[发明专利]气体分离和压缩装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种装置，在装置内的多孔固体上的气体吸着和脱附作用由电场来控制。本发明也涉及将该装置用于气体分离、回收、冷却泵和热泵时的使用方法。

背景技术

气体回收和分离技术对现代工业世界是基本的。世界各地都有人通过低温精馏的方法以数百万吨的规模来分离大气气体，以制造氧气、氮气和稀有气体氩气、氪气和氙气。对一些应用场合而言，在使用场地从空气中分离出氧气或氮气比运输低温分离的气体更方便和经济。为达到此目的，两个技术上完全不同的系统已发展出来。

一种方法是变压吸附(PSA)。在此方法中，空气被压缩进一个含有碳分子筛的容器，碳分子筛优先把氧气分子吸附在其表面。在控制排放的状态下，气体中最初比空气富含氮气。到这个过程的最后，排出的气体富含氧气。通过操作两个或更多个吸附床，便可连续供给氮气和/或氧气。

另一种替代性的方法是使用微孔膜。与氮气相比，氧气、二氧化碳和水蒸气对微孔膜具有更好的渗透性。氧气可穿过薄膜，使接近于纯净的氮气能从管子的末端排出。同样地，火力发电站排放的废气中的二氧化碳可与氮气分离。这有利于压缩二氧化碳，使其吸存于地质构造中，而不是释放到大气中致使全球变暖。

由于其本身固有的性质，依赖于吸附剂或薄膜的扩散分离的方法不可能实现通过低温精馏方法而达到的高度分离。较高的流速会导致较差的分离效果。此外，它们自身不能压缩气体，而需依赖外部的气体压缩装置。

另一种替代变压吸附的方法是变温吸附(TSA)。当混合气体通过吸附床时，优先吸附的气体就会被移除。当吸附床饱和时，混合气体就停止流动。然后加热吸附床以脱附被吸附的气体。

然而，相对而言，本技术的能效较低，因为其需要冷却和加热吸附剂填充床。导电的碳纤维复合分子筛床(CFCMS)已经被用来吸附二氧化碳。使电流通过吸附剂能使之受热而达到脱附作用，这个过程称为“变电吸附”(ESA)。结合变压和变温吸附的技术(PTSA)也已经描述过。

上述技术依赖于固体对于气体的吸附作用而实现气体的分离。通过多种专用的液胺混合剂来吸收二氧化碳和硫化氢，是一种发展成熟的净化天然气的技术。这种技术被建议用来除去发电站废气中的二氧化碳。分离胺中的二氧化碳需要大量热能，以便胺可再生。胺吸收二氧化碳的能力越强并因而更有效，则随后用于分离所需的能量就越多。发电站的废气中具有可利用的低温热量，但随后热量就减少而不能用于发电。另外一个缺点是在于气体是在接近大气压力的环境下回收的，因此需要对其进行压缩以利于使其吸存。这亦需要能量，因而进一步降低发电站的整体效率。

气体分离技术在潜艇、军用车辆和载人宇宙飞船领域中也是重要的。例如在潜艇中二氧化碳是通过与过氧化钠的反应除去的，此反应同时释放出更多的氧气以供呼吸。在紧闭麻醉中，再循环呼吸气体在碱石灰中过滤，除去二氧化碳。这些技术本质上涉及不可逆的化学反应。

发明内容

本发明提供了一种用于从气态混合物中分离出反应气体的气体分离装置，该装置含有多孔的阳极电极和阴极电极，两电极由离子膜分隔开，阳极以吸收剂化合物或溶剂浸透，阴极以导电液体浸透；用于把电荷施加到电极上的电源；气态混合物的入口，入口与邻接阴极的室相通，以及使气体离开该室的出口，以便从入口流动到出口的气体触及阴极，其中反应气体被吸收剂化合物从气态混合物中吸收，并被保留在装置中，并随后从吸收剂化合物中脱附，其中吸收过程、脱附过程或二者都可通过施加电荷到电极来促进。

在本发明的一个实施例中，当电极充电时反应气体被吸收，当充电停止时反应气体脱附。这样可以使反应气体以高浓度的形式从装置中除去。

在一个替代性实施例中，当电极未充电时气体被吸收，当电极充电时气体脱附。这样可以使反应气体以高浓度的形式从装置中除去。

在另一实施例中，当对第一极性的电极充电时气体被吸附，当对相对于第一极性的电极的反向极性充电时气体脱附。气体可以以高浓度的形式从装置中除去。

反应气体最好是二氧化碳或氨气。反应气体可为燃烧所产生的废气，例如来自发电厂或电站的废气。

当反应气体为二氧化碳时，吸收剂化合物最好选自胺、磺酸或羧酸。最好是低聚胺或多聚胺、磺酸或羧酸。也可以使用一种双功能的胺磺酸或双功能胺羧酸，特别是甲基磺酸。

当反应气体为氨气时，溶剂或吸收剂化合物最好选自：水或酸的水溶液，例如盐酸或其他无机酸。

在一个优选的装置中，离子薄膜包含离子聚合物。优选的离子聚合物选自：磺化聚苯乙烯、磺化聚醚酮、磺化聚醚砜、Nafion^TM和含氟聚合物。