ГЕЛИОУСТАНОВКА ДЛЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
SOLAR POWER PLANT FOR CHEMICAL REACTIONS

Изобретение относится к гелиотехнике, и может быть использовано для проведения химических реакций.
Известно устройство для проведения реакций [1], содержащее цилиндрический светопрозрачный фотохимический реактор, выполненный в виде сосуда Дьюара из стекла типа «пирекс» и имеющий на внешней оболочке со стороны концентратора селективное отражающее покрытие, средство механического перемешивания реакционной массы, выполненное в виде водоохлаждаемого корпуса с патрубками и ввода реакционной массы и отбора мономера соответственно и расположенного в образованной корпусом полости насоса с мешалкой, и побудитель фотохимической реакции, выполненной в виде уложенной змеевиком трубки из стекла типа «пирекс». Выход реактора гидравлически связан с полостью на уровне мешалки, насос - с побудителем, последний - с входом реактора, а змеевиковая трубка имеет селективное поглощающее покрытие со стороны, противоположной падающему солнечному излучению.
Недостатком этого устройства является ее сложность - содержат большое количество трубопроводов и механизмов, что повышает стоимость и энергозатраты, а также ограниченность проводимых реакций.
Известен каталитический гелиореактор [2], представляющий собой соединение каталитического реактора и приемника лучистой энергии, состоит из корпуса, прозрачного окна, через которое сконцентрированный солнечный поток проходит и нагревает каталитический абсорбер, который состоит из трех слоев (1), (2), (3), патрубка для входа в реактор исходной реакционной смеси, смесителя-теплообменника или испарителя, коллектора, выходного патрубка для выхода продуктов реакции.
Недостатком данного гелиореактора является необходимость: подбора режима реакции - скорости подачи исходных веществ; определения оптимальных размеров ячеек абсорбера; определения расстояния между слоями абсорбера; определения теплопроводности между слоями абсорберов. Все это усложняет конструкцию и процесс проведения реакций, и абсорбер может быть настроен для проведения реакций между конкретными реагентами. Кроме этого, зазоры между слоями абсорбера снижают эффективность использования солнечной энергии.
Наиболее близкой по технической сущности является гелиореактор [3], содержащий корпус с предварительной камерой и имеющей нагреватель реакционной камерой и патрубки и подвода реагентов и отвода целевого продукта соответственно. Гелиореактор дополнительно содержит установленный в корпусе полый поршень-вытеснитель, выполненный из теплоизоляционного материала и разделяющий корпус на две полости, служащие предварительной и реакционной камерами и, одна из торцевых стенок корпуса служит нагревателем, а на боковой поверхности поршня-вытеснителя выполнены продольные канавки, гидравлически соединяющие камеры. Нагреватель имеет вогнутую наружную поверхность, обращенную к концентратору солнечного излучения.
Недостатком этого гелиореактора является ее сложность с включением поршня-вытеснителя с теплоизоляцией и боковыми канавками, гидравлически соединяющие две камеры, невозможность проведения твердофазных реакций и продуктами реакций могут быть только газы.
Задача изобретения - упрощение устройства и расширение области использования ее для проведения реакций между соединениями в разных фазовых состояниях.
Технический результат - возможность проведения реакций между разными реагентами и повышение эффективности использования возобновляющихся источников энергии при проведении высокотемпературных реакций.
Сущность изобретения заключается в том, что гелиоустановка для химических реакций, включает патрубки, нагреватель, где установка содержит кубическую рабочую камеру с прозрачным окном, внутри которой расположено пористое тело, поддерживаемое с двух сторон патрубками в виде трубок, верхний патрубок для исходных реагентов, а вокруг нижнего патрубка расположен спиралеобразно теплообменник, который соединен с трубками для подвода и отвода хладагента, при этом отвод горячего хладагента осуществлен из корпуса, а к камере сверху дополнительно установлен патрубок для отвода газообразных продуктов реакции со спиралеобразным теплообменником.
