной, выполненной непроницаемой для источника кислорода и продуктов его гидролиза и граничащей с областью размещения источника кислорода, а также между областью размещения катализатора и областью размещения адсорбента, граничащей, в свою очередь, с перегородкой, обеспечивающей газообмен внутреннего объема поглотителя водорода с внешней средой.This is achieved by the fact that in a hydrogen absorber comprising a housing in the form of a hollow container with regions for the placement of reagents communicating with each other and separated by a gas-permeable membrane, successively located regions for the location of the oxygen source, catalyst and adsorbent are separated by partitions of at least three, made perforated and located between the area of the catalyst and a gas-permeable membrane made impervious to the source of oxygen and its hydrolysis products and bordering on astyu placing an oxygen source, as well as between the region of catalyst placement and accommodation of the adsorbent region, bordering, in turn, with a partition that provides the internal volume of hydrogen gas exchange with the exterior of the absorber.

Кроме того, корпус выполнен цилиндрическим.In addition, the housing is cylindrical.

Кроме того, корпус и мембрана выполнены из фторопласта, стойкого в окислительной и щелочной среде.In addition, the body and membrane are made of fluoroplastic resistant in an oxidizing and alkaline environment.

Кроме того, перфорированные перегородки выполнены из поликарбоната.In addition, the perforated partitions are made of polycarbonate.

Кроме того, в качестве адсорбента использованы гранулы силикагеля и/или цеолита.In addition, silica gel and / or zeolite granules were used as adsorbent.

Кроме того, в качестве катализатора использованы гранулы оксида алюминия с нанесенным на них палладием.In addition, alumina granules coated with palladium were used as a catalyst.

Кроме того, источник кислорода представляет собой материал, содержащий пероксид и/или надпероксид (супероксид) щелочного металла.In addition, the oxygen source is a material containing alkali metal peroxide and / or peroxide (superoxide).

Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».The presence in the claimed invention features that distinguish it from the prototype, allows us to consider it appropriate to the condition of "novelty."

Новые признаки (последовательно расположенные области размещения источника кислорода, катализатора и адсорбента разделены перегородками, не менее трех, выполненными перфорированными и расположенными между областью размещения катализатора и газопроницаемой мембраной, выполненной непроницаемой для источника кислорода и продуктов его гидролиза и граничащей с областью размещения источника кислорода, а также между областью размещения катализатора и областью размещения адсорбента, граничащей, в свою очередь, с перегородкой, обеспечивающей газообмен внутреннего объема поглотителя водорода с внешней средой), не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».New features (successively located regions of the oxygen source, catalyst and adsorbent are separated by at least three partitions made perforated and located between the catalyst region and the gas-permeable membrane made impermeable to the oxygen source and its hydrolysis products and bordering the region of the oxygen source, and also between the region of the catalyst and the region of the adsorbent, bordering, in turn, with a partition, providing conductive inner volume hydrogen gas exchange with the external environment absorber) have been identified in the technical solutions similar purpose. On this basis, we can conclude that the claimed invention meets the condition of "inventive step".

На фиг. 1 представлен общий вид поглотителя водорода и введены следующие обозначения:In FIG. 1 shows a General view of the hydrogen absorber and introduced the following notation:

1 - корпус;1 - housing;

2 - перфорированная разделительная перегородка;2 - perforated dividing wall;

3 - область размещения адсорбента;3 - the area of placement of the adsorbent;

4 - область размещения катализатора;4 - area of the catalyst;

5 - мембрана;5 - membrane;

6 - область размещения источника кислорода.6 - area of the oxygen source.

На фиг. 2 показана динамика изменения количеств газов при функционировании поглотителя в замкнутом объеме.In FIG. 2 shows the dynamics of changes in the quantities of gases during the operation of the absorber in a closed volume.

Поглотитель водорода содержит (см. фиг. 1) корпус 1 в виде цилиндра, выполненный из конструкционного фторопласта, перфорированные перегородки 2, разделяющие области размещения реагентов и фиксирующие мембрану 5 в корпусе 1, область размещения адсорбента 3, представляющую собой размещенную в тканевом мешке навеску силикагеля, или цеолита, или их комбинацию, область размещения катализатора 4, представляющего собой палладий, нанесенный на гранулы оксида алюминия, мембрану 5, разделяющую область размещения катализатора 4 и область размещения источника кислорода 6, непроницаемую для материала источника кислорода и продуктов его гидролиза и проницаемую для газов, в качестве источника кислорода использован материал, содержащий пероксид и/или надпероксид (супероксид) щелочного металла.The hydrogen absorber contains (see Fig. 1) a cylinder-shaped body 1 made of structural fluoroplastic, perforated partitions 2 separating the reagent placement areas and fixing the membrane 5 in the body 1, the adsorbent 3 placement area, which is a silica gel sample placed in a fabric bag or zeolite, or a combination thereof, the area of placement of the catalyst 4, which is palladium deposited on granules of aluminum oxide, a membrane 5, dividing the area of placement of the catalyst 4 and the area of placement of 6 regular enrollment oxygen impermeable to oxygen source material and its hydrolysis product and permeable to gases, as an oxygen source used material containing peroxide and / or superoxide (superoxide) alkali metal.

