Способ получения высокочистого водорода

Авторы патента:

C01B3/08 - Неметаллические элементы; их соединения

Владельцы патента RU 2510362:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)

Изобретение относится к области химии. Горячий водород, образующийся в результате реакции термохимического окисления алюминия водой, пропускают через слой пленки сверхвысокомолекулярного полиэтилена при давлении 1 атм. Изобретение позволяет повысить чистоту водорода. 2 ил.

Изобретение относится к технологии получения высокочистого водорода, и может использоваться в топливных элементах для выработки электрической энергии. Применение способа позволяет продлить срок службы катализатора окисления водорода в топливном элементе путем снижения содержания таких примесей как H₂O, CO₂ и других.

Известен способ получения водорода с одновременным получением Al(OH)₃ и Al₂O₃ («Способ получения водорода» №2356830 С01В 3/08, приор. 26.06.2007), в котором водород получают взаимодействием H₂O и Al, легированного в расплавленном состоянии Bi или Pb, а затем диспергированного, что позволяет повысить эффективность способа без внешнего воздействия.

Недостатком способа является получение водорода, насыщенного парами воды (1,2 кг/м³ при t=25°C), с примесью газообразного CO₂ и других, которые отравляют платино-палладиевый катализатор, снижают характеристики топливного элемента, сокращают срок его эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности и заявляемому способу является способ получения водорода путем использования гидрореагирующей смеси (патент на изобретение №2338684 C01B 3/00, B22F 9/20, В82В 1/00, опубл. 20.11.2008). Сущность изобретения заключается в смешении нанопорошка алюминия с водой и последующем добавлении гранулированного гидроксида натрия в суспензию.

Недостатком способа является неравномерность выделения водорода, связанная с протеканием гетерогенной реакции на поверхности гранул гидроксида натрия, что затрудняет управление процессом. Кроме того, недостатком способа является получение водорода также насыщенного парами воды (1,2 кг/м³ при t=25°C) с примесью CO₂ и других газов, которые отравляют платино-палладиевый катализатор, снижают характеристики топливного элемента, сокращают срок его эксплуатации.

Основной технической задачей изобретения является получение высокочистого водорода за счет повышенной диффузионной способности водорода при нагревании. Решение основной технической задачи достигается тем, что проводят термохимическое окисление алюминия водой, полученный горячий водород пропускают через слой пленки сверхвысокомолекулярного полиэтилена при давлении 1 атм. В результате односторонней диффузии только молекул водорода получают высокочистый водород.

Пример.

Согласно термохимическому уравнению реакции окисления алюминия водой, при взаимодействии алюминия с водой выделяются тепло и молекулярный водород, то есть температура воды будет расти по мере выделения водорода. Следовательно, скорость роста температуры воды пропорциональна величине скорости выделения водорода. В тоже время, скорость тепловыделения на границе раздела оксид-металл, согласно химической реакции будет равна:

где V - скорость реакции; U - объем реагирующего слоя (граничный слой между металлом и оксидно-гидроксидной оболочкой), ΔH - энтальпия химической реакции.

Скорость отвода тепла от реагирующего слоя через оксидно-гидроксидную оболочку пропорциональна разности температур в объеме реагирующего слоя Т и в окружающей среде Т₀:

где α - коэффициент теплоотдачи оксидно-гидроксидной оболочки; S - поверхность теплоотвода.

Для повышения температуры в объеме гидрореагирующего слоя необходимо выполнение условия:

Рост температуры в промежуточном слое будет продолжаться до достижения максимальной температуры T_max, т.е. до установления теплового равновесия:

Приравнивая правые части уравнений (1) и (2)получаем:

V|ΔН|U=αS(T_max-T₀),

откуда:

Анализ полученного выражения показывает, что с повышением скорости и теплового эффекта реакции, а также с увеличением реакционного объема величина T_max растет, тогда как увеличение коэффициента теплоотдачи α и поверхности теплоотвода снижают T_max. Температура окружающей среды Т₀ входит как аддитивная составляющая в значение T_max. Оценить максимально достигаемую температуру T_max можно по фазовому и химическому составу образующихся в объеме реагирующего слоя продуктов реакции.

Экспериментально показано, что с ростом температуры воды температура водорода, образующегося в зоне реакции повышается от 90 до 400°C. Образуется «горячий водород», имеющий высокую проникающую способность.

