Установка для получения водорода и гидрооксидов алюминия из алюминия или его сплавов
Полезная модель относится к области неорганической химии, а точнее к устройствам для реализации способов получения водорода, гидрооксидов алюминия и его сплавов из отходов производства алюминия типа стружки и небольших кусков различной формы. Установка может быть использована в удаленных доступах от источников электроэнергии Установка содержит бак, в который подается вода и алюминиевые отходы, фильтр, в котором задерживается образующийся осадок, колбу Бунзона, на которую надета воронка Бюхнера, патрубок, через который с помощью насоса образовавшиеся в процессе реакции вода и щелочь направляются обратно в реактор после промывки, Ph метр, штуцер, через который осуществляется вывод водорода, в бензиновый генератор в качестве замены топлива, в топливные элементы или в баллоны, контроллера, расположенного возле бака и принимающего сигналы с датчика давления, датчика температуры, датчик, фиксирующий уровень заполнения порошком цилиндра, клапана и емкости для щелочной воды. Технический результат выражается в возможности затрачивать минимум электроэнергии, не использовать дорогостоящие расходные материалы, она проста в управлении и конструктивном осуществлении. Позволяет избежать добавления редкоземельных металлов и использования мелкодисперсных порошков алюминия различной агломерации.
Область применения. Полезная модель относится к области неорганической химии, а точнее к устройствам для реализации способов получения водорода, гидрооксидов алюминия и его сплавов из отходов производства алюминия типа стружки и небольших кусков различной формы. Установка может быть использована в удаленных доступах от источников электроэнергии.
Уровень техники.
Известна установка для получения гидроокиси алюминия и водорода (патент РФ 2350563, кл. C01F 7/42, С01В 3/08, Могилевский И.Н., 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.
Недостатком данной установки является необходимость в использовании мелкодисперсного порошка алюминия 20 микронами, что ограничивает и значительно увеличивает стоимость получаемого водорода и порошка гидроокиси алюминия. Так же это ограничение вызвано требуемой величиной скорости окисления алюминия, которая определяет полноту превращения алюминия в гидроксиды в реакторе.
Известен способ получения бемита и водорода (патент РФ, 2363659, C01F 7/42, С01В 3/10, опубл. 10.08.2009) который включает приготовление суспензии порошкообразного алюминия в воде, создание в реакторе давления и температуры насыщенных водяных паров, соответствующих условиям проведения интенсивной реакции окисления алюминия, распыление суспензии в реакторе, вывод из реактора смеси паров воды и водорода, а также вывод бемита из реактора в приемное устройство, заключается в том, что при приготовлении суспензии порошкообразного алюминия в воде в нее вводят катализатор - гидроксид щелочного металла в количестве не более 0,1М (М - мольная концентрация), причем после распыления суспензии до вывода из реактора бемита осуществляют выдержку суспензии для доокисления алюминия и кристаллизации бемита.
Недостатком данной установки является высокая температура 300 -350°С и давление 10-17 МПа в области реактора, что сказывается на стоимости установки и электроэнергии, так же большим минусом является неполнота окисления в зоне реакции, для устранения данной проблемы приходиться направлять полученный бемит в дополнительный реактор с использованием катализатора.
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), взятое за прототип, 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.
Недостатком данного устройство является необходимость в применении большого количества датчиков и программ, которые бы обеспечивали правильную корректировку работы всех систем и работа которых невозможна без использования источников электроэнергии. Также для полноты окисления суспензии необходимо поддерживать определенную температуру и давление, что сказывается на стоимости конечного продукта.
Раскрытие полезной модели. Сущность предлагаемой установки для получения водорода, тепла и гидроокиси алюминия и его сплавов заключается в том, что он содержит бак (реактор) в который подается щелочной раствор и загружается алюминий или его сплавы, через крышку реактора, система охлаждения, которая позволяет получать постоянную скорость выхода водорода, через выпускной клапан. Насос, позволяющий поддерживать постоянный уровень воды, а также накапливать гидроокись алюминия в цилиндрах, заполненные емкости перемещаются в зону промывки, и получаемый материал высыпается в воронку Бюхнера, которая одета на колбу Бунзона. Вода промывает гидроокись алюминия и его сплавы за счет вакуумного насоса, который подсоединен к колбе Бунзона. В результате промывки получается щелочной раствор, который снова подается в бак с помощью насоса.
Технический результат данной установки заключается в безопасном получении водорода, гидроокиси алюминия и его сплавов в автоматическом режиме. Решаются такие технические задачи, как отсутствие внешних источников энергии для работы данной установки, простота в техническом плане и надежность этой установки.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 представлена схема установки для получения водорода и гидрооксидов алюминия и его сплавов, которая включает:
1 - бак с крышкой из нержавеющей стали;
2 - контроллер;
3 - датчик давления;
4 - Ph метр;
5 - змеевик для охлаждения;
6 - бумажный фильтр;
7 - цилиндр из нержавеющей стали;
8 - датчик для определения заполнения порошка;
9 - электродвигатель для перемещения цилиндров;
10 - насос для поддержания определенного уровня воды;
11 - воронка Бюхнера;
12 - колба Бунзона;
13 - температурный датчик;
14 - вакуумный насос;
15 - насос 1;
16 - патрубок;
17 - фильтр для улавливания паров;
18 - емкость;
19 - клапан.
