Спосіб одержання водню

Винахід належить до області електрохімії, енергетики, електронної та харчової промисловості і може бути використаний у виробництві водню, метанолу, в процесах гідрогенізації жирів, а також при виробництві паливних елементів. Відомий спосіб одержання водню [А.с. СРСР №535464, С22С21/00, 1976], шляхом розкладання води металами. Взаємодія води відбувається зі сплавами металів, що містять в основі алюміній та домішки індію, галію й олова в кількості 1-5мас.% при температурі 90°С. У відомому способі процес утворення водню протікає з уповільненням швидкості в часі тому ефективність способу достатньо низька, крім того, для інтенсифікації процесу в разі домішок використовують дорогі метали, що також неефективно. Найближчим по технічній суті є спосіб одержання водню [Пат. Російської Федерації №2032611, С01В3/08, бюл. №10, 1995], шляхом розкладання води металами під впливом електричних імпульсів. Спосіб здійснюють при взаємодії води з алюмінієм, який активують пропусканням постійного електричного струму в сольовому розчині лужного або лужноземельного металу. Недоліком цього способу є низька швидкість утворення водню, нестабільність процесу виділення, а також необхідність додаткового очищення одержуваного водню від іонів хлору. В основу винаходу поставлена задача створення способу одержання водню, в якому завдяки встановленню режиму концентрованим по потужності тимчасовим розрядом з достатньою енергетичною густиною дії, а також строгому регулюванню обмінного процесу в реакторі проводять термохімічне розкладання молекулярної структури металевих компонентів системи до стану активної взаємодії з водою, за рахунок чого досягнуто підвищення ефективності процесу та забезпечення можливості регулювання його виходу, тобто керування швидкістю реакції. Поставлена задача досягається тим, що в способі одержання водню, шляхом розкладання води металами під дією електричних імпульсів, згідно винаходу, процес здійснюють дією імпульсних електричних розрядів потужністю 5,4-21,6кВт і скважністю 10 на гетерогенну систему "метал-вода" в полі електродів, встановлених під кутом 25-27°, а подачу води проводять з швидкістю не більше 0,6-1,7м/год. Процес здійснюють під дією імпульсного електричного розряяду потужністю 5,4-21,6 кВт і скважністю 10, що дозволяє концентрувати потужність тимчасового розряду та підтримувати незгасаючий процес з найефективнішим використовуванням енергії. Процес здійснюють в полі електродів, які встановлені під кутом 25-27°, для створення в нижній конусній зоні об'єму достатньої високої питомої густини розряду. Подачу води проводять з швидкістю не більше 0,6-1,7м/год для строгого регулювання обмінного процесу в реакторі, шляхом винесення з об'єму продуктів реакції з мінімальним відбором енергії з киплячого псевдозрідженого шару. На фіг.1 зображена реакційна вимірювальна комірка; на фіг.2 - залежність швидкості утворення водню від: 1 енергії імпульсів (Wu), 2 - напруги, що подасться на електроди (U) та 3 - частоти їх проходження (f). Спосіб одержання водню реалізується в пристрої, що є реакційною коміркою 1 з електродами 2, встановленими один щодо одного під кутом 25-27°, заповнений водою міжелектродний простір, який містить металеву засипку 3. Реакційна комірка 1 забезпечена встановленим в нижній частині штуцером 4 для подачі води і розміщеним у верхній частині патрубком 5 для виведення продуктів реакції. Спосіб полягає в такому. В заповнений металевими частинками об'єм міжелектродного простору реакційної комірки 1 із швидкістю 0,6-1,7м/год подається проточна вода. З подачею напруги на встановлені один щодо одного під кутом 25-27° електроди 2, наприклад алюмінієві, між металевими частинками засипки виникають електричні розряди. При збільшенні напруженості електричного поля до критичного значення із заданою потужністю в межах 5,4-21,6кВт і скважністю 10 порушується електрична міцність води між найбільш близькими частинками металевої засипки. Відбувається електричний пробій проміжку і виникає лавинний розрядний процес. В каналах розрядів виділяється накопичена в системі енергія, густина якої дуже висока, унаслідок дії розряду на малу площу частинок металу. Ця енергія у вигляді тепла витрачається на плавлення і випаровування частинок металу, активовані молекули якого локально взаємодіючи з молекулами води, розкладають останні. Імпульсний процес дії із заданими параметрами обробки оптимальний для створення незгасаючого процесу з найефективнішим витрачанням електроенергії. При відстані між електродами менше 10-15мм розряди практично не виникають, що пов'язано з утворенням короткозамкнутих ланцюгів. Із збільшенням міжелектродної відстані швидкість генерації водню росте. Досягнувши максимуму, вона починає знижуватися. Це пояснюється зменшенням питомої енергії імпульсів унаслідок значного подовження шляху проходження струму через послідовний ланцяг, утворений послідовно розташованими частинками металу. При цьому зменшується напруга, яка приходить на окремий контакт. Для виникнення розрядів необхідно, щоб питома напруга, яка приходить на один контакт, була не менше 20В. Тому при збільшенні відстані між електродами, необхідно підвищувати напругу на них. При низькому завантаженні матеріалу відбувається інтенсивна вібрація частинок, викликана дією електроі гідродинамічних сил електричного розряду і проточної води, що приводить до збільшення зазорів між частинками і зменшення кількості зон розрядів. Вихід водню при цьому незначний. Із збільшенням маси