РЕАКТОР ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ ОТХОДОВ И ТОКСИЧНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Предлагаемая полезная модель относится к области переработки полимерных отходов и токсичных органических соединений в водород и другую ликвидную химическую продукцию.
Известен реактор для производства водорода из полимерных отходов и токсичных органических соединений, содержащий реакционную камеру для переработки этих веществ в продукты переработки в присутствии реагентов, устройства подачи перерабатываемых веществ и реагентов в реакционную камеру и устройства удаления из реакционной камеры продуктов переработки [Патент на полезную модель №33538 (RU 33538 U1), приоритет от 27.06.2003 г].
В этом реакторе реакционная камера выполнена в виде замкнутого, вакуумноплотного, теплоизолированного контура и вакуумноплотно соединена с вакуумным насосом и через вентиль с баллоном, содержащим инертный газ, внутри реакционной камеры расположены насос, разрядный промежуток, представляющий собой область, расположенную между электродами, которые соединены с источником высоковольтного импульсного напряжения, термостатированный участок реакционной камеры, расположенные вне реакционной камеры устройства подачи перерабатываемых веществ и реагентов в реакционную камеру включают в себя резервуар с перерабатываемым веществом и нагреватель-холодильник, расположенный вне реакционной камеры резервуар с реагентами (пары металлов) и нагреватель, устройства удаления из реакционной камеры продуктов переработки включают в себя устройство удаления конденсирующихся продуктов переработки, представляющее собой приспособление для фильтрации конденсированных продуктов переработки, расположенное внутри реакционной камеры, и сборник конденсированных продуктов переработки, расположенный снаружи реакционной камеры, устройство удаления из реакционной камеры газообразных продуктов переработки, представляющих собой водород, включает в себя расположенную в реакционной камере мембрану, пропускающую водород и не пропускающую другие газы, заполняющие реакционную камеру, и расположенные снаружи реакционной камеры насос и резервуар для сбора водорода. В разрядный промежуток поступает с потоком инертного газа, циркулирующего с помощью насосов в реакционной камере, перерабатываемое вещество, переведенное в газообразное состояние с помощью нагревателя-холодильника в случае жидких и твердых перерабатываемых веществ, и подаются пары реагентов. В разрядном промежутке между электродами осуществляется высоковольтный импульсный разряд, возбуждаемый с помощью источника питания, под действием которого молекулы перерабатываемого вещества диссоциируют на атомы молекулы и радикалы. Продукты диссоциации в межимпульсный интервал времени посредством химических реакций друг с другом и с атомами реагентов образуют первичные продукты переработки. Первичные продукты с потоком инертного газа и пары реагентов поступают в термостатированный участок, обеспечивающий заданную температуру газа по всей его длине. В термостатированном участке продукты диссоциации вступают в реакции ассоциации друг с другом и атомами реагента, поступающими в термостатированный участок. С потоком инертного газа продукты переработки поступают в устройства удаления конденсирующихся продуктов переработки, в котором, пройдя через приспособление для фильтрации конденсированных продуктов переработки, переводятся в конденсированное состояние посредством конденсации из газообразной фазы, и накапливаются в специальных сборниках. Водород, отделенный с помощью мембраны от газовой смеси, циркулирующей в реакционной камере, посредствам насоса удаляется из реакционной камеры и собирается в резервуаре.
H
Недостатки этого реактора заключаются в том, что, во-первых, он предназначен только для переработки веществ, не содержащих кислород. Во-вторых, он содержит сложное технологическое устройство - разрядный промежуток с системой подачи в него паров металла. В-третьих, это реактор характеризуется низкой эффективностью производства водорода, оцениваемой как отношение тепла, выделяющегося при сгорании водорода, полученного при переработке полимерных отходов и токсичных органических соединений, к электрической энергии, затрачиваемой на переработку названных веществ W.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является реактор для получения водорода из полимерных отходов и токсичных органических соединений, содержащий реакционную камеру для переработки веществ в продукты переработки в присутствии реагентов, устройства подачи перерабатываемых веществ и реагентов в реакционную камеру и устройства удаления из реакционной камеры продуктов переработки [Патент на полезную модель №53180 (RU 53180 U1). 1.11.2005 г. прототип].