В состоянии хранения (незадействованном) поглотитель закрыт герметичной крышкой (на фиг. 1 не показана). Перед началом работы поглотитель задействуют: снимают крышку с корпуса 1.In the storage state (unused), the absorber is closed by a sealed cover (not shown in Fig. 1). Before starting work, the absorber is activated: remove the cover from the housing 1.

Работа поглотителя водорода осуществляется следующим образом. Задействованный поглотитель размещают в замкнутом объеме с очищаемой кислородсодержащей или кислородобедненной газовой средой. Водород из газовой среды за счет диффузии проникает вовнутрь корпуса 1 поглотителя водорода и достигает области размещения палладиевого катализатора 4. Палладиевый катализатор 4 окисляет водород кислородом, имеющимся в газовой среде, с образованием паров воды. Пористая мембрана 5 обеспечивает проникновение образующихся на катализаторе 4 паров воды в область размещения источника кислорода 6, одновременно препятствует проникновению материала источника кислорода 6 и продуктов его гидролиза в область размещения катализатора 4. Материал источника кислорода 6 вступает в реакцию гидролиза с парами воды, образовавшимися на катализаторе 4 при окислении водорода, в результате взаимодействия выделяется кислород. Адсорбер 3 защищает катализатор 4 от воздействия компонентов газовой среды, которые адсорбируются на поверхности адсорбента.The operation of the hydrogen absorber is as follows. The involved absorber is placed in a closed volume with a cleaned oxygen-containing or oxygen-depleted gas medium. Hydrogen from the gaseous medium penetrates into the housing 1 of the hydrogen absorber due to diffusion and reaches the region of the palladium catalyst 4. The palladium catalyst 4 oxidizes the hydrogen with oxygen in the gaseous medium to form water vapor. The porous membrane 5 provides the penetration of water vapor generated on the catalyst 4 into the region where the oxygen source 6 is placed, while simultaneously preventing the penetration of the material of the oxygen source 6 and its hydrolysis products into the region where the catalyst 4 is placed. The oxygen source material 6 undergoes hydrolysis with water vapor formed on the catalyst 4 during the oxidation of hydrogen, oxygen is released as a result of the interaction. The adsorber 3 protects the catalyst 4 from the action of the components of the gas medium, which are adsorbed on the surface of the adsorbent.

Эмпирический вид реакций окисления водорода и выделения кислорода можно представить в виде уравнений:The empirical form of the reactions of hydrogen oxidation and oxygen evolution can be represented in the form of equations:

Пример 1. Эксперимент проводили в лабораторных условиях. Корпус поглотителя был выполнен из фторопласта. В нем были размещены: адсорбер, где в качестве адсорбента применяли силикагель КСМГ, палладиевый катализатор, представляющий собой гранулы оксида алюминия с нанесенным на них палладием в количестве 2% масс.; источник кислорода - надпероксид натрия. В корпусе также была закреплена пористая фторопластовая мембрана. Перфорированные перегородки выполнены из поликарбоната. Поглотитель был размещен в герметичном контейнере, исходной газовой средой был атмосферный воздух. Во внутреннюю полость контейнера был организован приток водорода. Графики изменения во времени количества газов, находящихся в контейнере и поступивших в него, представлены на фиг. 2. Из фиг. 2 видно, что в течение ≈120 сут в испытательный контейнер поступал водород (см. график 1) общим количеством 1,7 л. В контейнере водород в течение эксперимента практически отсутствовал (см. график 4). Количество кислорода за 120 сут не снизилось (см. график 2), а возросло на 0,8 л. Из поглотителя постоянно выделялся кислород (см. график 3), его общее количество составило 1,3 л. По результатам измерений в течение эксперимента влажность в контейнере снизилась с 6 до 0,5 г/л (на фиг. 2 не показано).Example 1. The experiment was carried out in laboratory conditions. The absorber body was made of fluoroplastic. It housed: an adsorber, where KSMG silica gel was used as an adsorbent, a palladium catalyst consisting of granules of aluminum oxide coated with palladium in an amount of 2 wt% .; the source of oxygen is sodium superoxide. A porous fluoroplastic membrane was also fixed in the casing. Perforated partitions are made of polycarbonate. The absorber was placed in an airtight container, the source gas was atmospheric air. A flow of hydrogen was organized into the internal cavity of the container. Graphs of the time variation of the amount of gases in the container and entering it are shown in FIG. 2. From FIG. Figure 2 shows that within ≈120 days hydrogen was delivered to the test container (see graph 1) with a total amount of 1.7 l. In the container, hydrogen was practically absent during the experiment (see graph 4). The amount of oxygen over 120 days did not decrease (see graph 2), but increased by 0.8 liters. Oxygen was constantly released from the absorber (see graph 3); its total amount was 1.3 liters. According to the measurement results during the experiment, the humidity in the container decreased from 6 to 0.5 g / l (not shown in Fig. 2).

