Установка для получения водорода

Полезная модель относится к области химии. Установка для получения водорода при взаимодействии алюминия и воды, содержит водяной насос, емкость с нанопорошком алюминия, компрессор для сжатия аргона, подсоединенный к емкости с нанопорошком алюминия, адиабатический высокотемпературный химический реактор для высокотемпературного синтеза молекулярного водорода. Реактор окружен рубашкой охлаждения, и снабжен впуском для псевдоожиженного инертным газом нанопорошка алюминия соединенным с выходом емкости с нанопорошком, впуском для водяного пара соединенным с водяным насосом, и выпуском связанным с сепаратором снабженным платиновой мембраной селективно проницаемой для водорода, для отделения его от побочных продуктов выхлопа реактора, таких как остатки паров воды, инертного газа и дополнительных продуктов, полученных при синтезе, например, дисперсных частиц кристаллического корунда. Установка содержит электростатический фильтр, соединенный с выходом сепаратора и входом компрессора для организации замкнутого цикла аргона. Техническим результатом является повышение производительности за счет получения водорода высокотемпературным синтезом.

Полезная модель относится к области химии, а более точно касается установки для получения водорода при взаимодействия алюминия и воды.

Ввиду предполагаемого перехода к водородной энергетике, производство водорода является важнейшей задачей.

Наиболее дешевым и доступным сырьем для получения водорода в настоящее время рассматривается вода.

Известны различные установки для получения водорода при взаимодействии воды с алюминием.

Известна установка для получения гидроокиси алюминия и водорода (патент РФ 2350563, опубл. 27.03.2009), которая включает в себя устройство для смешивания мелкодисперсного порошка алюминия и воды, реактор для химического взаимодействия воды с алюминием, сопровождающегося выделением водородсодержащей газовой смеси и образованием продуктов окисления алюминия, а также устройство отвода водородсодержащей газовой смеси и продуктов окисления алюминия. Реактор для химического взаимодействия воды с алюминием снабжен перемешивающим устройством и устройством ультразвукового облучения суспензии, расположенным внутри реактора.

Известно устройство для получения водорода (патент РФ, 2363659, C01F 7/42, С01В 3/10, опубл. 10.08.2009) которое включает химический реактор для получения водорода окислением алюминия в суспензии порошкообразного алюминия в воде в присутствии катализатора гидроксида щелочного металла. Температура 300 -350°С и давление 10-17 МПа.

Известно устройство для осуществления способа получения гидроксидов или оксидов алюминия и водорода (патент РФ, 2278077, C01F 7/42, С01В 3/10, опубл. 20.06.2006), которое включает источник суспензии мелкодисперсного порошкообразного алюминия с водой со смесителем, реактор, конденсатор, приемное устройство, регулируемый клапан отвода смеси паров воды и водорода, регулируемый клапан отвода гидроксидов или оксидов алюминия, датчик температуры реактора, датчик давления на входе подачи суспензии в реактор, датчик давления на выходе парогазовой смеси и датчик давления перед входом парогазовой смеси в конденсатор, регулируемое средство подачи суспензии в реактор, управляющий контроллер с входом и выходом, причем источник суспензии содержит регулируемое средство подачи воды и регулируемое средство подачи порошка алюминия.

Известно устройство для получения водорода и гидроксидов или оксидов алюминия (RU 108436 U1, опубл.: 20.09.2011), содержащее реактор высокого давления, источник суспензии мелкодисперсного порошкообразного алюминия с водой с регулируемым средством подачи суспензии с входом сигнала, регулируемый клапан отвода смеси паров воды и водорода с входом сигнала, регулируемый с входом сигнала клапан отвода смеси воды и гидроксидов или оксидов алюминия в приемное устройство, датчик температуры в реакторе, датчик давления с выходом сигнала на выходе парогазовой смеси из реактора, отличающееся тем, что устройство содержит контроллер, средство замера уровня жидкости в реакторе с двумя регулируемыми выходами-уставками, источник воды с регулируемым средством ее подачи в реактор с входом сигнала, вход сигнала в регулируемый клапан отвода смеси паров воды и водорода электрически соединен с выходом сигнала из датчика давления, вход сигнала в средство подачи воды электрически соединен с выходами-уставками средства замера уровня жидкости, вход сигнала клапана отвода смеси воды и гидроксидов или оксидов алюминия электрически соединен с контроллером.

