СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА
METHOD OF PRODUCING HYDROGEN

Изобретение относится к области химии, а более точно касается способа получения водорода.
Ввиду предполагаемого перехода к водородной энергетике производство молекулярного водорода является важнейшей задачей.
Наиболее дешевым и доступным сырьем для получения водорода в настоящее время рассматривается вода.
Известны различные способы получения водорода при взаимодействии воды с металлами, например, термохимический железо-паровой способ получения водорода.
Известен способ получения водорода (RU №2191742, опубл. 27.10.2002), при котором водород получают из водяного пара путем его конверсии в среде раскаленного в высоковольтном разряде технического железа, затем подвергают двустадийному осушению и сбору в интерметаллидные компрематоры, доводящие водород при десорбции до высокой степени чистоты, составляющей 99,99 об.%.
Известен способ получения водорода (RU №2466927, опубл. 20.11.2012) путем циклического окисления порошка металлического вольфрама водяным паром, который затем восстанавливают до металла при температуре 950-1200°С с помощью синтез-газа, получаемого при паровой конверсии угля. В начале циклического процесса чистый водяной пар подается в реактор с порошком металлического вольфрама при температуре 900-1200°С и давлении 0,1 МПа, где протекает реакция окисления. Для обеспечения требуемой глубины окисления металлического вольфрама водяной пар подается в реактор с 5-10-кратным избытком. Окисление металлического вольфрама до оксида W18O49 протекает в течение 15-20 минут. В результате реакции образуется газовая смесь водяного пара с водородом.
Производительность этих способов обусловлена периодической работой и скоростью гидротермального окисления.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является получение водорода путем взаимодействия алюминия и воды.
Известен способ получения водорода из воды с помощью плазменного генератора (RU №2440925, опубл. 27.01.2012), при котором в качестве рабочего плазмообразующего вещества используют пар или пароводяную смесь, в область дуги подают алюминиевый пруток и полученную смесь водорода и мелкодисперсных частиц оксида алюминия охлаждают в воде для отделения чистого водорода.
Известен способ получения водорода (RU №2432316, опубл. 27.10.2011), при котором в реактор в зону расположения алюминиевых электродов подают воду со следами гидроокисей щелочных металлов. Между электродами создают вольтову дугу, которая диспергирует алюминиевые электроды и распыляет их в вольтовой дуге с образованием алюминиевого нанопорошка, который взаимодействует с водой, образует оксиды алюминия и газообразный водород.
Известен способ получения водорода (RU №2430011, опубл. 27.10.2011, №2428372, опубл. 10.09.2011), при котором в реактор между электродами периодически подают воду и алюминиевый порошок. Ток проходит по слою металлического порошка, образуя в точках неполного касания искровой высокочастотный разряд, диспергируют порошок, образуя наночастицы алюминия, которые, взаимодействуя с водой, образуют окислы алюминия и газообразный водород.
Известен способ получения водорода (RU №2363659, опубл. 10.08.2009) окислением алюминия водой, при котором готовят суспензию порошкообразного алюминия в воде в присутствии катализатора гидроксида щелочного металла и распыляют ее в реактор высокого давления, выдерживают для окисления алюминия и выводят из реактора смесь паров воды и водорода.
Известен способ получения водорода (RU №2223221, опубл. 10.02.2004) окислением алюминия водой, при котором суспензию мелкодисперсного порошкообразного алюминия в воде, непрерывно подают в реактор высокого давления, где суспензию порошкообразного алюминия распыляют при диаметре капель не более 100 мкм в воду при температуре 220-900°С и давлении 20-40 МПа.
2
3
Главным недостатком известных методов окисления алюминия является невысокая производительность, обусловленная гетерогенным характером процесса на поверхности металлических частиц. Отрицательно влияет на производительность гидротермальных установок и циклический характер их работы, требующий периодической перезагрузки топлива и очистки фильтров от образующихся крупных частиц АlО. Это препятствует промышленному производству водорода.
В основу изобретения положена задача создания более производительного альтернативного способа получения водорода.
Техническим результатом является повышение производительности за счет получения водорода высокотемпературным синтезом.
В качестве альтернативы предлагается метод высокотемпературного синтеза водорода на основе горения флюидизированного инертным газом нанопорошка алюминия в парах воды.
Термин "флюидизированный алюминий" обозначает нанопорошок чистого алюминия в инертном газе (последний препятствует образованию оксидной пленки).
