УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОКСИДОВ ИЛИ ОКСИДОВ АЛЮМИНИЯ И ВОДОРОДА

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для получения гидроксидов или оксидов алюминия, а именно к установкам для получения гидроксидов или оксидов алюминия из металлического алюминия окислением в водной среде. Оксиды и гидроксиды алюминия используются в промышленности в качестве адсорбентов, катализаторов, в качестве абразивных порошков.
Устройство относится также к получению водорода, а именно к получению водорода при химическом взаимодействии алюминия и воды.
Таким образом, областями применения полезной модели являются химическая промышленность и энергетика.
Известно устройство для получения гидроксидов или оксидов алюминия и водорода из металлического порошкообразного алюминия [патент России на изобретение №2278077, кл.CO1F 7/42, зарегистрированный в Государственном реестре изобретений РФ 20.06.2006 г.], содержащее реактор высокого давления, в котором мелкодисперсный порошкообразный алюминий реагирует с водой, источник суспензии порошкообразного алюминия с водой, насос высокого давления для подачи суспензии, приемное устройство для продуктов реакции, конденсатор, средства ведения рабочего процесса и регулирования его параметров. Устройство обеспечивает активное взаимодействие алюминия с водой и достижение характеристик процесса, гарантирующих получение выходных продуктов заданных типов и чистоты. Недостатком данного устройства является то, что более половины тепловой энергии, выделяющейся в результате окисления алюминия, выводится вместе со смесью продуктов реакции с водой, что существенно снижает эффективность дальнейшего использования этой энергии.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство [патент Р.Ф. 2223221, кл.CO1F 7/42, ЗАО «Фирма РИКОМ СПб»], включающее реактор высокого давления, приемное устройство для гидроксидов, конденсатор, средства непрерывного отвода парогаза и смеси гидроксидов или оксидов алюминия с водой, средства ведения процесса и регулирования его параметров. Недостатком данного устройства является сложность динамического поддержания непрерывного отвода смеси пара воды с водородом и смеси гидроксидов алюминия с водой и вывод около половины тепловой энергии, выделяющейся в результате окисления алюминия, вместе со смесью продуктов реакции с водой, что существенно снижает эффективность дальнейшего использования этой энергии.
Технической задачей, решаемой предлагаемым устройством, является обеспечение вывода большей части тепловой энергии, выделяющейся в результате окисления алюминия, с паром воды при сохранении основных функциональных качеств, а именно получения гидроксидов алюминия заданного состава и водорода. Решение поставленной задачи позволяет большую часть тепловой энергии, выделяющейся при окислении алюминия в воде, использовать, например, для получения электроэнергии, направляя пар высокого давления на турбину.
Решение поставленной задачи в предлагаемом устройстве заключается в том, что устройство, работа которого поясняется блок-схемой, представленной на фиг.1, содержит реактор высокого давления (1), источник суспензии мелкодисперсного порошкообразного алюминия с водой (17) с регулируемым средством подачи суспензии (18) с входом сигнала (19), регулируемый с входом сигнала (3) клапан отвода смеси паров воды и водорода (2), регулируемый с входом сигнала (8) клапан отвода смеси воды и гидроксидов или оксидов алюминия (9) в приемное устройство (10), датчик температуры в реакторе (6), датчик давления в реакторе (5) с выходом сигнала (4) на выходе парогазовой смеси из реактора и имеет отличительные признаки, а именно, устройство содержит контроллер (7), задающий необходимую циклограмму работы клапана (9) отвода смеси воды и гидроксидов или оксидов алюминия в приемное устройство (10), средство замера уровня жидкости в реакторе (14) с двумя регулируемыми выходами - уставками (15), (16), источник воды (11) с регулируемым средством (12) ее подачи в реактор (1) с входом сигнала (13), вход сигнала (3) в регулируемый клапан отвода смеси паров воды и водорода электрически соединен с выходом сигнала из датчика давления (4), вход сигнала в средство подачи воды (13) электрически соединен с выходами - уставками (15), (16) средства замера уровня жидкости, а вход сигнала (8) в регулируемый клапан отвода смеси воды и гидроксидов или оксидов алюминия электрически соединен с контроллером (7).
Для расширения области применения предлагаемого устройства при сохранении декларированной цели выход сигнала из датчика давления (4) может быть электрически соединен с входом сигнала (19) в регулируемое средство подачи суспензии (18).
Устройство получения гидроксидов или оксидов алюминия и водорода, блок схема которого представлена на фиг.1, состоит из исполнительного блока, включающего в себя:
1. Реактор высокого давления.
2. Регулируемый клапан отвода смеси паров воды и водорода.
3. Вход сигнала в регулируемый клапан отвода смеси паров воды и водорода..
