СИСТЕМА КОНТРОЛИРУЕМОЙ ВЫРАБОТКИ ВОДОРОДА НА МЕСТЕ ПО НЕОБХОДИМОСТИ ПРИ ПОМОЩИ ВТОРИЧНОГО ЖИДКОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО РЕАГЕНТА И МЕТОД, ИСПОЛЬЗОВАННЫЙ В СИСТЕМЕ

1. Система выработки водорода для контролируемой выработки водорода по мере необходимости на месте, включающая первое хранилище (1) для хранения первого реактива и второе хранилище (2) для хранения деминерализованной воды, как второго реактива, реактор (3), в котором реактивы вступают в реакцию для выработки газообразного водорода, реактор (3) включает впускные патрубки реактивов (3а, 3b) и выпускной патрубок реактора (3с), средства подачи (7, 8) для контролируемой подачи первого реактива, нагретого свыше температуры плавления в реакторе (3); системы подачи воды (13, 14, 15) для подачи деминерализованной воды в реактор (3); разделители (4, 18), соединенные с выпускным патрубком реактора (3с) для отделения газообразного водорода от остаточного продукта реакции, полученного в реакторе (3); и приемник водорода (5), соединенный с первым разделителем (4) для приема газообразного водорода, полученного из первого разделителя (4); характеризующаяся тем, что
в качестве реактива используется чистый металл без примесей алюминия, отобранный среди щелочных металлов, щелочноземельных металлов, сплавов щелочных металлов и смесей щелочных металлов, состоящих из щелочных металлов, сплавов щелочноземельных металлов и смесей щелочноземельных металлов, а также сплавов металлов и смесей, состоящих, как минимум, из одного щелочного металла и, как минимум, одного щелочноземельного металла, а остаточный продукт реакции состоит из гидроксида металла, отобранного среди гидроксидов щелочных металлов и гидроксидов щелочноземельных металлов;
средствами подачи (7, 8) являются средства подачи металлического реактива (7, 8) для управляемой подачи потока металлического реактива в жидком состоянии в реактор (3) путем выдавливания;
система подачи воды (13, 14, 15) для непрерывного поддержания стехиометрического соотношения, предпочтительно холодной и жидкой, воды в соответствии с количеством металлического реактива, подаваемого в реактор (3), чтобы поддержать в реакторе (3) необходимое соотношение воды и реактива;
реактор (3) является гомогенным;
дополнительно предусматриваются средства (10а, 10b, 10с) предотвращения попадания кислорода в хранилища (1, 2), средства подачи металлического реактива (7, 8), систему подачи воды (13, 14, 15), реактор (3), разделители (4, 18) и приемник водорода (5) путем выборочного применения вакуума в системе.
2. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что
первое хранилище (1) соединяется с первым впускным патрубком реактора (3а) через систему подачи металлического реактива, состоящую из
как минимум, одного устройства подачи (7) для управляемой подачи потока металлического реактива в жидком состоянии в реактор (3) путем выдавливания через жиклер экструзионной головки определенного размера;
трубы подачи металлического реактива (8), соединяющей устройство подачи (7) с первым патрубком реактора (3а);
нагревателей реактива (9а, 9b) для нагревания металлического реактива до указанной температуры, превышающей температуру плавления металлического реактива для приведения металлического реактива в жидкое состояние перед подачей в реактор (3);
вакуумных генераторов (10а, 10b, 10с) для выборочного создания вакуума в первой системе подачи, хранилищах (1, 2), системе подачи воды (13, 14, 15), реакторе (3), разделителях (4, 18) и приемнике водорода (5) без примесей кислорода;
клапана управления расходом (11, 12) для управления потоком металлического реактива, поступающего в реактор (3);
охладителя (17) для поддержания рабочей температуры реактора (3);
второе хранилище (2) соединяется со вторым впускным патрубком реактора (3b) через систему подачи воды, состоящую из трубы подачи воды (13), которая соединяет второе хранилище (2) со вторым впускным патрубком реактора (3b), дозатора воды (14) для дозирования воды, подаваемой в реактор (3), и устройства подачи воды (15), соединенного со вторым впускным патрубком реактора (3b);
клапан управления расходом (11) и дозатор воды (14) находятся под управлением средств контроля соотношения, чтобы дозатором воды (14) постоянно осуществлялась подача упомянутого стехиометрического объема воды для поддержания в реакторе (3) контролируемого соотношения металлического реактива/воды.
3. Система по п. 2, характеризующаяся тем, что в состав устройства подачи металла (7) входит
цилиндрическая емкость (7а),
камера головки (7b), в которую подается металлический реактив, и которая включает выпускной патрубок реактива (7с), соединенный с трубой подачи металла (8), впускной патрубок реактива (7d), соединенный с первым хранилищем (1) трубой подачи металлического реактива (7g), и клапан подачи металлического реактива (7i), установленный между впускным патрубком реактива (7d) и первым хранилищем (1);
вакуумный порт (7е), соединенный с вакуумным генератором (10а, 10b, 10с);
поршень (7f), движущийся внутри цилиндрической емкости (7а) в направлении первого положения (С), в результате чего металлический реактив всасывается в камеру головки (7b) через впускной патрубок реактива (7е), и в направлении второго положения (V), в результате чего металлический реактив выталкивается из камеры головки (7b) через выпускной патрубок реактива (7с) в трубу подачи металлического реактива (8),
исполнительный механизм поршня (7j) для управления перемещением поршня (7) между упомянутым первым положением (С) и вторым положением (V) для подачи управляемого давления на жидкий металлический реактив внутри цилиндрической емкости (7а).
