УСТРОЙСТВА И СПОСОБЫ ХРАНЕНИЯ И/ИЛИ ФИЛЬТРОВАНИЯ ВЕЩЕСТВА
DEVICES AND METHODS OF STORAGE AND/OR FILTRATION OF SUBSTANCE

Область техники
Настоящая технология относится к хранению и/или фильтрованию вещества с использованием устройства, содержащего сорбционную среду.
Предпосылки создания изобретения
Несмотря на то, что спрос на возобновляемые источники растет, человечество продолжает удовлетворять большую часть своих потребностей в энергии за счет использования нефти. Субпродукты нефти служат топливом для автомобилей, кораблей и самолетов, а в большинстве регионов земного шара их сжигают с целью производства электроэнергии. Хотя нефть является очень полезным веществом, ее запасы ограничены, а обитателям земли, как растениям, так и животным, наносится вред, непосредственно или опосредованно, когда нефть извлекается из земли, и когда субпродукты нефти сжигаются с целью получения энергии. Для того чтобы сохранить окружающую среду и удовлетворить потребности растущего населения мира в энергии, люди должны заменить нефть альтернативными веществами.
Несмотря на то, что человечеству необходимо уйти от использования нефти, существует лишь несколько альтернативных веществ, которые могут быть получены, переработаны, сохранены и использованы так же дешево и просто, как нефть, и в таких количествах, которые могут компенсировать потребность в нефти. Таким образом, нефть остается основным топливом для экономики всего мира. Ключевым фактором доминирования нефти по всему миру является высокая плотность энергии на единицу объема субпродуктов нефти, что позволяет транспортировать и хранить углеводороды с таким содержанием энергии, которое удовлетворяет потребностям общества. Бензин, например, содержит около 44,4 мегаджоулей на килограмм (МДж/кг), а дизельное топливо содержит около 45,4 МДж/кг. Водород и метан, легкодоступные альтернативы бензину и дизельному топливу, содержат около 143 МДж/кг и 55,6 МДж/кг, соответственно. Однако при комнатной температуре и атмосферном давлении, водород и метан это газы, следовательно, они менее плотные, чем углеводороды, например, бензин и дизельное топливо. Соответственно, газообразный водород содержит лишь около 0,01079 мегаджоулей на литр (МДж/л), а газообразный метан содержит лишь около 0,0378 МДж/л, в то время как бензин содержит около 32 МДж/л, а дизельное топливо содержит около 38,6 МДж/л. Если газы, подобные водороду и метану, рассматриваются в качестве замены углеводородам в мировом масштабе, необходимо иметь возможность хранить их таким образом, чтобы компенсировать их низкое содержание энергии в единице объема.
Разработаны многочисленные способы для хранения водорода и других газов при более высоких плотностях энергии на единицу объема. Первый подход состоит в хранении газа при очень высоком давлении. В то время как этот способ пригоден для многих применений, включая транспортировку газов по трубопроводам, он неосуществим в большинстве типичных применений из-за того что значительная энергия расходуется на сжатие газа. К тому же, резервуар, способный выдерживать высокое давление, слишком тяжел для большинства автомобилей, самолетов или иных машин, которые могут использовать сжатый газ в качестве топлива. Другим подходом является хранение газа в виде жидкости или жидкого раствора. Этот подход имеет ряд недостатков, к числу которых относится большая стоимость хранения. Например, подобно водороду, являющемуся одной из наиболее жизнеспособных альтернатив нефти, многие газы кипят при очень низкой температуре, а это значит, что их необходимо хранить в криогенных условиях, а на охлаждение газа до состояния жидкости или жидкого раствора и хранение в охлажденном состоянии потребуются значительные затраты энергии.
Водород и другие газы можно хранить при более высоких плотностях энергии на единицу объема в виде абсорбированного вещества или в виде гидрида металла. К сожалению, многие гидриды металлов содержат редкоземельные металлы и имеют плотности энергии на единицу объема меньше, чем углеводороды из-за того, что для хранения используются тяжелые металлы. Кроме этого, материалы, которые аккумулируют водород, такие как гранулы активированного угля, карбонизированные ткани, цеолиты и частицы гидрида, плохо проводят тепло, а это значит, что скорость, с которой можно охлаждать эти материалы с целью поглощения газа, и скорость, с которой можно нагревать эти материалы с целью выделения газа, ограничены. К тому же, эти материалы могут разрушаться или быть источником пыли и мусора, которые могут загрязнять выделяющийся газ и забивать трубопроводы питания, фитинги, клапаны и фильтры системы хранения.
Кроме того, значительная энергия затрачивается на транспортировку нефти и ее субпродуктов к тем местоположениям, где нефть перерабатывается, или ее субпродукты потребляются, в то время как большие количества возобновляемых источников, которые могут быть превращены в топливо, такие как отходы сельскохозяйственного производства, пропадают попусту. Кроме того, при сжигании углеводородов, побочные продукты этого процесса, как правило, выбрасываются в окружающую среду. Эти побочные продукты нагревают атмосферу земли. Исторически сложилось так, что всегда было трудно хранить, перерабатывать или фильтровать побочные продукты углеводородов для дальнейшего эффективного использования. Например, производитель автомобиля может считать, что хранить выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания практически нецелесообразно, поскольку они занимают слишком большой объем. Аналогично, наряду с тем, что существуют фильтры, которые удаляют твердые частицы из побочных продуктов углеводородов, трудно отфильтровать первое вещество от второго вещества, или провести реакцию побочного продукта с другим веществом с целью получения полезного вещества в ограниченном пространстве. В результате, побочные продукты углеводородов выбрасываются в воздух, попусту растрачивается потенциально выгодный источник энергии, и загрязняется окружающая среда.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - это схематическое изображение поперечного разреза выполненного в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения сосуда для хранения и/или фильтрования вещества.
Фиг. 2A - это увеличенное схематическое изображение поперечного разреза параллельных слоев сорбционной среды, включая поверхностные структуры, выполненные в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.
Фиг. 2B - это увеличенное схематическое изображение поперечного разреза параллельных слоев сорбционной среды, включая поверхностные структуры, выполненные в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.
Фиг. 2C - это увеличенное схематическое изображение поперечного разреза параллельных слоев сорбционной среды, включая поверхностные структуры, выполненные в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.
Фиг. 2D - это увеличенное схематическое изображение поперечного разреза параллельных слоев сорбционной среды, включая поверхностные структуры, выполненные в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.
Фиг. 3 - это технологическая схема процесса для введения вещества в сорбционную среду в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.
Фиг. 4 - это технологическая схема процесса для выведения вещества из сорбционной среды в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения.
Фиг. 5 - это вид сбоку выполненного в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения сосуда для хранения и/или фильтрования вещества.
Фиг. 6A - это схематическое изображение поперечного разреза выполненного в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения сосуда для хранения и/или фильтрования вещества.
Фиг. 6B - это увеличенное схематическое изображение поперечного разреза области выполненного в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения сосуда для хранения и/или фильтрования вещества.
Фиг. 6C - это увеличенное схематическое изображение поперечного разреза области выполненного в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения сосуда для хранения и/или фильтрования вещества.
Фиг. 7 - это схематическое изображение поперечного разреза выполненного в соответствии с вариантом реализации настоящей изобретения устройства для фильтрования вещества.
Фиг. 8 - это изометрическое изображение выполненного в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения устройства для фильтрования вещества.
Фиг. 9 - это схематическое изображение поперечного разреза выполненного в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения сосуда для хранения и/или фильтрования вещества и связанной с ним системы.
