Спосіб одержання водню високого тиску і пристрій для його здійснення

1. Спосіб одержання водню високого тиску, шляхом конверсії органічних сполук у плазмі, який відрізняє ться тим, що конверсію органічних сполук проводять в присутності води у рідкій фазі, при цьому на реагенти діють високоомним високочастотним факельним розрядом, з утворенням нерівноважної плазми. 2. Пристрій для одержання водню високого тиску, що складається з розрядної камери з підключеним до джерела живлення пристроєм для введення енергії, який відрізняється тим, що розрядна камера виготовлена у вигляді з'єднаної з джерелом живлення місткості високого тиску, по нижній частині якої розміщено шар води з органічною сполукою, а пристрій для введення енергії являє собою ємнісний розподільник потужності, з рівномірно розміщеними й встановленими над шаром реагентів розрядними електродами. Зоя (13) 40864 (11) UA Відомі способи одержання водню відрізняються багатостадійністю те хнологічних процесів, а також проведенням реакцій над водневмісними речовинами у газовій фазі, характерною ознакою яких є низький вихідний тиск отриманих продуктів реакції. Ці способи одержання водню досить дорого коштують через дорожнечу застосованих в них каталізаторів, необхідність попередньої очистки сировини, застосуван ня складного те хнологічного обладнання для досягнення і підтримки високого вихідного тиску водню, а також додаткових енерговитрат, пов'язаних з підтримкою високотемператур них робочих режимів і тиску. Найбільш близьким за сукупністю ознак є спосіб одержання водню шляхом конверсії органічних сполук у плазмі ("Методы получе ния водорода и разделение газовых смесей". Вопросы атомной науки и техники, серия "Ядерная техника и технология" вып. 3, Атомно-водородная энергетика и технология, М, 1989г., с.56 - 59). Головним недоліком відомого способу є одержання плазми за допомогою технологічно складного НВЧ - обладнання, що дорого коштує, з відносно невеликим ККД. Тиск одержуваного водню, за відомим способом, не перевищує кількох одиниць атмосфер, а сам спосіб можна використовувати тільки для проведення реакцій над водневмісними (органічними) сполуками, що перебувають у газовій фазі, а це потребує застосування компресорного устаткування, ускладнює технологічний процес і підвищує енерговитрати. Відомі пристрої для одержання водню, які містять розрядну камеру з під'єднаним до джерела живлення пристроєм для введення енергії (Пат. ФРГ №3803060, G 01 В3/24, 3/26, 1989 г.; З. Японии №2-85684, С 01 В 3/32, 3/22, 1987 г.; А.с. СССР №1492638, С 01 В 3/32, 1987г.). Для проведення циклу реакцій з багатостадійним виділенням водню, до складу ві домих пристроїв повинні входити: пристрої для попередньої очистки водневмісної (органічної) си (19) Винаходи відносяться до енергомашинобудуван ня і хімічної промисловості, наприклад до переробки органічних речовин, включаючи відхо ди, й можуть застосовуватися при створенні економічних генераторів водню у складі енерговиробляючих й о холоджуючих пристроїв, а та кож очисних технічних засобів для переробки органічних відходів. Відомі способи одержання водню (Пат. ФРГ №3803060, G 01 В 3/24, 3/26, 1989р.; З. Японії № 2-85684, С 01 ВЗ/32, 3/22, 1987р.; А.с. СРСР № 1492638, С 01 В 3/32, 1987р.), шляхом конверсії органічних сполук у плазмі. Способи впроваджують шляхом каталітичної конверсії вуглеводнів у паровій фазі з подальшим виділенням водню вологого конвертованого газу дифузійним методом через металеві мембрани при температурі 500°С. А ____________________ 40864 ровини, дифузійні мембрани, що встановлюються у розрядній камері, і з'єднані з нею перекачувальні насоси. Недоліком цих пристроїв є складність їх елементів, ви сока металоємність технологічного устаткування й оснастки, що зумовлює дорожнечу виробленого водню. Найбільш близьким за досягненим результатом є пристрій для одержання водню ("Ме тоды получе ния водорода и разделение газовых смесей". Вопросы атомной науки и техники серия "Ядерная техника и технология" вып. 3. Атомно - водородная энергетика и технология, М., 1989, С. 56 - 59), що містить розрядну камеру з під'єднаним до джерела живлення пристроєм для вводу енергії. Використання у пристрої НВЧ-обладнання підвищує енерговитрати при отриманні нерівноважної плазми, призводить до росту ціни отримуваного водню через обладнання, засто сування якого потребує ве ликих коштів. У відомому пристрої неможливо використо вува ти реагенти у твердій та рідкій фазах, отримуваний у ньому во день можна виділити тільки під відносно низьким вихідним тиском на рівні 0.2... 