Использование данного изобретения позволитThe use of this invention will allow

- повысить эффективность извлечения водорода из газообразной смеси в замкнутых объемах за счет восполнения потерь кислорода;- to increase the efficiency of hydrogen extraction from a gaseous mixture in confined volumes by replenishing oxygen losses;

- упростить процедуру задействования;- simplify the engagement procedure;

- снизить влажность газовой среды за счет поглощения воды источником кислорода.- reduce the humidity of the gas environment due to the absorption of water by an oxygen source.

Таким образом, поглотитель водорода, воплощенный в заявленном изобретении, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем достигаемого технического результата.Thus, the hydrogen absorber embodied in the claimed invention, when implemented, is able to ensure that the applicant sees the achieved technical result.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».Therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".

Claims

1. Поглотитель водорода, включающий корпус в виде полой емкости с областями размещения реагентов, сообщающимися между собой и разделенными газопроницаемой мембраной, отличающийся тем, что последовательно расположенные области размещения источника кислорода, катализатора и адсорбента разделены перегородками, не менее трех, выполненными перфорированными и расположенными между областью размещения катализатора и газопроницаемой мембраной, выполненной непроницаемой для источника кислорода и продуктов его гидролиза и граничащей с областью размещения источника кислорода, а также между областью размещения катализатора и областью размещения адсорбента, граничащей, в свою очередь, с перегородкой, обеспечивающей газообмен внутреннего объема поглотителя водорода с внешней средой.1. A hydrogen absorber comprising a housing in the form of a hollow container with reagent placement regions communicating with each other and separated by a gas-permeable membrane, characterized in that the successive regions of the oxygen source, catalyst and adsorbent are separated by at least three partitions made perforated and located between the area of the catalyst and a gas-permeable membrane made impervious to the source of oxygen and its hydrolysis products and bordering the region the distribution of the oxygen source, as well as between the region of the catalyst and the region of the adsorbent, bordering, in turn, with a partition that provides gas exchange of the internal volume of the hydrogen absorber with the external environment.

2. Поглотитель водорода по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен цилиндрическим.2. A hydrogen absorber according to claim 1, characterized in that the housing is cylindrical.

3. Поглотитель водорода по п. 1, отличающийся тем, что корпус и мембрана выполнены из фторопласта.3. A hydrogen absorber according to claim 1, characterized in that the body and membrane are made of fluoroplastic.

4. Поглотитель водорода по п. 1, отличающийся тем, что перфорированные перегородки выполнены из поликарбоната.4. A hydrogen absorber according to claim 1, characterized in that the perforated partitions are made of polycarbonate.

5. Поглотитель водорода по п. 1, отличающийся тем, что в качестве адсорбента использованы гранулы силикагеля и/или цеолита.5. A hydrogen absorber according to claim 1, characterized in that granules of silica gel and / or zeolite are used as adsorbent.

6. Поглотитель водорода по п. 1, отличающийся тем, что в качестве катализатора использованы гранулы оксида алюминия с нанесенным на них палладием.6. A hydrogen absorber according to claim 1, characterized in that the catalyst used are aluminum oxide granules with palladium deposited on them.

7. Поглотитель водорода по п. 1, отличающийся тем, что источник кислорода представляет собой материал, содержащий пероксид и/или надпероксид (супероксид) щелочного металла. 7. A hydrogen absorber according to claim 1, characterized in that the oxygen source is a material containing peroxide and / or superoxide (superoxide) of an alkali metal.