Для проведения экспериментов была собрана лабораторная установка. На фиг.1 представлена схема установки: 1 - V-образная трубка-манометр; 2 - соединительные шланги; 3 - колбы Вюрца; 4 - термометр; 5 - трубка с пленкой сверхвысокомолекулярного полиэтилена; 6 - делительная воронка.

Был взят нанопорошок алюминия, полученный при помощи электрического взрыва проводника в среде газообразного аргона. Среднеповерхностный диаметр частиц - 120 нм, распределение частиц по диаметру - нормально-логарифмическое в интервале 80-500 нм, насыпная плотность - 0,22 г/см³, содержание адсорбированных газов и воды - до 6% (мас.)

Компоненты гидрореагирующей смеси - порошок «АСД-1» крупностью 80 мкм, нанопорошок алюминия крупностью частиц 70÷120 нм, а также гранулированный гидроксид натрия крупностью 1,0÷2,5 мм в массовых соотношениях 70:26:4, при постоянном перемешивании одновременно добавляют в воду комнатной температуры (21÷23°C).

Молекулы воды и газообразна примесь CO₂ и другие примеси имеют гораздо больший диаметр и более низкую температуру, чем молекулярный водород, и поэтому не проникают через мембрану из сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Попытки использования полиэтилена высокого давления (ПЭВД) не дали положительных результатов, так как обычный полиэтилен имеет низкую прочность при небольшом нагревании.

В результате реакции алюминия с водой происходит выделение водорода и рост температуры жидкости. На пороге температурного показателя 40°C и давления 1,3 атм. происходит плавное снижение давление, что свидетельствует о прохождении водорода через слой пленки. На фиг.2 представлена зависимость давления от температуры воды во время реакции нанопорошка алюминия с водой. Собранный в колбе водород отбирали в специальную емкость для проведения анализа. Результаты хроматографического анализа полученного исходного водорода и прошедшего водорода через мембрану из сверхвысокомолекулярного полиэтилена показали, что если исходный водород содержал 2,1 г/л (6,3%) H₂O, <1×10^-5% CO₂, то после прохождения через мембрану содержание примесей суммарно составило <1×10^-6%. Измерения содержания газов проводилось в научно-аналитическом центре национального исследовательского Томского политехнического университета на масс-спектрометре TRACE DSQ.

Способ получения высокочистого водорода, включающий термохимическое окисление алюминия водой, отличающийся тем, что горячий водород, образующийся в результате реакции, пропускают через слой пленки сверхвысокомолекулярного полиэтилена при давлении 1 атм.

Настоящее изобретение относится к системе и способу производства химической потенциальной энергии и может быть использовано в производстве эффективного топлива, которое можно было бы использовать в чистых энергетических процессах, при которых не образуются и не выделяются парниковые газы и другие загрязнители окружающей среды.

Способ получения водорода с полным улавливанием co2 и рециклом непрореагировавшего метана // 2509720

Изобретение относится к области химии. Способ получения водорода включает получение синтез-газа в установке парового риформинга углеводородной загрузки, паровую конверсию полученного синтез-газа с получением потока водорода, содержащего метан и диоксид углерода, улавливание диоксида углерода, присутствующего в потоке, улавливание и возврат на паровой риформинг метана, CO и CO2, присутствующих в потоке водорода.

Способ и устройство для получения водорода из воды (варианты) // 2509719

Изобретение относится к области химии. Согласно первому варианту для получения водорода железные стержни изолируют от стенок реактора 1 и подают на них высоковольтный потенциал от трансформатора Тесла 14.

Способ и установка для получения синтез-газа // 2509052

Изобретение относится к способу и установке для получения синтез-газа (S) из твердых частиц (C) углерода, причем указанные частицы (C) углерода получают посредством пиролиза, газификация частиц (C) углерода происходит в результате непрямого нагрева частиц (C) углерода в присутствии технологического газа (P) в том же самом пространстве реактора, где находятся частицы (C) углерода, при этом непрямой нагрев осуществляют с помощью теплового излучения от горелок (Br1-Brn), расположенных в реакторе (1), а синтез-газ (S), образовавшийся во время газификации, выпускают из указанного пространства.