Поставленная задача решается тем, что алюминий в виде нанопорошка псевдоожижают сжатым инертным газом и приводят в контакт с водой в виде водяного пара в реакционной зоне, в результате чего флюидизированный нанопорошок алюминия самовоспламеняется и горит в водяном паре в объеме реакционной зоны, тем самым с получением высоких температур для газификации наночастиц алюминия и образованием высокотемпературным синтезом в газофазной реакционной среде молекулярного водорода, который отделяют с помощью мембраны в качестве целевого продукта от побочных, таких как остатков паров воды, инертного газа и дополнительных продуктов, полученных при синтезе, например, дисперсных частиц кристаллического корунда.
Принципиальная схема получения водорода высокотемпературным синтезом водорода показана на рисунке.
Ее основным элементом является адиабатически устроенная реакционная зона высокотемпературного химического реактора 1, имеющего впуск 2 для нанопорошка алюминия псевдоожиженного сжатым инертным газом, впуск 3 для водяного пара и выпуск 4 для вывода остатков паров воды, инертного газа и дополнительных продуктов, полученных при синтезе, например, дисперсных частиц кристаллического корунда.
Способ осуществляют следующим образом.
Инертный газ, сжатый до давления в несколько атмосфер, подают непрерывным потоком в емкость 5 с нанопорошком алюминия с достижением его псевдоожижения (термин "псевдоожижение" означает полную увлекаемость газовым потоком нанопорошка алюминия).
Псевдоожиженный сжатым инертным газом нанопорошок алюминия и вода в виде водяного пара поступают в реакционную зону высокотемпературного химического реактора.
Образование водяных паров может быть достигнуто, например, за счет впрыска воды, предварительно прогретой до температуры, близкой к температуре кипения, в реакционную зону через форсунки с перепадом в несколько атмосфер. Адиабатическое устройство реакционной зоны может быть обеспечено, например, устройством ее терморубашек. В реакционной зоне высокотемпературного химического реактора 7 флюидизированный инертным газом нанопорошок алюминия при контакте с водяным паром самовоспламеняется и горит в водяном паре в объеме реакционной зоны.
При горении алюминия в парах воды развиваются весьма высокие температуры - более 3000К. Получение высоких температур приводит к газификации наночастиц алюминия и образованию высокотемпературным синтезом в газофазной реакционной среде молекулярного водорода. Эксперименты показывают, что наночастицы алюминия при высоких температурах ~1800К быстро газифицируются с образованием атомарного алюминия. Благодаря этому горение алюминия происходит через газофазные реакции, протекающие во всем объеме реакционной зоны, а не на поверхности частиц. Это существенно повышает производительность способа.
2
3
Инертный газ препятствует образованию оксидной пленки. Кроме того, на входе в реакционную зону инертный газ используется для псевдоожижения нанопорошка алюминия. На выходе из нее тот же инертный газ играет роль дисперсионной среды двухфазных продуктов горения. Полученный водород может быть отделен с помощью мембраны, например, платиновой, в качестве целевого продукта от побочных, таких как остатков паров воды, инертного газа и дополнительных продуктов, полученных при синтезе, например, дисперсных частиц кристаллического корунда. Кроме того, поскольку крупные оксидные частицы АlО, отрицательно влияющие на работу установки, не успевают образоваться за время сгорания ~0.1 с, на выходе получается кристаллический порошок (корунд) микронного размера, имеющий большое практическое значение, сопутствующее получение которого могло бы удешевить производство основного продукта - водорода.
При модельном осуществлении способа в качестве инертного газа использовали аргон при давлении 10 атм, соотношение нанопорошка алюминия и паров воды применяют близким к стехиометрическому между ними, при этом температура синтеза молекулярного водорода составляет не менее 1800К(Аr), содержание аргона (Аr) в смеси составляет по массе 80%. Скорость потока в высокотемпературном реакторе 1 составляла U=10 м/с и выбрана из условия, чтобы его длина оставалась в пределах 1-10 м, а сам процесс сгорания проходил в изобарном режиме. Расчеты показывают, что при начальных условиях Т=1800К, Р=10 атм, α=1-2 и при 80% (по массе) Аr в смеси на входе в высокотемпературный реактор (но после газификации Аl) выход водорода составляет примерно 10-12% от массы Аl, а выход частиц корунда - около 12-14% по массе от суммарного выхода всех продуктов горения.
Изобретение может быть использовано для производства водорода.