[发明专利]用于固－汽吸着系统的改进的传热和传质设备及方法

说明书

发明背景

固气吸着(sorption)系统通过在配位配合化合物上反复解吸和吸收气体来产生冷却和/或加热，这种配合化合物是在有时被看作是化学吸附的吸着反应中，在金属盐上吸收了极性气体致冷剂而形成的。加入氨作为极性气体致冷剂的配合化合物是特别有利的，因为它们有能力吸收大量的致冷剂，经常达到吸收剂干重量的80％。这些配合化合物还显示出蒸汽压独立于致冷剂的浓度，而且它们可以迅速地吸收和解吸。在比如US专利5,161,389、5,186,020和5,271,239中公开了使用配合化合物致冷的设备。通过限制在金属盐上气体吸收的反应过程中形成的配合化合物的体积膨胀，就能够实现使此配合化合物达到高的反应速率的改进。在US专利5,298,231、5,328,671、5,384,101和5,441,716中公开了实现此高反应速率的方法和设备，其中的叙述在此引作参考。

虽然用前面所述的方法获得了增加的反应速率，还是已经确定，配合化合物，特别是使用氨作为致冷剂的那些配合化合物，反复和比较长时间的吸收和解吸循环会导致吸着剂的迁移，即使在封闭的反应室里也是如此。还已经发现，随着使用的吸着速率的提高，吸着剂的迁移也增加。这样的迁移可导致不均匀吸着剂的密度，其进而引起换热器结构中力的不平衡，经常导致热交换表面和/或内部结构的变形。由于换热器结构发生改变或妥协，如工艺过程的吸着速率一样，传热和传质过程降低。随着吸着剂迁移持续进行，在性能效率上发生明显损失，同样有反应器失效的可能性，特别是当其进行高反应速率的吸着时。

虽然在试图克服吸着剂迁移的问题时已经对金属氢化物进行了改进，但是未发现这样的操作和技术对含氨配合化合物是适当的。在美国专利4,507,263中，叙述了使用烧结方法使金属氢化物微观固定化，在此方法中，金属氢化物粉末嵌入到细分散的金属当中，而且使用250～300大气压的氢压在100～200℃的炉子中烧结此混合物。虽然这种方法据报道会使金属氢化物甚至在6000次循环以后还具有力学稳定性，但在含氨配合化合物中这种方法是无效的，这种化合物显示出比金属氢化物经受更大的力。比如，在含氨配合化合物吸收和/或解吸达到约3mol NH₃/mol吸着剂-小时以上时，在烧结的金属结构上经受的力会大到使此结构发生变形。再有，对于大多数使用配合化合物技术的实际应用来说，就数量级看，反应器的实际寿命期将超过6000次循环。

发明概述

在本发明中提供一种带有吸着剂/基质组合物，或者带有在金属盐上吸收了极性气体而形成的配合化合物的吸着换热器，即反应器，该组合物包括一种对极性气体实质上是惰性的基质材料，并加入了将要在其上面吸收极性气体的金属盐。使用这种吸着剂/基质组合物会导致固体吸着剂发生实质上的微观固定化。按照本发明，发现对于一个吸着过程，当反复的吸收和/或解吸反应超过200次的反复后，至少暂时超过3mol气体/mol吸着剂-小时的反应速率，通过使用在其上或内部加入了配合化合物或金属盐的适当基质材料，实质性地降低了吸着剂的迁移。吸着剂迁移的降低改善了设备的性能，也改进了吸着循环能力和设备的预期寿命。上述发明还可以用于交替地吸收或解吸氢气的金属氢化物吸着系统，特别是如果希望有高的反应速率或者希望几千次反应循环的话。下面将叙述这样的改进以及本发明的更详细的说明。

附图简述

图1～6图示说明在一个翅管式反应器中进行的不同配合化合物的比较吸着速率，显示出使用本发明的微观固定化基质的改进效果；以及

图7说明径向翅管换热器的一个例子，其中在翅间的空间中装有本发明的吸着剂基质组合物。

优选实施方案的详细叙述

在受让给Rocky Research的专利，特别是在USP-Re.34,259、5,298,231、5,328,671、5,441,716、5,025,635、5,079,928、5,161,389和5,186,020中，术语“吸附”用来描述极性气体和金属盐之间形成配合化合物的吸着反应，以及极性气体与配合化合物之间的反应。在下面的描述当中，术语“吸收”用来描述同样的吸着反应。无论使用什么样的术语，本发明的以及如在前面这些专利中所描述的在极性气体和单变盐之间产生配合化合物的吸着反应是将要和气体与双变化合物如沸石、活性炭或氧化铝或二氧化硅凝胶区别开来的。