专利名称：利用容重差分离氢气的方法及该方法使用的专用分离装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种分离氢气的方法，特别是一种在工业上用容重差法分离氢气的方法及其分离装置。
背景技术：
氢气不仅是重要的化学工业物质，而且随着近代科学技术的发展，氢气在发电工业、能源工业、甚至在军事国防上体现出越来越大的作用，因此氢气的生产和提取方法日显重要，它决定和制约着氢气在以上几个方面的广泛运用。从最基本的化学试验中知道有用电解水和分解硫化氢等方法来提取少量纯度较高的氢气，而在工业生产中由于要连续不断地收集氢气，试验室的方法远远不能满足氢气的工业化生产。实际上现行大量生产氢气的方法是在含氢气的混合气体中分离提取氢气，用的是一种叫“深度冷冻”的方法，将含氢气的混合气体低温冷冻，当冷冻温度达到氢气的露点温度时，氢气成为流动的液态，再经分溜塔分离后就可以直接得到液态氢气，液态氢气经气化后即可应用于所属领域。作为对传统“深度冷冻”法生产氢气的补充，近年来开发了一种膜分离氢气的方法，专利号为95117302.2的发明专利公开了一种“用选择性递增的串联膜分离氢气”的方法，该方法是使用了至少两个连续的氢膜分离器来完成氢气的分离过程，入口含氢气的混合气通过处于第一操作温度和压力下的第一氢膜分离器，全部或部分从第一氢膜分离器出来的残留混合气通过处于第二操作温度和压力下的第二氢膜分离器，在两个分离器中每一个的渗透出口都可以收集到纯度较高的氢气。以上介绍的是目前工业上普遍使用的氢气的两种分离方法，两者互为补充各有特点，但都存在着设备复杂昂贵、操作条件严格、生产过程中能源消耗量大、成本高等问题，还是无法满足各行各业对氢气量的大量需求。
发明内容
本发明的目的是提出了一种利用容重差分离法的原理，可在常温常压下从含氢气的混合气体中大量分离氢气的方法。
从主要含氢气的混合气体中分离氢气的容重差分离法，是将常压下含氢气的混合气体从入口通入中空的分离容器中，分离容器应该有足够大的容积，其横截面积最小要达到28.26平方米，高度最小为9米，当混合气体的流速小于氢气的分离速度时，含量远远大于混合气体的氢气自分离容器上方的出口排出并被收集，其余残留气体由分离容器下方的出口排出。氢气的分子量为2，是化学元素中质量最轻的物质，与其它的气体有着最大的容重差比，因此当氢气与其它气体混合进入体积足够的容腔中时，当混合气体的流速小于氢气的分离速度时，氢气会从混合气体中逐渐分离，最后基本上全部集中于容腔的顶部，其原理如同不同比重的液体在静止状态下自动分层一样，这种容重差分离法按道理适用于任何混合气体的分离，但由于氢气特殊的物理和化学性质，本发明特别适用于从含氢气的混合气体中分离氢气；容重差分离法不仅在理论上是成立的，还可以从一些简单的生活实践中得以佐证比如说自然界中，最轻的氢气在大气层外围有少量存在，水汽上升到几千米的高空冷凝成单个的水分子就成了云，二氧化碳、硫化氢等气体下降到枯井，地窑中使人和动物死亡，分离表现最清楚的是欧洲有一山洞，人进去没有问题，而小猫小狗进去却会死亡，人把它们抱起来就没事了，也就是说分离高度不到2米，底层主要是二氧化碳，这是一个最好的自然容重差分离的例子。
