САМОРЕГУЛИРУЕМОЕ ПОЛУЧЕНИЕ В ПОГРУЖНЫХ УСЛОВИЯХ ГАЗА, ВЫДЕЛЯЮЩЕГОСЯ ПРИ РЕАКЦИИ МЕЖДУ ЖИДКОСТЬЮ И ТВЕРДОЙ ФАЗОЙ, И СООТВЕТСТВУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
SELF-REGULATING PRODUCTION OF GAS RELEASED AT REACTION BETWEEN LIQUID AND SOLID PHASE IN SUBMERGED CONDITIONS AND RESPECTIVE DEVICE

Настоящее изобретение относится к способу саморегулируемого получения газа, в зависимости от потребностей, в погружных условиях, при этом указанный газ образуется при реакции между жидкостью и твердой фазой (например, водород, выделяющийся при гидролизе гидрида металла) и не загрязняется в период между его образованием и доставкой. Изобретение также относится к устройству, подходящему для осуществления указанного способа.
В частности, одной из областей, к которым относится данное изобретение, является область снабжения водородом плавучих горелок, горелок, имеющих, например, сигнальную функцию или тепловую функцию. Другой областью применения является снабжение водородом плавучего или погружного топливного элемента. Для снабжения водородом горелок или топливных элементов требуется водород высокой степени чистоты. Таким образом, целью является оптимизация выходов реакций (реакций, проводимых с указанным водородом) и ограничение загрязнений, ухудшающих эксплуатационные показатели горелки или элемента. Вообще говоря, любая область применения, в частности, в условиях морской среды, требующая регулируемого снабжения газом высокой степени чистоты (газом, образующимся при реакции между жидкостью и твердым веществом), испытывает потребность в данном изобретении.
Регулирование реакции гидролиза твердого вещества с целью получения регулируемого расхода (то есть регулируемого по требованию) газа с доставкой указанного полученного газа без его загрязнения является технической проблемой, которую специалисты в данной области техники до настоящего времени вынуждены были преодолевать с помощью более или менее сложных устройств с более или менее удовлетворительными результатами.
В патентном документе US 4155712 описан миниатюрный генератор водорода для снабжения топливного элемента, включающий в себя резервуар для воды, снабжающий первую водяную камеру внизу, связанную через посредство мембраны со второй камерой, содержащей гидрид металла. Эта вторая камера соединена с устройством, потребляющим водород. Такая газопроницаемая мембрана позволяет водяному пару проходить из первой камеры во вторую камеру, чтобы реагировать с гидридом металла с образованием в результате гидролиза водорода. Выравнивание давлений между двумя камерами регулирует высоту уровня воды в первой камере и, таким образом, количество водяного пара, поступающего из первой камеры во вторую, что позволяет регулировать расход водорода, образующегося при гидролизе (гидрида металла под действием водяного пара) в зависимости от потребностей. Способ регулирования образования водорода, таким образом, основан на выравнивании давлений между двумя камерами через посредство мембраны и требует комплексного регулирования, что является сложным для контроля. Это не подходит ни для процесса в погружных условиях, ни для получения водорода под давлением.