На фиг.1 схематично показана гелиоустановка для проведения химических реакций.
Гелиоустановка содержит концентратор 1, кубическую рабочую камеру 2 с прозрачным окном 3, закрепленным к корпусу 4 и с расположенным в ней пористым телом 5, имеющим форму тора. К камере сверху подключен патрубок 6, а снизу патрубок 7 для подачи исходных веществ и отвода продуктов реакций, соответственно. Патрубки 6 и 7 подводятся к пористому телу 5 и удерживают его в камере. Устройство дополнительно содержат патрубок 8 для отвода газообразных продуктов реакций и теплообменники 9 и 10, соединенные с трубками для подвода 11 и отвода 12 хладагента (воды). Теплообменник 9, в отличие от теплообменника 10, частично находится в камере и отвод горячего хладагента (воды) осуществляется из корпуса. В качестве пористого тела 5 может применяться графит, платина или другой термостойкий, инертный материал.
Установка работает следующим образом.
Солнечная радиация, сфокусированная концентратором 1, проходя через прозрачное окно 3 в камеру 2, нагревает пористое тело 5. В камеру 2 к пористому телу 5 через патрубок 6 поступают твердые в виде порошка или жидкие исходные реагенты. Пористое тело 5 имеет высокий коэффициент поглощения солнечной радиации. В пористом теле твердые исходные вещества плавятся и протекают высокотемпературные реакции. Для прекращения обратимых реакций и увеличения выхода целевого продукта, продукты реакции сразу после выхода из пористого тела 5 поступают в отводящие патрубки 7 и 8, где охлаждаются теплообменниками 9 и 10. Охлаждение в теплообменниках происходит за счет хладагента (воды) подающей и отводящей по трубкам 11 и 12, соответственно.
В установке можно проводить реакции между газообразными, жидкими и твердыми реагентами.
При газообразных исходных веществах они подаются по патрубку 7, а продукты реакций отводятся через патрубок 8, и работает теплообменник 10 (теплообменник 9 отключается).
При твердофазных исходных веществах их подают по патрубку 6 в виде порошка к пористому телу 5, проходя через которое, исходные вещества нагреваются за счет солнечной энергии и вступают в реакцию. По отводящему патрубку 7, где они охлаждаются, отводятся продукты реакций, и работает теплообменник 9 (теплообменник 10 отключается).
Если при реакциях между жидкими или твердыми реагентами образуются жидкие, твердые и газообразные продукты, то жидкие и твердые отводятся по патрубку 7, а газообразные выводятся по дополнительному патрубку 8, и оба теплообменника 9 и 10 работают.
Преимущество предлагаемой гелиоустановки в ее упрощении:
- за счет формы рабочей камеры;
- использования пористого тела, вместо слоев;
и эффективности:
- за счет расширения области (использования) проведения реакции между разовыми фазовыми состояниями реагентов (твердое - твердое-твердое - жидкое, жидкое - газообразное и т.д.);
- увеличение выхода продукции за счет использования теплообменника в корпусе;
- целенаправленность концентратора дает возможность поднятия температуры до 900-1100°С.
Гелиоустановка может быть использована в качестве термохимического аккумулятора солнечной энергии.
Литература
1. Б.Р. Корпев, О. Алмобеков, О.А. Ниязов и др. «Устройство для проведения реакций», авторское свидетельство № SU 1489294 A1, F24J 2/42, B01J 19/08, бюл. №4319437/24-06, 21.10.87 г.
2. В.И. Аникеев, А.С. Бобрин, В.А. Кириллов. Каталитический гелиореактор. Патент №2030694, F24J 1/00, F24J 2/42, заявка №5023109/06, опубл. 10.03.1995.
3. П.Ф. Рзаев, О.М. Саламов, С.Я.Ахундов и др. «Гелиореактор», авторское свидетельство № SU 1563332 A1, F24J 2/00, 2/42 бюл. №4608206/24-06, 10.10.88 г.