УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВНОГО ГАЗА

Заявляемое техническое решение относится к технологии электрохимических производств, а именно к устройствам для получения водорода и кислорода методом электролиза воды.
Известен электролизер воды трубчатого типа по патенту РФ на изобретение №2258767 (класс МПК C25B 1/04, приоритет 19.03.2003 г.) для получения водорода и кислорода путем электролиза воды, который содержит герметичную емкость с электродами, крышку, входные и выходные трубки. Электролизер снабжен регулятором уровня жидкости, выполненным в форме трубки, соединенной с герметичной емкостью, заполненной дистиллированной водой, с возможностью автоматического регулирования уровня жидкости в емкости электролизера при помощи вакуумного клапана. Электролизер соединен с емкостью жидкой щелочи через дозатор, снабженный соленоидом и реле времени. Электролизер соединен также с горелкой при помощи выходных труб, расположенных на разных уровнях и выполненных с возможностью раздельного извлечения из воды водорода и кислорода, полученных в процессе электролиза и перемещения их при помощи вакуум-насосов.
Недостатком данного электролизера является низкие производительность, надежность и долговечность.
Конструкция электролизера по патенту США на изобретение №7510633 (класс МПК C25B 1/10, приоритет 21.02.2003 г.) для получения водорода и кислорода, принятая за прототип, включает в себя катод трубчатой формы, анод - в виде стержня, мембрану, анодную и катодную полость с электролитом, водородный и кислородный коллектор, насос для электролита.
Перед началом работы электролизера, в анодную и катодную полости ячейки между которыми установлена мембрана, подается раствор электролита. Затем на электроды подается электрическая нагрузка. Электролит в анодной и катодной полости ячейки циркулирует при помощи насоса. Газовые пузыри, выделившиеся на электродах, совместно с электролитом, покидают ячейку через газовые каналы. Далее в кислородной и водородной емкостях газ отделяется от электролита, после чего газ поступает в баллон (либо иную емкость), а электролит собирается в общую емкость и с помощью насоса используется в дальнейшей работе.
Недостатками данного устройства являются:
- излишние энергетические затраты, из-за наличия расстояния между электродами (за счет анодной и катодной полостей), следовательно и рост сопротивления, что увеличивает потребляемую мощность и снижает производительность устройства;
- наличие высоких токов утечки, так как использование в конструкции электролизера общего электролитного коллектора заполненного раствором электролита, снижает производительность в целом всей установки.
Известно устройство для получения топливного газа (электролизер) по патенту РФ на изобретение №2501890 МПК C25B 9/10, опубл. 20.12.2013 г.
Электролизер для получения водорода и кислорода из воды включает ряд последовательно соединенных ячеек, состоящих из катодов трубчатой формы, анодов выполненных в виде трубы, мембраны между катодом и анодом, исключающей смешивание выделившихся газов, анодной и катодной полостей, насосов для циркуляции электролита, емкости с щелочным электролитом, устройств для отделения газов от электролита, согласно заявляемой конструкции электролизера для получения водорода и кислорода из воды, набор из нескольких ячеек помещен в корпус. Анод и катод в ячейке плотно прилегают к газозапорной мембране, в качестве анода используется труба, выполненная из сетчатого материала (для легкого прохождения выделившегося анодного газа через анод), а в качестве катода - полый цилиндр из пористого гидрофобизированного материала. Анодные полости ячеек, заполненные электролитом, последовательно соединены между собой и с емкостью щелочного электролита, которая в свою очередь соединена с устройством для отделения кислорода от паров воды и щелочи, системой подачи воды и теплообменником. Катодная полость образована внешней стороной катодов ячеек и корпусом. Она не заполнена электролитом, является газовой и соединена с емкостью гидрозатвора и устройством для отделения водорода от паров щелочи и воды. Движение электролита в анодной полости осуществляется за счет эффекта «аэролифта». Для снижения напряжения электролизера, и, как следствие, уменьшения энергетических затрат, на поверхность анода и внутреннюю поверхность катода может быть нанесен катализатор. Существенным отличием этого устройства является то, что электроды плотно прилегают к газозапорной мембране, а анодная полость представляет собой трубу, заполненную электролитом. Также в данной конструкции хоть и находится общий электролитный коллектор, образованный соединением анодных полостей ячеек друг с другом, но в связи с тем, что выделившийся газ вспенивает электролит, площадь сечения электролитного моста в местах соединения ячеек-электролизеров значительно меньше, что в значительной степени снижает токи утечки и как следствие, энергозатраты, увеличивая производительность установки в целом. Кроме того, предлагаемая конструкция легко размещается в трубе небольшого диаметра, которая является одновременно и корпусом, обеспечивая повышенную прочность при незначительной толщине стенки и, соответственно, способствует снижению массы электролизера.