Вместе с тем, существуют устройства для наполнения плавучих баллонов при помощи погружных генераторов водорода с твердым реагентом. Такие устройства описаны в патентном документе GB 1172691 и заявке на патент FR 2297077. Эти устройства имеют сложную структуру с пружиной или клапаном. Внутри них проводят реакцию между твердой фазой и жидкостью, выполняемую с регулируемым количеством жидкости, при непосредственном контакте жидкость/твердое вещество, при этом указанное твердое вещество погружено в указанную жидкость (и может быть уподоблено шипучей таблетке) так, что образующийся газ также будет тесно контактировать с указанной жидкостью. Кроме того, такие устройства работают без саморегулирования образования газа. Этой проблеме саморегулирования образования газа в данных документах не уделяется внимание, поскольку требуется, чтобы генератор газа (водорода) просто производил объем газа, необходимый для заполнения баллона. В самом патентном документе US 2531657 описано погружное устройство для заполнения баллонов, работающее с саморегулированием образования газа для заполнения. Это устройство включает в себя контейнер, нижняя часть которого перфорирована и на ней размещена загрузка твердого вещества, способного генерировать газ при помощи гидролиза. Этот контейнер расположен внутри колокола, снабженного выдвижным основанием и газоотводящей линией в верхней части. Когда устройство согласно указанному патенту США погружают в жидкость (после втягивания основания указанного колокола), жидкость проникает в колокол и контактирует с твердой загрузкой через посредство отверстий в нижней части контейнера. Газ, образующийся при реакции между твердым веществом и жидкостью, проходит через отверстия и поднимается к верхней части колокола, проходя через жидкость, содержащуюся в колоколе. Турбулентность, создаваемая при таком прохождении газа через жидкость, является предпочтительной для привлечения свежей жидкости к соприкосновению с твердым веществом. Газ, получаемый с помощью этого устройства, благодаря прохождению через жидкость, может увлекать с собой капли и/или пары жидкости, а также твердые примеси (особенно, если жидкость является морской водой), что само по себе не создает проблемы для заполнения баллона, однако не удовлетворяет требованиям к чистоте газа, подаваемого для снабжения горелки или водородного элемента.
Патентные документы FR 554247 и US 2211430 относятся к ацетиленовым генераторам, включающим в себя блок твердого вещества, помещенный в первый резервуар, который реагирует при контакте с жидкостью, содержащейся во втором резервуаре, при этом жидкость проникает в первый резервуар под действием силы тяжести. Когда потребность в газе снижается или отпадает (действием на газовыпускной клапан), давление образующегося газа в первом резервуаре увеличивается и сдвигает жидкость назад во второй резервуар, тем самым останавливая реакцию. Такие генераторы не являются погружными. Их конструкция аналогична конструкции устройства согласно патенту US 2531657, в соответствии с которым выделяющиеся газы выходят через дно, проходя через жидкость.
Таким образом, в предшествующем уровне техники не описан способ или устройство для саморегулируемого получения, в зависимости от потребностей, в погружных условиях газа, образующегося при гидролизе твердого вещества, с доставкой полученного газа без внесения в него загрязнений (указанная доставка не включает "избыточный контакт газ/жидкость").
С учетом данной технической проблемы авторы изобретения предлагают новое и эффективное решение. Указанное решение проанализировано с точки зрения способа и устройства и примечательно своей простотой.
Согласно первому объекту изобретения, настоящее изобретение относится к способу получения газа (G), саморегулируемому в зависимости от потребностей, при этом способ проводят в погружных условиях, и он включает в себя:
- погружение в жидкость (L), способную реагировать с твердым веществом (S) с получением газа (G), резервуара, содержащего загрузку твердого вещества (S); при этом загрузка находится в верхней части внутреннего объема резервуара выше буферного объема, не содержащего никакой загрузки; резервуар имеет в своей нижней части по меньшей мере одно отверстие, подходящее для проникновения жидкости (L) в свободный буферный объем, и в своей верхней части по меньшей мере одно выпускное отверстие, подходящее для выпуска газа (G0, G);
- проникновение жидкости (L) в свободный буферный объем (во внутренний объем резервуара) через по меньшей мере одно отверстие и повышение уровня жидкости (L) во внутреннем объеме резервуара с выпуском газа, изначально присутствовавшего (G0) в резервуаре, через по меньшей мере одно выпускное отверстие;
- образование газа (G) путем реакции твердого вещества (S) при контакте его с жидкостью (L) (путем реакции твердого вещества (S) с жидкостью (L), когда жидкость (L) контактирует с загрузкой твердого вещества (S)), подъем газа (G) во внутреннем объеме резервуара в направлении по меньшей мере одного выпускного отверстия и выпуск газа (G) через по меньшей мере одно выпускное отверстие; при этом уровень жидкости (L) в резервуаре изменяется сам по себе как функция от разности между объемным расходом образующегося газа и объемным расходом газа, выпускаемого через по меньшей мере одно выпускное отверстие.
