氣體分離和壓縮裝置的製作方法

2023-05-27 11:58:36 1

專利名稱：氣體分離和壓縮裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種裝置，在裝置內的多孔固體上的氣體吸著和脫附作用由電場來 控制。本發明也涉及將該裝置用於氣體分離、回收、冷卻泵和熱泵時的使用方法。宵尿抆不氣體回收和分離技術對現代工業世界是基本的。世界各地都有人通過低溫精餾 的方法以數百萬噸的規模來分離大氣氣體，以製造氧氣、氮氣和稀有氣體氬氣、氪 氣和氙氣。對一些應用場合而言，在使用場地從空氣中分離出氧氣或氮氣比運輸低 溫分離的氣體更方便和經濟。為達到此目的，兩個技術上完全不同的系統已發展出 來。一種方法是變壓吸附(PSA)。在此方法中，空氣被壓縮進一個含有碳分子篩 的容器，碳分子篩優先把氧氣分子吸附在其表面。在控制排放的狀態下，氣體中最 初比空氣富含氮氣。到這個過程的最後，排出的氣體富含氧氣。通過操作兩個或更 多個吸附床，便可連續供給氮氣和/或氧氣。另一種替代性的方法是使用微孔膜。與氮氣相比，氧氣、二氧化碳和水蒸氣對 微孔膜具有更好的滲透性。氧氣可穿過薄膜，使接近於純淨的氮氣能從管子的末端 排出。同樣地，火力發電站排放的廢氣中的二氧化碳可與氮氣分離。這有利於壓縮 二氧化碳，使其吸存於地質構造中，而不是釋放到大氣中致使全球變暖。由於其本身固有的性質，依賴於吸附劑或薄膜的擴散分離的方法不可能實現通 過低溫精餾方法而達到的高度分離。較高的流速會導致較差的分離效果。此外，它 們自身不能壓縮氣體，而需依賴外部的氣體壓縮裝置。另一種替代變壓吸附的方法是變溫吸附(TSA)。當混合氣體通過吸附床時，優 先吸附的氣體就會被移除。當吸附床飽和時，混合氣體就停止流動。然後加熱吸附 床以脫附被吸附的氣體。然而，相對而言，本技術的能效較低，因為其需要冷卻和加熱吸附劑填充床。 導電的碳纖維複合分子篩床(CFCMS)己經被用來吸附二氧化碳。使電流通過吸附劑 能使之受熱而達到脫附作用，這個過程稱為"變電吸附"(ESA)。結合變壓和變溫 吸附的技術(PTSA)也已經描述過。上述技術依賴於固體對於氣體的吸附作用而實現氣體的分離。通過多種專用的
液胺混合劑來吸收二氧化碳和硫化氫，是一種發展成熟的淨化天然氣的技術。這種 技術被建議用來除去發電站廢氣中的二氧化碳。分離胺中的二氧化碳需要大量熱 能，以便胺可再生。胺吸收二氧化碳的能力越強並因而更有效，則隨後用於分離所 需的能量就越多。發電站的廢氣中具有可利用的低溫熱量，但隨後熱量就減少而不 能用於發電。另外一個缺點是在於氣體是在接近大氣壓力的環境下回收的，因此需 要對其進行壓縮以利於使其吸存。這亦需要能量，因而進一步降低發電站的整體效 率。氣體分離技術在潛艇、軍用車輛和載人宇宙飛船領域中也是重要的。例如在潛 艇中二氧化碳是通過與過氧化鈉的反應除去的，此反應同時釋放出更多的氧氣以供 呼吸。在緊閉麻醉中，再循環呼吸氣體在鹼石灰中過濾，除去二氧化碳。這些技術 本質上涉及不可逆的化學反應。