Способ получения гидридов переходных металлов

 

Изобретение относится к получению гидридов переходных металлов с требуемым содержанием водорода. Результат способа обеспечение пожаровзрывобезопсности процесса. Гидрирование проводят пожаровзрывобезопасной аргоно-водородной смесью с содержанием водорода в инертном газе не более 7 об.%. Процесс проводят в протоке газа через аппарат типа “с проходным слоем” с гидрируемым металлом при атмосферном давлении. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к способам получения гидридов переходных металлов и может быть использовано в химической промышленности для получения гидридов переходных металлов с требуемым содержанием водорода.

Известен способ получения гидридов переходных металлов, например гидрида титана при давлении водорода 10 атм. и температуре 470°С, заключающийся в следующем: 300 г титанового сплава ВТ-22 перемешивают с 200 г титана губчатого марки ТГ, запрессовывают в стакан реактора, устанавливают стакан в реактор, закрепляют вольфрамовую спираль в гнезде электровводов реактора, закрывают реактор крышкой и вакуумируют его до 1·10^-2 мм рт.ст. Затем подают в реактор водород (10 атм.), и для инициирования реакции включают электрическую спираль на 2-3 с [1].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения гидрида циркония [2], выбранный в качестве прототипа. При осуществлении данного способа в реторту аппарата загружается смесь двуокиси циркония и гидрида кальция или другого щелочноземельного металла. Реторту вакуумируют, заполняют инертным газом для достижения в реакционной зоне значительного положительного давления, и температуру повышают до температуры достаточно высокой для диссоциации гидрида до металлического кальция и газообразного водорода и для восстановления соединения циркония щелочноземельным металлом (кальцием). После восстановления реторту вакуумируют для удаления газообразных продуктов реакции, заполняют газообразным водородом для конвертирования восстановленного циркония в гидрид циркония и инертным газом до значительного положительного давления, а температуру снижают до температуры гидрирования восстановленного циркония. По завершении процесса гидрирования реторту с реакционной массой охлаждают и подвергают выщелачиванию для удаления соединения щелочноземельного металла, например, раствором соляной кислоты.

Общим недостатком аналога и прототипа является высокая пожаровзрывоопасность процесса гидрирования вследствие использования водорода под давлением выше атмосферного и большая погрешность при получении гидридов с заданным содержанием водорода. Недостатком прототипа также является образование жидких отходов после выщелачивания.

Цель изобретения - обеспечение пожаровзрывобезопасности процесса, снижение требований, предъявляемых к помещениям при работе с водородом, и тем самым снижение капитальных затрат на их обеспечение, исключение сосудов, работающих под давлением, и получение гидридов с заданным содержанием водорода.

Сущность предлагаемого способа состоит в том, что гидрирование гидридообразующего металла ведут взрывобезопасной смесью инертного газа и водорода, например, аргоно-водородной смесью, с содержанием водорода в инертном газе не более 7 об.%. Аргоно-водородную смесь продувают при атмосферном давлении через слой металла, находящегося в реакторе типа “с проходным слоем” при температуре образования соответствующего гидрида. В результате получены гидриды, в частности, титана и циркония с содержанием водорода до 465 см³/г титана и до 240 см³/г циркония.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявляемого изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявляемом способе, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Результаты дополнительного поиска известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного способа, показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата.

Описанное изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Технический результат при осуществлении изобретения состоит в том, что в заявляемом способе получение гидридов переходных металлов осуществляется продувкой пожаровзрывобезопасной смеси инертного газа и водорода при атмосферном давлении через аппарат с находящимся в нем гидридообразуюшим металлом при температуре образования гидрида.

Способ осуществляется следующим образом:

Гидрируемый металл, например, титановую губку марки ТГ-100 загружают в реактор, закрывают крышкой, реактор подключают к линиям подачи и выхода газа и помещают в печь. Затем реактор продувают инертным газом, например аргоном. После завершения продувки в реактор начинают подавать пожаровзрывобезопасную смесь инертного газа и водорода, а температуру в реакторе поднимают до 500±50°С. Через 20-30 минут после достижения 500±50°С температуру в реакторе снижают до 400-470°С или ниже. По окончании процесса гидрирования аппарат охлаждают до комнатной температуры при непрерывной продувке инертного газа.

При необходимости получения гидрида с содержанием водорода, соответствующего формуле TiH_1,98, температуру гидрирования снижают до 300±30°С и по мере приближения состава гидрида к стехиометрическому температуру реактора продолжают снижать вплоть до 250±30°С.

Получение гидридов с заданным содержанием водорода достигается температурой гидрирования, временем продувки газовой смеси и содержанием водорода в газовой смеси, определяемыми опытным путем.

По данному способу были получены гидриды металлов с содержанием водорода до 465 cм³/г титана и до 240 см³/г циркония.

Полученные гидриды были проанализированы на однородность состава, то есть на распределение водорода по высоте слоя. Высота гидрируемого материала составляла 100 мм. Содержание водорода в гидриде титана по трем параллельным пробам составило: сверху 459 см³/г, в середине 457 см³/г, снизу 463 см³/г.

Пример 1. Масса загруженного в реактор титана составила 47,68 г, температура 415±5°С. Масса выгруженного после опыта гидрида 49,64 г. Отсюда содержание водорода в гидриде титана составляет 457 см³/г титана, что соответствует стехиометрической формуле гидрида TiH_1,95. Состав аргоно-водородной смеси 93,1 об.% аргона и 6,9 об.% водорода.

Пример 2. Масса загруженного в реактор титана составила 48,00 г, температура 350±5°С. Масса выгруженного после опыта гидрида 49,98 г. Отсюда, содержание водорода в гидриде титана составляет 459 см³/г титана, что соответствует стехиометрической формуле гидрида TiH_1,96. Состав аргоно-водородной смеси 93,1% объемных аргона и 6,9% объемных водорода.

Пример 3. Масса загруженного в реактор титана составила 48,06 г, температура 480±5°С. Масса выгруженного после опыта гидрида 49,62 г. Отсюда, содержание водорода в гидриде титана составляет 361 см³/г титана, что соответствует стехиометрической формуле гидрида TiH_1,54. Состав аргоно-водородной смеси 93,1 об.% аргона и 6,9 об.% водорода.

Пример 4. Масса загруженной в реактор стружки циркония составила 46,91 г, температура 310±5°С. Масса выгруженного после опыта гидрида циркония 47,91 г. Отсюда, содержание водорода в гидриде циркония составляет 237 см³/г циркония, что соответствует стехиометрической формуле гидрида ZrH_1,93. Состав аргоно-водородной смеси 93,1 об.% аргона и 6,9 об.% водорода.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1513813, кл. С 01 В 6/00, 1987.

2. Патент US 2427339, С 01 В 6/02, 1947.

Формула изобретения

1. Способ получения гидридов переходных металлов, включающий насыщение водородом соответствующего металла при температуре образования гидрида, отличающийся тем, что гидрирование проводят пожаровзрывобезопасной смесью инертного газа и водорода, например аргоно-водородной, с содержанием водорода в инертном газе не более 7 об.%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что гидрирование проводят в протоке газа через аппарат с гидрируемым металлом.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что гидрирование проводят в аппарате типа “с проходным слоем”.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что гидрирование проводят при атмосферном давлении.