Объемный расход образующегося газа зависит от доли загрузки твердого вещества, контактирующей (реагирующей) с жидкостью. Объемный расход выпускаемого газа зависит от гидростатического давления в резервуаре и поперечного сечения по меньшей мере одного выпускного отверстия (а также от физических характеристик образующегося газа). Поперечное сечение по меньшей мере одного выпускного отверстия может быть постоянным или переменным (оно может, например, регулироваться с помощью регулятора расхода или регулятора давления). Таким образом, расход с точки зрения объемного расхода газа может просто соответствовать расходу образовавшегося газа, выпускаемого через по меньшей мере одно выпускное отверстие постоянного поперечного сечения, или может соответствовать объемному расходу выпускаемого газа, установленному с помощью регулятора расхода или с помощью регулятора давления (при помощи регулирования поперечного сечения по меньшей мере одного выпускного отверстия).
Следует понимать, что благодаря своей структуре и/или своему местоположению (своему расположению) в резервуаре загрузка обеспечивает циркуляцию жидкости (L) и газов (G0, G) в резервуаре, при этом газы (G0, G) циркулируют снизу вверх внутри резервуара.
Уже из приведенных выше комментариев видно, что способ согласно изобретению обладает определенными преимуществами в плане ограничения контакта между выделяющимся газом и жидкостью за счет создания указанного выше подъема газа ("напрямую") в резервуаре в направлении по меньшей мере одного выпускного отверстия. Образующийся газ при его доставке не проходит через заполненный жидкостью буферный объем, и тем самым предотвращается его чрезмерная нагрузка жидкостью в форме пара и/или капель и примесями (содержащимися в жидкости). Способ согласно изобретению, таким образом, позволяет поставлять, в условиях саморегулирования, газ высокой степени чистоты (подходящий, в частности, для снабжения горелок топливных элементов (см. выше)).
Способ согласно изобретению, таким образом, включает в себя две подготовительные стадии и одну стадию фактического получения газа (непрерывного или периодического получения).
Первая подготовительная стадия заключается в помещении резервуара (содержащего твердое вещество) в жидкость (стадия погружения). Резервуар, таким образом, содержит загрузку рассматриваемого твердого вещества, приспособление (по меньшей мере одно отверстие) для приведения загрузки после погружения резервуара в жидкость в соприкосновение с жидкостью и приспособление (по меньшей мере одно выпускное отверстие) для обеспечения выпуска газа, образующегося при контакте жидкости с твердым веществом. Контакт не происходит непосредственно после погружения. Для этой цели в донной части резервуара обеспечивается свободный буферный объем. Благодаря этому регулируют начало реакции «твердое вещество/жидкость» и выделение газа, являющееся следствием такой реакции. Это также является несомненным преимуществом способа согласно изобретению.
Вторая подготовительная стадия включает в себя осушение свободного буферного объема резервуара после погружения резервуара. Газ, изначально присутствующий (GO) в этом объеме, вытесняется жидкостью (L).
В конце этих двух подготовительных стадий после контакта жидкость/твердое вещество образуется газ (G).
Способ согласно изобретению подходит для саморегулируемого получения газа (G) в зависимости от потребностей благодаря тому, что уровень жидкости (L) (и, следовательно, часть твердой загрузки, смоченную жидкостью (L)) в резервуаре регулируют с помощью объема газа (G), присутствующего в резервуаре. Изменение объема газа, присутствующего в резервуаре, соответствует разнице между объемным расходом полученного газа и максимальным объемным расходом газа, который может быть выпущен (через по меньшей мере одно выпускное отверстие).
Таким образом:
- если объемный расход образовавшегося газа больше, чем максимальный объемный расход выпущенного газа через по меньшей мере одно выпускное отверстие, увеличение объема газа в резервуаре приводит к падению уровня жидкости в резервуаре, что приводит к уменьшению части твердой загрузки при контакте с жидкостью (или даже к разделению между жидкостью и загрузкой твердого вещества: см. ниже), вызывая уменьшение (или даже прекращение) образования потока газа;
- если в случае, когда уровень жидкости не полностью заполняет резервуар, объемный расход образовавшегося газа меньше, чем максимальный объемный расход выпущенного газа через по меньшей мере одно выпускное отверстие, уменьшение объема газа в резервуаре приводит к повышению уровня жидкости в резервуаре, вызывает увеличение доли загрузки твердого вещества при контакте с жидкостью, давая в результате увеличение объемного расхода газа.