Недостаток - значительное потребление энергии при разложении воды на водород и кислород, что приводит к высокой стоимости топливного газа.
Известно устройство для получения топливного газа из сайта «Интернет» http://www.chemport.ru/datenews/php?news=1713, прототип.
Это устройство содержит электролизер с двумя электродами центральным и боковым, частично заполненный электролитом в виде раствора карбамида, впускной и выпускной патрубки, источник тока, подключенный к электродам, и подсоединенную к электролизеру наполнительная емкость.
Недостатки:
- Значительное потребление энергии при разложении воды на водород и кислород, вследствие неоптимально подобранной пары для электродов, что приводит к высокой стоимости топливного газа
- Низкая производительность процесса получения топливного газа вследствие того, что топливный газ экранирует электроды от электролита и препятствует его разложению.
Задачи создания полезной модели: уменьшение стоимости топливного газа, уменьшение затрат энергии на производство топливного газа и ускорение его производства.
Задачи создания полезной модели получение дешевого топливного газа.
Достигнутый технический результат: ускорение процесса электролиза.
Решение указанной задачи достигнуто в устройстве для получения топливного газа, содержащем электролизер с двумя электродами центральным и боковым, частично заполненный электролитом в виде раствора карбамида, впускной и выпускной патрубки, источник тока, подключенный к электродам, тем, что электролизер выполнен с возможностью вращения электролита. Корпус электролизера может быть выполнен с возможностью вращения
Сущность изобретения поясняются на чертежах фиг.1...30, где:
- на фиг.1 приведена схема устройства,
на фиг.2 приведена схема источника энергии,
- на фиг.3 приведена емкость электролизатора с активатором вне ее,
- на фиг.4 приведена емкость электролизера с активатором внутри нее,
- на фиг.5 приведена наполнительная емкость с активатором вне ее,
- на фиг.6 приведена наполнительная емкость с активатором внутри нее.
- на фиг.7 приведена схема устройства с сбором сжатого газа,
- на фиг.8 приведена схема устройства со сбором сжиженного газа,
- на фиг.9 приведен тепловой мотор с одноступенчатой осевой турбиной,
- на фиг.10 приведен тепловой мотор с многоступенчатой осевой турбиной,
- на фиг.11 приведен тепловой мотор с одноступенчатой центробежной турбиной,
- на фиг.12 приведен тепловой мотор многоступенчатой центробежной турбиной,
- на фиг.13 приведен тепловой мотор одноступенчатой центростремительной турбиной,
- на фиг.14 приведена тепловая машина с роторной турбиной,
- на фиг.15 приведен разрез А- А на фиг.14,
- на фиг.16 приведен электролизер с вращающимся корпусом,
- на фиг.17 приведен разрез В-В фиг.16 первый вариант,
- на фиг.18 приведен разрез В-В фиг.16 второй вариант,
- на фиг.19 приведен разрез В-В фиг.16 третий вариант,
- на фиг.20 приведен разрез С-С,
- на фиг.21 приведен разрез В-В фиг.16 четвертый вариант,
- на фиг.22 приведен разрез В-В фиг.16 пятый вариант,
- на фиг.23 приведен разрез В-В фиг.16 шестой вариант,
- на фиг.24 приведен разрез В-В фиг.16 седьмой вариант,
- на фиг.26 приведен боковой электрод,
- на фиг.27 приведен электролизер с вращающейся крышкой,
- на фиг.28 приведен второй вариант электролизера с вращающейся крышкой,
- на фиг. 29 приведен электролизер с генератором,
- на фиг. 30 приведена схема устройства с теплообменником-утилизатором.
Устройство для получения топливного газа (фиг. 1…30) содержит корпус электролизера 1, внутри которого находится водный раствор электролита 2, содержащего карбамид (мочевину).