Известно устройство для получения водорода (RU 2223221, опубл. 10.02.2004) из мелкодисперсного алюминия размером частиц не более 20 мкм содержащее реактор высокого давления, где суспензию порошкообразного алюминия распыляют при диаметре капель не более 100 мкм в воду при температуре 220-900оС и давлении 20-40 МПа. Установка включает также смеситель, реактор высокого давления снабжен форсункой, обеспечивающей распыление суспензии порошкообразного алюминия в воде при диаметре капель не более 100 мкм, отстойник для суспензии, конденсатор.

Главным недостатком известных методов окисления алюминия является невысокая производительность, обусловленная гетерогенным характером процесса на поверхности металлических частиц. Отрицательно влияет на производительность гидротермальных установок и циклический характер их работы, требующий периодической перезагрузки топлива и очистки фильтров от образующихся крупных частиц Аl₂ O₃. Это препятствует промышленному производству водорода.

В основу полезной модели положена задача создания установки для получения водорода высокотемпературным синтезом при взаимодействии алюминия и воды.

Техническим результатом является повышение производительности за счет получения водорода высокотемпературным синтезом.

Поставленная задача решается тем, что установка для получения водорода при взаимодействии алюминия и воды содержит водяной насос, емкость с нанопорошком алюминия, компрессор для сжатия инертного газа, например, аргона, подсоединенный к емкости с нанопорошком алюминия, адиабатический высокотемпературный химический реактор для высокотемпературного синтеза молекулярного водорода, окруженный, по меньшей мере, одной рубашкой охлаждения, и снабженный впуском для псевдоожиженного инертным газом нанопорошка алюминия соединенным с выходом емкости с нанопорошком, впуском для водяного пара соединенным с водяным насосом, и выпуском связанным с сепаратором снабженным мембраной селективно проницаемой для водорода, для отделения его от побочных продуктов выхлопа реактора, таких как остатки паров воды, инертного газа и дополнительных продуктов, полученных при синтезе, например, дисперсных частиц кристаллического корунда.

Термин псевдоожижение означает полную увлекаемость газовым потоком нанопорошка алюминия в инертном газе. Последний препятствует образованию на частицах нанопорошка оксидной пленки.

В дальнейшем полезная модель поясняется описанием и рисунком, на котором показана принципиальная схема установки получения водорода согласно полезной модели.

Установка для получения водорода содержит водяной насос 2, соединенный с баком 1 для воды, емкость 6 с нанопорошком алюминия, компрессор 9 для сжатия потока инертного газа, подсоединенный к емкости 6 для псевдоожижения нанопорошка алюминия потоком сжатого инертного газа, адиабатический высокотемпературный химический реактор 7 для высокотемпературного синтеза молекулярного водорода, окруженный рубашками охлаждения 3 и 11.

Реактор 7 соединен для впуска потока псевдоожиженного инертным газом нанопорошка алюминия с выходом емкости 6, а для впуска водяного пара с водяным насосом 2 через форсунки (не показаны) с перепадом в несколько атмосфер и имеет также входную рубашку охлаждения 3 и выход, соединенный с сепаратором 8.

Сепаратор 8 снабжен селективно проницаемой для водорода мембраной 13, например, платиновой, для непрерывного отделения целевого продукта водорода от побочных продуктов выхлопа реактора 7, таких как остатки паров воды, инертного газа и дополнительных продуктов, полученных при синтезе, например, дисперсных частиц Аl₂ O₃.

Установка может быть снабжена также электростатическим фильтром 12 для очистки выходящего инертного газа от примесей, например, дисперсных частиц кристаллического корунда микронного размера. Электростатический фильтр 12 может быть связан с компрессором 9 для организации замкнутого цикла использования инертного газа.

Установка может также содержать паровую турбину 4, которая связана входом с выходом 11 пара рубашки реактора. Паровая турбина может быть электрическим выходом связана с водяным насосом 2 и/или компрессором 9 и/или сепаратором 8 для их привода.