Подробное описание
Настоящая заявка полностью включает посредством ссылки объект изобретения предварительной заявки США № 60/626021, поданной 9 ноября 2004 г., и озаглавленной «Многотопливная система хранения, учета и зажигания» (досье № 69545-8013US); предварительной заявки США № 61/153253, поданной 17 февраля 2009 г., и озаглавленной «Комплексная энергия» (досье № 69545-8001US); и патентной заявки США № 12/804509, поданной 21 июля 2010 г., и озаглавленной «Способ и система термохимической регенерации для обеспечения кислородсодержащего топлива, например, с помощью охлаждаемых топливом топливных форсунок» (досье № 69545-8037US). Настоящая заявка полностью включает путем ссылки объект изобретения каждой из следующих патентных заявок США, поданных одновременно 16 августа 2010 г., и озаглавленных: «Способы и устройства для определения свойств систем транспортирования жидкости» (досье № 69545-8003US); «Комплексное моделирование затрат на автогенные системы и процессы для производства энергии, материальные ресурсы и режимы питания» (досье № 69545-8025US); «Электролитическая ячейка и способ ее использования» (досье № 69545-8025US); «Устойчивое экономическое развитие за счет комплексного производства возобновляемой энергии, материальных ресурсов и режимов питания» (досье № 69545-8040US); «Системы и способы для устойчивого экономического развития за счет интегрированного комплексного производства возобновляемой энергии» (досье № 69545-8041US); «Устойчивое экономическое развитие за счет интегрированного комплексного производства возобновляемых материальных ресурсов» (досье № 69545-8042US); «Способ и система для повышения эффективности преобразования пополняемой тепловой энергии океана (SOTEC) (досье № 69545-8044US); «Система превращения газового гидрата для сбора осадков гидрата углеводорода» (досье № 69545-8045US); «Энергетическая система для обеспечения жилища» (досье № 69545-8047US); «Агрегаты преобразования энергии и соответствующие способы использования и производства» (досье № 69545-8048US); и «Композиционные материалы конструкционного назначения с внутренним армированием и соответствующие способы производства» (досье № 69545-8049US).
Описаны системы, устройства и способы хранения и/или фильтрования вещества. Сорбционная среда содержит параллельные слои сорбционного материала, отстоящие друг от друга на определенном расстоянии или переменном расстоянии. Вещество подводится на край сорбционной среды. Край сорбционной среды обеспечивает доступ к зонам между слоями сорбционной среды. Для того чтобы облегчить и/или вызвать введение (т.е. адсорбцию и/или абсорбцию) молекул вещества в сорбционную среду, от сорбционной среды может отводиться тепло. Аналогично, для того, чтобы облегчить и/или вызвать введение молекул вещества в сорбционную среду, к сорбционной среде может быть приложено напряжение первой полярности. Таким же образом, для того, чтобы облегчить и/или вызвать введение молекул вещества в сорбционную среду, может быть повышено давление, при котором находится сорбционная среда. В некоторых вариантах реализации изобретения сорбционная среда содержит также поверхностные структуры, в которые вводится вещество. В некоторых вариантах реализации изобретения катализатор способствует введению вещества в сорбционную среду. Вещество может быть выведено из сорбционной среды за счет подвода тепла к сорбционной среде, приложения к сорбционной среде напряжения с полярностью, противоположной первой полярности, и/или снижения давления, при котором находится сорбционная среда.
В некоторых вариантах реализации изобретения сорбционная среда заключена в сосуд. В некоторых вариантах реализации изобретения сорбционная среда имеет форму трубы. В некоторых вариантах реализации изобретения сорбционная среда вводит все молекулы вещества, в то время как в других вариантах реализации изобретения сорбционная среда вводит только молекулы определенного вещества или молекулы определенных соединений вещества. В некоторых вариантах реализации изобретения сорбционная среда фильтрует вещество. В некоторых вариантах реализации изобретения сорбционная среда накапливает вещество. В некоторых вариантах реализации изобретения на по меньшей мере часть сорбционной среды нанесен катализатор для активизации химической реакции между веществом, введенным в сорбционную среду, и другим веществом.
Система, устройства и способ далее описываются в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Следующее описание представляет специфические элементы, необходимые для полного понимания и описания этих вариантов реализации системы, устройств и способа. Тем не менее, для специалиста в данной области техники очевидно, что система может быть практически реализована без этих элементов. В других случаях, для того чтобы излишне не затруднять понимание описания вариантов реализации системы, подробно не описаны широко известные конструкции и функции.
Подразумевается, что терминологию, использующуюся в представленном ниже описании, следует интерпретировать в самом широком смысле, даже если она используется в связи с детальным описанием определенных конкретных вариантов реализации системы. Ниже некоторым терминам может быть даже придано особое значение, однако, любая терминология, которую следует интерпретировать в узком смысле, явно и конкретно определена как таковая в данном разделе «Подробное описание».
Фиг. 1 - это схематическое изображение поперечного разреза выполненного в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения сосуда 2 для хранения и/или фильтрования вещества. Сосуд 2 принимает вещество, такое как газ, через первое отверстие 10, и вещество проходит по перфорированному каналу 4, который проложен через сорбционную среду 6 внутри сосуда 2. Первый клапан 13 и второй клапан 28 могут быть открыты или закрыты в различной степени для регулирования количества вещества, поступающего в сосуд или выходящего из сосуда 2. Вещество, проходя через отверстия перфорированного канала 4, подводится к первому краю 15 сорбционной среды 6, которая включает параллельные, имеющие форму диска слои сорбционного материала, который вводит (т.е. абсорбирует или адсорбирует) вещество на слои сорбционного материала и в зоны между слоями, уменьшая объем вещества, которое введено в сорбционную среду. Следовательно, сосуд 2 может быть сконфигурирован для хранения вещества при плотности гораздо больше, чем плотность, при которой вещество существует при атмосферном давлении и температуре окружающего воздуха. Сосуд 2 включает второе отверстие 11, которое может использоваться для вытеснения вещества по мере его высвобождения из сорбционной среды 6. В некоторых вариантах реализации изобретения сосуд 2 выполнен так, что только определенное соединение вещества вводится сорбционной средой 6, а остающиеся соединения проходят через сосуд 2 без введения. Соответственно, сосуд 2 может быть также выполнен с возможностью фильтрования вещества.
A. Сорбционная среда и поверхностные структуры
Сорбционная среда 6 сосуда 2 выполнена в виде параллельных слоев сорбционного материала, на которых и между которыми адсорбируются и абсорбируются молекулы вещества. Подходящие материалы для параллельных слоев включают графен, графит, нитрид бора, керамику, металлы и полимеры, в том числе различные комбинации и измененные формы этих материалов. Как показано ниже, в некоторых вариантах реализации изобретения материал имеет высокий коэффициент теплопередачи, который позволяет передавать тепло через каждый слой и снимать тепло с каждого слоя с целью облегчения введения или выведения вещества из сорбционной среды 6. Аналогично, в некоторых вариантах реализации изобретения материал является электропроводящим, и для облегчения введения или выведения вещества через весь слой параллельных слоев приложено напряжение. Примером подходящего материала для сорбционной среды 6 является графен, поскольку он является электропроводящим и имеет высокий коэффициент теплопередачи. В некоторых вариантах реализации изобретения каждый параллельный слой имеет толщину всего лишь в один атом, в то время как в других вариантах реализации изобретения некоторые из слоев или все слои имеют толщину больше, чем в один атом. В некоторых вариантах реализации изобретения теплопроводность и электропроводность слоя сорбционной среды 6 регулируются путем изменения толщины слоя.
Сорбционная среда 6 может быть изготовлена и сформирована в параллельные слои с использованием любого из множества известных способов. В некоторых вариантах реализации изобретения параллельные слои сорбционной среды получены отшелушиванием слоев монокристалла. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения выращен монокристалл графита, механической обработкой ему придана необходимая форма, например, форма диска, и от кристалла отшелушены слои толщиной в один атом. Перед отшелушиванием в графитовом кристалле может быть высверлено отверстие, и в процессе отшелушивания кристалл может удерживаться с помощью центральной основы, такой как перфорированный канал 4. Патент США № 6503584 и предварительная заявка США № 61/304403, которые включены в настоящую заявку путем ссылки, описывают подходящие системы и способы для отшелушивания монокристаллов с целью производства слоев сорбционного материала толщиной в один атом. С использованием аналогичных способов могут быть отшелушены многие другие материалы, включая такие соединения, как слюда, минералы для производства цеолитов и нитрид бора.