0.3 МПа. Крім того, номенклатура видів перероблюваної сировини обмежена вуглеводневими сполуками, тоді як інші класи органіки, а тим більш, відхо ди технологічно небезпечних ви робництв, переробці у відомому пристрої не підлягають. У основу винаходів покладена задача створення способу одержання водню високого тиску й пристрою для його здійснення, шляхом значного зростання загального об'єму газоподібних продуктів реакції у порівнянні з первинним об'ємом сировини та води, що знаходяться у конденсованому стані, з одночасною стабілізацією нерівноважної плазми у широкому діапазоні тиску, за рахунок чого досягнуто зниження енерговитрат, спрощення процесу й устаткування, що його оснащує, а також розширення використовува ної номенклатури початкової си ровини. Поставлена задача досягається тим, що у способі одержання водню високого тиску, шляхом конверсії органічних сполук у плазмі, стосовно винаходу, конверсію органічних сполук проводять у присутності води у рідкій фазі, при цьому на реагенти діють високоомним високочастотним факельним розрядом, з утворенням нерівноважної плазми. У пристрої для одержання водню високого тиску, що складається з розрядної камери з підключеним до джерела живлення пристроєм для введення енергії, стосовно винаходу, реакційна камера виготовлена у вигляді з'єднаної з джерелом живлення місткості високого тиску, по нижній частині якої розміщено шар води з органічною сполукою, а пристрій для введення енергії являє собою ємнісний розподільник потужності, з рівномірно розміщеними й встановленими над шаром реагентів розрядними електродами. Конверсію органічних сполук проводять у присутності води в рідкій фазі для зростання сумарного об'єму продуктів реакції, що дає змогу отримува ти водень під високим тиском. знизити витрати енергії на отримання водню до 0.5... 1.5 кВт.г на 1 м 3. Розрядна камера виконана у вигляді з'єднаної з джерелом живлення місткості високого тиску, по нижній части ні якої розміщено шар води та органічної сполуки, для реалізації можливості одержання вихідних продуктів під високим тиском, зниження енерговитрат за рахунок виключення компресорного обладнання. Пристрій введення енергії являє собою ємнісний розподільник потужності з рівномірно розміщеними на ньому й встановленими над рівнем сировини розрядними електродами, для досягнення потрібної продук тивності, а та кож усунення впливу розрядних проміжків один на одного. На рисунку зображена принципова схема пристрою, що пропонується для реалізації способу одержання водню під високим тиском. Спосіб реалізовуєть ся пристроєм для одержання водню високого тиску, який містить розрядну камеру 1, виконану у вигляді з'єднаної з високовольтним джерелом 2 живлення місткості високого тиску. Ви соковольтне джерело 2 живлення змінної напруги високої частоти зв'язано також з встановленим у верхній частині розрядної камери 1 пристроєм для введення енергії, що складається з електровводу 3 та електроду, ви конаного, наприклад, у вигляді спільної пластини 4 з провідника, і нижніх де талей пластин 5, також виконаних з провідника, між якими вста новлено діелектричний елемент 6 так, що верхня спільна пластина 4 та нижні деталі пластин 5 з провідника створюють між собою ємнісний розподільник потужності. Розрядні електроди 7 встановлено рівномірно по відношенню до пласти ни 4 на деталях пластин 5. По нижній части ні розрядної камери 1 розміщено шар води з органічною сполукою 8, товщи ною 0.5... 4 мм, у вигляді розчиненої чи диспергованої у во ді рідкої чи твердої органічної сполуки, або розміщених пошарово компонентів сировини. Розрядні електроди 7 встановлено на висоті 0.5... 