Возможны два варианта:
- Раствор карбамида подготавливается предварительно путем смешения воды и карбамида. Карбамид относительно дешевое и доступное сырье и при разложении оно выделяет водород.
- Могут применяться фекальные воды, содержащие карбамид и другие органические продукты. Органические продукты при электролизе образуют пропан и другие горючие газы.
В верхней части корпуса электролизера 1 (фиг. 1) выполнена полость 3 для сбора топливного газа, т.е. газообразного водорода или его смеси с другими горючими газами.
Применение органического соединения карбамида (мочевины) дает отличные результаты вследствие того, что его электролиз требует небольших затрат энергии и позволяет получить большое количество самого калорийного горючего - водорода.
Молекула мочевины содержит четыре атома водорода, которые соединены с остальными атомами более слабыми связями. Для разрушения этих связей требуется напряжение всего 0,37 вольта. В частности для получения водорода из воды потребуется гораздо больше энергии и средств, самым оптимальным вариантом получения топливного газа является карбамид (мочевина).
Карбамид (мочевина)- химическое соединение, диамид угольной кислоты. Белые кристаллы, растворимые в полярных растворителях (воде, этаноле, жидком аммиаке).
Синтез из неорганических веществ предложен Велером в 1828 г:
Это превращение является первым синтезом органического соединения из неорганического. Велер получил мочевину нагревом цианата аммония, полученного in situ взаимодействием цианата калия с сульфатом аммония. Это событие нанесло первый удар по витализму - учению о жизненной силе.
Физические свойства
Бесцветные кристаллы без запаха, кристаллическая решетка тетрагональная (a=0,566 нм, b=0,4712 нм, c=2); претерпевает полиморфные превращения.
Мочевина хорошо растворима в полярных растворителях (вода, жидкие аммиак и сернистый ангидрид), при снижении полярности растворителя растворимость падает, нерастворима в неполярных растворителях (алканы, хлороформ).
Растворимость (г в 100 г р-рителя):
- в воде - 67 (0°C), 84 (10°C), 104,7 (20°C), 135,3 (30°C), 165,3 (40°C), 205 (50°C), 246 (60°C), 400 (80°C), 733 (100°C);
- в жидком аммиаке - 49,2 (20°C, 709 кПа), 90 (100°C, 1267 кПа);
- в метаноле - 22 (20°C); в этаноле - 5,4 (20°C);
- в изопропаноле - 2,6 (20°C);
- в изобутаноле - 6,2 (20°C);
- в этилацетате - 0,08 (25°C);
- в хлороформе - ~0 (не растворяется).
Нуклеофильность
2
2
Реакционная способность мочевины типична для амидов: оба атома азота являются нуклеофилами, то есть мочевина образует соли с сильными кислотами, нитруется с образованием N-нитромочевины, галогенируется с образованием N-галогенпроизводных. Мочевина алкилируется, образуя соответствующие N-алкилмочевины RNHCONH, взаимодействует с альдегидами, образуя производные 1-аминоспиртов RC(OH)NHCONH,
В жестких условиях мочевина ацилируется хлорангидридами карбоновых кислот с образованием уреидов (N-ацилмочевин):
2
2
2
RCOCl+HNCONH→RCONHCONH+HCl
Взаимодействие мочевины с дикарбоновыми кислотами и их производными (сложными эфирами и т.п.) ведет к образованию циклических уреидов и широко используется в синтезе гетероциклических соединений; так, взаимодействие с щавелевой кислотой ведет к парабановой кислоте, а реакция с эфирами замещенных малоновых кислот - к 1,3,5-триоксипиримидинам - производным барбитуровой кислоты, широко применявшимся в качестве снотворных препаратов:
В водном растворе мочевина гидролизуется с образованием аммиака и углекислого газа, что обуславливает ее применения в качестве минерального удобрения.
Электрофильность
Карбонильный атом углерода в мочевине слабоэлектрофилен, однако спирты способны вытеснять из мочевины аммиак, образуя уретаны:
2
2
2
3
HNCONH+ROH→HNCOOR+NH
К этому же классу реакций относится взаимодействие мочевины с аминами, ведущее к образованию алкилмочевин:
2
2
2
2
3
RNH+HNCONH→RNHCONH+NH
и реакция с гидразином с образованием семикарбазида:
2
2
2
2
2
2
3
HNNH+HNCONH→HNNHCONH+NH
2
2
образование при нагревании биурета HNCONHCONH.