Когда объемный расход выпускаемого газа является достаточно низким по отношению к объемному расходу образующегося газа, чтобы повлечь за собой падение уровня жидкости ниже загрузки в буферном объеме (объеме резервуара, не содержащем какой-либо загрузки), часть буферного объема, не содержащая жидкости, далее работает, как зона хранения избытка образовавшегося газа по отношению к выпускаемому газу. Такое хранение является временным. Оно продолжается лишь в течение времени, которое процесс затрачивает на саморегулирование, чтобы сбалансировать расходы газов (образовавшегося/выпущенного) и повысить уровень жидкости в резервуаре.
Способ согласно изобретению также имеет существенное преимущество, заключающееся в отсутствии опасности взрыва из-за превышения давления в резервуаре (это особенно существенно в случае взрывоопасных газов, таких как водород). Какое-либо превышение давления, вызванное чрезмерным расходом образующегося газа по отношению к расходу выпускаемого газа (избыточное давление, которое может быть связано со случайными закупориваниями выпускного отверстия (отверстий) для выпуска газов), является невозможным. Причина заключается в том, что когда давление газа в резервуаре становится выше гидростатического давления, уровень жидкости в резервуаре падает, необязательно до уровня по меньшей мере одного отверстия (отверстие в буферном объеме = отверстие в резервуаре), если такое давление газа становится избыточным; избыточные газы далее выпускаются как потери через по меньшей мере одно отверстие. Таким образом, давление газа в резервуаре ни в коем случае не может превышать гидростатическое давление в резервуаре.
Жидкость реагирует с твердым веществом (загрузкой) в его объеме или, главным образом, на его поверхности. Газы, изначально присутствовавшие G0, и образующийся газ G выпускаются через по меньшей мере одно выпускное отверстие, дойдя до него. Таким образом, твердая загрузка предпочтительно является проницаемой для жидкостей и газов или состоит, например, из монолитной колонны без сквозного канала (см. ниже).
Специалист в данной области техники понимает, что способ согласно изобретению исходит из того, что давление жидкости в по меньшей мере одном выпускном отверстии (для выпуска газа из резервуара) ниже (по меньшей мере незначительно ниже, но все-таки ниже), чем давление жидкости в по меньшей мере одном отверстии (для поступления жидкости в резервуар). Это определяет местоположение резервуара в жидкости, это определяет концепцию о верхней части и нижней части резервуара. Резервуар можно схематично уподобить воронке в перевернутом положении или бездонной бутыли, содержащей на своей сужающейся конечной части твердую загрузку.
Способ согласно изобретению может выполняться с любой парой жидкость/твердое вещество, в которой жидкость и твердое вещество способны продуцировать газ при реакции друг с другом. Можно упомянуть, не ограничиваясь перечнем, следующие пары с указанием природы образующегося газа:
2
(бикарбонат (или карбонат) натрия (или кальция, магния или калия); кислая вода) ->CO;
2
3
(AlN; HO)->NH;
2
(Zn; HCl(aq)->H.
2
2,
3
Природа образующегося газа зависит, разумеется, от состава твердого вещества и природы жидкости. Образующийся газ может преимущественно состоять из одной или нескольких молекул (H и/или CO и/или NH).
В контексте осуществления способа согласно изобретению можно регулировать давление газа в резервуаре с помощью изменения глубины погружения резервуара в жидкость. Дело в том, что давление газа в резервуаре практически равно (если не считать падений давления) величине гидростатического давления жидкости на глубине погружения резервуара. Эта возможность регулирования является несомненным преимуществом способа согласно изобретению.
