Способ получения водорода
Владельцы патента RU 2429191:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный университет путей сообщения" (СамГУПС) (RU)
Изобретение относится к области химии. В реакторе создают вакуум, подают воду и между электродами реактора пропускают алюминиевую проволоку. На электроды периодически подают электрический импульс с энергией 10-20 кДж/г и производят первоначальный взрыв алюминиевой проволоки с получением жидких наночастиц алюминия в воде, образующих окислы алюминия и водород, заполняющий пространство над водой. Далее процесс взрыва алюминиевой проволоки проводят в среде водорода. Проволоку взрывают в воде с температурой ниже 80°С. Изобретение позволяет повысить производительность и снизить энергозатраты процесса, повысить чистоту водорода. 1 з.п.ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к химической промышленности, в частности к способам получения газообразного водорода.
Известен способ получения водорода, включающий взаимодействие водяного пара с элементарным железом и/или с его низшим окислом в кипящем слое при 500-650°С, давлении 0,1-0,4 МПа, регенерацию образующихся окислов железа, контактированием их с твердым углеродосодержащим материалом при 800-1100°С с получением газов регенерации и восстановленных окислов железа и возврат последних на стадию взаимодействия, газы регенерации возвращают на стадию регенерации, а окислы железа на стадии регенерации используют с размером частиц 50·10-6-140·10-6 [патент РФ №1125186, МПК C01B 3/10 опубл. 23.11.1984 г. БИ №43 «Способ получения водорода», авторы Лебедев В.В. и др.].
Недостатком способа является сложность процесса, низкая производительность и большие энергозатраты.
Известен способ получения водорода путем конверсии в реакторе водяного пара в среде раскаленного железа до окислов железа и газообразного водорода, в котором используют реактор, состоящий из рубашки охлаждения и высоковольтного разрядника с двумя электродами, один из которых изготовлен из технического железа, в баке кипятят дистиллированную воду, образуя насыщенный пар, его подают в рубашку охлаждения реактора, образуя перегретый пар, на высоковольтный разрядник подают переменный ток напряжением 3,6 кВ, одновременно через форсунку в разрядный промежуток вводят перегретый пар, а образовавшиеся окислы железа при помощи вибрации сбрасывают в сборную емкость; влажный водород выпускают из реактора в конденсатор, охлаждаемый водой из системы водоснабжения, конденсат сбрасывают, после этого предварительно осушенный водород подвергают окончательной осушке в регенерируемых силикагелевых патронах, затем водород через микропористый фильтр раздают потребителям в интерметаллидных компрематорах, которые при десорбции водорода обеспечивают его чистоту до 99,99 об.%. [Патент РФ №2191742, МПК C01B 3/00, C01B 3/10 опубл. 27.10.2002 г. БИ №30 «Способ получения водорода», авторы Адамович Б.А. и др.]
Недостатками способа являются низкая производительность и большие энергозатраты.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Техническим результатом является повышение производительности, снижение энергозатрат и повышение чистоты водорода.
Технический результат достигается тем, что в способе получения водорода в реакторе с электродами в реакторе создают вакуум, подают воду и между электродами реактора пропускают алюминиевую проволоку, на электроды периодически подают электрический импульс с энергией 10-20 кДж/г и производят первоначальный взрыв алюминиевой проволоки с получением жидких наночастиц алюминия в воде, образующих окислы алюминия и водород, заполняющих пространство над водой, далее процесс взрыва алюминиевой проволоки производят в среде водорода. Алюминиевую проволоку взрывают в воде с температурой ниже 80°С.
Реакцию взаимодействия алюминия с водой производят на поверхности алюминия при температуре 600-700°С. Взрыв проволоки обеспечивает плавление и моментальное диспергирование сразу всего участка проволоки, поданного в реактор, вследствие чего увеличивается реагируемая поверхность и происходит равномерный нагрев диспергируемого материала до 700°С. Высокотемпературные наночастицы алюминиевой проволоки размером 70-120 нм позволяют быстро провести реакцию окисления алюминия с выделением водорода по всему объему реактора. Таким образом, скорость получения водорода ограничивается только скоростью подачи проволоки в реактор.
Взаимодействие алюминия с водой позволяет окислять алюминий до Al(ОН)3, что увеличит производительность способа получения водорода.
Взаимодействие алюминия с водой при низких температурах позволяет предотвратить парообразование, тем самым получить более чистый водород.
На чертеже представлена схема получения водорода.
Реактор 1 состоит из рубашки охлаждения 2, двух электродов 3 и 4, взрываемого участка проволоки 5, магистрали выхода водорода 6, магистрали выхода продуктов реакции 7, высоковольтного источника питания 8, емкостного накопителя энергии 9, коммутатора 10.
Из реактора откачивают воздух, создавая вакуум, и подают воду в нижнюю часть реактора.