Комплексообразование
2
2
2
2
[2]
Мочевина образует комплексы включения (клатраты) со многими соединениями, например с перекисью водорода CO(NH)-HO, используемое как удобная и безопасная форма «сухой» перекиси водорода (гидроперит). Способность мочевины образовывать комплексы включения с алканами используется для депарафинизации нефти. Причем мочевина образует комплексы только с н-алканами, ибо разветвленные углеводородные цепи не могут пройти в цилиндрические каналы кристаллов мочевины.
Биологическое значение
Мочевина является конечным продуктом метаболизма белка у млекопитающих и некоторых рыб.
Анализ на мочевину входит в Биохимический анализ крови. Нормы:
- дети до 14 лет - 1,8-6,4 ммоль/л
- взрослые до 60 лет - 2,5-6,4 ммоль/л
- взрослые старше 60 лет - 2,9-7,5 ммоль/л
Промышленный синтез и использование
Ежегодное производство мочевины в мире составляет примерно 100 миллионов тонн. В промышленности мочевина синтезируется по реакции Базарова из аммиака и углекислого газа:
3
2
2
2
2
2NH+CO→HNCONH+HO
По этой причине производства мочевины совмещают с аммиачными производствами.
Мочевина является крупнотоннажным продуктом, используемым, в основном, как азотное удобрение (содержание азота 46%) и выпускается, в этом качестве, в устойчивом к слеживанию гранулированном виде.
Внутри корпуса электролизера 1 установлены два электрод 4 и 5 (плюсовой анод и минусовой катод) Источник электроэнергии 6 (источник постоянного тока, например, аккумуляторная батарея) электрическими проводами 7 присоединен к электродам 4 и 5. В верхней части корпуса электролизера 1 выполнен впускной патрубок 8, а в нижней -управляемый клапан 9 для управления интенсивностью подачи водного раствора карбамида. К впускному патрубку 8 присоединена питательная емкость 10 заполненная водным раствором карбамида 11. Внутри корпуса электролизера 1 может быть установлен датчик уровня жидкости 12, к которому присоединен блок управления 13 (усилитель мощности и формирователь управляющего сигнала). Внутри корпуса электролизера 1 выделяется топливный газ 14. Под корпусом электролизера или внутри него может быть установлен активатор 15. Если активатор 15 установлен внутри его целесообразно выполнить из шунгита, а если снаружи - то в виде кольцевого магнита. Выпускной патрубок электролизера 16 соединяет полость 3 через вертикальную трубку 17 с емкостью гидрозатвора 18. Вертикальная трубка 17 погружена в воду 19. Корпус гидрозатвор 18 (водяной затвор или - противовзрывное устройство) предназначен для предотвращения проскока пламени внутрь корпуса электролизера 1. Вода 19 заполняет часть корпуса гидрозатвора 18, а в верхней части этой емкости образуется полость 20 для накопления топливного газа. В верхней части корпуса гидрозатвора 18 выполнен выходной патрубок газа 21 в котором может быть установлен активатор топливного газа 33 (магнитный или электрический активатор), к выходу которого присоединен патрубок ввода топливного газа 23 с форсункой 24 для подачи в тепловой мотор 25, входящий в состав автономного источника электроэнергии 26, содержащего кроме теплового мотора 25 электрогенератор 27, соединенный с ним валом 28. К электрогенератору 27 проводами 7 присоединена электрическая нагрузка 29 и преобразователь напряжения 30 предназначенный для подзарядки источника электроэнергии 6, например аккумуляторной батареи.
К тепловому мотору 25 присоединен воздуховод 31, в котором может быть установлен активатор воздуха 32, например электроозонатор коронного типа.
Внутри или под питательной емкостью 10 может быть установлен активатор 33 (фиг. 5 и 6) для активации водного раствора карбамида (мочевины). При установке активатора 33 внутри питательной емкости 10 оптимально применить активатор 33 из шунгитовой крошки, а вне нее использовать сильные постоянные магниты или электромагниты.