Способ согласно изобретению, таким образом, позволяет осуществлять саморегулирование объемного расхода образующегося газа в зависимости от потребностей (то есть как функцию объемного расхода выпускаемого газа) без использования механических приспособлений для такого саморегулирования. Способ согласно изобретению является в этом смысле способом, который чрезвычайно просто осуществить. Он также позволяет, как было указано выше, устанавливать давление выделяющегося газа с помощью выбора глубины погружения. И, наконец, он позволяет, как также было показано выше, получать выделяющийся газ незагрязненным.
Газ, выпускаемый из резервуара через по меньшей мере одно выпускное отверстие, может доставляться на глубину или к поверхности жидкости погружения.
Согласно одному из вариантов осуществления (см. выше), способ согласно изобретению также включает в себя регулирование объемного расхода выпускаемого газа с помощью регулируемого изменения по меньшей мере одного выпускного отверстия (для выпуска газа). Такое регулирование позволяет изменять с течением времени объемный расход образующегося газа, который выпускают в соответствии с требованиями потребителя.
4
2
4
4
Твердая загрузка (которая является проницаемой (благодаря своей природе или благодаря наличию в ее объеме по меньшей мере одного канала) для жидкостей и газов для хорошего протекания реакции «твердое вещество/жидкость» и хорошего отвода образующегося газа из твердой массы, или которая также может иметь форму колонны, не занимающей всю ширину верхней части внутреннего объема резервуара) представляет собой, фактически, загрузку предшествующего уровня техники, которая может отличаться своим составом и геометрической формой. Что касается ее геометрической формы, она может состоять из одного или нескольких монолитных блоков, необязательно имеющих по меньшей мере один сквозной канал (позволяющий осуществлять проход газов (G0 и G) и жидкости (L) вертикально из нижней части в верхнюю часть резервуара, в частности, допуская, что блок (блоки) перегораживает (перегораживают) резервуар), гранул (расположенных насыпью или упорядоченно), порошка или пены. Что касается композиции, она может включать в себя (или даже состоять из) гидрид металла, предпочтительно, боргидрид металла (щелочного или щелочноземельного металла), очень предпочтительно, Mg(BH) или NaBH (при этом NaBH является особенно предпочтительным). Такой гидрид очень хорошо подходит для реакции с водой (пресной водой, морской водой, водным раствором перекиси водорода) с образованием водорода (в результате гидролиза). Твердое вещество в своем составе также может содержать, как правило, менее 5 масс. % добавок, таких как катализатор реакции (например, такой как лимонная кислота), связующее вещество, антиокислитель и агенты, облегчающие формование (в случае, когда загрузка имеет форму гранул или блока).
Обычно способ согласно изобретению предпочтительно проводят с использованием в качестве жидкости пресной воды, морской воды или водного раствора перекиси водорода.
В контексте предпочтительного варианта осуществления способа, твердое вещество и жидкость подходят для получения водорода. Образующийся при этом водород может, в частности, использоваться для снабжения компонента, выбранного из топливных элементов, горелок и турбин внутреннего сгорания. Способ согласно изобретению особенно предпочтительно используют для такого снабжения. С учетом приведенных выше комментариев понятно, что способ согласно изобретению хорошо подходит для регулируемого снабжения водородом, (фактически) не содержащим примесей, топливных элементов, водородных горелок и турбин внутреннего сгорания в морских условиях. Однако для способа полностью не исключается реализация его с целью заполнения конструкций водородом (или даже другим газом), хотя функция саморегулирования получения водорода (или любого другого газа) в таком контексте обычно не является необходимой.
Согласно второму объекту, изобретение относится к устройству, подлежащему погружению, при этом устройство подходит для осуществления способа, описанного выше. Устройство включает в себя резервуар, имеющий:
- верхнюю камеру, содержащую в своем внутреннем объеме твердую загрузку и снабженную по меньшей мере одним выпускным отверстием, подходящим для выпуска газа;
- нижнюю камеру, при этом нижняя камера ограничена неподвижной или подвижной стенкой и имеет по меньшей мере одно отверстие, предназначенное для проникновения жидкости в ее внутренний объем;
верхняя и нижняя камеры сообщаются друг с другом, предпочтительно, соприкасаются.