發明內容本發明提供了一種用於從氣態混合物中分離出反應氣體的氣體分離裝置，該裝 置含有多孔的陽極電極和陰極電極，兩電極由離子膜分隔開，陽極以吸收劑化合物 或溶劑浸透，陰極以導電液體浸透；用於把電荷施加到電極上的電源；氣態混合物 的入口，入口與鄰接陰極的室相通，以及使氣體離開該室的出口，以便從入口流動 到出口的氣體觸及陰極，其中反應氣體被吸收劑化合物從氣態混合物中吸收，並被 保留在裝置中，並隨後從吸收劑化合物中脫附，其中吸收過程、脫附過程或二者都 可通過施加電荷到電極來促進。在本發明的一個實施例中，當電極充電時反應氣體被吸收，當充電停止時反應 氣體脫附。這樣可以使反應氣體以高濃度的形式從裝置中除去。在一個替代性實施例中，當電極未充電時氣體被吸收，當電極充電時氣體脫附。 這樣可以使反應氣體以高濃度的形式從裝置中除去。在另一實施例中，當對第一極性的電極充電時氣體被吸附，當對相對於第一極 性的電極的反向極性充電時氣體脫附。氣體可以以高濃度的形式從裝置中除去。反應氣體最好是二氧化碳或氨氣。反應氣體可為燃燒所產生的廢氣，例如來自 發電廠或電站的廢氣。當反應氣體為二氧化碳時，吸收劑化合物最好選自胺、磺酸或羧酸。最好是低 聚胺或多聚胺、磺酸或羧酸。也可以使用一種雙功能的胺磺酸或雙功能胺羧酸，特 別是甲基磺酸。當反應氣體為氨氣時，溶劑或吸收劑化合物最好選自水或酸的水溶液，例如 鹽酸或其他無機酸。在一個優選的裝置中，離子薄膜包含離子聚合物。優選的離子聚合物選自磺 化聚苯乙烯、磺化聚醚酮、磺化聚醚碸、Nafion 和含氟聚合物。每個電極可由多孔碳組成，例如其形式為氣凝膠、納米管、開孔泡沫塑料或織 造纖維成分。電極可具有多孔板的外形。或者也可使用圓柱狀或管狀外形。本發明試圖克服上述技術內在的局限性。本發明是基於類似於超級電容器系統 中電場的使用的原理來控制反應氣體的可逆的吸著和脫附作用的，特別是通過經由 穿過陰離子薄膜的質子(氫離子)或穿過陽離子薄膜的氫氧根離子的傳輸來實現。 本裝置最好只使用非法拉第方法，即在足夠低的電位差下的操作來避免涉及電子傳 輸的電極反應。該裝置可以三種模式中的任何一種模式來操作。在第一種模式中， 吸收通過應用電場來進行，基於氣體在吸附和脫附狀態下的化學勢的差值，當電場 消失時，就會脫附。在第二種模式中，基於氣體在吸著和脫附狀態下的化學勢的差值，當電場消失時，氣體在氣態下被吸附；當應用電場時，就會脫附。在第三種模 式中，通過一個方向使用電場能加強氣體的吸著作用，而反轉電場能加強脫附作用。 本發明還可參照附圖通過實施例來描述，但並無限定性的意義，其中


圖1所示為按本發明用來分離反應氣體的裝置；圖2所示為按本發明用來從空氣中分離氨氣的裝置；圖3所示為兩個裝置，它們連接起來以形成擺動循環元件以用於冷卻泵或熱泵。圖4所示為本發明的另一實施例；圖5所示為具有多個並聯設置的裝置的實施例；圖6所示為多級設置的裝置；且圖7至9所示為用於吸收二氧化碳的擺床。
具體實施方式
在本發明的第一實施例中，圖1所示的裝置用來從非反應氣體中分離出反應 氣體。例如二氧化碳可從其他氣體(特別是氮氣或甲烷)中分離出來。兩個電極(l、2)可包含導電多孔碳板。碳板可與那些在燃料電池和超級電容器中使用的碳板類 似。 一個電極(1)以水浸透，另一個電極(2)以高分子量的(優選為多聚的)胺 浸透。薄膜帶有陰離子團，在電場梯度的影響下，這可使正向充電的陽離子(特別 是氫離子H+)通過。優選的薄膜可包括含氟薄膜(例如Nafion )、磺化聚苯乙 烯、磺化聚醚醚酮(例如PEEK )。這種設置提高了二氧化碳在水中的溶解度。 通過為電池放電，即從電極中除去電荷，降低二氧化碳的溶解度，就可使其以高濃