завантаження матеріалу рухливість частинок зменшується, а кількість каналів розряду збільшується, що сприяє зростанню диспергуючих частинок металу, активно взаємодіючих з водою. Найбільша густина розряду концентрується відстань між електродами, встановленими під кутом 25-27° один щодо одного мінімальна і зменшується у бік максимальної відстані між ними. Регулюванням швидкості подачі (витрати) води в межах 0,61,7м/год можна змінювати густин у завантаження матеріалу. Нижня межа швидкості подачі води 0,6м/год вибрана з умови доцільності відновлення процесу розкладання металевого компонента. Із збільшенням витрати води вище за верхню межу, при постійній густині завантаження електропровідного матеріалу, поступово знижується швидкість утворення водню, відбувається із зростання рухливості частинок металу і зниження ймовірності утворення розрядних каналів, а такі збільшенням відведення тепла із зон розряду. Верхня межа обумовлена доцільністю відновлення процесу розкладання металевого компонента. Під дією гідро- та газодинамічних сил розряду і тиску рідини, що випаровується, розплавлений метал викидається у вигляді диспергованих частинок у воду, створюється псевдозріджений киплячий шар. Ці рідкометалеві частинки активно взаємодіють з водою з утворенням водню і гідроксиду металу: n Me + nH2 O ® Me(OH)n + H2 2 Імпульсний електричний розряд у воді супроводжується рядом чинників, інтенсифікуючих процес одержання водню. До них відносяться високі температура і тиск в розряді, потужний потік електромагнітної енергії у видимій та ультрафіолетовій областях, ударна хвиля і кавітаційні процеси. Внаслідок дії вказаних чинників на воду відбувається її локальне розкладання по схемі: 1 H2O ® H2 + O 2 2 Приклад конкретного виконання. Працездатність способу одержання водню доведена в лабораторії ІПМаш НАН України. Дослідження проводили в електроерозійному pеакторі виконаному у вигляді герметичної ємності з робочим об'ємом 500см 3, яку для візуального нагляду за процесом виготовляли з оргскла. Усередині реакційної ємності розміщували підключені до високовольтного джерела імпульсної напруги алюмінієві електроди площею 60см 2, встановлені один щодо одного під кутом 25-27° так, що найближчі кінці електродів розташовані на відстані 15-30мм. Експерименти показали, що частоту проходження імпульсів необхідно вибирати такою, щоб забезпечувалася скважність імпульсів в межах 10, при якій виключався б вплив імпульсів один на одного. Отже, варіюючи електричними параметрами генератора імпульсів струму, можна регулювати швидкість утворення водню. Досліджувалася дія електричних імпульсів струму на гетерогенну систему, що складалася з подрібнених відходів металу - алюмінієво-магнієвої стружки довільної форми від 10 до 12мм масою 150г і води, що подавали під тиском із швидкістю 0,6-1,7м/год через нижній штуцер 4, для створення в гетерогенній системі псевдозрідженого шару. Процес протікав в нерівноважних умовах при середньомасових температурах 20-80°С і атмосферному тиску. Електроживлення реактора здійснювалося від генератора імпульсних стр умів із споживаною електричною потужністю 3кВт. Ємність розрядного контура генератора складала 27мкф, на пруту, що подавали на електроди регулювали в діапазоні 0:400В. Діапазони змінних величин зафіксовані в межах: енергія імпульсу (Wu) - від 0,1 і до 2,2Дж; тривалість (t u ) (20-50)х10-6 з; частота проходження імпульсів (f) - від 100 до 400Гц; амплітуда імпульсів (U) - від 0 до 400В. При цих умовах визначався вплив вказаних енергетичних параметрів на ефективність процесу одержання водню. Через верхній патрубок 5 потоком води виносилися продукти реакції: водень і гідроксид металу, які розділялися в апараті Кіппа. Швидкість утворення водню вимірювали по витісненню рідини газом з ємності, що калібрується. За цих умов швидкість утворення водню досягала 52,1-67,3 л/год (Табл.). Таблиця Залежність швидкості утворення водню від потужності імпульсів Потужність розрядних імпульсів, кВт 2,0 5,4 8,5 12,3 16,5 21,5 Швидкість утворення водню, л/год 15,6 23,1 30,8 39,5 52,7 67,3 В результаті обробки експериментальних даних одержана залежність швидкості утворення водню від енергії імпульсів, напруги, що подається на електроди та частоти їх проходження, які зображені на фіг.2. З наведених даних виходить, що швидкість генерації водню росте із збільшенням енергії імпульсів і напруги, яка подається на електроди. Це обумовлено зростанням потужності розрядів, що приводить до підвищення температури в зонах розряду і прискорення протікання физико-хімічних процесів в них. В результаті збільшується розкладання води і активізується взаємодія диспергуючого металу з водою з утворенням водню. При підвищенні частоти проходження імпульсів швидкість генерації водню також зростає, внаслідок збільшення швидкості формування зон розряду у об'ємі реакційної комірки і, відповідно, прискоренням диспергування металу, що приводить до збільшення рідкометалевих частинок, активно взаємодіючих з водою з виділенням водню. Змінюючи енергетичні показники, такі як енергія імпульсів, частота їх проходження і напруга, можливе підвищення ефективності процесу і регулювання швидкості утворення водню. Таким чином, даний спосіб одержання водню дозволяє керувати кінетикою процесу, характеризується простотою реалізації і обслуговування технологічної схеми і є екологічно чистим. Література: 1. Авторське свідоцтво СРСР №535464, МПК С22С21/00 від 22.06.76. 2. Патент Російської Федерації №2032611, МПК С01В 3/08 від 10.04.95.