Устройство включает в себя единственную часть: резервуар (состоящий из двух камер), при этом резервуар можно полностью схематично уподобить воронке в перевернутом положении или бездонной бутыли, содержащим на своей сужающейся конечной части твердую загрузку.
Твердая загрузка закреплена (расположена неподвижно) в верхней камере резервуара с помощью любого способа, подходящего для ее текстуры. В случае, когда твердая загрузка является порошкообразной или состоит из гранул, ее, например, помещают в оболочку из проволочной сетки. В случае, когда твердая загрузка представляет собой блок (необязательно имеющий сквозной канал (каналы)), пену, ее, например поддерживают с помощью планок, прикрепленных к стенкам резервуара. Твердая загрузка может, согласно одному из вариантов, перегораживать верхнюю часть камеры резервуара (в этом случае можно говорить о горизонтальной загрузке; в контексте данного варианта понятно, что по меньшей мере одно газовое выпускное отверстие находится выше горизонтальной загрузки, и что горизонтальная загрузка (в виде порошка, пены или монолита (монолитов) со сквозным (сквозными) каналом (каналами)) является проницаемой для жидкостей и газов) или, согласно другому варианту, может быть в форме колонны (монолита (монолитов) без сквозного (сквозных) канала (каналов)), плотно прикрепленной к верхней стенке верхней камеры (в этом случае можно говорить о вертикальной загрузке).
В любом случае благодаря своей структуре и/или своему местоположению (своему расположению) загрузка позволяет осуществлять циркуляцию жидкости (L) и газов (G0, G) в резервуаре, при этом газы (G0, G) циркулируют снизу вверх внутри резервуара.
По меньшей мере одно газовое выпускное отверстие может иметь регулируемое переменное поперечное сечение, что позволяет регулировать объемный расход выпускаемого из резервуара газа с течением времени по мере необходимости.
Следует отметить, что две камеры - верхняя и нижняя - не обязательно структурно отделены. Подразумевается, что верхняя камера в любом случае включает в себя верхнюю часть резервуара, содержащую твердую загрузку, а нижняя камера - нижнюю часть резервуара, предназначенную для создания буферного объема.
Согласно одному из вариантов, по меньшей мере одно отверстие нижней камеры резервуара или (и) по меньшей мере одно выпускное отверстие верхней камеры резервуара перед использованием устройства закрывают с помощью крышки или крышек. По меньшей мере одно отверстие может быть изначально герметизировано (закрыто) с помощью крышки, способной разрушаться при погружении, например, путем растворения при контакте с жидкостью или путем разрыва с помощью какого-либо механизма, предусмотренного для этой цели. По меньшей мере одно выпускное отверстие также может быть изначально герметизировано (закрыто) с помощью крышки, способной разрушаться при погружении, например, под действием давления газа при погружении устройства или путем разрыва с помощью какого-либо механизма, предусмотренного для этой цели.
Согласно одному из вариантов, перед погружением устройства нижняя камера резервуара втянута. Этот вариант может, в частности, существовать в виде двух вариантов осуществления: гибкая стенка в форме мешка нижней камеры сложена вокруг верхней камеры и способна разворачиваться, либо стенка нижней камеры удерживается вокруг верхней камеры и способна скользить вдоль верхней камеры. Этот вариант (в частности, это второе осуществление) является особенно предпочтительным с точки зрения ограничения размера устройства в условиях хранения его перед использованием.
Резервуар может быть снабжен балластом. Роль этого балласта заключается, например, в поддержании резервуара погруженным в воду на требуемую глубину и в требуемом положении независимо от изменения центра тяжести резервуара под действием изменения уровня жидкости в резервуаре и уменьшения веса, связанного с расходованием твердой загрузки. Также может быть возможно развернуть нижнюю камеру в тот момент, когда устройство погружено, при условии, что нижняя камера изначально втянута (см. выше).