Слои сорбционной среды 6 могут быть сформированы путем дегидрирования соединения. Например, к углеводороду, такому как метан, может быть приложена энергия для диссоциации углеводорода с образованием углерода и водорода. Например, к метану может быть приложена электроэнергия на время, достаточное для получения слоя углерода сорбционной среды. Получившийся углерод может быть осажден на подложку, или ему может быть придана необходимая форма. Эти графеновые покрытия будут однородно упорядочены в слои сорбционной среды, которые можно скомпоновать на подложке параллельно друг другу.
Параллельные слои сорбционной среды 6 отделены друг от друга промежутком для того, чтобы сделать возможной введение молекул вещества на поверхности слоев сорбционной среды 6 и внутри зон между слоями сорбционной среды 6. Фиг. 2A показывает увеличенное схематическое изображение поперечного разреза области 200 сорбционной среды 6 в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. На поверхность параллельных слоев 22 сорбционной среды 6 наносятся различные поверхностные структуры 20. Эти поверхностные структуры 20 могут содержать нанотрубки 20a, нанозавитки 20b и другие различные наноструктуры с развитой поверхностью, такие как пористые, отшелушенные, карбонизированные ткани, палочки 20c и цветовидные структуры 20d. В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные структуры позволяют сорбционной среде вводить больше вещества. В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные структуры позволяют сорбционной среде вводить определенное соединение вещества. В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные структуры позволяют сорбционной среде более быстро вводить и/или выводить молекулы вещества. В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностная структура определенного типа является более предпочтительной в сравнении с другой поверхностной структурой. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения нанозавиток может быть более предпочтительным, чем нанотрубка. Нанозавиток может быть способен вводить и выводить молекулы вещества более быстро, чем нанотрубка, поскольку нанозавиток может вводить и выводить несколько молекул вещества одновременно, в то время как нанотрубка может вводить и выводить одну молекулу за раз. В некоторых вариантах реализации изобретения первый тип поверхностной структуры вводит первое соединение, и второй тип поверхностной структуры вводит второе соединение. В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные структуры 20 состоят из материала, который является электропроводящим и/или имеет высокий коэффициент теплопередачи. В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные структуры 20 состоят из углерода.
Поверхностные структуры могут быть сформированы на слоях сорбционной среды 6 с использованием ряда различных способов. Упомянутые выше родственные заявки описывают ряд способов для формирования поверхностных структур 20 на поверхностях параллельных слоев 22. В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные структуры эпитаксиально ориентированы решетчатой структурой того слоя, на который они нанесены. В некоторых вариантах реализации изобретения слой сорбционного материала покрыт поверхностными структурами до того, как рядом со слоем формируется соседний слой. В некоторых вариантах реализации изобретения для образования поверхностных структур 20 соединение дегидрируют на слое сорбционной среды 6. В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные структуры выполняют функции прокладок между параллельными слоями сорбционной среды 6, разделяя их необходимым расстоянием.
В некоторых вариантах реализации изобретения расстояние между параллельными слоями достаточно велико лишь для того, чтобы ввести слой вещества толщиной в одну молекулу на поверхности каждого из параллельных слоев. В других вариантах реализации изобретения расстояние достаточно велико для того, чтобы ввести молекулы на каждый из параллельных слоев и для того, чтобы ввести по меньшей мере один слой вещества толщиной в одну молекулу в зону между параллельными слоями, а не на поверхность слоев. Например, молекулы вещества могут быть введены на поверхность слоев 22 сорбционной среды 6 и в зоны 204 между слоями 22. В некоторых вариантах реализации изобретения параллельные слои сорбционной среды 6 отстоят друг от друга на расстоянии 90 Å. Параллельные слои сорбционной среды 6 могут быть разделены расстоянием 90 Å, например, для введения природного газа. В некоторых вариантах реализации изобретения слои сорбционной среды 6 отстоят друг от друга на расстоянии больше, чем 90 Å, или меньше, чем 90 Å. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения расстояние составляет 120 Å или больше, а в других вариантах реализации изобретения расстояние меньше, чем 60 Å.
В некоторых вариантах реализации изобретения расстояние между всеми слоями сорбционной среды 6 одинаковое, в то время как в других вариантах реализации изобретения расстояние между слоями изменяется или одинаково только между некоторыми из параллельных слоев. Например, некоторые из параллельных слоев могут быть разделены расстоянием, которое позволяет вводить молекулы первого вещества, такого как метан, а некоторые из параллельных слоев могут быть разделены расстоянием, которое позволяет вводить второго вещества, такого как водород. Фиг. 2B показывает увеличенное схематическое изображение поперечного разреза области 200 сорбционной среды 6 в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения. Поверхностные структуры 20 нанесены на поверхность параллельных слоев 22 сорбционной среды 6. Параллельные слои 22 разделены различными расстояниями, так что размер первой зоны 210 отличается от размера второй зоны 212, которая также имеет размер, отличающийся от размера третьей зоны 214. Как отмечалось выше, изменяющееся расстояние между слоями может позволить осуществить преимущественное введение различных молекул в разные зоны. Например, первая зона 210 может быть сконфигурирована для введения метана, а вторая зона 212 может быть сконфигурирована для введения водорода. Фиг. 2C показывает увеличенное схематическое изображение поперечного разреза области 200 сорбционной среды 6 в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения. В варианте реализации изобретения на Фиг. 2C слои 22 сорбционной среды 6 отделены друг от друга различными расстояниями, так что сорбционная среда включает зоны первого размера, такие как зона 222, и зоны второго размера, такие как зона 224.
В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные структуры 20 различаются по размеру. Например, на Фиг. 2B некоторые нанотрубки 20a длиннее, чем другие нанотрубки 20a. В некоторых вариантах реализации изобретения изменение размера поверхностных структур изменяет скорость, с которой они могут вводить и/или выводить вещество. В некоторых вариантах реализации изобретения размеры поверхностных структур увеличиваются или уменьшаются для преимущественного введения первого соединения в сравнении со вторым соединением, или для изменения расстояния между слоями сорбционной среды 6.
В некоторых вариантах реализации изобретения зона между слоями сорбционной среды включает только первый тип поверхностной структуры. Например, третья зона 214 включает только нанотрубки. Зона между параллельными слоями сорбционной среды может включать только определенный тип поверхностной структуры для размещения определенного соединения. Например, третья зона 214 может включать нанотрубки 20a, поскольку нанотрубки способны вводить водород при более высокой плотности, чем нанозавитки, и водород необходимо ввести в третью зону 214. В некоторых вариантах реализации изобретения зона между слоями сорбционной среды включает только два типа поверхностных структур для размещения определенного соединения или соединений. Например, вторая зона 212 может включать только нанозавитки 20b и палочки 20c, поскольку нанозавитки способны вводить метан при высокой плотности, а палочки, хотя и не способны вводить метан при высокой плотности, способны вводить и выводить метан с высокой скоростью. Таким образом, нанозавитки 20b и палочки 20c могут компенсировать недостатки друг друга в конкретном применении. В некоторых вариантах реализации изобретения все поверхностные структуры, сформированные на слоях сорбционной среды, могут быть одного типа. Например, сорбционная среда может включать только нанотрубки для конкретного применения.
