УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОКСИДОВ АЛЮМИНИЯ И ВОДОРОДА

Полезная модель относится к области неорганической химии, точнее к устройствам для реализации способа получения гидроксидов алюминия и водорода из отходов производства, содержащих лом алюминия или его сплавов, например в виде порошка, стружки и/или небольших кусков различной формы.
Известна установка для получения гидроокиси алюминия и водорода (RU 2350563, 2009 г.), которая реализует многостадийный способ получения гидроокиси алюминия из мелкодисперсного (до 20 мкм) металлического порошка алюминия методом его ультразвуковой активации в щелочном растворе, и в связи с этим включает в себя комплекс функциональных устройств: реактор - смеситель для подготовки водноалюминиевой суспензии путем смешивания мелкодисперсного порошка алюминия и воды; реактор - растворитель для подготовки электролита путем растворения твердой щелочи в деионизованной воде; основной реактор для химического взаимодействия электролита с водоалюминиевой суспензией, сопровождающегося выделением водородсодержащей газовой смеси и образованием продуктов окисления алюминия, снабженный перемешивающим устройством и устройством ультразвукового облучения суспензии, а также систему контроля процессами, системы охлаждения и устройства для отвода водородсодержащей газовой смеси и продуктов окисления алюминия, их отмыва и, при необходимости, сушки и размельчения.
Конструктивная усложненность и необходимость использования в качестве исходного сырья мелкодисперсного металлического порошка алюминия, выпускаемого промышленно, делают такую установку затратной и значительно увеличивают стоимость получаемого продукта в виде порошка гидроокиси алюминия, что может быть оправдано лишь специализированным назначением установки.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является установка для получения гидроксидов алюминия и водорода с использованием в качестве исходного сырья алюминиевых отходов производств (RU 111840 U, 2006 г.), содержащая реактор с подключенными к нему трубопроводами подачи щелочной воды и выпуска водорода, связанную с реактором посредством замкнутого гидравлического контура с встроенным насосом станцию сбора суспензии сложного гидроксида алюминия в виде цилиндрической емкости с фильтром, перемещаемой электродвигателем, и систему отмывки от щелочи поступающей из этой емкости суспензии, которая состоит из воронки Бюхнера и колбы Бюнзона, снабженной вакуумным насосом. Щелочная вода, получаемая в результате отмыва суспензии, по дополнительному трубопроводу под воздействием насоса возвращается в реактор. Установка содержит средство охлаждения зоны реакции, контроллер и разнообразные датчики контроля.
Недостаток прототипа заключается в том, что из-за несовершенства принятой в нем системы охлаждения зоны реакции посредством помещенного внутри реактора змеевика с циркулирующей в нем холодной водой - при значительном объеме реактора, устанавливаемым из соображений обеспечения оптимальной производительности установки, он не охватывает всю зону реакции - температура экзотермической реакции в реакторе не обеспечивается постоянной. В результате создаются предпосылки для предаварийной ситуации, при которой температура раствора выше 100°C и давление в реакторе поднимается до критического значения в 4 атм. Для исключения такой ситуации в прототипе предусмотрен аварийный сброс раствора в специальную емкость через встроенный в дно реактора клапан. Однако такой сброс носит взрывной характер, т.е. сопровождается разбросом брызг горячего и щелочного раствора, что может привести к ожогам и травмам рабочего персонала.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на повышение эксплуатационной безопасности установки по получению гидроксидов алюминия и водорода.
Технический результат, получаемый при реализации полезной модели, состоит в исключении вероятности предаварийной ситуации при проведении экзотермической реакции путем усовершенствования реактора и повышения эффективности охлаждения зоны реакции.