Согласно одному из вариантов, подходящему, например, для подачи газов на поверхность жидкости, по меньшей мере одно выпускное отверстие верхней камеры продлевают с помощью трубопровода для газа (присоединенного к выпускному отверстию). Роль трубопровода заключается в перемещении газов, выпускаемых из резервуара, к месту их доставки, необязательно, на поверхность жидкости (например, для снабжения газом топливного элемента или горелки или турбины внутреннего сгорания).
Изобретение в его аспектах способа и устройства описано далее, ни в коей мере не неся ограничительного характера, со ссылкой на прилагаемые графические материалы. Пример осуществления способа согласно изобретению более подробно описан со ссылкой на последняя из фигур.
На Фиг. 1 схематически изображено погружное устройство согласно изобретению для получения газа у поверхности.
На Фиг. 2а и 2b схематически изображено устройство согласно изобретению (предпочтительный вариант), соответственно, в условиях хранения и в рабочем состоянии.
На Фиг. 3а и 3b также схематически изображено устройство согласно изобретению (другой предпочтительный вариант), соответственно, в условиях хранения и в рабочем состоянии.
На Фиг. 4 представлена диаграмма для устройства, использованного в качестве примера (устройства такого типа, как показано на Фиг. 1), и кривые для измерения работы устройства.
На Фиг. 1 устройство 1 согласно изобретению погружено в жидкость L в рабочей конфигурации. Устройство 1 состоит из резервуара 3, включающего в себя нижнюю камеру 4 (изначально используемую в качестве буферного объема) и верхнюю камеру 5, которые сообщаются друг с другом и которые соприкасаются (являются камерами, конструкционно не разделенными). Верхняя камера 5 содержит загрузку 6, состоящую из проницаемого твердого вещества, и снабжена выпускным отверстием 8, соединенным с трубой 7, которая поднимается к поверхности жидкости L. Клапан 12 для регулирования объемного расхода образовавшегося газа G присоединен вблизи открытого конца 8′ трубы 7 (в представленном варианте). Нижняя камера 4 снабжена отверстием 9, которое связано с жидкостью L. Труба 7 позволяет перемещать к поверхности газ G, полученный с помощью устройства 1, для использования его в компоненте 11, который может, например, состоять из горелки, топливного элемента, турбины внутреннего сгорания или надувной конструкции. На Фиг. 1, изображающей устройство в действии, в погруженном состоянии, жидкость L проникает в нижнюю камеру 4 (заполняет нижнюю камеру 4) и, отчасти, в верхнюю камеру 5 (уровень жидкости L в верхней камере 5 задан на уровне 2), так что она увлажняет часть загрузки 6, в результате чего реагирует с твердой загрузкой 6 с получением газа G.
На основании данной Фиг. 1 хорошо понятно, что газ G выходит через верхнюю часть, не будучи загрязненным жидкостью L.
Фиг. 2а и 2b иллюстрируют предпочтительный вариант устройства согласно изобретению, в частности, предпочтительный с точки зрения размера устройства во время его хранения перед использованием. Резервуар состоит из двух камер -нижней 41 и верхней 51: цилиндрическая верхняя камера 51 содержит твердую загрузку 61 и снабжена выпускным отверстием 81, цилиндрическая нижняя камера 41 первоначально, перед использованием устройства, втянута (как показано на Фиг. 2а). Объем устройства во время хранения (перед его использованием) вследствие этого сокращен до объема верхней камеры 51, окруженной нижней камерой 41. Когда устройство используют, то есть непосредственно перед его погружением, стенка 41а нижней камеры 41 может скользить (например, под действием собственного веса или опускаться с помощью балласта) вдоль верхней камеры 51, чтобы разместиться, как показано на Фиг. 2b, расширяя объем резервуара 31 и образуя нижнюю камеру 41, то есть буферный объем v (с учетом использования устройства). Согласно проиллюстрированному варианту, стенка 41а нижней камеры 41 после соскальзывания удерживается на камере 51 с помощью стержней 131, которые попадают в пазы 132, предусмотренные на внешней периферии верхней камеры 51. В точке соединения стержней 131/пазов 132 предпочтительно имеется кольцевое уплотнение. Цилиндрические камеры 41 и 51 предпочтительно имеют круглое или прямоугольное поперечное сечение.