В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные структуры 20 ориентированы перпендикулярно слоям 22 сорбционной среды. В других вариантах реализации изобретения по меньшей мере некоторые из поверхностных структур 20 не ориентированы перпендикулярно слоям 22 сорбционной среды, а вместо этого ориентированы под другим углом. На Фиг. 2C поверхностные структуры 20 ориентированы под разными углами по отношению к слоям 22, а не под углом 90 градусов. Поверхностная структура может быть ориентирована под определенным углом с целью увеличения площади поверхности поверхностной структуры, для увеличения скорости, с которой молекулы вводятся поверхностной структурой, для повышения плотности введения поверхностной структуры, для преимущественного введения молекул определенного соединения, или по иной причине.
2
6
2
В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные структуры состоят из материала, отличающегося от материала того слоя сорбционной среды 6, с которым они связаны. Фиг. 2D показывает увеличенное схематическое изображение поперечного разреза области 200 сорбционной среды 6 в соответствии с другим вариантом реализации настоящего изобретения. Параллельные слои 22 сорбционной среды состоят из первого материала, такого как графен. Поверхностные структуры 20 состоят из второго материала, такого как нитрид бора. В некоторых вариантах реализации изобретения на графен нанесен промежуточный слой бора перед осаждением нитрида бора на параллельные слои 22. Поверхностные структуры могут состоять из любого количества различных материалов. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения нанотрубки 20a, нанозавитки 20b, палочки 20c и цветовидные структуры 20d состоят из гидрида бора, диборана (BH), алюмогидрида натрия, MgH, LiH, гидрида титана и/или другого гидрида металла или другого соединения. Процесс образования гидрида бора на промежуточном слое бора является эндотермическим, теплоту образования необходимо удалить через тот параллельный слой, на который наносится гидрид бора. Водород, например, может быть быстро введен с образованием относительно нестабильного накопления водорода из-за превосходной теплопроводности гидрида бора, которая аналогичным образом позволяет быстро выводить водород.
Расстояние между параллельными слоями может контролироваться с использованием любого из нескольких известных способов. В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные структуры нанесены на поверхность слоев сорбционной среды 6 и сконфигурированы для разделения параллельных слоев сорбционной среды 6 определенным расстоянием. На Фиг. 2D, например, поверхностные структуры 20 соседних слоев, такие как поверхностные структуры в зоне 226, контактируют друг с другом, регулируя размер зоны 226. В некоторых вариантах реализации изобретения параллельные слои скомпонованы на поддерживающем основании, таком как перфорированный канал 4, и к параллельным слоям приложены одинаковые заряды, отталкивающие слои друг от друга с целью достижения необходимого разделения. Параллельные слои могут также быть разделены необходимым расстоянием за счет осаждения атомов или соединений, выполняющих роль прокладок между слоями в процессе производства или в то время, когда слои компонуют на основании. Например, при дегидрировании соединения, атомы или молекулы прокладки могут быть нанесены между каждым изготовляемым слоем сорбционной среды 6. В некоторых вариантах реализации изобретения параллельные слои сорбционной среды 6 формируют из исходного материала, который нагревают, что приводит к его расширению, и, таким образом, появляется возможность вставить между слоями атомы или молекулы прокладки, которые не позволяют исходному материалу вжиматься в те зоны, в которых есть атомы или молекулы прокладки. Расстояние между двумя слоями сорбционной среды 6 можно также контролировать изменением фазы в слое или в прокладке между двумя слоями, которая индуцирует силу, достаточную для обеспечения работы, требующейся для того, чтобы расположить слои на предварительно заданном расстоянии друг от друга. Расстояние между слоями можно подобрать для обеспечения опоры конструкции сосуда 2, для облегчения переноса тепла к слоям и от слоев, для обеспечения прохода света между слоями, для каталитических целей и/или с целью демпфирования.
Вещество вводится в сорбционную среду 6 путем адсорбции на поверхностях параллельных слоев сорбционной среды 6 и поверхностных структур 20 и путем абсорбции в поверхностных структурах 20 и в зонах между слоями сорбционной среды 6. Фиг. 3 - это блок-схема процесса введения вещества в сорбционную среду 6. В блоке 300 вещество подводится на край сорбционной среды. Край сорбционной среды 6 включает область, которая обеспечивает доступ к зонам между слоями сорбционной среды. Например, сосуд 2 на Фиг. 1 включает слои, имеющие форму диска, и внутренний край 15 сорбционной среды 6 обеспечивает доступ к зонам между слоями сорбционной среды. Молекулы вещества могут быть введены с внутреннего края 15 сорбционной среды 6.
В блоке 310 молекулы вещества адсорбируются на поверхностях слоев сорбционной среды 6. Как указано в настоящем описании, сорбционная среда 6 может вводить вещество тогда, когда тепло отводится от сорбционной среды 6, когда к сорбционной среде 6 приложено напряжение и/или когда повышается давление, при котором находится сорбционная среда. В некоторых вариантах реализации изобретения введению вещества способствует или введение вызывает катализатор.
В блоке 320 молекулы вещества адсорбируются на поверхности поверхностных структур, которые сформированы на слоях сорбционной среды 6. Например, молекулы вещества могут адсорбироваться на поверхности нанопалочки, которая сформирована на поверхности слоя сорбционной среды. В блоке 330 молекулы вещества абсорбируются в поверхностных структурах. Например, молекулы вещества могут абсорбироваться в нанотрубке, которая располагается на поверхности слоя сорбционной среды 6.
В блоке 340 молекулы вещества абсорбируются в зонах между слоями сорбционной среды 6. В некоторых вариантах реализации изобретения молекулы вещества не абсорбируются в виде раствора газа в зоне между слоями сорбционной среды 6 до тех пор, пока молекулы не адсорбируются на поверхности слоев с такой плотностью, что больше не остается поверхности, на которой могут адсорбироваться молекулы, и остальные вводимые молекулы абсорбируются в виде раствора газа в зоне между двумя слоями. В некоторых вариантах реализации изобретения молекулы вещества адсорбируются через край сорбционной среды 6 и перемещают ранее адсорбированные молекулы глубже в сорбционную среду 6 до тех пор, пока воздействие недавно адсорбированных молекул не вынуждает ранее адсорбированные молекулы перейти во взвешенное состояние в зоне между слоями сорбционной среды, став частью абсорбированного раствора газа. Для специалиста в данной области техники очевидно, что в некоторых вариантах реализации изобретения молекулы вещества абсорбируются прежде, чем некоторые молекулы вещества адсорбируются, или молекулы вещества абсорбируются в то же самое время, когда молекулы вещества адсорбируются.
Вещество выводится из сорбционной среды 6 путем десорбции из адсорбированного состояния на поверхностях параллельных слоев сорбционной среды 6 и поверхностных структур 20 и путем десорбции из абсорбированного состояния в поверхностных структурах 20 и в зонах между слоями сорбционной среды 6. Фиг. 4 - это блок-схема процесса выведения вещества из сорбционной среды 6. В блоке 400 молекулы вещества десорбируются из адсорбированного состояния на поверхностях слоев сорбционной среды 6. Как указано в настоящем описании, те молекулы, которые были введены в сорбционную среду, могут быть выведены путем подвода тепла к сорбционной среде, путем приложения к сорбционной среде напряжения с полярностью, противоположной полярности, приложенной для введения вещества, путем снижения давления, при котором находится сорбционная среда и/или с использованием других механизмов, таких как облучение сорбционной среды и физическое возмущение сорбционной среды.
В блоке 410 молекулы вещества десорбируются из адсорбированного состояния на поверхности поверхностных структур сорбционной среды 6. В блоке 420 молекулы вещества десорбируются из абсорбированного состояния внутри поверхностных структур сорбционной среды 6. Как описывалось выше, разные поверхностные структуры способны десорбировать молекулы абсорбированного вещества с разными скоростями. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения цветовидные наноструктуры будут десорбировать адсорбированное вещество быстрее, чем нанотрубки, которые могут быть способны десорбировать только одну молекулу абсорбированного вещества за один раз.