Сущность полезной модели заключается в том, что для достижения заявленного технического результата в установке для получения гидроксидов алюминия и водорода, содержащей реактор с подключенными к нему трубопроводами подачи щелочной воды и выпуска водорода, выполненной с возможностью обеспечения передачи полученной в реакторе суспензии в предусмотренную для ее сбора емкость и промежуточного отделения конечного продукта в виде порошка гидроксида алюминия путем отмыва, в отличие от известных аналогов, реактор выполнен в виде n - числа колб, по меньшей мере, двух, установленных в ряд в открытом баке с проточной водой так, что рабочий объем колбы постоянно находится под слоем проточной воды, горловины колб служат для приема исходных материалов и снабжены резиновыми пробками с отводами, выполненными при этом в виде гибких пластиковых шлангов, одни из которых подключены к трубопроводу подачи щелочной воды и снабжены встроенными по месту расположения каждой колбы отсечными клапанами, а другие подключены к трубопроводу выпуска водорода и снабжены инфракрасными датчиками контроля окончания реакции в каждой из колб, при этом колбы установлены в баке с возможностью осуществления посредством манипулятора комплекса технологических перемещений, обеспечивающих передачу суспензии сложного гидроксида алюминия из рабочего объема колбы в упомянутую емкость для ее сбора.
На представленном чертеже дан общий вид предлагаемой установки (схема, пример).
Реактор 1 установки представляет собой группу стеклянных колб 2, например, в соответствии с конкретным примером исполнения, представленном на чертеже, из трех колб, расположенных в ряд в открытом баке 3, заполненном проточной водой.
Подача в колбы 2 заранее приготовленной щелочной воды осуществляется через трубопровод 4. Для отвода водорода из зоны реакции служит трубопровод 5. Трубопроводы 4 и 5 могут быть выполнены из твердого пластика или какого - либо другого аналогичного материала.
Бак 3 снабжен штуцером 6 для подачи холодной воды, например, от водопроводной от сети (не показана). Вода, нагретая за счет тепла, выделяемого при протекании экзотермических реакций в колбах 2, выводится из бака 3 через штуцер 7 и далее может быть использована, например, для гидролизации суспензии, обогрева помещения и т.д.
Каждая из колб 2 имеет нижнюю конусообразную часть с рабочим объемом не более 1500 мл для осуществления в нем процесса окисления алюминия, и горловину 8, через которую засыпается в колбу исходное сырье в виде порошка, стружки или лома алюминиевых отходов и подается щелочной раствор с помощью насоса 9, а также отводится водород. На горловину 8 каждой колбы 2 надета съемная резиновая пробка 10 с встроенными в нее отводами 11 и 12, выполненными в виде гибких пластиковых шлангов. Отводы 11 служат для подачи в колбу 2 щелочной воды и подсоединены к трубопроводу 4 через отсечные клапаны 13, обеспечивающие, при необходимости, подачу щелочной воды только в одну конкретную колбу 2. В отводы 12 вмонтированы инфракрасные датчики 14, сигнализирующие об окончании реакции в конкретной колбе 2 путем определения наличия водорода.
Колбы 2 установлены в баке 3 таким образом, чтобы их нижняя конусообразная часть с рабочим объемом при прохождении в нем экзотермической реакции постоянно находилась под слоем проточной воды, что обеспечивает эффективное охлаждение зоны реакции в каждой из колб в полном объеме. По окончанию реакции каждая из колб 2 имеет возможность осуществления посредством взаимодействующего с ней схвата 15 манипулятора 16 комплекса технологических перемещений, обеспечивающих передачу полученной в ней суспензии сложного гидроксида алюминия в предусмотренную для ее сбора емкость и возврат колбы в бак 3 для повторения рабочего цикла. Манипулятор 16 представляет собой установленную рядом с баком 3 механическую руку, подвижную в трех плоскостях, что позволяет ей в соответствии с заложенными в программе управления алгоритмами: снять пробку 10 с горловины 8 конкретной колбы 2 после завершения в ней экзотермической реакции, поднять эту колбу над баком 3 и перенести по месту размещения емкости, перевернуть колбу над емкостью на 180 градусов (горловиной вниз), после возвратить колбу в ее исходное положение в баке 3 и завершить цикл перемещений установкой на горловине 8 снятой ранее пробки 10.
Для обеспечения последующего отмыва порошка выходного продукта установка может иметь соответствующее устройство, выполненное, например, как в прототипе, из воронки Бюхнера и колбы Бюнзона или, как показано на прилагаемом чертеже, содержит центрифугу 17, которая служит одновременно и для сбора суспензии, и для отмыва порошка.