Способ получения холодных инертных газообразных продуктов сгорания твердотопливного заряда в газогенераторе // 2507149

Изобретение может быть использовано для систем подъема затонувших объектов, в средствах дистанционного экстренного перекрытия нефте- и газопроводов, в средствах выброса и распыления специальных жидкостей при нейтрализации аварийных выделений газов и веществ на производствах, приведения в действие различных пневматических устройств, для средств пожаротушения.

Пористый керамический каталитический модуль и способ переработки отходящих продуктов процесса фишера-тропша с его использованием // 2506119

Настоящее изобретение относится к получению водородсодержащего газа и может быть использовано в промышленности при переработке отходящих продуктов процесса Фишера-Тропша в присутствии пористой мембранно-каталитической системы.

Малотоннажная установка по утилизации ресурсов малых месторождений природного газа // 2505586

Изобретение относится к технологиям малотоннажной утилизации непромышленных газов в газовой промышленности. Изобретение касается малотоннажной установки по утилизации ресурсов малых месторождений природного газа, состоящей из последовательно соединенных очистительного модуля, теплообменника предварительного нагрева, теплообменника-рекуператора для тепловой обработки сырья, реактора плазмохимического синтеза для образования водородно-сажевой смеси, теплообменника-рекуператора для закалки, теплообменника-охладителя для охлаждения смеси, циклона для выделения и подачи в рукавный фильтр для сбора с последующей подачей в гранулятор и конденсатор, гранулятора для гранулирования частиц сажи при увлажнении водой из конденсатора и последующей подачи в сушильный барабан, конденсатора для подачи воды в гранулятор и конденсации воды с подачей водородной смеси в компрессор, сушильного барабана для осушки и выделения, компрессора для сжатия водорода и подачи в мембранный блок для обогащения и последующего выделения.

Способ совместного получения синтетических жидких углеводородов и метанола и установка для его осуществления, интегрированная в объекты промысловой подготовки нефтяных и газоконденсатных месторождений // 2505475

Изобретение относится к отрасли переработки нефти и газа и может быть использовано для получения синтетических жидких углеводородов и метанола на установке, интегрированной в объекты промысловой подготовки газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений.

Способ производства синтез-газа // 2503613

Изобретение относится к способу производства синтез-газа. Способ производства синтез-газа включает: риформинг углеводорода в присутствии пара и одного или более первых катализаторов в первой реакционной зоне с получением выходящего потока, содержащего часть углеводорода, моноксид углерода, диоксид углерода и водород при первой температуре, при этом первая реакционная зона может включать одну или более содержащих катализатор трубок; непрямой нагрев выходящего потока от первой температуры до второй температуры; и риформинг выходящего потока при второй температуре в присутствии одного или более окислителей, и одного или более вторых катализаторов в условиях, достаточных для получения синтез-газа, имеющего температуру примерно 1030°C или выше, включающего водород, моноксид углерода, диоксид углерода и меньше чем примерно 5 моль.% метана на сухое вещество, при этом синтез-газ используют для нагрева выходящего потока непрямым образом от первой температуры до второй температуры.

Катализатор для применения в высокотемпературной реакции сдвига и способ обогащения смеси синтез-газа водородом или монооксидом углерода // 2498851

Изобретение относится к области катализаторов. Описан катализатор, предназначенный для применения в реакции высокотемпературного сдвига, в своей активной форме содержащий смесь цинк-алюминиевой шпинели и оксида цинка в комбинации со щелочным металлом, выбранным из группы, включающей Na, K, Rb, Cs и их смеси, указанный катализатор обладает молярным отношением Zn/Al, находящимся в диапазоне от 0,5 до 1,0, и содержанием щелочного металла, находящимся в диапазоне от 0,4 до 8,0 мас.% в пересчете на массу окисленного катализатора.

Автономный генератор водорода // 2510876

Изобретение относится к водородной энергетике и может быть использовано для получения водорода. Устройство содержит нижнюю реакционную камеру (1) с гидрореакционной гетерогенной композицией, состоящей из алюминиевой пудры (2) и воды (12), верхнюю камеру (3), сочлененную с нижней камерой (1), которую через заливочное окно (6) заполняют водным раствором кристаллогидрата метасиликата натрия (5). Подачу водного раствора активатора в камеру (1) осуществляют с помощью резьбового регулятора (7) подачи раствора. Вывод водорода из реакционной камеры (1) осуществляют через трубку (8). Изобретение позволяет улучшить регулирование работы генератора водорода и повысить производительность. 1 ил., 6 пр.