В блоке 430 молекулы вещества десорбируются из абсорбированного состояния из зон между слоями сорбционной среды 6. В блоке 440 десорбированные молекулы вытесняются из сорбционной среды за край сорбционной среды. В некоторых вариантах реализации изобретения те молекулы, которые адсорбированы и, таким образом, находятся в контакте с сорбционной средой, десорбируются первыми. В некоторых вариантах реализации изобретения первыми десорбируются абсорбированные молекулы. Однако, в некоторых вариантах реализации изобретения молекулы, адсорбированные на поверхности слоев сорбционной среды, молекулы, адсорбированные на поверхности поверхностных структур сорбционной среды, молекулы, абсорбированные в поверхностных структурах и молекулы, абсорбированные в зонах между слоями сорбционной среды, десорбируются одновременно. Сорбционная среда обычно способна выводить молекулы введенного вещества в большом объеме. Например, сорбционная среда может выводить молекулы аналогично тому, как конденсатор выводит хранящийся электрический заряд.
B. Перфорированный канал и защитная оболочка
Со ссылкой на фиг. 1, вещество вводится в сосуд 2 или через первое отверстие 10, или через второе отверстие 11, и вещество подводится к сорбционной среде 6 через перфорированный канал 4. В некоторых вариантах реализации изобретения перфорированный канал 4 представляет собой перфорированную трубу. В других вариантах реализации изобретения перфорированный канал 4 представляет собой проволочную сетку. Перфорированный канал 4 может упрочнять сосуд 2 в продольном направлении, и по нему могут циркулировать жидкости для охлаждения или нагревания сорбционной среды 6. В некоторых вариантах реализации изобретения сосуд 2 включает больше двух или меньше двух отверстий. Например, сосуд для хранения вещества может включать только одно отверстие.
Сорбционная среда 6 вводит вещество, которое подводится к внутреннему краю 15 сорбционной среды через отверстия в перфорированном канале 4. Сорбционная среда 6 вводит молекулы вещества с внутреннего края 15 сорбционной среды 6. Для ограничения объема внутри сосуда 2, сосуд 2 включает корпус 16 на внешнем краю 17 параллельных слоев, который препятствует введенным молекулам вещества выходить из сосуда через внешние края 17 параллельных слоев.
Корпус 16 выполнен в виде мембраны 14 с низкой проницаемостью. Подходящие материалы мембраны включают графитовую фольгу, изготавливаемые свертыванием, глубоко вытянутые или выдавленные при быстром вращении титан, алюминий или нержавеющая сталь и гальванопластический никель. Для мембраны могут использоваться также различные композитные материалы, в том числе металлизированные тонкие пленки полиэтилентерефталата, этиленхлортрифторэтилена, поливинилиденфторида и полиолефинов. Материалы, которые могут использоваться для металлизации, включают железо, алюминий, титан, хром, никель или сплавы, использующиеся для металлизации напылением. В некоторых вариантах реализации изобретения мембрана 14 является электропроводящей и/или имеет большой коэффициент теплопередачи.
Мембрана 14 надежно прикреплена к внешним краям 17 параллельных слоев сорбционного материала с использованием высокопрочного адгезива или состава для диффузионной пайки твердым припаем. Для крепления мембраны 14 к внешним краям 17 параллельных слоев можно использовать различные адгезивы, включая термореактивные пластмассы, такие как эпоксидные смолы, фенолформальдегид, меламинформальдегид, силиконы и полиимиды с добавками, включая те, которые содержат силоксан, и термопластичные пластмассы, такие как ароматические полиэфиры, ненасыщенные полиэфиры и полиэфиримиды. Внешние края 17 могут быть также покрыты веществом, образующим диффузионный слой между мембраной 14 и внешними краями 17 параллельных слоев, включая, например, алмазоподобное вещество. Для надежного крепления мембраны 14 к внешним краям 17 параллельных слоев могут также использоваться различные углеродистые отложения.
Корпус также может упрочнять сосуд 2 в перпендикулярном направлении относительно направления радиального упрочнения перфорированным каналом с использованием высокопрочных ровингов, нитей или волокон, уложенных на мембрану 14. В некоторых вариантах реализации изобретения на мембрану могут быть нанесены продольные неровности, такие как теплопередающие ребра, описанные в патенте США № 6,503,584. Ровинги, упрочняющие в аксиальном направлении, могут быть уложены поверх теплопередающих ребер для распределения нагрузки неровной поверхности по мембране 14, не создавая при этом помех для теплообмена между мембраной 14 и ребрами.
C. Теплообмен
В некоторых вариантах реализации изобретения тепло отводится от сорбционной среды 6 с целью облегчения введения вещества, и тепло подводится к сорбционной среде 6 с целью облегчения выведения вещества, введенного сорбционной средой 6. Как обсуждалось выше, слои сорбционной среды 6 могут состоять из материала, имеющего высокий коэффициент теплопередачи, который позволяет передавать тепло к слоям и от слоев сорбционной среды 6, и даже в поверхностные структуры 20 и из поверхностных структур 20, сформированных на параллельных слоях.
Сосуд 2, изображенный на Фиг. 1, включает различные компоненты, которые предназначены для передачи тепла к сорбционной среде 6 и от сорбционной среды 6. Например, сосуд 2 включает непрерывный теплообменный змеевик 8, который окружает сорбционную среду 6 по внешнему краю и способен передавать тепло к параллельным слоям и от параллельных слоев сорбционной среды 6. В некоторых вариантах реализации изобретения корпус 16 включает внешний кожух 19, который защищает и изолирует сосуд 2 и теплообменный змеевик 8, и обеспечивает опору для сорбционной среды и теплообменного змеевика 8. На фиг. 5 показан вид сбоку сосуда 2 без внешнего корпуса. Теплообменный змеевик 8 навит вокруг внешней границы сосуда 2 и располагается непосредственно на мембране 14. Насос 21, который включает охлаждающий элемент и нагревательный элемент, может осуществлять циркулирование нагретого или охлажденного аргона, двуокиси углерода, окиси углерода или другого газа или жидкости через змеевик 8 для того, чтобы подводить тепло или отводить тепло от сорбционной среды 6. В некоторых вариантах реализации изобретения тепло также передается к сорбционной среде 6 или отводится от сорбционной среды 6 за счет прохождения нагретого или охлажденного газа или жидкости через перфорированный канал 4.
Тепло также может быть подведено к сорбционной среде 6 с использованием других способов. В некоторых вариантах реализации изобретения внутри сосуда расположены дополнительные трубы, через которые проходит теплообменная жидкость или газ. В некоторых вариантах реализации изобретения внутри сосуда расположены резистивные нагревательные элементы для передачи тепла к сорбционной среде 6. В некоторых вариантах реализации изобретения корпус 16 сосуда 2 и мембрана 14 по существу прозрачны и позволяют свету проникать в сосуд 2 и воздействовать на светочувствительные поверхностные структуры 20, нагревая поверхностные структуры и слои сорбционной среды 6. В некоторых вариантах реализации изобретения светочувствительные элементы размещены между внешними краями 17 параллельных слоев для получения максимального количества света.
D. Изменение давления
В некоторых вариантах реализации изобретения вещество вводится в сорбционную среду или выводится из сорбционной среды за счет изменения давления внутри сосуда. Со ссылкой на фиг. 1, в некоторых вариантах реализации изобретения давление внутри сосуда 2 регулируется за счет закрытия второго клапана 18 и закачивания вещества через первое отверстие 10 до тех пор, пока давление внутри сосуда не вырастет до значения, при котором сорбционная среда 6 начинает вводить вещество. В некоторых вариантах реализации изобретения сосуд 10 включен в трубопровод высокого давления. Это приводит к тому, что давление внутри сосуда остается достаточно высоким для того, чтобы сорбционная среда 6 могла вводить некоторое количество вещества или определенный компонент вещества, которое проходит через сосуд 2. Как подробно обсуждается в подробном описании, сосуд 2, который вводит только определенное соединение вещества, может использоваться в качестве фильтра.