Описание работы установки дано на конкретном примере ее исполнения с реактором, содержащем три колбы, и центрифугой для сбора, отмыва и сушки конечного продукта.
Действие установки основано на том, что процессы, происходящие в установке, осуществляются благодаря взаимодействию трех компонентов - это вода, алюминий и щелочь.
Первоначально во все колбы 2 через горловины 8 загружается исходное сырье в виде отходов алюминия и/или его сплавов в виде порошка, стружки, кусочков различной конфигурации и т.п. Затем колбы с помощью схвата 15 манипулятора 16 закрываются резиновыми пробками 10 - схват захватывает пробку 10 и перемешает ее на горловину 8, надевается пробка на горловину под действием собственной массы.
Приготовленный заранее щелочной раствор подается внутрь колб 2 с помощью насоса 9 по трубопроводу 4 через гибкие шланги 11. Далее в колбах проходит экзотермическая реакция, с выделением тепла и водорода. Полученное в зоне реакций тепло отводится с помощью проточной холодной воды, циркулирующей в баке 3, за счет того, что нижние конусообразные части колб с рабочими объемами находится под слоем проточной воды, что обеспечивает эффективное охлаждение зоны реакции в каждой из колб 2 в полном объеме. Нагретая вода выводится через штуцер 7.
4
2
Полученный в результате экзотермической реакции водород отводится по гибким шлангам 12, которые подсоединены к пластиковому трубопроводу 5. Инфракрасные датчики 14, установленные в шлангах 12, сигнализируют об отсутствии выхода водорода в определенной колбе 2, что соответствует окончанию реакции, либо сразу во всех колбах, либо в какой - либо одной конкретной колбе. Соответствующий сигнал подается на манипулятор 16, который в свою очередь по заданному программой управления алгоритму проводит ряд технологических перемещений, а именно: схват 15 берет пробку 10 конкретной колбы 2, в которой закончилась реакция, и перемещает ее на высоту самой пробки, отводит ее в сторону и опускает. После чего берет эту колбу за горловину 8, поднимает ее на высоту бака 3 и перемещает в зону центрифуги 17, затем переворачивает колбу над центрифугой на 180 градусов с тем, чтобы содержимое колбы, которое представляет собой комплексное соединение Na[Al(OH)]+HO в виде суспензии, вылилось в центрифугу. После этого суспензия проходит в центрифуге процесс отмывки и, при необходимости, сушки, а манипулятор 16 возвращает эту колбу 2 в исходное положение в бак 3.
Повторение цикла в этой конкретной колбе начинается с очередной засыпки в нее через горловину 8 исходного сырья. Манипулятор 16 с помощью схвата снова берет пробку 10 и надевает на горловину 8, после чего выводится из зоны реактора. Подается сигнал на включение насоса 9 и происходит подача щелочного раствора в колбу 2 и далее цикл работы в отношении данной колбы осуществляется в соответствии с выше описанным. По мере завершения реакции в двух последующих колбах повторяется алгоритм взаимодействия ее с манипулятором.
Данная установка позволяет поддерживать постоянную скорость выделения водорода, за счет охлаждения поверхности колбы, температура которой сохраняется до окончания экзотермической реакции в приделах 30-35°C.
Реализация полезной модели не требует вложения значительных капитальных вложений - установка может быть изготовлена в условиях действующего производства с использованием широкодоступных материалов и комплектующих - и позволяет достигнуть следующих результатов:
- за счет использования оптимального для повышения безопасности процесса экзотермической реакции рабочего объема (до 1500 мл, не 6-7 литров, как в прототипе) и обеспечения эффективного охлаждения зон реакции, а также осуществления мер по снижению доли ручного труда обслуживающего персонала значительно повышена эксплуатационная безопасность таких установок по получению гидроксидов алюминия;
- повышение производительности установки может быть достигнуто простым увеличением количества колб;
- установка обладает конструктивной простотой и надежностью;
- обеспечивается экономически выгодный процесс получения гидроксидов алюминия и водорода за счет использования в качестве исходного сырья алюминиевых (или его сплавов) отходов различных производств и сниженного потребления энергорессурсов.