2 мм над поверхнею сировини. В нижній частині розрядної камери 1 розміщено патрубок 9, для введення у процесі роботи компонентів, що витрачаються. У верхній частині розрядної камери 1 розміщено відводний патрубок 10, для виводу газоподібного продук ту з порожнини реакційної камери 1. Спосіб роботи пристрою, з одержанням водню високого тиску, гр унтуєть ся на конверсії органічних сполук у плазмі. При поданні високої напруги на пристрій для введення енергії за рахунок ємнісного зв'язку між пластиною 4 і деталями пластин 5 з провідника, так само, як і між встановленими на них розрядними електродами 7 і шаром 8, розміщеної в розрядній камері 1 сировини, виникає різниця потенціалів. Це призводить до виникнення на кожному розрядному електроді 7 факелів ВЧ-розряду. Оскільки підтримува ти стійкий розряд необхідно у невеликому об'ємі розрядними електродами 7, що ініціюють розряд малої потужності, то для досягнення в пристрої необхідної продуктивності застосовують систе му з великою кількістю розрядних проміжників і ємнісний розподільник потужності. Це дає можливість розрядам на електродах 7 запалюватися й горіти без взаємного впливу один на одного. При цьому, в порож На орга нічну сполуку в присутності води діють високоомним високочастотним розрядом з утворенням нерівноважної плазми, що дає змогу 2 40864 нині розрядної камери 1, де здійснюється реакція, створюють нерівноважну плазму з високою електронною та низькою іонною температурами шляхом завдання спеціально підібраних ха ракте ристик джерела 2 живлення. Створення заданого режиму для утворення нерівноважної плазми сприяє протіканню хі мічних реакцій, аналогічно з термодинамікою високотемператур них процесів, за рахунок високої електронної температури (15000... 17000 К) і великих її градієнтів ініціюються хімічні реакції глибокої конверсії органічних сполук з утворенням СО2 і Н2, а невелика іонна температура (що не перевищує 500...700 К) забезпечує низьку загальну температуру продуктів реакції. Це дає можливість знизити втрати енергії, що мають місце у процесі конверсії, порівняно з дугови ми плазмохімічними процесами. У процесі конверсії здійснюється перехід речовин з конденсованих ста нів (рідкого чи твердого) у газоподібні, що дає можливість одержати продукти реакції під високим тиском і регулювати його ве личину. Приклад. Експериментальні дослідження способу одержання водню високого тиску, що пропонується, довели працездатність запропонованого пристрою, при таких результатах. Як реакційну камеру використовува ли судину з нержавіючої сталі з товщиною стінок 8 мм об'ємом 1,5 л, оснащен у манометром ОБМ1 - 160, під'єднаним через мембранний розподільник. По дну судини розміщува ли реакційну суміш, за яку послідовно використовували: декан С 10Н22 ша ром 1.5 мм на поверхні води ша ром 5 мм; водно - спиртові розчини (метанол, етанол, ізопропанол); соапВид сировини стоки масложиркомбінату; суспензії подрібненої рослинної сировини (зеленої маси) у воді. Підведення енергії створювали пристроєм для її введення, за якого використовували звичайну автомобільну сві чу запалювання. Ємнісний розподільник був реалізований на горизонтально розташованому двосторонньому фольгованому фто ропласті товщи ною 1.5 мм, на якому верхній шар фольги виконував роль загального електроду, а на нижньому ша рі фольги, розділеному на 64 елементи розміром 5х5 мм з діелектричними проміжками між елементами -2 мм, встановлювали розрядні електроди з нержавіючої фольги. За зор між розрядними електродами й поверхнею суміші реагентів ста новив 5 мм. Напругу подавали від високовольтового високочастотного джерела живлення, ознакою якого є падаюча вольт - амперна ха рактеристика, останній одночасно настроювали у ре зонанс з електричною частиною реактора, а на спільну пластину ємнісного розподільника подавали напругу, яка у режимі холостого хо ду становила 30 кВ. Часто ту струму визначали, ви ходячи з резонансних характеристик конструкції, значення якої складало не менш 30 кГц. При запалюванні розряду напруга на електродах до рівнювала 3...7 кВ, струм не перевищував 1,7 мА, а середнє споживання енергії кожним електродом не перевищува ло 5 Вт. При цьому сумарна потужність усього ємнісного розподільника складала 300...350 Вт. Продуктивність пристрою по водню досягала 600 л/год. В залежності від си ровини, що ви користовувалась, зміст СО у продуктах конверсії складав 0.5...4,5 %, співвідношення СО2 і Н2 визначалося стехіо метрією реакції. Результати проведених вимірів зведені в таблицю: Кількість сировини, г Витрати енергії, кВт/г на м3 водню Час роботи Кількість водню, л Декан С10Н22 150 ,.615 3 год 650 Ме танол, 65% розчин 280 0,345 20 хв 336 Соапстоки масложиркомбінату, 20% емульсія 200 1,56 15 хв 150 Суспензія рослинної сировини у воді, 25% по сухому залишку 175 1,82 18 хв 268,5 3 40864 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 – 72 – 89 (03122) 2 – 57 – 03 4 40864 5