Давление внутри сосуда 2 можно также регулировать путем хранения вещества при высоком давлении в сорбционной среде 6, и за счет открытия первого клапана 13 или второго клапана 18 с целью снижения давления внутри сосуда 2. Например, природный газ может быть введен при высоком давлении внутрь сосуда 2, и второй клапан 18 может быть открыт с целью снижения давления внутри сосуда 2, что приведет к выведению природного газа из сорбционной среды 6. В некоторых вариантах реализации изобретения вещество вводится в сосуд 2 через первый клапан 13, а второй клапан 18 частично закрыт, затрудняя течение вещества через сосуд 2, повышая давление внутри сосуда 2, и вынуждая сорбционную среду 6 вводить некоторое количество вещества. В некоторых вариантах реализации изобретения циклическое изменение давления вызывает электрический заряд, приложенный к сорбционной среде 6.
E. Электрический потенциал
В некоторых вариантах реализации изобретения для облегчения введения или выведения вещества на концах слоев сорбционной среды 6 прикладывается напряжение. В том случае, когда к сорбционной среде 6 приложено напряжение, она может вводить вещество более быстро, вводить другие соединения вещества, чем те, которые вводятся в отсутствии напряжения, вводить вещество при более низкой температуре или давлении и/или вводить большее количество вещества в зоны между слоями, тем самым увеличивая плотность хранения сосуда 2.
Фиг. 6A - это схематическое изображение поперечного разреза сосуда 2, включая устройство электроснабжения 601, которое включает электрическую схему и источник питания, который может быть подключен к сосуду 2 с целью подачи напряжения по меньшей мере на некоторые из параллельных слоев сорбционной среды 6. Мембрана 14 состоит из электропроводящего материала, такого как графен. Первая клемма 605 устройства 601 электроснабжения подключена с помощью электрического соединения к мембране 14. Перфорированный канал 4 также состоит из электропроводящего материала, такого как титан, монель 400 или медь. Вторая клемма 606 подключена с помощью электрического соединения к перфорированному каналу 4. Прокладка 602, состоящая из диэлектрического материала, электрически разделяет мембрану 14 и перфорированный канал 4. Мембрана 14 подключена с помощью электрического соединения к сорбционной среде 6, и таким же образом перфорированный канал 4 подключен с помощью электрического соединения к каждому из внутренних краев 15 параллельных слоев сорбционной среды 6. Соответственно, электрический заряд прикладывается на концах каждого из параллельных слоев сорбционной среды 6.
В некоторых вариантах реализации изобретения мембрана подключена с помощью электрического соединения к слоям сорбционной среды 6 через различные электрические схемы 608, за счет чего на концах разных слоев сорбционной среды 6 прикладывается различное напряжение, когда напряжение прикладывается между мембраной 14 и перфорированным каналом 4. В некоторых вариантах реализации изобретения электрические схемы 608 выполнены между мембраной 14 и сорбционной средой 6. В некоторых вариантах реализации изобретения электрические схемы 608 выполнены как часть мембраны 14 или вне мембраны. Фиг. 6B - это увеличенное схематическое изображение поперечного разреза области 610 сосуда 2 в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. Электрические схемы 608 включают различные компоненты, которые подключают мембрану 14 по меньшей мере к некоторым слоям сорбционной среды 6. Например, проводящие элементы 620 подключают мембрану 14 с помощью электрического соединения к некоторым слоям сорбционной среды, но не подключают к другим слоям сорбционной среды 6, создавая заряженные зоны 613 между теми слоями сорбционной среды, которые подключены с помощью электрического соединения к мембране 14, и незаряженные зоны 611 между теми слоями сорбционной среды, которые не подключены с помощью электрического соединения к мембране 14.
В некоторых вариантах реализации изобретения на концах множества слоев сорбционной среды 6 приложен градиент заряда. Например, градиент заряда может быть приложен на концах двадцати соседних слоев сорбционной среды 6, причем электрический заряд, приложенный к каждому слою, меньше, чем заряд, приложенный к следующему соседнему слою. Градиент заряда полезен при фильтровании определенного вещества или веществ из группы веществ. Например, если градиент заряда приложен на концах двадцати последовательных слоев, и вещество вводится в сосуд 2, определенные компоненты вещества, имеющие высокую диэлектрическую прочность, будут вводиться в середине градиента заряда, где имеет место наиболее сильный градиент заряда. Определенные компоненты вещества, имеющие низкую диэлектрическую прочность, будут, соответственно, вводиться на концах градиента заряда, где градиент заряда самый слабый. В качестве практического примера, если азот и водород вводятся в сорбционную среду, когда приложен градиент заряда, азот будет вводиться в середине градиента заряда, а водород будет вводиться по обе стороны градиента заряда.
Для того чтобы приложить градиент заряда, в некоторых вариантах реализации изобретения между мембраной и каждым слоем сорбционной среды 6 выполняют электрические резисторы с изменяемой величиной сопротивления. Фиг. 6C - это увеличенное схематическое изображение поперечного разреза области 610 сосуда 2 в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. Электрические схемы 608 включают различные компоненты, которые подключают мембрану 14 по меньшей мере к некоторым слоям сорбционной среды 6. Первый резистор 624 имеет первое полное сопротивление, второй резистор 625 имеет второе полное сопротивление, третий резистор 626 имеет третье полное сопротивление, четвертый резистор 627 имеет четвертое полное сопротивление, пятый резистор 628 имеет пятое полное сопротивление, и шестой резистор 630 имеет шестое полное сопротивление. Резисторы подключают мембрану 14 к параллельным слоям 22 сорбционной среды 6. Первое полное сопротивление больше, чем второе полное сопротивление, которое больше, чем третье полное сопротивление, которое больше, чем четвертое полное сопротивление, и так далее. Таким образом, когда к мембране 14 приложен электрический заряд, слой сорбционной среды, подключенный к мембране 14 через шестой резистор 630, находится под более высоким напряжением, чем слой сорбционной среды, подключенный к мембране 14 через пятый резистор 628, и так далее. Слой сорбционной среды, подключенный к мембране 14 через первый резистор 624, будет находиться под самым низким напряжением из обозначенных слоев 22. В некоторых вариантах реализации изобретения слои сорбционной среды 6 могут быть электрически разделены с помощью диэлектрического материала.
В некоторых вариантах реализации изобретения устройство электроснабжения выполнено с возможностью подачи напряжения первой полярности к сосуду 2, и оно также выполнено с возможностью подачи напряжения противоположной полярности к сосуду. Например, устройство электроснабжения выполнено так, что первая клемма 605 может быть катодом, а вторая клемма 606 может быть анодом для введения сорбционной среды, и первую клемму 605 можно переключить на анод, а вторую клемму 606 можно переключить на катод для выведения сорбционной среды.
F. Катализаторы
В некоторых вариантах реализации изобретения на параллельные слои нанесены катализаторы для облегчения введения или выведения вещества или для катализирования химической реакции. Со ссылкой на фиг. 1, на поверхность слоя сорбционной среды 6 (т.е. на поверхность слоя, обращенную к соседнему слою) или только на края слоев может быть нанесен катализатор. В некоторых вариантах реализации изобретения первый слой сорбционной среды 6 покрывается катализатором перед формированием второго слоя сорбционной среды 6, расположенного рядом с первым слоем. В некоторых вариантах реализации изобретения катализатор нанесен только на внутренний край 15 или внешний край 17 сорбционной среды 6.
В некоторых вариантах реализации изобретения катализатор облегчает введение определенного вещества в сорбционную среду 6 и/или вызывает более быстрое или более плотное введение вещества в сорбционную среду 6. Например, на внутренние границы 15 параллельных слоев сорбционной среды может быть подведено вещество, включающее водород и метан. На внутренние края 15 параллельных слоев может быть нанесен катализатор, содержащий стойкий карбид, такой как карбид титана или карбид железа (например, Fe3C), который заставляет слои вводить водород, а не метан. В результате, от вещества может быть отфильтрован водород. В качестве другого примера, для облегчения введения водорода из природного газа, на сорбционную среду 6 может быть нанесен катализатор, содержащий 48% железа, 49% титана и 3% иттрия.