От высоковольтного источника питания 8 заряжают емкостный накопитель энергии 9. Взрываемый участок проволоки 5 подают в реактор 1. Как только взрываемый участок проволоки займет положение между электродами 3 и 4 включают коммутатор 10 и происходит разряд емкостного накопителя энергии 9 на взрываемый участок проволоки 5. Проволока взрывается, разрушаясь на жидкие наночастицы размером 70-120 нм, которые разлетаются в реакторе, взаимодействуют с водой, образуя окислы алюминия и водород. Водород, выделяясь, заполняет пространство над водой в верхней части реактора и далее процесс взрыва проволоки с образованием жидких наночастиц происходит в среде водорода. При этом реакция окисления жидких алюминиевых наночастиц идет по двум уравнениям:
2Al+2H2O=2AlOOH+H2;
2Al+6H2O=2Al(OH)3+3H2;
| Состав продуктов реакции окисления алюминия | |||
| Энергия, введенная в алюминиевую проволоку, кДж/г | Состав продуктов реакции при диспергировании алюминия в среде водорода и окислении его в воде | Количество водорода (л) на 1 кг алюминия | |
| AlOOH | Al(ОН)3 | H2 | |
| 9 | 30 | 70 | 995 |
| 10 | 41 | 59 | 904 |
| 15 | 42 | 58 | 895 |
| 20 | 40 | 60 | 912 |
Выход водорода по первой и второй реакции разный, поэтому предпочтительнее, чтобы взаимодействие жидких алюминиевых наночастиц с водой проходило по второй реакции, так как производительность водорода в этом случае больше, чем при первой реакции.
Окислы алюминия выводят из реактора по магистрали выхода продуктов реакции 7, а влажный водород выводят из реактора по магистрали выхода водорода 6.
Выйдя с зоны контакта воды с алюминием, пузырек водорода имеет такую же температуру, как и в зоне его образования порядка 500-700°С. По мере продвижения его к поверхности воды пузырек водорода интенсивно охлаждается за счет теплообмена с водой, при этом происходит парообразование на поверхности пузырька водорода. Продвигаясь к поверхности воды, пузырек водорода постепенно насыщается парами воды. Достигая поверхности воды, пузырек лопается и выбрасывает пары воды в верхнюю часть реактора. Таким образом, происходит загрязнение водорода парами воды. Для предотвращения этого явления необходимо производить реакцию окисления алюминия водой при температуре воды ниже 80°С. В этом случае парообразование на поверхности пузырька водорода будет проходить менее интенсивно и водород будет более чистым, при этом основным продуктом окисления алюминия будет Al(ОН)3.
Алюминиевая проволока в реактор подается, например, из барабана, на который она предварительно наматывается. При подаче взрываемого участка алюминиевой проволоки в реактор барабан поворачивается и проволока разматывается, затем взрываемый участок подается в реактор.
Пример реализации способа. Осуществляют получение водорода путем взрыва алюминиевой проволоки в среде водорода. Для осуществления способа реактор вакуумируют, используют алюминиевую проволоку, например, диаметром 0,3 мм и длиной взрываемого отрезка 110 мм, с емкостью накопителя 2,75 мФ. Перед подачей проволоки в реактор в него наливают воду, причем нижний электрод выступает из воды, а затем реактор вакуумируют. После чего взрываемый участок алюминиевой проволоки размером 110 мм подают в реактор и устанавливают между электродами, причем взрываемый участок проволоки находится в контакте с верхним электродом и установлен с зазором к нижнему электроду. На электроды подают электрический импульс 14,7 кДж/г в течение 3,3 мкс, который переходит на взрываемый участок алюминиевой проволоки. Производят первоначальный взрыв участка проволоки в вакууме, причем участок проволоки взрывается, разрушаясь на жидкие наночастицы алюминия размером 70-120 нм, которые разлетаются в реакторе и взаимодействуют с водой, образуя окислы алюминия и водород. Затем процесс ввода взрываемого участка проволоки в реактор, пропускание его между электродами, подача на электроды электрического импульса и периодический взрыв участка проволоки с последующим получением водорода повторяют с определенной периодичностью, а процесс взрыва алюминиевой проволоки производят в среде водорода.
Средний размер частиц окислов алюминия составляет 80 нм. Таким образом, из 1 кг алюминиевой проволоки получаем 895 л чистого водорода.
Предлагаемый способ позволяет увеличить выход водорода, повысить производительность получения водорода в несколько порядков и снизить энергозатраты на его получение в 3 раза.
1. Способ получения водорода в реакторе с электродами, отличающийся тем, что в реакторе создают вакуум, подают воду и между электродами реактора пропускают алюминиевую проволоку, на электроды периодически подают электрический импульс с энергией 10-20 кДж/г и производят первоначальный взрыв алюминиевой проволоки с получением жидких наночастиц алюминия в воде, образующих окислы алюминия и водород, заполняющий пространство над водой, далее процесс взрыва алюминиевой проволоки проводят в среде водорода.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что алюминиевую проволоку взрывают в воде с температурой ниже 80°С.