度的形式從電池中排出。本裝置在為上述操作形式中的模式1。電池可視為以電容器，或更準確地說作為超級電容器的方式來操作。由於電容 器有效地儲存並釋放電能，在二氧化碳吸著過程中用來給電池充電的輸入電能的相 當部分將在脫附過程中回收。這部分電能還可用來為第二電池的吸著操作供給動 力。這個過程可稱為"變電容吸附"(CSA)。優選裝置包含兩個或更多的擺床，並 聯操作以使二氧化碳吸著和脫附同時進行。 電極反應如下所述 陽極碳酸氫根離子HC(V，被吸引到正向充電的陽極。此時氫離子(H+)，被吸到負向充電的陰極。氫離子是穿過陰離子薄膜而到達陰極的。CG2(S) '. H G ;亡 H2C03 H C03 HCO( + H*陰極&3附除去氫離子可使陽極的平衡點向正反應方向移動，提高了溶解的二氧化碳的 兩電極之間的電位小於使電極產生反應所需的電位。當電極中有水時，典型的電位在大約0. 8至大約lv之間。電極反應將吸收能量並不可逆地導致形成新化學 物質。然而在實施例中，氣體的分離在實質上無水的系統內進行，在該系統內電極 被非水溶劑(例如碳酸丙烯酯)浸潤，電位可升至大約為2v，甚至更好地可升至 大約2. 7v。系統溶解二氧化碳的能力由多孔碳電極的表面積決定，亦即由在電位達到極限 前形成雙電荷層的程度決定。碳的表面積越大，供給二氧化碳的容量也就越高。導 電碳氣凝膠、碳納米管或碳纖維合成分子篩，都是優選的電極材料。在另一實施例中，所示的裝置用於從氣體混合物中分離氨氣。圖2所示為用來 從空氣中除去氨氣的裝置。兩個多孔的電極(11、 12)設置在薄膜(18)的兩側， 它們都被組裝起來並設置在外殼(13)內。入口 (14)和出口 (15)的管道將氣體混合物輸送至鄰接電極(11)的第一室(16)內。第二室(17)為鄰接電極(12) 設置的。導體(19)用來供給電極(11、 12)之間的電位差。當裝置在使用時，氣體混合物流入電池，氨氣溶解在水中。氫氧根離子穿透薄 膜(18)的傳輸可提高氨氣的溶解度，傳輸由在電極(11、 12)之間的電位差來驅 動。當在電池中的氨氣巳飽和時，氣體混合物的流動就停止了，並且電位差因此消 失。當這情況發生時，氫氧根離子會穿過薄膜從含酸的電極回流到含水的電極，這 導致氨氣的釋放。然而，即使在電極上並無電荷，溶液中仍保留著相當數量的氨氣。 為了提高溶解度，可在電池上施加反向電位。電池基本上按如上所述的模式3運作。 任何一種酸都可被使用，只要其分子大得足以抑制其通過薄膜的擴散。優選是低聚、 多聚璜酸和羧酸。特別優選是雙功能的氨基磺酸和氨基羧酸，例如牛磺酸(2-氨基 乙磺酸)，它既可作為酸，也可作為鹼。溶解過程中的電極反應如下所述陰極formula see original document page 8氫氧根離子穿過陽離子薄膜到達陽極。 陽極HO— + H2NGHpH2S03H ;，- HfO + H^NCH^HjSO;施加反向電位差便會產生下列電極反應。 陰極formula see original document page 8