В некоторых вариантах реализации изобретения катализатор катализирует химическую реакцию между двумя соединениями, и продукт реакции вводится в сорбционную среду 6. Например, с использованием ионизирующего ультрафиолетового излучения или индуцированной искры, из воздуха можно получить озон. Озон может вступать в реакцию с метаном в присутствии катализатора, такого как хромовый катализатор, нанесенного на внутренние края 15 слоев сорбционного материала, с образованием кислорода и метанола, и любое из этих соединений вводится сорбционной средой 6. В некоторых вариантах реализации изобретения второй продукт реакции проходит через сосуд 2 и выходит через второе отверстие 11, в то время как в других вариантах реализации изобретения по меньшей мере часть второго продукта также вводится в сорбционную среду 6. В одном примере вещество, подведенное к внутренним краям 15 слоев сорбционной среды 6, содержит метан и воду, и на внутренние края 15 слоев сорбционной среды 6 нанесен карбид железа в качестве катализатора. К сорбционной среде 6 подводят энергию, которая вызывает реакцию между метаном и водой, в результате которой образуется метанол и вода. Затем сорбционная среда вводит метанол и воду.
В некоторых вариантах реализации изобретения, когда сосуд используется как фильтр, сосуд необходимо периодически отсоединять для того, чтобы освободить сосуд 2 от введенного вещества. Например, если от потока газообразного метана отфильтровывают двуокись углерода, сорбционная среда 6 может насытиться двуокисью углерода, и необходимо будет удалить двуокись углерода из сорбционной среды 6 прежде, чем можно будет далее отфильтровывать двуокись углерода от потока газообразного метана.
На края сорбционной среды 6 для активации химической реакции могут быть нанесены различные катализаторы. Например, к подходящим катализаторам относятся: медь, цинк или цирконий, промотированный марганцем; цирконий или марганец с добавками меди или цинка или промотированные медью или цинком; медь, цинк или цирконий с добавками марганца; или оксиды железа, марганца, никеля, хрома, ванадия и других переходных металлов.
G. Противоточный фильтр
Фиг. 7 - это схематическое изображение поперечного разреза фильтра 700, который может непрерывно фильтровать поток вещества без необходимости выведения введенного вещества. Фильтр 700 скомпонован в трубе 702 и включает сорбционную среду 708, состоящую из параллельных слоев сорбционного материала. Параллельные слои имеют форму диска и, следовательно, фильтр 700 включает внутреннюю зону 710, которая ограничена внутренними краями 726 параллельных слоев, и внешнюю зону 706, которая ограничена внешними краями 728 параллельных слоев сорбционной среды 708 и трубой 704 в трубе 702. Труба 702 служит защитным кожухом для воздуха или огнеупорной изоляции в пространстве между трубой 702 и трубой 704. В некоторых вариантах реализации изобретения перфорированный канал 711 проходит вдоль внутренних краев 726 параллельных слоев. Слои сорбционной среды 708 могут состоять из любого материала, описанного выше в отношении сосуда 2, и слои сорбционной среды 708 могут быть произведены и скомпонованы с использованием любого описанного выше способа. В некоторых вариантах реализации изобретения на внешние края 728 параллельных слоев сорбционного материала 708 наложена мембрана (не показана). В некоторых вариантах реализации изобретения на внутренние края 726 параллельных слоев сорбционного материала или на поверхности этих слоев нанесен катализатор. В некоторых вариантах реализации изобретения на внешние края 728 параллельных слоев сорбционного материала нанесен катализатор для активирования химической реакции во внешней зоне 706. В некоторых вариантах реализации изобретения внутри трубы 704 размещен резистивный нагревательный элемент 712.
В некоторых вариантах реализации изобретения перфорированный канал 711 соединен с опорами конструкции, которые помогают поддерживать фильтр 700 в подвешенном состоянии в трубе 702. Фиг. 8 - это изометрическое изображение фильтра 700, выполненного в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. Перфорированный канал 711 выходит за пределы сорбционной среды 708, и между перфорированным каналом 711 и внутренней стороной трубы 704 выполнены опорные элементы 830 (изображенная на фиг. 8 труба 704 является прозрачной, а труба 702 не показана с целью понятности изображения). Опорные элементы 830 помогают поддерживать сорбционную среду 708 так, чтобы она могла быть подвешена в трубе 704.
Со ссылкой на фиг. 7, фильтр 700 фильтрует вещество тогда, когда определенный компонент вещества вводится из внутренней зоны 711 в сорбционную среду 708, а оставшееся вещество вытесняется из фильтра 700. Внутренняя зона 710 принимает вещество 718 из первого конца 722 фильтра 700 и пропускает отфильтрованное вещество 720 через второй конец 724 фильтра 700. Внешняя зона 706 принимает реагент 714 на втором конце 724 фильтра 700 и пропускает продукт 716 химической реакции через первый конец 722 фильтра 700. Когда вещество 718 поступает в перфорированный канал 711, определенный компонент вещества 718 вводится в сорбционную среду. Введенное вещество перемещается в радиальном направлении в сторону внешних краев 728 параллельных слоев, и каждая дополнительная молекула, которая вводится сорбционной средой, проталкивает ранее введенные молекулы в направлении внешних краев 728. Когда введенная молекула достигает внешних краев 728 сорбционной среды 708, между молекулой и реагентом 714 происходит химическая реакция, активированная катализатором, который был нанесен на внешние края параллельных слоев сорбционного материала.
В некоторых вариантах реализации изобретения фильтр 700 выполнен в выпускной магистрали двигателя внутреннего сгорания и действует как противоточный теплообменник, и используется для создания полезного соединения из выхлопных газов двигателя. Выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания подаются с первого конца 722 фильтра 700 во внутреннюю зону 710 фильтра 700. Метан, который может быть получен из возобновляемого сырья, подается со второго конца 724 фильтра 700 во внешнюю зону 706. В процессе эксплуатации то тепло, которое обычно отводится через радиатор, может быть добавлено к фильтру 700, где это тепло необходимо для эндотермической реакции. Например, тепло может быть добавлено к метану перед его поступлением во внешнюю зону 706. Метан может также нагреваться резистивным нагревательным элементом 712. Сорбционная среда 708 фильтра 700 абсорбирует водяной пар, присутствующий в выхлопных газах. Молекулы воды проталкиваются в сторону внешних краев 728 сорбционной среды 708. Внешние края 728 сорбционной среды 708 могут включать катализатор, такой как сплав, состоящий из 48% железа, 49% титана и 3% иттрия. Комбинация тепла, метана и воды в месте нахождения катализатора вызывает химическую реакцию, которая описывается Уравнением 1.
4
2
2
CH+HO+ТЕПЛО--> CO+3H (1)
Образующиеся окись углерода и водород проходят через внешнюю зону 706 из первого конца 722 фильтра 700, и могут накапливаться или немедленно использоваться в качестве топлива. Выхлопные газы из двигателя, за исключением воды, которая была введена сорбционной средой 708, выходят из фильтра через второй конец 724 фильтра 700. Оставшиеся выхлопные газы могут накапливаться или фильтроваться далее. Например, выхлопные газы могут содержать аргон, который может отфильтровываться и накапливаться в сосуде после того, как выхлопные газы выйдут из фильтра 700.
