Способ получения водорода и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к автономному производству газообразного водорода для газотермической обработки металлов. Цель изобретения - создание автономного водородного генератора экологически чистым способом для резки, сварки металлов, а также наплавки металлическими и полимерными порошками. Предлагаемый способ отличается тем, что в качестве реагентов используется магник и 3 %-ный водный раствор хлористого натрия с последующей очисткой водорода от паров воды. Устройство отличается тем, что оно имеет конусную часть в зоне реактора для стабилизации и регулирования расходных характеристик, отвод газа в верхней точке газосборной полости для уменьшения "заброса" жидкости и интенсивный теплоотвод из зоны реактора для реализации "некипящего" режима реакции. 2 с. п. ф - лы, 1 ил.

Изобретение относится к водородной энергетике, в частности к обработке металлов газотермическим способом. В практике в качестве горючего в основном применяются газообразные жидкие углеводороды. Применение альтернативного экологически чистого водородного горючего сдерживалось высокой себестоимостью традиционных методов его получения.

Известен способ получения водорода электролизом растворов электролитов путем пропускания электрического тока через электроды из алюминия или его сплавов [1] Недостатками этого способа являются использование дорогих дефицитных электродов, сложность технологической схемы, а также невысокая производительность 1500-3600 мл/ч.

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения водорода путем взаимодействия цинка, алюминия с соляной, серной, фосфорной, уксусной кислотами или едкими щелочами, при этом процесс ведут в присутствии катионита в Н-форме или анионита в ОН-форме [2] Недостатками этого способа являются неизбежное накопление соли, загрязнение окружающей среды летучими соединениями, что вызывает необходимость применения утилизационных устройств.

Известно устройство, выбранное в качестве прототипа, для получения водорода, содержащее два соосно установленных изолированных от внешней среды сосуда с крышками, предохранительный клапан и технологические штуцера [3] Принцип работы устройства заключается в следующем. Внутренняя емкость (реактор) заполняется твердой фазой нарубленными кусочками алюминия, внешняя емкость заполняется до определенного уровня жидкой фазой 0,5%-ным водным раствором едкого кали с добавкой 2,5%-ного хлористого натрия и 0,05%-ного марганцевокислого калия в качестве катализатора. При взаимодействии реагентов выделяется водород. По мере накопления водорода роста давления в генераторе жидкость из реактора вытесняется и реакция замедляется.

Основными недостатками этого устройства являются сложность конструкции наличие двух полостей для сбора водорода, встроенного пружинного клапана; невозможность получения стабильных расходных характеристик; слабое охлаждение реактора; невозможность полного останова реакции.

Целью изобретения является создание водородного генератора для газотермической обработки металлов, а именно резка, сварка, наплавка металлическими и полимерными порошками.

Цель достигается тем, что в качестве водородообразующих веществ взята система "Магник" (сплав на основе магния с добавкой никеля) и 3%-ный водный раствор поваренной соли или черноморская вода, соединение которых происходит с выделением тепла и водорода. Стабильные расходные характеристики достигаются за счет наличия в зоне реакции (зоне смачивания магника) двух обратных конусных поверхностей за счет интенсивного наружного охлаждения реактора, а также отбора водорода в верхней точке полости, что уменьшает вероятность попадания жидкости в газоотводную трубку.

Сущность изобретения поясняется принципиальной схемой устройства, изображенной на чертеже.

Водородный генератор состоит из корпуса 1, в который вварен реактор, состоящий из цилиндра водородной полости 2 и конуса 3, а также съемной емкости 4 для магника в виде обратного конуса с прорезями шириной 5 мм для смачивания шариков магника 5 (⊘ 10-15 мм) и промывания шлама (продукт реакции жженая магнезия), крышки 6 запорного устройства 7, манометра 8, редукционного клапана 9, газоотводной трубки 10 водного затвора 11, запорного вентиля 12, сливной пробки 13. Для водородо-кислородного пламени подключается 40-литровый кислородный баллон 14 с редуктором 15 с помощью кислородного шланга к горелке 16. В качестве водородной горелки могут быть использованы ацетиленовые горелки для сварки типа ГСМ, для резки "Маяк-2", для наплавки металлическими порошками ацетиленовая горелка ГН-2, для полимерных порошков пропановая горелка установки УГПЛ-П. По всех случаях жиклеры горючего газа рассверливаются либо опытным путем, либо по результатам расчета расходной характеристики с учетом стехиометрического соотношения и плотностной разницы.

Объем заправочной корзины позволяет засыпать 1,5 кг магника, что, в свою очередь, определяет непрерывный режим работы в течение 2 ч при расходе водорода 600 л/ч, 3%-ный водный раствор хлористого натрия заливается до верхнего уровня магника (полное смачивание). Объем жидкости составляет 45 л. Соотношение насыпного объема магника и объема заливаемой жидкости 1:30 выбран по результатам исследований из соображения реализации режима с температурой в реакторе не выше 40^оС, что обеспечивает "спокойный", управляемый режим выделения водорода с низким содержанием паров воды в полости 2. Дополнительное охлаждение газоотводной трубки 10 более холодными слоями наружной по отношению к реактору жидкостью позволяет сконденсироваться парам на внутренней поверхности трубки и стечь конденсату в полость водного затвора. Дополнительная очистка от паров происходит в результате барботажа в водном затворе.

Соблюдение правил техники безопасности, выражающихся в предварительной до поджига продувке водородом всей системы, наличие водного затвора и обратных клапанов в горелке, а также редукционного клапана, обеспечивает наружную безаварийную эксплуатацию.

Технические характеристики: Рабочее давление, МПа 10 (1 атм) Расход водорода, л/ч 600 Время непрерывной работы в режиме резки, ч 2 Реагенты: Магник (ТУ 48-0501- 350-91), кг 1,5 3%-ный водный раст- вор хлористого натрия или черноморская вода, л 45 Габариты ⊘ 400 х 950 Материал Х18Н9 Изобретение может быть широко использовано практически во всех областях хозяйства от фермерского хозяйства до морского флота. При налаживании сети сервисного обслуживания себестоимость эксплуатации резко снижается за счет регенерации продуктов реакции. Жженая магнезия может быть сырьем для получения магника. Затраты на электроэнергию для получения тонны магника составляют 20 тыс. кВт/ч.

Формула изобретения

1. Способ получения водорода путем взаимодействия металлического реагента с жидким раствором, отличающийся тем, что в качестве металлического реагента используют магник сплав на основе магния с добавкой никеля, а в качестве раствора используют 3% -ный водный раствор хлористого натрия или морскую воду и образовавшийся водород очищают от паров воды за счет конденсации и барботажа.

2. Устройство для получения водорода, содержащее герметичный корпус, соосно установленный и сообщающийся с ним через нижнее отверстие реактор, в котором размещена емкость с перфорированной поверхностью для металлического реагента, крышку, предохранительный клапан и патрубок для отвода водорода, отличающееся тем, что реактор выполнен в виде цилиндра, имеющего внизу коническую часть, в которой размещена емкость для металлического реагента, выполненная в форме обратного конуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1