способ получения водорода

Формула изобретения

1. Способ получения водорода, заключающийся в конверсии перегретого насыщенного водяного пара в реакторе с электродами, отличающийся тем, что в реактор периодически вводят алюминиевую проволоку, которую пропускают между электродами в среде перегретого насыщенного водяного пара, или в нижнюю часть реактора подают воду, и алюминиевая проволока реагирует в нижней части реактора с водой, а в верхней - с насыщенным водяным паром, на электроды периодически подают электрический импульс с плотностью введенной в проволоку энергии 10-20 кДж/г, периодически производят взрыв алюминиевой проволоки на жидкие наночастицы алюминия, которые вступают в реакцию с насыщенным водяным паром или в нижней части реактора - с водой, а в верхней - с насыщенным водяным паром, образуя окислы алюминия и газообразный водород.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что алюминиевую проволоку перед взрывом нагревают до температуры плавления.

Описание изобретения к патенту

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 м [патент РФ № 1125186, МПК С01В 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 С01В 3/00, С01В 3/10, опубл. 27.10.2002 г., БИ № 30 «Способ получения водорода», авторы Адамович Б.А. и др.]

Недостатком способа является 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, заключающемся в конверсии перегретого насыщенного водяного пара в реакторе с электродами, в реактор периодически вводят алюминиевую проволоку, которую пропускают между электродами в среде перегретого насыщенного водяного пара, или в нижнюю часть реактора подают воду, и алюминиевая проволока реагирует в нижней части реактора с водой, а в верхней - с насыщенным водяным паром, на электроды периодически подают электрический импульс с плотностью введенной в проволоку энергии 10-20 кДж/г, периодически производят взрыв алюминиевой проволоки на жидкие наночастицы алюминия, которые вступают в реакцию с насыщенным водяным паром или в нижней части реактора - с водой, а в верхней - с насыщенным водяным паром, образуя окислы алюминия и газообразный водород. Алюминиевую проволоку перед взрывом нагревают до температуры плавления.

Реакцию взаимодействия алюминия с насыщенным водяным паром 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.

Нагрев взрываемого участка проволоки до температуры плавления обеспечивает снижение энергозатрат на взрыв проволоки.

Подача воды в реактор и взрыв проволоки в верхней части реактора в среде перегретого насыщенного водяного пара позволит окислять взорванную алюминиевую проволоку одновременно в нижней части реактора с водой, а в верхней - с паром. Причем в этом случае в составе продуктов реакции будет преобладать Аl(ОН) ₃, так как его образование происходит при более низких температурах, а следовательно, производительность водорода будет выше.

На чертеже представлена схема получения водорода.

Реактор 1 состоит из рубашки охлаждения 2, двух электродов 3 и 4, взрываемого участка проволоки 5, магистрали 6 выхода водорода, магистрали 7 выхода продуктов реакции, высоковольтного источника питания 8, емкостного накопителя энергии 9, коммутатора 10.

Насыщенный водяной пар подают в рубашку охлаждения 2 реактора 1, где его перегревают до температуры 350-400°С и подают в реактор.

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 алюминиевой проволоки 5. Алюминиевая проволока взрывается, разрушаясь на жидкие наночастицы размером 70-120 нм, которые разлетаются в реакторе, взаимодействуют с перегретым насыщенным водяным паром, образуя окислы алюминия и водород. При этом реакция окисления жидких алюминиевых частиц идет по двум уравнениям:

2Аl+2Н₂O=2АlOOН+Н ₂

2Аl+6Н₂O=2Аl(ОН)₃ +3Н₂

Состав продуктов реакции окисления алюминия
Энергия, введенная в алюминиевую проволоку, кДж/г	Состав продуктов реакции при окислении алюминия в среде насыщенного водяного пара	Количество водорода (л) на 1 кг алюминия
АlOOН	Аl(ОН) 3	Н2
9	30	70	995
10	82	18	564
15	85	15	516
20	80	20	580

Выход водорода по первой и второй реакции разный, поэтому предпочтительнее, чтобы взаимодействие жидких алюминиевых наночастиц с насыщенным водяным паром 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.

Если в нижнюю часть реактора подать воду и произвести взрыв проволоки в верхней части реактора в среде перегретого насыщенного водяного пара, то алюминиевая проволока одновременно прореагирует в нижней части реактора с водой, а в верхней - с насыщенным водяным паром. Причем в этом случае в составе продуктов реакции будет преобладать Аl(ОН) ₃, так как его образование происходит при более низких температурах, а следовательно, производительность водорода будет выше.

Если проволоку перед взрывом нагреть до температуры плавления, то количество энергии, вводимое в проволоку для ее взрыва, снижается пропорционально повышению температуры проволоки.

Пример реализации способа. Осуществляют получение водорода путем взрыва алюминиевой проволоки в среде перегретого насыщенного водяного пара. Для осуществления способа используют проволоку, изготовленную из алюминия, например, диаметром 0,3 мм и длиной взрываемого отрезка 110 мм. Для этого необходима емкость накопителя 2,75 мФ. Энергия, введенная в проволоку, составляет 14,7 кДж/г. Перед взрывом проволоки реактор заполняют перегретым насыщенным водяным паром с температурой 350-400°С. На заготовку подают энергию 14,7 кДж/г. Энергию на заготовку подают в течение 3,3 мкс. Проволока взрывается, разрушается на жидкие наночастицы размером 70-120 нм, которые разлетаются в реакторе, взаимодействуют с перегретым насыщенным водяным паром, образуя окислы алюминия и водород. Средний размер частиц окислов алюминия составляет 80 нм. Таким образом, из 1 кг алюминиевой проволоки получаем 516 л водорода.

Предлагаемый способ позволяет повысить производительность получения водорода в несколько порядков и снизить энергозатраты на его получение в 3 раза.