陽極在另一實施例中，兩個或更多個的電池可連接起來以形成用於冷卻泵或熱泵的 擺動循環元件。第一電池(21)和第二電池(22)通過氣體導管(23)連接。 一個 電源(24)可選擇性地用來對電極(25、 26、 27、 28)進行充電或放電，以便一個電池吸熱時，同時另一個電池從熱泵釋放熱。在二氧化碳的吸著過程中會產生反應 熱，從而提高了電池的溫度。而在脫附過程中熱量會被吸收。在如圖3所示的系統中，加熱第一電池(21)，而冷卻第二電池(22)。當第一電池(21)的二氧化碳 已飽和時，電源組對第一電池(21)進行放電，而對第二電池(22)進行充電。氣 體的流向就會反轉，此時第一電池(21)吸熱，第二電池(22)就釋放熱。如圖4所示，在另一實施例中， 一個電極(31)可以胺浸透，而另一個電極(32) 則以磺酸浸透。在這個實施例中，設有控制室(35)氣流進出的閥(33、 34)。在 這種構造下裝置的操作類似於機械容積式壓縮機，例如往復型或迴轉葉片型的壓縮 機。因為吸著是由氣態和吸收狀態下二氧化碳化學勢之間的差值而驅動，所以這可 描述為"電子脫附壓縮機"(EDC)，同時脫附是由所施加的電位而驅動。下列對 EDC操作步驟的描述從此處開始二氧化碳已經完成放電，而在電極之間的電位已 經消失。步驟l.在壓縮機中剩餘的二氧化碳通過與胺的反應而被吸附在電極A上。這 就會使壓力減少，導致出口閥的關閉和進口閥的開啟。(這可以被當作相當於往復 式壓縮機吸氣衝程的開始。)步驟2.低壓二氧化碳通過入口閥進入裝置中，並被胺吸著。這是放熱反應。 在這種情況下，該反應可在接近等熵的過程進行，電極-薄膜組件的熱質限制溫度 升高。(這相當於往復式壓縮機的吸氣衝程。)步驟3.當吸著過程完成時，為電極(A為負極，B為正極)供給0.8-1 V電 位差。氫離子通過薄膜從B極移動到A極，在A極它們導致二氧化碳脫附。壓力增 加時，入口閥關閉，出口閥打開，釋放氣體到迴路高壓的一惻。(這相當於往復式 壓縮機的壓縮衝程。)二氧化碳的脫附過程假定為接近等熵的過程，於是脫附的熱 量是由EDC的熱質所提供的，而EDC已經在吸著階段被加熱過了 。步驟4.在電極上的電能可以通過適合的電路得以回收，所述的電能可以儲存 在電容器中或傳輸到正進行脫附過程的第二 EDC裝置中。在有二氧化碳壓力的情況 為裝置充電所需的能量與在缺少二氧化碳壓力的情況下放電過程中回收的能量之 間的差值便是驅動裝置所需的能量。本裝置基本上按如上所述的模式2來操作。EDC裝置具有下列比傳統機械容積式壓縮機優勝之處除了閥以外，沒有其他可運動的部件，消除了摩擦損耗和其他機械運動的損耗。 與往復式壓縮機〈0. 1秒的循環時間相比，其具有相當長的循環時間， 一般從 0.5到幾十秒不等，因此閥將更為耐用。無需潤滑劑，避免返回問題或迴路的其他部分在熱交換過程中的不利作用。