根据以上的方法为了得到含量更高的氢气，含氢气的常压混合气体在进入分离容器之前，先经过一段横截面积大于28.26平方米的水平缓冲气道，并使混合气体在其中的层流速度小于0.01米/秒；在实际的氢气分离生产过程中，不可能将混合气体处于静止状态下分离氢气，而是将混合气体不断地通入分离容器，氢气则不断的被提取收集，但混合气体在分离容器的流速过大，氢气与混合气体始终处于混浊状态无法分离，只有混合气体在分离容器处于相对静止状态才是氢气分离的最基本的前提条件，为此将混合气体先通入水平缓冲气道中，使其前行速度尽量减少，根据反复多次试验得知当前行速度小于0.01米/秒的层流速度时，才是氢气最佳的分离状态，此时的混合气体缓慢前行，氢气已开始在行进的垂直方向进行分离，逐渐聚积至缓冲气道的上部，混合气体进入分离容器后被进一步细分，氢气直接从分离容器的上方排出，试验数据表明当水平缓冲气道的长度大于72米时，常温常压下从分离容器中收集到的氢气含量纯度为90.2％，这里所述的混合气体是由重油、轻油、天然气、煤炭等气化产生，主要成分为氢气和一氧化碳，其中氢气的含量约为40％；从试验中得知混合气体的密度越大，分离出的氢气的纯度越高，当水平缓冲气道和分离容器中的压力为400毫米水柱高时，从分离容器中收集到的氢气含量纯度为98％。在以上各个条件下要扩大氢气的生产量，只要相应增加水平缓冲气道的横截面积和分离容器的横截面积即可。
根据以上容重差法分离氢气而设计的分离装置的结构如下中空柱体状分离容器的上方设有氢气排放出口，下方设有残留气体排放出口，分离容器在其柱体壁的偏下方的位置上与水平布置的混合气体缓冲通道相连通，混合气体进口设在混合气体缓冲通道的前端，减速通道将混合气体进口与混合气体缓冲通道前端相连通；减速通道的作用是将有一定流速的混合气体的速度减低至小于0.01米/秒的层流流速。
本发明所使用的分离容器为圆柱体形状，其直径最小为6米，高度最小为9米，混合气体缓冲通道也是直径最小为6米的圆柱体形状，其长度大于72米，这种结构尺寸的分离设备可以保证在常温常压下，从分离容器氢气排放出口处收集到的氢气含量可以达到90.2％，在压力为400毫米水柱高时，从分离容器氢气排放出口处收集到的氢气含量可以达到98％。
为了观察了解分离容器中氢气与其他气体分界的情况，可以在分离容器圆柱体的外壁上安装上氢位计，氢位计透明管中氢气球的停留位置即是氢气与其他气体分界的位置；为了检测混合气体缓冲通道中不同路段氢气的含量，可以在混合气体缓冲通道的顶部安装上三个氢表，第一个氢表离混合气体缓冲通道的前端25米，测量范围在40％--80％之间，第二个氢表离第一个氢表25米，测量范围在60％--90％之间，第三个氢表离第二个氢表20米，测量范围在60％--100％之间。本发明的优点是1容重差法分离氢气完全利用了氢气特有的物理性质，因此工艺简单，所使用的分离装置结构简单、操作方便。2氢气在分离过程中所产生的压力主要来自于混合气体气化时的蒸气压力，无须额外输入能量，因此能耗少成本低。3只要充分保证混合气体供给的前提下，用本发明制造的分离装置就能不间断的收集氢气，以满足各行业对氢气的大量需求。
图1是根据本发明方法制造的一种典型分离装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，用容重差法分离氢气的分离装置的典型结构主要由混合气体缓冲通道4和分离容器2组成，分离容器2可以为任意形状的中空密闭容腔，为制造、安装和使用方便，将分离容器2定为圆柱体形状并且竖直就位，为达到理想的氢气收集效果，分离容器2的内径尺寸应大于6米，高度大于9米，分离容器2的顶部和底部都固联着向外有开口的锥形端盖，氢气排放出口1与分离容器2顶部的锥形端盖开口连通，残留气体排放出口3与分离容器2底部的锥形端盖开口连通；混合气体缓冲通道4截面形状为圆形，其内径尺寸大于6米，长度尺寸大于72米，混合气体缓冲通道4水平直线放置，在混合气体缓冲通道4