Согласно другой конфигурации, представленной на Фиг. 3а и 3b, нижняя камера 41 состоит из гибкой цилиндрической мембраны 41b, один конец которой плотно присоединен к верхней камере 51. Эта мембрана 41b в исходном положении сложена в (один или) несколько раз вокруг верхней камеры 51, как показано на Фиг. 3а. Мембрана 41b способна разворачиваться (например, под собственным весом или опускаться с помощью балласта) с образованием нижней камеры 41 перед погружением устройства.
Далее изобретение проиллюстрировано с помощью примера практического осуществления способа согласно изобретению в соответствии с Фиг. 4. Способ осуществлен с помощью устройства, такого как схематически изображено на Фиг. 1 и воспроизведено слева на Фиг. 4.
Пример относится к получению водорода при реакции воды со смесью (10 к 1 по массе) боргидрида натрия и лимонной кислоты (лимонная кислота действует в качестве катализатора разложения).
4
Проницаемую порошкообразную твердую загрузку 6, состоящую из 400 г NaBH + 40 г лимонной кислоты, тщательно перемешанную, помещают в верхнюю камеру 5 резервуара 3, имеющего общую высоту 16 см. Твердая загрузка 6 занимает верхнюю камеру 5 резервуара 3 над высотой 9,5 см. Нижняя камера 4 резервуара 3, играющая роль буферного объема (v), таким образом, имеет высоту 6,5 см. Устройство, использовавшееся для осуществления способа согласно изобретению, как указано выше, представлено схематично параллельно с кривыми измерений, иллюстрирующими его работу, на Фиг. 4.
Верхняя камера 5 резервуара 3 снабжена выпускным отверстием 8, имеющим регулируемую площадь поверхности, позволяя регулировать максимальный объемный расход водорода, который может быть выпущен из резервуара 3.
Устройство погружают в момент времени t=0 с, при этом выпускное отверстие 8 подбирают по размеру, чтобы на выходе был объемный расход водорода: D1=0,32 л/мин. Работу устройства согласно изобретению иллюстрируют кривые уровня воды в резервуаре (измеренные с помощью погруженной камеры) и расхода водорода, получаемого с помощью устройства, изображенные на Фиг. 4.
Начиная с t=0 с вода проникает в резервуар (точка а), вытесняя через выпускное отверстие 8 газ (воздух = G0), изначально содержащийся в резервуаре 3. Образование водорода при этом не происходит. В момент времени t=180 с вода начинает контактировать с нижней частью твердой загрузки 6 (точка b), и начинается выделение водорода (точка а′). До тех пор пока объемный расход образующегося газа меньше максимального объемного расхода выходящего водорода (D1) (зафиксированного с помощью диаметра выпускного отверстия 8), вода продолжает подниматься и проникать в загрузку (до точки с). Объемный расход образующегося водорода стремительно увеличивается. Когда расход полученного водорода превышает (точка b′) максимальный объемный расход выходящего водорода (D1) (зафиксированный с помощью размера выпускного отверстия), объем получаемого газа, содержащегося в резервуаре, возрастает, и вода начинает выталкиваться назад вскоре после проникновения на несколько миллиметров в загрузку 6 (точка с). После того как загрузка смочена, расход водорода продолжает увеличиваться в течение нескольких минут, несмотря на то что уровень воды падает ниже загрузки 6. Затем объемный расход образующегося водорода снижается, и когда он опускается ниже (точка с′) порога максимального объемного расхода выходящего водорода D1, зафиксированного с помощью диаметра выпускного отверстия 1, объем газа, содержащегося в резервуаре 3, снижается, и вода в резервуаре 3 снова начинает повышаться (начиная с точки d). Этот цикл, таким образом, воспроизводится несколько раз, обеспечивая саморегулирование получения водорода в зависимости от потребностей.
Получаемый водород (фактически) не содержит примесей.