Источник электроэнергии 6 (фиг. 2) предназначен для запуска устройства и содержит аккумуляторную батарею 34 на 12 вольт, и соединенные последовательно коммутатор 35 (например инвертор), повышающий трансформатор 36, например индуктивную катушку зажигания и присоединенный высоковольтными проводами 37 высоковольтный выпрямитель 38.
На фиг. 7 приведена схема сбора топливного газа которая содержит систему сбора топливного газа 39, присоединенную к выходному патрубку газа 21. Система сбора топливного газа 39 содержит компрессор 40 соединенный валом 41 с приводом 42. Компрессор 40 трубопроводом 43 соединен с одной или несколькими баллонами газа 44.
На фиг. 8 приведена система сбора сжиженного топливного газа, содержащая реактор 45, к которому трубопроводами 46 присоединен редуктор 47, и по меньшей мере одна емкость сжиженного газа 48. В качестве реактора 45 может быть использована ректификационная колонна с теплообменниками-охладителями или турбодетандер.
На фиг. 9…15 приведены варианты исполнения теплового двигателя 25. На фиг. 9 приведен вариант, когда в качестве теплового мотора 25 использована одноступенчатая осевая турбина 49, содержащая сопловой аппарат 50 и рабочее колесо 51.
На фиг. 10 приведен вариант с многоступенчатой осевой турбиной 52. На фиг. 11 приведен вариант с одноступенчатой центробежной турбиной 53 с центробежными рабочими колесами 54, на фиг. 12 приведен вариант с многоступенчатой центробежной турбиной 55, на фиг. 13 - вариант с одноступенчатой центростремительной турбиной 56 имеющей центростремительное рабочее колесо 57. На фиг. 14 и 15 приведен вариант с роторной турбиной 58, содержащим ротор 59.
На фиг. 16 приведен вариант установки с вращающимся корпусом электролизера 1.
Днище 61 корпуса электролизера 1 установлено на валу 61 электродвигателя 62, закрепленного при помощи хомутов 63 к платформе 64. Сверху корпуса 1 установлена крышка 65. Крышка 65 выполнена из диэлектрического материала и герметизирована относительно корпуса электролизера 1 уплотнением 66 и установлена на подшипнике 67. На крышке 65 установлены электроды центральный электрод 4 и боковой электрод 5. Боковой электрод имеет втулку 68 установленную на торце 69 и электроизоляционную втулку 70.
Электроды 4 и 5 могут быть выполнены в виде скругленных стержней (фиг. 17) или боковой электрод 5 может быть выполнен в виде пустотелого цилиндра (фиг. 18). Возможно выполнение бокового электрода 5 с перфорацией 71 (фиг. 19 и 20).
Боковой электрод 5 может быть выполнен в виде группы цилиндрических стержней (фиг. 21), в виде радиальных пластин (фиг. 22), в виде наклонных пластин (фиг. 23), в виде криволинейных пластин (фиг. 24). Все детали бокового электрода закреплены на торце 69 из электропроводного материала, (фиг. 25). Втулка 68 также выполнена из электропроводного материала.
Возможен вариант исполнения устройства с вращением электролита без специального привода, (фиг. 26). В этом случае под емкостью электролизера 1 или над ней устанавливают цилиндрический постоянный магнит 72.
Возможен вариант исполнения с вращающейся крышкой 65 (фиг. 27) реализованный без внешнего привода. Он дополнительно предусматривает скользящие электроды 73 и 74.
Возможен вариант с применение привода-электродвигателя 7.5 (фиг. 28) В этом случае электродвигателя 76 валом 76, на котором установлена ведущая шестерня 77 соединен с ведомой шестерней 78, которая установлена на крышке 65.
На фиг. 29 приведен вариант с применением электрогенератора 79, который валом 80, соединен с выполненной с возможностью вращения крышки 65. Крышка 65 вращается вместе с электродами 4 и 5. Вращающий момент создает взаимодействие магнитного поля кольцевого магнита 72 и электрического тока, проходящего через электролит.
Ток, который вырабатывает электрогенератор 79 может использоваться для питания электродов 4 и 5. Для этого выход их электрогенератора 79 проводами 7 соединен с понижающим трансформатором 81, выход из которого соединен с входом в выпрямитель 82, выход из которого соединен с электродами 4 и 5.
Возможно подключение к выходу 83 из тепловой машины 25 к теплообменнику-утилизатору 84 (фиг. 30.) Это позволит получить тепловую энергию и увеличить КПД устройства.
