ПОГЛОТИТЕЛЬ ВОДОРОДА Российский патент 2020 года по МПК B01D53/22 B01D53/47 B01D53/44 B01D53/62 B01D53/75 B01D53/82 B01D53/86 B01J7/00 C01B3/58 C01B4/00 C01B5/00 C01B13/02 

Изобретение относится к технологии очистки газовых смесей от водорода или его изотопов, оксида углерода (II), паров воды и органических веществ в статическом режиме из кислородсодержащих газовых смесей, и может быть использовано в электрохимической, химической, радиоэлектронной, приборостроительной и других областях промышленности.

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.

К недостаткам известного устройства в условиях замкнутого объема и кислородосодержащей газовой среды следует отнести:

- защитное устройство не выполняет защиту катализаторного устройства во всем температурном диапазоне работы;

- защитное устройство не поглощает оксид углерода (II), пары воды и органических веществ из газовой среды и не защищает катализатор от воздействия органических веществ и оксида углерода (II);

- функционирование патентуемого устройства происходит при повышенной температуре;

- вода, образующаяся при окислении водорода, беспрепятственно поступает в очищаемую газовую среду в виде паров.

Известен способ удаления водорода из смеси газов, содержащей водород, кислород, пары воды, описанное в патенте РФ №2 550 201, МПК B01D 53/00, опубл. 10.05.2015, под названием «Способ очистки газовой смеси от водорода и/или его изотопов».

Способ включает низкотемпературное окисление водорода кислородом в присутствии палладийсодержащего катализатора, а также сорбционную защиту палладийсодержащего катализатора от воздействия компонентов газовой смеси, при этом используют кислородсодержащее перекисное соединение щелочного металла, поглощающее воду, образующуюся на палладийсодержащем катализаторе, при поглощении получают кислород, компенсирующий его потери из газовой смеси на окисление водорода.

К недостаткам следует отнести:

- наличие опасного вещества - пероксидного соединения щелочного металла;

- применение корпуса из полимерного материала, ограничивающего диффузию водорода, кислорода, оксида углерода (II), паров воды и органических веществ к поверхности катализатора и адсорбента;

- высокая пожарная опасность тканевого элемента;

- пылепроницаемость тканевого элемента не регламентирована;

- очистка газовой среды от оксида углерода (II), паров воды и органических веществ не предусмотрена.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является устройство, описанное в патенте РФ на полезную модель №184544, МПК B01J 7/00, С01В 13/02, B01D 53/22 под названием «Поглотитель водорода».

Поглотитель предназначен для очистки газовых смесей от водорода или его изотопов в статическом режиме из газовоздушных и кислородообедненных газовых смесей, в которых необходимо минимизировать потери кислорода и уменьшить или исключить накопление паров воды в замкнутых объемах. Устройство содержит корпус в виде полой емкости с последовательно расположенными и сообщающимися между собой областями катализатора и адсорбента и защитный элемент, выполненный из арамидной ткани.

К недостаткам устройства следует отнести:

- наличие опасного химического соединения - пероксида щелочного металла,

- применен корпус из полимерного материала, ограничивающий диффузию кислорода, водорода, оксида углерода (II), паров воды и органических веществ к поверхности адсорбента и катализатора;

- способность устройства поглощать вредные примеси из газовой среды не регламентирована.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение безопасности и пожаростойкости устройства, уменьшение пылеобразования, а также улучшение эксплуатационных качеств за счет повышения скорости окисления водорода и удаления вредных примесей (оксида углерода (II) и паров органических веществ) из газовой среды, упрощение конструкции.

Технический результат заключается в улучшении эксплуатационных характеристик за счет конструкции, обеспечивающей поступление реагентов к поверхности катализатора и адсорбтивов к поверхности адсорбента в статическом режиме с максимальной скоростью, повышении пожаростойкости за счет применения арамидной ткани для корпуса и защитного элемента, повышении безопасности за счет отсутствия реакционно-активного пероксидного соединения, снижении пылеобразования при эксплуатации, упрощении конструкции и отсутствии процедуры задействования.

Указанный технический результат достигается тем, что в поглотителе водорода, включающем корпус в виде полой емкости с последовательно расположенными и сообщающимися между собой областями катализатора и адсорбента и защитный элемент, выполненный из арамидной ткани, согласно изобретению, область катализатора размещена внутри защитного элемента из арамидного материала и расположена внутри области адсорбента, заключенного в корпусе, выполненным из арамидного материала, при этом корпус и защитный элемент скреплены между собой соединительными элементами.