В этом реакторе реакционная камера выполнена в виде замкнутого, вакуумноплотного, теплоизолированного контура и вакуумноплотно соединена с вакуумным насосом и через вентиль с баллоном, содержащим инертный газ, внутри реакционной камеры расположены насос, разрядный промежуток, представляющий собой область, расположенную между электродами, которые соединены с источником высоковольтного импульсного напряжения, термостатитрованный участок реакционной камеры, расположенные вне реакционной камеры устройства подачи перерабатываемых веществ и реагентов (паров металлов) включают в себя резервуар с Перерабатываемым веществом и нагреватель-холодильник, расположенный вне реакционной камеры резервуар с реагентами и нагреватель, устройства удаления продуктов переработки полимерных отходов и токсичных органических соединений включают в себя расположенное внутри реакционной камеры съемное устройство конденсации продуктов переработки, выполненное в виде нескольких включенных параллельно узлов, каждый из которых представляет собой снабженный холодильником канал с расположенными внутри него диафрагмами, расположенное внутри реакционной камеры съемное устройство вывода из реакционной камеры монооксида углерода, выполненное в виде нескольких включенных параллельно узлов, каждый из которых представляет собой канал с расположенными внутри него металлической вставкой из Металла, карбонил которого образуется в результате взаимодействия с монооксидом углерода, фильтром, предназначенным для удаления микрочастиц, способных отрываться от стенок узла, системой конденсации карбонила металла, и расположенных снаружи каналов устройств, регулирующих температуру системы конденсаций карбонила металла и поддерживающих температуру металлической вставки на уровне, обеспечивающим реакцию образования карбонила металла при попадании на него молекул монооксида углерода, устройство вывода водорода, выполненное в виде нескольких включенных параллельно и расположенных внутри реакционной камеры узлов, каждый из которых представляет собой канал с расположенными внутри него мембраной, в нагретом состоянии пропускающей водород, сеткой, предохраняющей мембрану от попадания на нее химически агрессивных веществ, нагревателем мембраны, и расположенных снаружи реакционной камеры насосом и резервуаром для сбора водорода. В разрядный промежуток поступает с потоком инертного газа, циркулирующего с помощью насосов в реакционной камере, перерабатываемое вещество, переведенное в газообразное состояние с помощью нагревателя-холодильника в случае жидких и твердых перерабатываемых веществ, и подаются пары реагентов. В разрядном промежутке между электродами осуществляется высоковольтный импульсный разряд, возбуждаемый с помощью блока питания, под действием которого молекулы перерабатываемого вещества диссоциируют на атомы, молекулы и радикалы. Продукты диссоциации с потоком инертного газа поступают в термостатитрованный участок, где вступают в реакции друг с другом и реагентом, образуя продукты переработки. Продукты переработки с потоком инертного газа поступают в съемное устройство конденсации, между диафрагмами которого они накапливаются путем конденсации из паровой фазы. Оставшиеся в реакционной камере газообразные продукты, такие как монооксид углерода и водород, с потоком инертного газа поступают в съемное устройство вывода монооксида углерода, в котором при взаимодействии молекул монооксида углерода с металлической вставкой образуется карбонил металла, который улавливается из паровой фазы и накапливается в системе конденсации карбонила металла. Газообразный водород поступает с потоком инертного газа в устройство вывода водорода. Водород, отделенный мембраной, нагретой посредством нагревателя, от газовой смеси, циркулирующей в реакционной камере, посредством насоса выводится из реакционной камеры и собирается в резервуаре.
К недостаткам этого реактора относятся наличие в нем сложного технологического устройства - разрядного промежутка с системой подачи в него паров металла и низкая эффективность производства водорода, не превышающая, согласно расчетам, 10%.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу замены разрядного промежутка на более простое техническое устройство и задачу производства водорода из полимерных отходов и токсичных органических соединений с эффективностью большее единицы.