РАБОТА УСТРОЙСТВА
Устройство работает следующим образом (фиг. 1…30).
Подготавливают раствор карбамида в воде или фекальный раствор содержащий мочевину. Подают напряжение на электроды 4 и 5 - положительное. Открывают управляемый клапан 9 и раствор карбамида частично заполняет корпус электролизера 1. Из-за очень низкого потенциала разложения карбамида содержащийся в ее молекуле карбамид разлагается с выделением водорода. Кроме того, может выделяться кислород во взрывобезопасной концентрации и при использовании фекальных растворов - метан и другие горючие газы. Горючий газ через гидрозатвор 17 поступает а форсунку (форсунки) 24 теплового мотора 25. Электрогенератор 27 вырабатывает электрический ток, который поступает к потребителю 29 и через преобразователь напряжения 30 - на подзарядку источника энергии 6. При этом потребление энергии на разложение раствора незначительно по причинам, указанным ранее.
Если применена схема с электрогенератором 79, установленный на крышке 65 (фиг. 29), то полученная электрическая энергия может быть направлена к электродам 4 и 5 по проводам 7 через понижающий трансформатор 81 и выпрямитель 82.
В случае применения теплообменника-утилизатора 84 можно получать тепловую энергию (фиг. 30).
Применение электрода из шунгита, обладающего более эффективными физико-химическими свойствами даже по сравнению с активированным углем позволяет уменьшить затраты энергии на разложение воды.
Применение перемешивания электролита (фиг.16, 26…29) позволит значительно ускорить процесс электролиза электролита и повысит производительность установки в десятки и сотни раз.
Применение активаторов повысит КПД тепловой машины.
Таким образом, применение полезной модели позволило:
- Получать дешевый топливный газ, что объясняется тем, что молекула относительно дешевого и общедоступного продукта - мочевины содержит четыре атома водорода, которые соединены с остальными атомами более слабыми связями. Для разрушения этих связей требуется напряжение всего 0,37 вольта, что в несколько раз меньше, чем энергия требуемая для электролиза воды.
- Получать сжатый топливный газ путем его сжатия в компрессоре.
- Получать сжиженный топливный газ, используя систему сжижения.
- Получать электроэнергию и тепло в автономном режиме в местности, где отсутствуют топливные ресурсы и электроснабжение.
- Утилизировать фекальные воды.
Приложение 1
Исследователи из США разработали эффективный способ получения водорода из мочи, этот метод позволит не только найти дешевый источник для получения «топлива будущего», но и поможет решить проблему очистки сточных вод.
Commun
Под действием электролиза мочевина разрушается с выделением водорода. (Рисунок из Chem. ., 2009, DOI: 10.1039/b905974a)
Использование водорода в качестве топлива ограничивалось отсутствием дешевого возобновляемого источника для его получения. Жерардин Ботте (Gerardine Botte) из Университета Огайо полагает, что она смогла решить проблему с сырьем для водородной энергетики, применив электролиз для получения водорода из мочи.
Ботте отмечает, что идея пришла к ней несколько лет назад на конференции по топливным элементам, на которой шло обсуждение о возможностях извлечения энергии из воды. В поисках способов наиболее оптимального решения этой проблемы она обратила внимание на сточные воды как на более перспективный источник соединений, способных к образованию водорода.
Основной компонент мочи - мочевина, в состав которой входит четыре атома водорода, образующих менее прочные связи, чем связи O-Н в воде. Ботте разработала никелевый электрод, электролиз на котором приводит к селективному окислению мочевины. Для расщепления мочевины требуется напряжение 0.37 В, в то время, как для расщепления воды требуется 1.23 В.
В ходе электрохимического процесса мочевина адсорбируется на поверхности никелевого электрода. При электролизе на катоде выделяется чистый водород, анодный электродный процесс приводит к образованию азота и следовых количеств кислорода и водорода. Образующийся в процессе электроокисления углекислый газ связывается в карбонат гидроксидом калия, содержащемся в растворе.
Первоначально исследователи протестировали свою систему на «искусственной моче» - водном растворе мочевины, однако затем было показано, что водород можно получить и из настоящей мочи человека.
Источник информации: http://www.chemport.ru/datenews.php?news=1713