Способ получения синтез-газа для производства аммиака // 2510883

Способ получения синтез-газа для производства аммиака, в котором сырьевой природный газ конвертируют в установке первичной конверсии и в установке вторичной конверсии при давлении по меньшей мере 35 бар; продуктовый синтез-газ на выходе из установки вторичной конверсии охлаждают и подвергают каталитической среднетемпературной конверсии, превращая СО в СО2 и Н2, и ниже по потоку от реактора среднетемпературной конверсии из синтез-газа удаляют диоксид углерода с помощью физической абсорбции. Изобретение позволяет поддерживать каталитический слой при относительно низкой температуре. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ микроволновый конверсии метан-водяной смеси в синтез-газ // 2513622

Изобретение относится к области химии. Метан-водяную смесь разделяют на два потока. Один поток газа направляют в устройство для подачи воды, смешивают с водным аэрозолем, затем соединяют с другим потоком и подают смесь на вход в центральный электрод микроволнового плазматрона, осуществляя регулирование расхода потоков. В струе метан-водяной смеси формируют микроволновый плазменный факел. Изобретение позволяет упростить процесс. 1 ил.

Способ и устройство для получения сырьевого синтез-газа // 2515325

Изобретение относится к области химии. Для получения газа, содержащего водород и моноксид углерода, источник отгружаемого газа с металлургических процессов трубопроводом соединен с конвертером 7, чтобы по меньшей мере часть отгружаемого газа можно было подвергнуть конверсии CO при добавлении водяного пара с образованием сырьевого синтез-газа. Источник отгружаемого газа, кроме того, трубопроводом соединен с парогенератором 10, чтобы следующую часть отгружаемого газа можно было по меньшей мере частично сжигать в парогенераторе 10 с образованием водяного пара. Образованный водяной пар по линии пара 9a подводят в конвертер 7. Для промежуточного хранения части отгружаемого газа перед его сжиганием в парогенераторе 10 предусмотрен резервуар 22, чтобы можно было компенсировать колебания количества и/или теплоты сгорания в отгружаемом газе. Изобретение позволяет утилизировать отгружаемый газ и использовать его как исходное сырье для процессов химического синтеза. 2 н. и 29 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ конверсии дизельного топлива и конвертор для его осуществления // 2515326

Изобретение относится к области химического машиностроения и может быть использовано в химической, нефтехимической и энергетической промышленностях. Конвертор включает реактор, форсуночную головку для ввода дизельного топлива и кислорода с системой поджига, установленные в верхней части корпуса реактора, систему водяного охлаждения. Причем реактор выполнен в виде камеры сгорания для проведения термоокислительной реакции, совмещенной с щелевым реактором с катализатором для высокотемпературной стадии паровой конверсии дизельного топлива через теплопередающую стенку корпуса камеры сгорания. А также соединены с камерой смешения компонентов синтез-газа термоокислительной и паровой конверсии, которая соединена с камерой подготовки синтез-газа для паровой конверсии оксида углерода, стенки которой выполнены в виде щелевого реактора с катализатором для низкотемпературной стадии паровой конверсии дизельного топлива. На выходе конвертора выполнен канал с рубашкой для смешения дизельного топлива с парами воды, система водяного охлаждения выполнена в виде системы охлаждения форсуночной головки и подачи паров воды в камеру подготовки синтез-газа для паровой конверсии оксида углерода. Изобретение позволяет получить концентрацию водорода в полученном синтез-газе более чем на 10% выше в сравнении с другими известными схемами конверторов.

Способ получения водорода // 2515477

Изобретение относится к области химии. Водород получают в комбинированном трубчатом каталитическом реакторе с распределенными в реакционном объеме зонами эндотермических и экзотермических реакций получения водорода и теплоты, необходимой для проведения каталитических эндотермических реакций получения водорода. В трубном пространстве проводят эндотермические реакции паровой конверсии диметилового эфира и/или метанола. В межтрубное пространство реактора подводят синтез-газ, полученный в энергетических машинах и/или каталитических реакторах, для проведения экзотермической реакции паровой конверсии оксида углерода, содержащегося в синтез-газе. Продуктовые потоки межтрубного и трубного пространства объединяют, объединенный поток, содержащий оксид углерода, направляют на селективное гидрирование с получением метана, а водородсодержащий газ подвергают концентрированию. Изобретение позволяет получать водород высокой чистоты. 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 2 пр.