Кроме того, в поглотителе водорода в качестве адсорбента использован цеолит.

Кроме того, в поглотителе водорода соединительные элементы выполнены из арамидного материала

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».

Поглотитель водорода проиллюстрирован на чертежах: на фиг. 1 - представлена его конструкция, на фиг. 2 - разрез А-А и введены следующие позиции:

1 - корпус;

2 - область размещения катализатора

3 - область размещения адсорбента;

4 - защитный элемент:

5 - соединительные элементы.

Поглотитель водорода содержит (см. фиг. 1 и фиг. 2) корпус 1 в виде полой емкости, выполненный из арамидной ткани, с последовательно расположенными и сообщающимися между собой областями катализатора 2 и адсорбента 3. Область катализатора 2 размещена внутри защитного элемента 4. В качестве катализатора использован палладийсодержащий катализатор К-ПГ, а в качестве адсорбента использован цеолит универсального назначения NaX-БКО или защитный адсорбент ЭКОСОРБ-9. Корпус 1 и защитный элемент 4 скреплены между собой соединительными элементами 5, выполненными из арамидного материала.

Работа поглотителя водорода осуществляется следующим образом. Газовая среда, в которой присутствуют водород, кислород, оксид углерода (II), нары воды и органических веществ, проникает за счет диффузии через корпус 1 и контактирует с развитой поверхностью адсорбента 3. При диффузии через слой адсорбента 3 из газовой среды на его поверхности адсорбируются оксид углерода (II), пары воды и органических веществ. Очищенная от оксида углерода (II), паров воды и органических веществ газовая среда за счет диффузии проникает через защитный элемент 4 и контактирует с поверхностью палладийсодержащего катализатора 2. На поверхности палладия происходит низкотемпературная реакция окисления водорода с образованием воды. За счет разности парциальных давлений паров воды в областях размещения катализатора 2 и адсорбента 3 (цеолита) пары воды поступают к поверхности адсорбента 3 (цеолита). За счет физической адсорбции пары воды удерживаются на развитой поверхности адсорбента 3 (цеолита) и не поступают во внешнюю газовую среду, в том числе и при повышении температуры до 60°С.

Пример 1.

Повышение пожаростойкости и увеличение срока эксплуатации предлагаемого устройства основано на применении более стойкого материала корпуса и защитного элемента (арамидной ткани) и показано в экспериментах. Условия пожара имитировали нагреванием при температуре 250°С в течение 2 ч. Нагреванию при температуре 250°С подвергали арамидную ткань FlameFort, используемую в патентуемом устройстве, и другие виды синтетических, хлопчатобумажных и смесовых тканей. Показано, что арамидная ткань FlameFort не претерпевает при этой температуре значимых изменений свойств и цвета, тогда как для других тканей наблюдалось коробление, уменьшалась прочность, изменялся цвет. Условия эксплуатации имитировали путем нагрева образцов различных тканей при температуре 125° в течение 80 ч. Показано, что разрывная нагрузка для арамидной ткани FlameFort, использованной для поглотителей, не изменилась в ходе нагрева и составила ≈ 610 Н, тогда как для хлопчатобумажной ткани бязь она уменьшилась с 225 Н до 194 Н.

Пример 2.

Уменьшение пылеобразования обеспечивается применением материала корпуса поглотителя - арамидной ткани. Количество образующейся пыли определяли при лабораторных вибрационных испытаниях образцов цеолита ЭКОСОРБ-9 в защитных элементах из бязи и из арамидной ткани FlameFort при частоте колебаний 200 Гц; виброускорении 3,5g. (≈35 м/с²); продолжительности вибрации 30 минут. Образцы размещали в специальной емкости, продуваемой воздухом, образующуюся пыль собирали на фильтре из материала, используемого для защиты органов дыхания в респираторах 3М8101. Показано, что защитный элемент из бязи уменьшает количество пыли в 4 раза, а из арамидной ткани - в 24 раза. Пример 3.