4. Система по п. 2, характеризующаяся тем, что клапан управления расходом (11, 12) устанавливается в трубе подачи металлического реактива (8) и включает
клапан управления расходом (11), установленный между выпускным патрубком реактива (7с) и первым впускным патрубком реактора (3а);
запорный клапан (12), установленный между клапаном управления давлением (11) и первым впускным патрубком реактора (3а) для предотвращения обратного потока из реактора (3).
5. Система по п. 2, характеризующаяся тем, что средства генерации вакуума (10а, 10b, 10с) включают вакуумную систему (10а), соединенную с вакуумным портом (7е) через вакуумную трубу (10b), и вакуумный клапан (10с), установленный в вакуумной трубе (10b).
6. Система по п. 3, характеризующаяся тем, что к средствам нагревания реактива (9а, 9b) относится первый нагреватель реактива (9а), предназначенный для нагревания, как минимум, камеры головки (7b) устройства подачи металлического реактива (7).
7. Система по п. 3, характеризующаяся тем, что к средствам нагревания реактива (9а, 9b) относится второй нагреватель реактива (9b), предназначенный для нагревания трубы подачи металлического реактива (8).
8. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что к средствам разделения (4, 18) относится первый разделитель (4), соединенный с выходным патрубком реактора (3с), и входной патрубок (4а), соединенный с выходным патрубком реактора (3с) для приема смеси водорода и остаточного продукта реакции, полученного в реакторе, первый выходной патрубок (4b) соединен с приемником водорода (5), второй (4с) - с приемником гидроксида металла (6), предназначенного для приема остаточного продукта реакции из первого разделителя (4).
9. Система по п. 8, характеризующаяся тем, что выпускной патрубок реактора (3с) соединен с распылительным соплом (16) для распыления упомянутой жидкости в первый разделитель (4).
10. Система по п. 8, характеризующаяся тем, что первый разделитель (4) может включать всасывающий порт (4d), соединенный с вакуумной системой (10а), и пусковой вакуумный клапан (23), установленный между всасывающим портом (4d) и вакуумной системой (10а).
11. Система по п. 8, характеризующаяся тем, что она включает второе разделительное устройство (18), установленное между приемником водорода (5) и первым выпускным патрубком (4b) первого разделителя (4), второй разделитель (18), являющийся туманоуловителем, в состав которого входит впускной парогазовый патрубок (18а), соединенный с первым выпускным патрубком первого разделителя (4), выпускной патрубок водорода (18b), соединенный с приемником водорода (5), и выпускной патрубок гидроксида металла (18с), соединенный с приемником гидроксида металла (6).
12. Система по п. 11, характеризующаяся тем, что в ее состав входит устройство фильтрования водорода (19), установленное между туманоуловителем (18) и приемником водорода (5).
13. Система по п. 2, характеризующаяся тем, что охладитель (17) реактора (3) термически соединяется с первым и/или вторым реактивным нагревателем (9а, 9b) через контур охлаждающей жидкости, так что тепло, выделившееся в реакторе (3), используется для нагревания металлического реактива перед подачей в реактор (3).
14. Система по п. 1, характеризующаяся тем, что в ее состав дополнительно входит
реактор восстановления гидроксида металла (24), включающий реактивную камеру (24а), впускной патрубок подачи остаточных продуктов (24с), к которым относится, как минимум, гидроксид одного металла в реактивной камере (24а), для приведения остаточного продукта реакции в соприкосновение с восстановителем из ферросилиция и оксида кальция, выпускной патрубок реактора (24d) для выборочного отведения жидкости и парообразного металлического реактива из реактивной камеры (24а);
нагреватель реактора (25) для выборочного нагревания реактивной камеры (24а) до температуры испарения жидкости для удаления жидкости из остаточных продуктов реакции, до температуры кальцинирования для преобразования дегидрированного гидроксида металла в оксид металла, и до температуры испарения, превышающей температуру кипения металлического реактива, присутствующего в остаточных продуктах реакции, чтобы получить парообразный щелочной металл;
вакуумный трубопровод (26а), соединенный с выпускным патрубком отведения (24d) и с вакуумным генератором (26b);
вакуумная ловушка (27), установленная в вакуумном трубопроводе (26а) между выпускным патрубком отведения (24d) и вакуумным генератором (26b), вакуумная ловушка (27) включает выпускной патрубок конденсата (27а), установленный в нижней части и соединенный с клапаном отведения конденсата (28) и вентиляционным выпускным патрубком (27b), установленным в верхней части, и соединенным с вентиляционным клапаном (29);
клапан отведения жидкости (26с), установленный в вакуумном трубопроводе (26а) между выпускным патрубком отведения (24а) и вакуумной ловушкой (27);
охладитель жидкости (30) для охлаждения жидкости в вакуумной ловушке (24) до температуры конденсации;
трубопровод отведения (31), соединенный с выпускным патрубком отведения реактора (24d) и с резервуаром щелочного металла (32);
охладитель щелочного металла (33), установленный в трубопроводе отведения (31) для сжижения парообразного щелочного металла, поступающего в трубопровод отведения (31) путем охлаждения до температуры, превышающей температуру плавления щелочного металла, в результате чего расплавленный щелочной металл поступает в резервуар щелочного металла (32).