4. Выход сигнала из датчика давления.
5. Датчик давления в реакторе.
6. Датчик температуры в реакторе.
7. Контроллер.
8. Вход сигнала в клапан отвода смеси воды и гидроксидов алюминия.
9. Клапан отвода смеси воды и гидроксидов алюминия.
10. Приемное устройство.
11. Источник воды.
12. Регулируемое средство подачи воды в реактор.
13. Вход сигнала в средство подачи воды в реактор.
14. Средство замера уровня жидкости в реакторе.
15, 16 - Выходы-уставки средства замера уровня жидкости в реакторе.
17. Источник суспензии.
18. Регулируемое средство подачи суспензии.
19. Вход сигнала в регулируемое средство подачи суспензии.
в
в
в
Известными исходными данными, определяющими основные технические характеристики устройства, являются расход алюминия, рабочая температура в реакторе и время выдержки τ, необходимое для завершения реакции. Характерные значения теплофизических параметров в реакторе: температура -300-350С, давление 10,0-17,0 Мпа. Время выдержки τ в зависимости от поставленной цели задается исследователем и имеет порядок минуты. Геометрические характеристики реактора должны удовлетворять следующим требованиям: высота реактора должна не менее чем, на порядок превышать его характерный поперечный размер, объем, занимаемый водой, должен составлять 60-70% от полного объема реактора, если масса воды равняется 20-30 массам алюминия, поступающего в реактор за время τ.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом:
Источник суспензии заполняется холодной суспензией мелкодисперсного порошкообразного алюминия в воде с массовой концентрацией алюминия в пределах (1:4,5)-(1:5,5).
Реактор заполняется водой таким образом, чтобы 30-40% его объема оставалось свободным от жидкости, до отметки «maxim» на средстве замера уровня жидкости в реакторе.
Основой достижения декларируемой цели является поддержание в реакторе определенного постоянного давления, что может быть обеспечено либо при использовании регулируемого клапана отвода смеси паров воды и водорода (2), либо при использовании регулируемого средства подачи суспензии (18).
Если для поддержания давления в реакторе используется клапан (2), тогда этот клапан предварительно настраивается на поддержание постоянного давления, которое на 0,5-0,7 Мпа превышает давление насыщенных водяных паров, соответствующее принятой рабочей температуре в реакторе; затем осуществляется нагрев воды в реакторе до заданной температуры. При этом давление в реакторе соответствует давлению насыщенных водяных паров.
При достижении заданной рабочей температуры начинается подача суспензии в верхнюю часть его объема, занятого водой или в «газовый» объем реактора. Начинается реакция окисления алюминия водой с выделением энергии на уровне 15-17 кдж на 1 г алюминия. Реакция должна происходить при заданной рабочей температуре. Поэтому, если температура в реакторе отличается от заданной, следует осуществить подрегулировку клапана отвода смеси паров воды и водорода, увеличивая или уменьшая уровень давления в реакторе до тех пор, пока в реакторе не установится заданная температура. Поддержание заданной рабочей температуры в реакторе означает, что парциальное давление паров воды соответствует давлению ее насыщенных паров при заданной рабочей температуре и выделяющаяся при окислении алюминия энергия (за исключением той, что тратится на догрев продуктов реакции, например, ALOOH, до температуры жидкости в реакторе) идет на интенсивное испарение воды, а водяной пар в смеси с образующимся в результате реакции водородом, непрерывно удаляется через клапан, который поддерживает постоянное давление в реакторе. Расчеты показывают, что в этом случае в результате реакции на 1 г алюминия приходится ~5 г водяного пара; кроме этого, примерно, 1,2 г воды уходит на образование продуктов реакции. Таким образом, если концентрация суспензии находится в пределах (1:4,5)-(1:5,5), количество воды в реакторе в процессе его нормальной работы будет уменьшаться.
Если для поддержания давления в реакторе используется регулируемое средство подачи суспензии, тогда клапан постоянного давления должен быть полностью открыт для минимизации гидравлических потерь постоянно удаляемой из реактора смеси паров воды и водорода, а поддержание необходимого постоянного давления в реакторе обеспечивается воздействием выходного сигнала (4) с датчика давления (5) на регулируемое средство подачи суспензии (18) через вход сигнала (19); при нештатном увеличении давления в реакторе подача суспензии уменьшается, а при уменьшении давления - подача суспензии увеличивается.
в
AL
в
AL
в
Через время τ, установленному в контроллере, осуществляется вывод из нижней части реактора смеси воды и гидроксидов или оксидов алюминия в приемное устройство. Вывод прекращается через определенное время то по сигналу контроллера. Это время определяется исходя из условия: выводимый из реактора объем смеси воды и продуктов реакции за это время должен находиться в пределах V=1,5G·τ/ρ÷2,5G·τ/ρ,
в
Al
в
3
где τ, с - период времени между окончанием одного и началом следующего вывода смеси (0<τ≤τ), G, г/с - массовый расход алюминия, ρ - плотность воды, г/см.