Поставленная техническая задача решается за счет того, реактор содержит реакционную камеру, выполненную в виде замкнутого, вакуумноплотного, теплоизолированного контура и вакуумноплотно соединенную с вакуумным насосом и через вентиль с баллоном, содержащим инертный газ, внутри реакционной камеры расположены насос, устройство пиролиза, включающее в себя термостойкий канал, помещенный в тепловую изоляцию и снабженный на входе устройством, инициирующим пиролиз перерабатываемых веществ, расположенные вне реакционной камеры устройства подачи перерабатываемых веществ и реагентов включают в себя резервуар с перерабатываемым веществом, снабженный нагревателем-холодильником, и резервуар с реагентом, снабженный нагревателем, устройства удаления продуктов переработки полимерных отходов и токсичных органических соединений включают в себя расположенное внутри реакционной камеры съемное устройство конденсации продуктов переработки, выполненное в виде нескольких включенных параллельно узлов, каждый из которых представляет собой снабженный холодильником канал с расположенными внутри него диафрагмами, расположенное внутри реакционной камеры съемное устройство вывода из реакционной камеры монооксида углерода, выполненное в виде нескольких включенных параллельно узлов, каждый из которых представляет собой канал с расположенными внутри него металлической вставкой из металла, карбонил которого образуется в результате взаимодействия с монооксидом углерода, фильтром, предназначенным для удаления микрочастиц, способных отрываться от стенок узла, системой конденсации карбонила металла, и расположенных снаружи каналов устройств, регулирующих температуру системы конденсации карбонила металла и поддерживающих температуру металлической вставки на уровне, обеспечивающим реакцию образования карбонила металла при попадании на него молекул монооксида углерода, устройство вывода водорода, выполненное в виде нескольких включенных параллельно и расположенных внутри реакционной камеры узлов, каждый из которых представляет собой канал с расположенными внутри него мембраной, в нагретом состояний пропускающей водород, сеткой, предохраняющей мембрану от попадания на нее химически агрессивных веществ, нагревателем мембраны, и расположенных снаружи реакционной камеры насосом и резервуаром для сбора водорода.
∂Σ
aΣ
aΣ
∂Σ
Техническое решение поставленной задачи обусловлено тем, что энергия, которая выделяется в процессе ассоциации продуктов диссоциации друг с другом и реагентом, может быть использована для подогрева молекул полимерных отходов и токсичных органических соединений, и, следовательно, для их пиролиза. Для примера в таблице 1 представлены результаты расчета энергии G, затрачиваемая на полную диссоциацию N молекул, содержащихся в одном кг полимерных отходов, энергии G, выделяющаяся при образовании продуктов переработки из одного кг полимерных отходов, и их разницы Q(Q=G-G) для полиэтилена (ПЭ), поливинилхлорида (ПВХ) и полиэтилентерефталата(ПЭТ), вычисленные по формулам:
i
i
j
j
l
aΣ
∂Σ
где  - энергия, затрачиваемая на полную диссоциацию одной молекулы полимерных отходов (i - тип связи в молекуле, n - число однотипных связей в молекуле, E - энергия разрыва связи i-го типа),  - энергия, выделяющаяся при образовании продуктов переработки одной молекулы полимерных отходов (j - тип связи в продуктах ассоциации, n - число однотипных связей в продуктах ассоциации, E - энергия разрыва связи j-го типа, l - тип молекул, образующихся в результате ассоциации, n - число однотипных молекул или радикалов в продуктах ассоциации). Из таблицы 1 видно, что разница энергий Q=G-G больше нуля. Очевидно, что использование пиролиза хотя бы для частичной диссоциаций молекул полимерных отходов и токсичных органических соединений приведет к снижению энергозатрат на диссоциацию молекул.
Таблица 1.
Энергия G<sub>∂Σ</sub>, затрачиваемая на полную диссоциацию молекул, содержащихся в одном кг полимерных отходов, энергия G<sub>aΣ</sub>, выделяемая при ассоциации продуктов диссоциации друг с другом и реагентом, разница Q этих энергий.
полимерные отходы
ПЭ
ПВХ
ПЭТ
G<sub>∂Σ</sub> кВтч
20,12
9,31
8,84
G<sub>aΣ</sub> кВтч
25,09
12,1
15,98
Q, кВтч
4,97
2,79
7,14
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется схемой, показанной на фиг.1.