15. Система по п. 14, характеризующаяся тем, что резервуар щелочного металла (32) снабжен нагревателем (34) для поддержания расплавленного щелочного металла в жидком состоянии.
16. Система по п. 14, характеризующаяся тем, что резервуар щелочного металла (32) - это упомянутое выше хранилище (1).
17. Система по п. 14, характеризующаяся тем, что реактор восстановления гидроксида металла (24) включает впускной патрубок восстановителя (24b) для подачи смеси измельченного ферросилиция и оксида кальция в реакционную камеру (24а)
18. Система по п. 2, характеризующаяся тем, что охладитель (17) реактора (3) термически соединяется с реактором восстановления гидроксида (24) через контур охлаждающей жидкости, так что тепло, выделившееся в реакторе (3), используется для нагревания реактора восстановления гидроксида металла (24).
19. Метод контролируемой выработки водорода на месте по мере необходимости в соответствии с изобретением основан на реакции металлического реактива, отобранного среди щелочных металлов, щелочноземельных металлов, сплавов и смесей, состоящих из щелочных металлов, щелочноземельных металлов, а также сплавов, состоящих, как минимум, из одного щелочного металла, и как минимум, одного щелочноземельного металла, с водой для получения водорода и остаточного продукта реакции в виде гидроксида металла, отобранного среди щелочных гидроксидов и щелочноземельных гидроксидов; и отделения водорода от остаточного продукта реакции; характеризуется тем, что метод охватывает
сжижение металлического реактива путем нагревания в вакууме;
подача жидкого металлического реактива в гомогенный реактор (3) выдавливанием при помощи средств подачи металлического реактива (7, 8) и одновременной подачей воды соответствующей системой (13, 14, 15) для поддержания стехиометрического соотношения воды в соответствии с количеством жидкого металлического реактива, подаваемого в реактор (3), чтобы поддержать в реакторе (3) необходимое соотношение воды и реактива;
транспортировку водорода и остаточного продукта из реактора (3) в разделителях (4, 18);
разделение водорода и остаточного продукта реакции;
транспортировку выделенного водорода в хранилище водорода (5) и транспортировку остаточного продукта реакции в приемник гидроксида металла (6), в результате чего в системе подачи металлического реактива (7, 8), системе подачи воды (13, 14, 15), реакторе (3), средствах разделения (4, 18) и приемнике водорода (5) кислород отсутствует, благодаря выборочному применению вакуума в системе.
20. Метод по п. 19, характеризующийся тем, что щелочной металл восстанавливается из гидроксида щелочного металла, присутствующего в остаточном продукте реакции, путем восстановления гидроксида щелочного металла в реакторе восстановления гидроксида металла (24) при помощи нескольких восстановителей с помощью процесса, включающего
транспортировку остаточного продукта реакции из приемника гидроксида металла (6) в реактор восстановления гидроксида металла (24);
генерацию вакуума в реакторе восстановления гидроксида металла (24), содержащем остаточный продукт реакции;
тепловую дегидрацию в вакууме остаточного продукта реакции;
отведение испарившейся воды из реактора восстановления гидроксида (24), чтобы удалить влагу из остаточного продукта реакции;
кальцинирование остаточного продукта реакции для преобразования гидроксида металла в оксид металла;
восстановление оксида металла в вакууме восстановителем, состоящим из смеси измельченного дегидрированного ферросилиция и дегидрированного оксида кальция, путем нагревания оксида металла в реакторе (24) до температуры, превышающей температуру кипения металлического реактива, присутствующего в оксиде металла, тем самым обеспечивая стехиометрическое восстановление оксида металла для получения парообразного металлического реактива;
отведение парообразного щелочного металла из реактора восстановления гидроксида (24) и его транспортировку в конденсатор;
сжижение парообразного щелочного металла в конденсаторе путем его охлаждения до температуры, превышающей температуру плавления щелочного металла, для получения жидкого металлического реактива;
транспортировку жидкого металлического реактива в резервуар металлического реактива (32).
21. Метод по п. 20, характеризующийся тем, что щелочной металл поддерживается в жидком состоянии в резервуаре щелочного металла (32).
22. Метод по п. 20 или 21, характеризующийся тем, что щелочной металл, находящийся в резервуаре (32), подается в упомянутый реактор (3) устройством подачи металлического реактива (7).