в
Al
3
3
Например, если τ=100С, τ=30С, G=3 г/с, тогда при коэффициенте 2,0 отводимый объем смеси равен V=2·3·30/1·г·с·см/с·г=180 см.
в
Представленная зависимость подобрана таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить время пребывания алюминия в реакторе не менее τ, а с другой - не допустить излишнего возрастания концентрации твердых продуктов реакции в воде, находящейся в реакторе.
Через время τ по сигналу контроллера снова осуществляется вывод из нижней части реактора смеси воды и гидроксидов или оксидов алюминия; в дальнейшем попеременно следующим сигналам контроллера через время τ осуществляется вышеоговоренный регламентированный вывод смеси воды и гидроксидов или оксидов алюминия из реактора в приемное устройство. Таким образом, контроллер обеспечивает циклограмму работы клапана отвода смеси воды и гидроксидов или оксидов алюминия из реактора, представленную на фиг.2.
В процессе работы устройства в штатном режиме вследствие испарения части воды и удаления пара за пределы реактора, а также удаления смеси твердых продуктов реакции с водой в сборник, уровень смеси воды с твердой фазой в реакторе будет снижаться; когда уровень понизится до минимально допустимого, отмеченного на средстве замера уровня жидкости, по сигналу с одной из двух его выходов-уставок от источника воды производится подвод воды в реактор, который прекращается по достижении максимального уровня по сигналу второй уставки средства замера уровня. Для того, чтобы избежать в реакторе дополнительных возмущений температуры и давления, рекомендуется ограничить допустимое изменение объема, занимаемого смесью жидкости и твердой фазы десятью процентами, обеспечивая это соответствующими значениями уставок средства замера уровня жидкости в реакторе.
В качестве контроллера может быть использован четырехканальный микропроцессорный цифровой таймер МЦТ-3504 производства фирмы «Дана-Терм»: четыре канала этого таймера позволяют осуществить программирование работы клапана отвода смеси воды и гидроксидов или оксидов алюминия в соответствии с приведенной выше циклограммой. Средство замера уровня жидкости в реакторе, посредством которого контролируется и регулируется уровень слоя несжимаемых компонентов в реакторе, может быть основано на принципе сообщающихся сосудов, одним из которых является реактор, а другим - кварцевая трубка с узлами ее герметизации на концах. Для уплотнения стыков могут быть использованы кольца из термостойкой резины, узлы герметизации должны быть охлаждаемыми. Изменение уровня может отслеживаться фотодатчиком.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет расширить функциональные возможности прототипа: наряду с получением гидроксидов или оксидов алюминия, а также водорода, устройство позволяет существенно большую часть тепловой энергии, выделяющейся при окислении алюминия, получить с водяным паром при температуре 300-350С и давлении 10-17 МПа, что повышает эффективность ее дальнейшего использования. Это достигается благодаря тому, что процесс окисления алюминия в реакторе проходит при постоянном давлении, соответствующем давлению насыщенных водяных паров при заданной рабочей температуре в реакторе. Работа контроллеров и двух выходов-уставок средства замера уровня жидкости обеспечивает поддержание квазистационарного состояния содержимого реактора - реагирующего алюминия, воды, твердых продуктов реакции и позволяет реализовать в нем длительный непрерывный рабочий процесс.
в
Задавая необходимые значения температуры рабочего процесса в реакторе и время выдержки τ, можно получить продукты реакции заданного состава и водород, а поддержание в предлагаемом устройстве давления в реакторе, соответствующего давлению насыщенных водяных паров при заданной температуре, обеспечивает аккумулирование теплового эффекта реакции окисления алюминия в паре воды, отводимом из реактора вместе с водородом.
Применение для поддержания постоянного давления в реакторе клапана отвода смеси паров воды и водорода позволяет при заданном расходе суспензии (т.е. при заданной тепловой мощности реактора) параметрически изменять рабочую температуру в реакторе, обеспечивая получение твердых продуктов реакции заданного состава, что важно при проведении исследований, но осложняет прямое использование высокотемпературной смеси паров воды и водорода, например, в турбине. Применение для поддержания постоянного давления в реакторе вместо клапана регулируемого средства подачи суспензии эффективно при стационарной работе устройства в заданном режиме, характеризующимся тремя требованиями: получением твердых продуктов реакции заданного состава, получением водорода и прямым использованием выходящей из реактора высокоэнергетичной смеси паров воды и водорода для получения энергии, например, в турбине.