В некоторых вариантах реализации изобретения определенная часть вещества 718 вводится сорбционной средой 708 и выводится за верхние края 728 сорбционной среды 728, не будучи реагентом химической реакции. Вместо этого, определенная часть вещества 718, введенная сорбционной средой 708, проходит в другую систему, выбрасывается или накапливается. Таким же образом, профильтрованное вещество 720 может выбрасываться, храниться или использоваться где-нибудь еще. В некоторых вариантах реализации изобретения первый конец 722 и второй конец 724 фильтра включают штуцеры, которые отделяют вещество 718 от продукта 716 и реагент 714 от профильтрованного вещества 720.
В некоторых вариантах реализации изобретения фильтр 700 включает различные теплопередающие компоненты для передачи тепла к сорбционной среде и от сорбционной среды 708 с целью облегчения введения или выведения вещества или активирования химической реакции. Фильтр 700 может включать любой из описанных выше теплопередающих компонентов, включая, например, резистивные нагревательные элементы или теплообменные трубы, по которым перекачивается нагретый или охлажденный газ или жидкость. Аналогично, в некоторых вариантах реализации изобретения фильтр 700 включает компонент, который прикладывает электрический потенциал к сорбционной среде 708 для облегчения введения или выведения вещества. Фильтр 700 может включать любой из описанных выше компонентов для приложения электрического потенциала к слою сорбционной среды 700. Кроме того, вещество 718 может быть введено во внутреннюю зону 710 при давлении, которое намного превышает давление реагента, который вводится во внешнюю зону 706. Возникающий при этом перепад давления вынуждает сорбционную среду 708 вводить компонент вещества 718. Параллельные слои аккумулирующего материала могут также включать различные поверхностные структуры, такие как те, которые описаны выше.
H. Система для введения в сосуд и выведения из сосуда
Фиг. 9 показывает изображение поперечного разреза сосуда 2, подсоединенного к системе 900, которая через перфорированный канал 4 подает вещество, подлежащее введению, в сорбционную среду 6, и которая пропускает нагретый или охлажденный газ или жидкость через перфорированный канал 4 с целью передачи тепла к сорбционной среде или от сорбционной среды 6 для облегчения введения или выведения вещества, и которая соединяет выходное отверстие сосуда 2 с дополнительными системами или устройствами, в которые может подаваться высвобождаемое вещество.
Клапан 7 может быть открыт для обеспечения потока вещества, такого как водород или природный газ, подлежащего введению сорбционной средой 6, в сосуд 2. Теплообменная труба 8 отводит тепло от сорбционной среды 6 за счет циркуляции газа или жидкости, более холодной, чем сорбционная среда 6. Когда клапан 7 открыт, и сорбционная среда 6 охлаждается, сорбционная среда 6 вводит вещество. Как описано выше, в некоторых вариантах реализации изобретения сорбционная среда 6 включает поверхностные структуры. В некоторых вариантах реализации изобретения вещество охлаждается перед поступлением в сорбционную среду 6. В некоторых вариантах реализации изобретения вещество смешивается с охлажденным теплопередающим веществом для облегчения введения вещества. Например, охлаждающий компонент может быть сконфигурирован для охлаждения теплопередающего вещества до температуры, которая ниже, чем температура сорбционной среды 6, и охлажденное теплопередающее вещество может циркулировать через перфорированный канал 4 с веществом, подлежащим введению.
При нагревании сорбционная среда может выводить вещество. Так же, как и ранее, сорбционная среда 6 может быть нагрета путем пропускания жидкости или газа, более горячего, чем сорбционная среда 6, через теплообменную трубу 8. Кроме этого, сорбционная среда 6 может быть нагрета путем пропускания нагретой жидкости или газа через перфорированный канал 4. Система 900 включает генератор 40, обеспечивающий энергией теплообменник 34, который нагревает газ или жидкость, циркулирующую через перфорированный канал 4. Например, теплообменник 34 может нагревать аргон, двуокись углерода, окись углерода или другое теплообменное вещество, которое затем может перекачиваться через перфорированный канал 4 с целью нагревания сорбционной среды 6. Когда сорбционная среда 6 после нагревания выводит введенное вещество, оно может смешиваться с циркулирующим теплообменным веществом. В некоторых вариантах реализации изобретения сосуд 2 предотвращает перемешивание введенного вещества с циркулирующим теплообменным веществом, направляя выводимое введенное вещество в центральную трубу (не показана) перфорированного канала 4 или в периферийную зону.
В тех вариантах реализации изобретения, в которых вещества смешиваются, смесь может быть отфильтрована после того, как она будет вытеснена из сосуда 2. При вытеснении из сосуда, смесь проходит через второе отверстие 11 сосуда 2 и может быть направлена через фильтр 30, который включает микрофильтр или мембрану 42 для очистки смеси. Подходящие микрофильтры и мембраны включают органические мембраны, такие как селективные полимеры, подобные ионопроницаемым полимерам, изготовленным посредством создания заряда, для инициирования высвобождения вещества, или неорганические мембраны, такие как палладий, PdAg или сплав железа, титана, меди и рения. Выводимое вещество или смесь выводимого вещества и теплообменного вещества может подаваться в другие системы и/или аккумулирующие устройства, включая топливный элемент 32, систему впрыска с искровым зажиганием 9 (через четырехходовой клапан 48 и клапан 38), или через четырехходовой клапан 48 в теплообменник 34, где вещество или смесь нагревается до более высокой температуры и пропускается обратно через перфорированный канал. Смесь также может быть пропущена за пределы системы 900 через другое отверстие (не показано). Например, выводимое вещество или смесь может быть направлена в трубопровод или другую систему.
Выше описаны различные устройства и способы для облегчения введения вещества в сорбционную среду. Например, к сорбционной среде или от сорбционной среды может передаваться тепло; к слоям сорбционной среды может быть приложен заряд; или может быть изменено давление внутри сосуда или между зонами сорбционной среды. Все перечисленное может облегчать введение вещества в сорбционную среду. Несмотря на то, что некоторые варианты реализации изобретения описаны как применение только одного такого способа для облегчения введения или выведения вещества, для специалиста в данной области техники очевидно, что одновременно может использоваться больше, чем один способ введения или выведения. Например, слои сорбционного материала могут охлаждаться для введения вещества, и электрический заряд может быть приложен к слоям для повышения скорости, с которой вводятся молекулы вещества.
В некоторых вариантах реализации изобретения на сорбционную среду сосуда или фильтра для облегчения введения или выведения вещества воздействуют ультразвуковые колебания. Аналогично, в некоторых вариантах реализации изобретения для облегчения введения или выведения вещества сорбционную среду выборочно облучают.
Более того, несмотря на то, что в различных вариантах реализации изобретения описана сорбционная среда, имеющая определенную форму, такую как диск, для специалиста в данной области техники очевидно, что сорбционная среда может иметь другие формы. Например, сорбционная среда может быть выполнена в виде параллельных прямоугольных слоев сорбционного материала. В некоторых вариантах реализации изобретения вещество подводится к первым краям прямоугольных слоев, где прямоугольные слои вводят вещество, и прямоугольные слои выводят вещество на вторых краях слоев, причем вещество может быть реагентом, принимающим участие в химической реакции.
Одним из преимуществ настоящего изобретения является то, что оно позволяет аккумулировать газы, подобные природному газу и водороду, при плотностях энергии, сравнимых с углеводородами.
Другим преимуществом настоящего изобретения является то, что продукты выделения, такие как выхлопные газы двигателя, могут быть отфильтрованы и могут вступать в реакцию с другим соединением с образованием полезного и возобновляемого соединения.
Другим преимуществом настоящего изобретения является то, что топливо может быть произведено, отфильтровано и накоплено в том месте, в котором это топливо будет также и потребляться, устраняя необходимость транспортировки топлива на большие расстояния от источника топлива до места потребления топлива.
Из всего вышеизложенного понятно, что конкретные примеры реализации настоящего изобретения описаны в настоящей заявке в целях иллюстрации, и что в пределах существа и объема настоящего изобретения могут быть сделаны различные изменения. Соответственно, настоящее изобретение не ограничено указанными примерами и определено прилагаемой формулой изобретения.