Реактор содержит реакционную камеру 1, представляющую собой замкнутый, вакуумноплотный, теплоизолированный контур. Реакционная камера 1 связана через вентиль 2 с баллоном 3, содержащим инертный газ. Снаружи к реакционной камере 1 посредством вакуумных соединений подсоединены вакуумметр 4 для контроля давления инертного газа и насос 5 для обеспечения рабочего давления инертного газа. Насос 6, осуществляющий поток инертного газа в направлении, показанном стрелкой, установлен внутри реакционной камеры 1. К реакционной камере 1 вакуумноплотно подсоединены резервуар 7, заполненный перерабатываемым веществом, снабженный нагревателем-холодильником 8, и резервуар 9 заполненный реагентом и снабженный нагревателем 10. Внутри реакционной камеры 1 расположено устройство пиролиза 11, включающее в себя термостойкий канал 12, помещенный в тепловую изоляцию 13 и снабженное на входе устройством 14, инициирующим пиролиз перерабатываемых полимерных отходов и токсичных органических соединений. Внутри реакционной камеры 1 расположено съемное устройство конденсации 15, включающее в себя несколько включенных параллельно узлов 16 (на фиг.1 показан один узел), каждый из которых представляет собой снабженный холодильником (на фиг.1 не показан) канал с расположенными внутри него диафрагмами 17, в котором продукты переработки полимерных отходов и токсичных органических соединений улавливаются посредством их конденсации из паровой фазы и накапливаются в этом канале. Внутри реакционной камеры 1 расположено съемное устройство удаления монооксида углерода 18, представляющее собой несколько включенных параллельно узлов 19 (на фиг.1 показан один узел), каждый из которых представляет собой канал с расположенными внутри металлической вставкой из металла 20, карбонил которого образуется в результате взаимодействия с монооксидом углерода, фильтром 21, предназначенным для удаления микрочастиц, способных отрываться от стенок узлов, системой конденсации карбонила металла 22 и расположенных снаружи каналов устройств, регулирующих температуру системы конденсации карбонила металла и поддерживающих температуру металлической вставки на уровне, обеспечивающим реакцию образования карбонила металла при попаданий на него молекул монооксида углерода (на фиг.1 не показаны). Далее по потоку внутри реакционной камеры 1 расположено устройство вывода водорода 23, представляющее собой несколько включенных параллельно узлов 24 (на фиг.1 показан один узел), каждый из которых представляет собой канал с расположенными внутри мембраной 25, в нагретом состояний пропускающей водород и не пропускающей другие газы, сеткой 26, предохраняющей мембрану от попадания на нее химически агрессивных веществ, нагревателем мембраны 27, и расположенные снаружи реакционной камеры насос 28 и резервуар для сбора водорода 29. К реакционной камере 1 посредством вакуумных соединений подсоединены дозиметры 30.
Предлагаемая полезная модель работает следующим образом. В реакционную камеру 1 поступает через вентиль 2 из баллона 3 инертный газ, рабочее давление которого измеряется с помощью вакуумметра 4. Насос 5 для откачки инертного газа из реакционной камеры 1 позволяет установить заданное давление инертного газа. С помощью насоса 6 осуществляется циркуляция инертного газа в реакционной камере 1 в направлении, показанном на фиг.1, стрелкой. Из резервуара 7 в реакционную камеру 1 к инертному газу непрерывно или порциями добавляется перерабатываемое вещество переведенное в газообразном состоянии с помощью нагревателя-холодильника 8. Поток инертного газа увлекает за собой и перемещает по реакционной камере 1 пары перерабатываемого вещества в направлении, показанном стрелкой. Смесь инертного газа и паров перерабатываемого вещества поступает в устройство пиролиза 11. Инициация пиролиза осуществляется в устройстве инициации пиролиза 14 путем впрыска паров металла из резервуара 9. Заданное давление паров металлов обеспечивается с помощью нагревателя 10. По мере продвижения газовой смеси вдоль термостойкого канала 12 ее температура будет возрастать, способствуя пиролизу все большей части молекул перерабатываемых веществ. В итоге на выходе термостойкого канала 12 устройства пиролиза 11 образуется газовая смесь, преимущественную часть которой должны составлять продукты переработки полимерных отходов и токсичных органических соединений. Для уменьшения времени пиролиза требуется подогрев газовой смеси на входе или разряд, которые создадут продукты, участвующие в ассоциации с выделением энергии. Продукты переработки, поступают с потоком инертного газа в съемное устройство конденсации 15, между диафрагмами 17 узла 16 накапливаются конденсированные из паровой фазы продукты переработки полимерных отходов и токсичных органических соединений. Оставшиеся в реакционной камере 1 газообразные продукты, такие как монооксид углерода и водород, с потоком инертного газа поступают в съемное устройство вывода монооксида углерода 18. В узле 19 устройства вывода монооксида углерода 18 при заданных условиях при взаимодействии молекул монооксида углерода с металлической вставкой 20 образуется карбонил металла, который улавливается из паровой фазы и накапливается в системе конденсации карбонила металла 22. Газообразный водород поступает с потоком инертного газа в устройство вывода водорода 23. Водород, отделенный мембраной 25, нагретой посредством нагревателя 27, от газовой смеси, циркулирующей в реакционной камере 1, посредством насоса 28 выводится из реакционной камеры и собирается в резервуаре 29. Мембрана 25 предохраняется от попадания на нее химически агрессивных веществ посредством сетки 26. Контроль степени переработки полимерных отходов и токсичных органических соединений осуществляется с помощью двух дозиметров 30, подсоединенных к реакционной камере 1 посредством вакуумных соединений.