的底部与分离容器2的底部平齐的位置上，混合气体缓冲通道4的一端垂直穿过分离容器2的外壁与分离容器2内腔连通，另一端与减速通道6连通，减速通道6再和混合气进口5连通，混合气进口5连通着气化炉；氢位计7竖直安装在分离容器2旁并与分离容器2外壁平行，氢位计7的上下进出气管穿过分离容器2外壁与分离容器2的内腔连通，连通位置与混合气体缓冲通道4的顶部和底部的位置相一致；三块氢表安装在在混合气体缓冲通道4的顶部，第一个氢表的安装位离混合气体缓冲通道的前端25米，测量氢气含量范围在40％--80％之间，第二个氢表离第一个氢表25米，测量氢气含量范围在60％--100％之间，第三个氢表离第二个氢表20米，测量氢气含量范围在60％--100％之间。
权利要求
1利用容重差分离氢气的方法，其特征在于常压下含氢气的混合气体从入口通入中空的分离容器中，并使混合气体的流速小于氢气的分离速度时，含量远远大于混合气体的氢气自分离容器上方的出口排出并被收集，其余残留气体由分离容器下方的出口排出。
2根据权利要求1所述的利用容重差分离氢气的方法，其特征在于分离容器的横截面积最小为28.26平方米，高度最小为9米。
3根据权利要求2所述的利用容重差分离氢气的方法，其特征在于为了得到含量更高的氢气，含氢气的常压混合气体在进入分离容器之前，先经过一段水平缓冲气道进行流速减速，使混合气体在其中的层流速度小于0.01米/秒的氢气分离速度。
4根据权利要求3所述的利用容重差分离氢气的方法，其特征在于水平缓冲气道的长度最小为72米，横截面积最小为28.26平方米，当混合气体是由重油、轻油、天然气、煤炭等气化产生时，从分离容器中收集到的氢气含量纯度可达到90.2％。
5根据权利要求4所述的利用容重差分离氢气的方法，其特征在于当水平缓冲气道和分离容器中的压力为400毫米水柱高时，从分离容器中收集到的氢气含量纯度可达到98％。
6利用容重差分离氢气的分离装置，其特征在于中空柱体状分离容器(2)的上方设有氢气排放出口(1)，下方设有残留气体排放出口(3)，分离容器(2)在其柱体壁的偏下方位置上与水平布置的混合气体缓冲通道(4)相连通，混合气体进口(5)设在混合气体缓冲通道(4)的前端，减速通道(6)将混合气体进口(5)与混合气体缓冲通道(4)的前端相连通。
7根据权利要求6所述的分离装置，其特征在于分离容器(2)为圆柱体形状，其直径最小为6米，高度最小为9米，混合气体缓冲通道(4)也为直径最小是6米的圆柱体形状，长度大于72米。
8根据权利要求7所述的分离装置，其特征在于分离容器(2)的外壁上安装有氢位计(7)，混合气体缓冲通道(4)的顶部安装有三个氢表，第一个氢表离混合气体缓冲通道(4)的前端25米，第二个氢表离第一个氢表25米，第三个氢表离第二个氢表20米。
全文摘要
本发明公开了一种利用容重差分离氢气的方法，主要解决从含氢气的混合气体中将氢气分离出来的问题，利用氢气容重比最大的特性，将含氢气的混合气体通入体积足够大的容器中，并使混合气体的流速小于分离速度时，气体按容重差分离，氢气上升至容器的上方并被提取收集，残余气体下降至容器的下方排出；容重差分离法分离氢气的装置也非常简单，主要由分离容器和混合气体缓冲通道相连通组成，混合气体缓冲通道前端还安装有减速通道，混合气体进口与减速通道连通，用这种方法和装置分离氢气具有设备少、工艺简单、能耗少、成本低的特点。
文档编号C01B3/50GK1669910SQ20051002048
公开日2005年9月21日 申请日期2005年3月4日 优先权日2005年3月4日
发明者黎健雄 申请人:黎健雄