Установка содержит конденсатор 5 для конденсации пара. Конденсатор 5 связан входом с паровым выходом турбины 4 и выходом с водяным баком 1.

Установка работает следующим образом.

Ее основным элементом является реакционная зона высокотемпературного химического реактора 7, в которой псевдоожиженный инертным газом нанопорошок алюминия сгорает в парах воды. Образование водяных паров достигается за счет впрыска воды, предварительно прогретой в рубашке 3 охлаждения реактора 7 до температуры, близкой к температуре кипения, в реакционную зону реактора 7 через форсунки с перепадом в несколько атмосфер. На выходе 10 из реактора 7 продукты сгорания охлаждаются в парогенераторе рубашки охлаждения 11 и поступают затем в сепаратор 8, в котором от продуктов с помощью платиновой мембраны отделяется водород. Здесь же происходит конденсация несгоревшей воды, после чего она опять подается в бак 1 с водой. После сжатия в компрессоре 9 инертный газ поступает в емкость с нанопорошком алюминия 6 с целью псевдоожижения свежей порции нанопорошка. Важным достоинством этой схемы является то, что она является энергетически замкнутой и не требует внешнего источника энергии. В самом деле, водяной насос 2 и компрессор 9 приводятся в действие с помощью паровой турбины 4, пар для которой готовится в парогенераторе рубашки охлаждения 11 (то есть, за счет охлаждения продуктов горения). На выходе из турбины отработавший пар поступает в конденсатор 5, где ожижается, и откуда подается в бак 1. Аэрозоль в виде инертного газа и дисперсных частиц кристаллического корунда субмикронного размера поступает затем в электростатический фильтр 12, в котором инертный газ очищается от частиц кристаллического корунда.

Длина реактора находится в пределах 1-2 м, при этом скорость потока в высокотемпературном реакторе составляет U=10 м/с и сам процесс сгорания проходит в изобарном режиме. Расчеты показывают, что при начальных условиях Т=1800К, Р=10 атм, стехиометрическом соотношении =1 и при 80% (по массе) Аr в смеси на входе в высокотемпературный реактор (но после газификации Аl) выход водорода составляет примерно 10-12% от массы Аl, а выход частиц корунда - около 12-14% по массе от суммарного выхода всех продуктов горения. В качестве примера инертного газа рассматривался аргон (Аr), содержание которого в смеси составляет по массе 80%.

Полезная модель может быть использована для производства молекулярного водорода.

1. Установка для получения водорода при взаимодействии алюминия и воды, отличающаяся тем, что содержит водяной насос, емкость с нанопорошком алюминия, компрессор для сжатия инертного газа, например аргона, подсоединенный к емкости с нанопорошком алюминия, адиабатический высокотемпературный химический реактор для высокотемпературного синтеза молекулярного водорода, окруженный, по меньшей мере, одной рубашкой охлаждения и снабженный впуском для псевдоожиженного инертным газом нанопорошка алюминия, соединенным с выходом емкости с нанопорошком, впуском для водяного пара, соединенным с водяным насосом, и выпуском, связанным с сепаратором, снабженным мембраной, селективно проницаемой для водорода, для отделения его от побочных продуктов выхлопа реактора, таких как остатки паров воды, инертного газа и дополнительных продуктов, полученных при синтезе, например дисперсных частиц Al₂O₃.

2. Установка для получения водорода по п.1, отличающаяся тем, что сепаратор содержит для отделения водорода платиновую мембрану.

3. Установка для получения водорода по п.1, отличающаяся тем, что содержит электростатический фильтр, соединенный с выходом сепаратора и входом компрессора для организации замкнутого цикла инертного газа.

4. Установка для получения водорода по п.1, отличающаяся тем, что содержит паровую турбину, которая связана входом с выходом пара рубашки реактора, а электрическим выходом - с водяным насосом, и/или компрессором, и/или сепаратором для их привода.

5. Установка для получения водорода по п.1, отличающаяся тем, что содержит конденсатор, связанный с турбиной и водяным баком.