EDC裝置不含油，因此特別適合於驅動冷卻泵或熱泵系統。在外形和擺放方式上有較少的幾何約束。按照可利用的空間，裝置可為寬大的、 圓柱形的，或為扁平的、矩形的。方向也可是多樣的，因為不用考慮到油汙坑的問 題。如圖5所示，多個裝置(41)可並聯排列。這種構造的優點是通過選擇使用的裝置的數量可改變冷卻裝置的容量。這樣不會導致如同往復式機器中遇到的機械損 耗，即因為減少容量而避開汽缸所引致的損耗。假如需要為現有的裝置增大容量，使可以增加更多的EDC壓縮機裝置。另一優點是如圖4中所示，裝置可分成多個階 段，以便壓縮二氧化碳以近乎恆定的流量傳輸至裝置內，此操作與機械多缸往復式 壓縮機的方式類似。為了確保良好的能效，電荷可從二氧化碳的元件傳輸到二氧化 碳的元件。單個EDC裝置所傳輸的容量可通過改變最大外加電位和/或外加電位的速率來 控制。前者相應於改變往復式壓縮機的衝程，這不是容易做到的，而後者相應於改 變其速度。按照本發明所述的壓縮機(51)可以通過串聯的方式方便地設為多級，該種設 置比如圖6所示的單個元件能提供更大的壓差。這個系統可通過級間冷卻來進一步 闡述。在另一設置中，串聯和並聯壓縮機可按熱觸來設置，以便一個二氧化碳加熱， 鄰接的-一個裝置在脫附時被冷卻。本發明所述的壓縮機的操作可視為近等熵的，即類似於機械式壓縮機的操作。 這樣一個壓縮機在接近等溫的條件下進行操作具有多種優點，例如可以增加容量。 對於一般用於冷藏和空調的傳統機械式壓縮機而言，壓縮時所產生的熱量難以除 去。而與此相比，當使用EDC裝置時，熱量很容易便可移除。本裝置可為等溫操作 而設計，將裝置設置為具有良好的熱交換能力的鰭板。在另一實施例中，如圖7所示，在一個電極上的吸收熱為鄰近的電極提供脫附 熱，此方法可提高能效。外部電極A1、 A2可為例如以胺浸透的高比表面積碳電極。 它們被陰離子薄膜M1和M2與內部電極B相分隔開。電極B為例如以磺酸浸透的高 比表面積石墨或多孔碳電極。當施加電場時，胺和磺酸物質最好基本上是不能移動 的。圖7至9所示為用來從廢氣中除去二氧化碳的裝置。該裝置也可以用於從天然 氣中、潛艇或太空船的空氣中或其他類似情況中除去二氧化碳。通過改變在電極裝置之間的電位，其可以作為二氧化碳吸著/脫附的擺床。在 圖7中，利用在如同傳統的胺滌氣設備中的相同的化學方法，廢氣中的二氧化碳被 電極A1中的胺從廢氣中吸附。同時，在電極B和A2之間施加電位可使氫離子通過 陰離子薄膜，從電極B移動到電極A2。在電極A2中，氫離子為碳酸氫根離子(HC03—)加上質子，以釋放二氧化碳，碳酸氫根離子由之前的吸著作用產生。電極B/薄膜/ 電極A2可視為組成了一個超級電容器。這可提供最大約有1伏的電壓。施加較高的電壓可產生不可逆的電極反應。在圖8中，電位已經從電極B和A2之間除去， 即電容器已放電，這導致氫離子穿過薄膜M2，從電極A2移動至電極B，以提供電 中性。在圖9中，在電極B和A1之間施加電位，使電極A1釋放二氧化碳，而電極 Al吸著它。為超級電容器A1/M1/B放電，然後重新為電容器B/M2/A2充電，系統 就會恢復到如圖7所示的情況。與從氣流中除去二氧化碳的現有技術相比較，本實施例具有許多顯著的優點。 使用在同一個電極裝置中的不同電極來同時吸附和脫附二氧化碳可使吸附熱和脫 附的熱彼此平衡。這可在提供良好的能效的同時，避免安裝傳統的胺吸收系統中必 需的獨立熱交換器的費用。同樣地，使用放電電池來替電池充電可將電能大大地回 收，協助第二電池充電。
權利要求