max
∂
max
a
max
∂
a
∂
max
T
max
Были найдены условия работы реактора (в качестве реагента выбран кальций), позволяющие осуществлять производство водорода из полимерных отходов и токсичных органических соединений с эффективностью производства водорода более единицы. Для примера в таблице 2 приведены результаты расчетов максимальной температуры T, достигаемой в устройстве пиролиза 11, затрат энергии G на диссоциацию при T, энергии G, которая выделяется при образовании продуктов переработки при T, ΔG=G-G, энергии G′, запасенной в связях не разорвавшихся в результате пиролиза при T, затрат энергии G′ на нагревание смеси инертного газа и молекул перерабатываемых веществ до T, минимальной  и максимальной  эффективностей производства водорода для Y=5 (отношение концентраций атомов инертного газа и молекул перерабатываемых веществ).
Таблица 2.
Максимальная температура T<sub>max</sub>, достигаемая в зоне пиролиза, затраты энергии G<sub>∂</sub> на диссоциацию при T<sub>max</sub>, энергия G<sub>a</sub>, которая выделяется при образовании продуктов переработки при T<sub>max</sub>, ΔG=G<sub>∂</sub>-G<sub>a</sub>, энергия G<sub>∂</sub>′, запасенной в связях не разорвавшихся в результате пиролиза при T<sub>max</sub>, затраты энергии G<sub>T</sub>′ на нагревание смеси инертного газа и молекул перерабатываемых веществ T<sub>max·</sub> минимальной δ<sub>1</sub> и максимальной δ<sub>2</sub> эффективности производства водорода.
ПО
n<sub>TOC</sub>, см<sup>-3</sup>
T<sub>max</sub>, К
G<sub>∂</sub>, кВтч
G<sub>a</sub>, кВтч
ΔG, кВтч
G<sub>∂</sub>′, кВтч
G<sub>T</sub>, кВтч
δ<sub>1</sub>
δ<sub>2</sub>
ПЭ
10<sup>15</sup>
2200
17,99
17,56
-0,43
2,14
3,76
0,9
1,5
10<sup>16</sup>
2450
17,15
16,12
-1,03
2,98
4,16
0,68
1,34
10<sup>17</sup>
2800
16,54
14,82
-1,72
3,59
4,94
0,54
1,13
ПВХ
10<sup>15</sup>
2200
7,62
7,33
-0,29
1,70
1,16
0,63
1,71
10<sup>16</sup>
2500
7,62
7,05
-0,57
1,69
1,34
0,55
1,48
10<sup>17</sup>
2850
7,36
6,55
-0,81
1,95
1,56
0,46
1,3
ПЭТ
10<sup>15</sup>
2200
7,66
7,9
0,24
1,18
0,93
1,07
2,94
10<sup>16</sup>
2450
7,2
7,19
-0,01
1,65
1,05
0,73
1,87
10<sup>17</sup>
2750
6,53
6,24
-0,28
2,32
1,19
0,52
1,35