Способ получения богатой водородом газовой смеси // 2515967

Изобретение относится к способу получения богатой водородом газовой смеси из галогенсодержащей газовой смеси, включающей водород и по меньшей мере 50 об.% монооксида углерода, в пересчете на сухую массу, путем взаимодействия галогенсодержащей газовой смеси с водой, имеющей температуру от 150 до 250°C, чтобы получить газовую смесь, бедную галогеном и имеющую мольное отношение пара к монооксиду углерода от 0,2:1 до 0,9:1, и подвергают указанную газовую смесь, бедную галогеном, реакции сдвига водяного газа, в котором часть или весь монооксид углерода конвертируют с паром до водорода и диоксида углерода в присутствии катализатора, который присутствует в одном реакторе с неподвижным слоем или в каскаде из более чем одного реактора с неподвижным слоем, и в котором температура газовой смеси, которая поступает в реактор или реакторы, равна от 190 до 230°C. Использование предлагаемого способа позволяет добавлять меньше пара. 6 з.п. ф-лы, 1 пр., 2 табл.

Когенерационная установка на металлсодержащем топливе // 2516168

Изобретение относится к когенерационной установке на металлсодержащем горючем. Установка содержит по меньшей мере одну реакционную камеру, средства для ввода по меньшей мере одного жидкого окислителя на водной основе и средства для подачи по меньшей мере одного металлсодержащего топлива в камеру, при этом окислитель и топливо являются способными вызывать экзотермическую реакцию окисления для получения газообразного водорода и по меньшей мере одного оксида металла, средства для ввода выполнены с возможностью ввода в указанную камеру окислителя в количестве, которое значительно больше, чем стехиометрическое количество для образования пара, и содержит по меньшей мере один движущий блок на жидкостной основе, в который подается на входе, по меньшей мере, пар для приведения во вращательное движение приводного вала, средства отделения и извлечения для, по меньшей мере, пара, находящиеся между камерой и входом в движущий блок, и средства для отвода указанного водорода, подаваемого на хранение или потребителю. Использование изобретения обеспечивает непрерывность цикла действия и автономность установки, а также снижение загрязнения атмосферы. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 3 ил.

Системы и способы производства сверхчистого водорода при высоком давлении // 2516527

Изобретение относится к области химии. В первом реакторе производят экзотермически-генерированный продукт 4 синтез-газа, преобразуя первую часть потока углеводородного сырья. В теплообменной установке риформинга получают эндотермически-преобразованный продукт 7 синтез-газа, в котором, по меньшей мере, часть тепла используют от экзотермически-генерированного продукта синтез-газа. Поток 7 охлаждают. Охлажденный поток 8 пропускают через высокотемпературный реактор сдвига, в котором часть CO реагирует с паром, давая диоксид углерода и водород. Полученный поток 9 направляют в низкотемпературный реактор сдвига. Полученный поток 11 подают в сепаратор, который отделяет метан от комбинации экзотермически-генерированного продукта синтез-газа и эндотермически-преобразованного продукта синтез-газа, получая поток отходящего газа. При этом нагреватель сжигает, по меньшей мере, часть отходящего газа, используя выхлоп из газовой турбины в качестве окислителя, давая потоки перегретого пара и углеводородного сырья, используемые в экзотермически- и эндотермически-генерированном продукте синтез-газа. Генератор генерирует энергию, используя газовую турбину для приведения в действие установки по производству кислорода, обеспечивая кислород для генерирования синтез-газа. Изобретение позволяет получать водород высокой чистоты при высоком давлении. 3 н. и 26 з.п. ф-лы, 16 ил.

Способ и устройство для получения синтез-газа с низким содержанием смол из биомассы // 2516533

Изобретения могут быть использованы в энергетике и химическом синтезе. Способ получения синтез-газа с низким содержанием смол из биомассы включает разложение биомассы в первом реакторе кипящего слоя (3) на пиролизный газ и пиролизный кокс. Полученный пиролизный газ подают в качестве газа для образования кипящего слоя (5) в следующем реакторе кипящего слоя (11). Пиролизный кокс в виде мелких частиц выводят вместе с газом и подают в следующий реактор кипящего слоя (11) через сопловое днище (4). Изобретения позволяют получить синтез-газ с низким содержанием смол и азота при высоком кпд.2 н. и 35 з.п. ф-лы, 5 ил.