1. 一種用於從氣態混合物中分離反應氣體的氣體分離裝置，包括由離子薄膜 分隔開的多孔的陽極電極和陰極電極，陰極電極置於室中；陽極以吸收劑化合物或 溶劑浸透；陰極以導電液體浸透；用於向電極供給電荷的電源；供氣態混合物流入 的入口，入口與鄰近陰極的室相通；和供該室的氣體離開的出口，以便從入口流動 到出口的氣體觸及陰極；其中反應氣體被吸收劑化合物從氣態混合物中吸收，並被 保留在裝置中，並且其中被保留的氣體隨後從吸收劑化合物中脫附；其中吸收、脫 附或二者，可通過施加電荷到電極來促進。
2. 如權利要求l所述的裝置，其中當電極充電時反應氣體被吸收，當電極放 電時反應氣體被脫附。
3. 如權利要求l所述的裝置，其中當電極在沒有充電時反應氣體被吸收，當 電極被充電時反應氣體脫附。
4. 如權利要求l所述的裝置，其中當對第一複數的電極充電時反應氣體被吸 附，當對相對於第一複數的反向複數的電極充電時反應氣體脫附。
5. 如上述任一權利要求所述的裝置，其中吸收劑化合物選自胺、磺酸或羧酸 和它們的混合物或其中溶劑為水或酸的水溶液。
6. 如權利要求5所述的裝置，其中吸收劑化合物為低聚胺或多聚胺、磺酸或 羧酸。
7. 如權利要求5所述的裝置，其中吸收劑化合物為雙功能的胺磺酸或雙功能 胺羧酸。
8. 如權利要求7所述的裝置，其中吸收劑化合物為甲基磺酸。
9. 如上述任一權利要求所述的裝置，其中離子薄膜包含離子聚合物。
10. 如權利要求9所述的裝置，其中離子聚合物選自下列物質磺化聚苯乙烯、 磺化聚醚酮、磺化聚醚碸、Nafion和含氟聚合物。
11. 如上述任一權利要求所述的裝置，其中氣體為二氧化碳。
12. 如權利要求ll所述的裝置，其中氣體為煙道的廢氣。
13. 如權利要求1至10任意一項所述的裝置，其中氣體為氨氣。
14. 如上述任一權利要求所述的裝置，其中陰極以水浸透。
15. 如上述任一權利要求所述的裝置，其中在氣體吸收過程中的電極之間的電 位大約為0. 81v。
16. 如上述任一權利要求所述的裝置，其中電極由多孔碳組成。
17. 如權利要求16所述的裝置，其中電極由碳氣凝膠或高比表面積的石墨組 成。
18. —種氣體分離裝置或壓縮機，包括如上述任一權利要求所述的多個裝置， 這些裝置連接起來以形成擺動循環裝置。
19. 如權利要求18所述的裝置，其中兩個裝置的陽極都以同樣的化合物浸透。
20. 如權利要求18所述的裝置，其中所述的兩個裝置的陽極都以不同的化合 物浸透。
21. 如權利要求20所述的裝置，其中第一陽極以胺浸透，並且第二陽極以磺 酸浸透。
全文摘要
一種用於從氣態混合物中分離反應氣體的氣體分離裝置，包括由離子薄膜分隔開的多孔的陽極電極和陰極電極，陽極以吸收劑化合物或溶劑浸透；陰極以導電液體浸透；用於對電極供給電荷的電源；供氣態混合物流入的入口，入口與鄰近陰極的室相通；和供該室的氣體離開的出口，以便從入口流動到出口的氣體觸及陰極，其中反應氣體被吸收劑化合物從氣態混合物中吸收，並被保留在裝置中，其中被保留的氣體隨後從吸收劑化合物中脫附；其中吸收、脫附或二者，可通過施加電荷到電極來促進。
文檔編號B01D53/18GK101124031SQ200680004037
公開日2008年2月13日 申請日期2006年2月3日 優先權日2005年2月3日
發明者理察·鮑威爾, 約翰·愛德華·普爾 申請人:熱能系統有限公司