Осуществление полезной модели. Установка для получения водорода работает следующим образом:
В бак 1 подается вода с щелочью (NaOH), затем добавляют алюминиевую стружку. В результате реакции: Аl2О 3+2NaOH+3Н2О образуется водород и осадок в виде белого порошка, который задерживается в фильтре 6. Из фильтра порошок направляется на промывку. Процесс промывки заключается в том, что в колбу Бунзона 12, на которую надета воронка Бюхнера 11, подается нанодисперсный порошок, представляющий собой комплексное соединение 2Na[Al(OH)4] и вода для промывки. В результате взаимодействия Na[Al(OH)4]+3H2O образуется 3Аl(ОН)3-представляющий собой нанодисперсный порошок белого цвета и соединение NaOH с Н2O. В результате порошок задерживается в воронке Бюхнера 11, а щелочь с водой попадает в колбу Бунзона 12. К колбе подсоединен вакуумный насос 14 для разряжения воздуха. Образовавшаяся вода со щелочью по патрубку 16 с помощью насоса 15 направляется в реактор (бак 1) для избегания добавления в систему NaOH. Для определения степени отмывки по концентрации щелочи в колбе Бунзона 12 будет установлен Рп метр 4. В бак вмонтирован штуцер 20, через который выходит водород, и который может быть направлен в бензиновый генератор в качестве замены топлива или в топливные элементы или закачиваться в баллоны. Так как реакция эндотермическая, то с целью поддержания постоянной скорости выхода водорода используют систему охлаждения представляющую собой змеевик расположенный внутри бака 1. Контроллер, расположенный возле бака принимает сигналы со всех датчиков - датчика давления, температуры и датчик, фиксирующий уровень заполнения порошком цилиндра 7. В случае возрастания давления и температуры, он в свою очередь будет подавать сигнал в систему охлаждения, а данная система в свою очередь будет интенсивно охлаждать, но в случае если система не будет справляться, то откроется клапан 19 и щелочная воды выльется в емкость 18.
Действие установки основано на том, что процессы, происходящие в установке, осуществляются благодаря взаимодействию трех компонентов -это вода, алюминий и щелочь. Приготовление щелочного раствора происходит в реакторе, куда закладываются алюминий и его сплавы в виде стружки, кусочков различной конфигурации и т.д. через верхнюю крышку, для того чтобы протекала реакция необходимо поддерживать уровень концентрации Ph>11,9. Установка проводит данную реакцию в автоматическом режиме. Вывод водорода происходит через штуцер, а далее он поступает в уловитель паров. Тепло отводится за счет системы охлаждения, а полученное тепло переводится в электроэнергию. Гидроокиси алюминия и его сплавов поступают в приемное устройство, далее в систему промывки. Для того, чтобы поддерживать постоянную скорость выхода водорода или уменьшать то в нутрии бака установлены датчики давления и температуры, которые подают сигнал на контролер в случае уменьшения скорости выхода водорода контролер будет подавать сигнал на насос, а он в свою очередь понизит уровень воды и площадь алюминия в растворе уменьшиться, так как реакция является гетерогенной. Для поддержания постоянной концентрации щелочи осуществляется отмывка полученного материала, а полученная щелочь с водой снова поступает в реактор. Насос, позволяющий поддерживать постоянный уровень воды, а также накапливать гидроокись алюминия в цилиндрах, заполненные емкости перемещаются в зону промывки и получаемый материал высыпается в воронку Бюхнера, которая одета на колбу Бунзона. Вода промывает гидроокись алюминия и его сплава за счет вакуумного насоса, который подсоединен к колбе Бунзона. В результате промывки полученная вода с помощью насоса подается в бак. Установка проводит данную реакцию в автоматическом режиме Автоматизированная система позволяет контролировать давление и температуру в зоне реакции эти параметры влияют на скорость выделения водорода, а также на агломераты гидроокиси алюминия и его сплавы. Автоматизированная система позволяет не только поддерживать стабильную работу установки, но и также перемещать продукты реакции в систему промывки.
Установка для получения водорода и гидроксидов алюминия из алюминия или его сплавов, содержащая реактор, датчик температуры, датчик давления, насос, управляющий контроллер, отличающаяся тем, что она содержит систему отмывки гидроксидов алюминия от щелочи, состоящую из воронки Бюхнера, колбу Бюнзона, электродвигатель для перемещения цилиндров с гидроксидом алюминия в систему промывки и вакуумный насос.