Повышение скорости поглощения водорода изучено в ходе лабораторных экспериментов при температуре ≈ 20°С. Образец (прототип или предлагаемый поглотитель) помещали в герметичный испытательный объем, заполненный водородно-воздушной смесью с концентрацией водорода ≈ 2,5-3,5% об. Периодически измеряли концентрацию водорода в испытательном объеме методом газоадсорбционной хроматографии. По результатам анализа строили график изменения концентрации водорода во времени. По графику определяли время, за которое концентрация водорода уменьшалась в 2 раза (время полупоглощения). Установлено, что время полупоглощения для прототипа составило 20 часов. Время полупоглощения для патентуемого поглотителя составило 0,5 часа.

Пример 4.

Использование универсальных цеолитов в поглотителе позволяет очищать газовую среду от оксида углерода (II), паров воды и органических веществ, а также прочно удерживать их при повышении температуры (60°С). Способность цеолитов поглощать вышеуказанные вещества и удерживать их была изучена в ходе лабораторных экспериментов. Образцы цеолитов насыщали водой при 30%-ной относительной влажности. Сорбционная емкость цеолитов NaX-БКО без связующего и адсорбента ЭКОСОРБ-9 составила 21-23% по массе. Затем насыщенные образцы нагревали при 60°С с одновременным измерением массы. По убыли массы судили об удерживающей способности. Установлено, что цеолиты при повышенной температуре удерживают от 56 до 65% от поглощенной воды, тогда как используемый в прототипе силикагель КСМГ (адсорбционная емкость 29% по массе) полностью отдает адсорбированную воду при повышении температуры.

Для изучения адсорбции паров органических веществ образцы адсорбентов выдерживали над открытой поверхностью органических жидкостей (ацетона, бензола или гексана) до насыщения при температуре ≈ 20°С. Сорбционная емкость и удерживающая способность универсальных цеолитов и силикагеля КСМГ приведена в таблице:

Как видно из таблицы, цеолиты не уступают по сорбционной емкости применяемому в прототипе силикагелю КСМГ, а по удерживающей способности превосходят его.

Использование данного поглотителя водорода позволит

- увеличить скорость удаления водорода, оксида углерода (II) и паров органических веществ за счет большой внешней поверхности и хорошей газопроницаемости тканевого корпуса;

- повысить безопасность поглотителя водорода за счет отсутствия опасных ингредиентов поглотителя;

- обеспечить низкотемпературное поглощение водорода и прочное удерживание оксида углерода (II), паров воды и органических веществ на цеолите при повышении температуры до 60°С.

Таким образом, поглотитель водорода, воплощенный в заявленном патенте, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем достигаемого технического результата.

Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к технологии очистки газовых смесей от водорода или его изотопов в статическом режиме из кислородсодержащих газовых смесей, в которых необходимо уменьшить или исключить накопление оксида углерода (II), паров воды и органических веществ в замкнутых объемах, и может быть использовано в электрохимической, химической, радиоэлектронной и приборостроительной промышленности. Поглотитель водорода содержит корпус 1 в виде полой емкости, выполненный из арамидной ткани, с последовательно расположенными и сообщающимися между собой областями катализатора 2 и адсорбента 3. Область катализатора 2 размещена внутри защитного элемента 4. Корпус 1 и защитный элемент 4 скреплены между собой соединительными элементами 5, выполненными из арамидного материала. Конструкция устройства обеспечивает поступление реагентов к поверхности катализатора и поверхности адсорбента в статическом режиме с максимальной скоростью за счет использования арамидной ткани для корпуса и защитного элемента обеспечивается пожаростойкость устройства, за счет отсутствия опасных ингредиентов поглотителя повышается его безопасность, при этом также увеличивается срок эксплуатации устройства, уменьшается пылеобразование, улучшаются эксплуатационные качества за счет повышения скорости окисления водорода и удаления вредных примесей оксида углерода (II) и паров органических веществ из газовой среды. 2 з.п. ф-лы., 1 ил., 1 табл., 4 пр.

1. Поглотитель водорода, включающий корпус в виде полой емкости с последовательно расположенными и сообщающимися между собой областями катализатора и адсорбента и защитный элемент, выполненный из арамидной ткани, отличающийся тем, что область катализатора размещена внутри защитного элемента из арамидного материала и расположена внутри области адсорбента, заключенного в корпусе, выполненном из арамидного материала, при этом корпус и защитный элемент скреплены между собой соединительными элементами.

2. Поглотитель водорода по п. 1, отличающийся тем, что соединительные элементы выполнены из арамидного материала.

3. Поглотитель водорода по п. 1, отличающийся тем, что в качестве адсорбента использован цеолит.