УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОКСИДОВ АЛЮМИНИЯ И ВОДОРОДА

Полезная модель относится к области неорганической химии, точнее к устройствам для реализации способа получения водорода и гидроксидов алюминия из отходов производств, содержащих лом алюминия или его сплавов, например в виде 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, 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, делает такую установку затратной и значительно увеличивает стоимость получаемого порошка гидроокиси алюминия, что может быть оправдано лишь специализированным назначением установки.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является устройство для получения гидроксидов алюминия и водорода с использованием в качестве исходного сырья алюминиевых отходов различных производств (RU 111840U, 2006 г.), содержащее реактор с подключенными к нему трубопроводами подачи щелочной воды и выпуска водорода; станцию сбора суспензии сложного гидроксида алюминия, связанную с реактором посредством дополнительного замкнутого гидравлического контура с встроенным насосом, средство охлаждения зоны реакции, контроллер и разнообразные датчики.
Недостаток прототипа заключается в том, что в нем из-за неэффективного охлаждения зоны реакции посредством помещенного внутри реактора змеевика с циркулирующей в нем холодной водой, который при значительном объеме реактора (до 6-7 литров) не охватывает всю зону реакции, создаются предпосылки для предаварийной ситуации, при которой температура раствора выше 100°С и давление в реакторе поднимается до критического значения 4 атм. К тому же сбор получаемой в реакторе суспензии сложного гидроксида алюминия в прототипе осуществляется по несколько усложненной схеме.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на создание устройства для получения водорода и гидроксидов алюминия с повышенной эксплуатационной безопасностью при минимизации схемы сбора суспензии, получаемой в реакторе.
Технический результат, получаемый при реализации полезной модели, состоит в исключении вероятности предаварийной ситуации при проведении экзотермической реакции путем усовершенствования реактора и эффективного охлаждения зоны реакции.
Другой технический результат заключается в упрощении и обеспечении компактности схемы сбора получаемой в реакторе суспензии сложного гидроксида алюминия.
Сущность полезной модели заключается в том, что в устройстве для получения водорода и гидроксидов алюминия, содержащем реактор, трубопровод подачи щелочной воды с насосом, трубопровод выпуска водорода, емкость для сбора полученной в реакторе суспензии сложного гидроксида алюминия и контроллер, в отличие от известных аналогов, реактор размещен внутри портала, которым снабжено устройство, и связан с боковыми стойками портала с возможностью управляемых посредством контроллера относительных линейных перемещений с помощью реечного механизма с электроприводом и угловых перемещений относительно своей горизонтальной оси с помощью приводного цепного механизма, и при этом реактор выполнен в виде n - числа колб, по меньшей мере, двух, неподвижно закрепленных в открытом баке с проточной холодной водой так, что их рабочий объем при проведении экзотермической реакции постоянно находится под слоем проточной воды, горловины колб взаимодействуют с установленными над ними стационарно и предназначенными для закрытия колб резиновыми пробками с встроенными в них отводами упомянутых трубопроводов, которые при этом выполнены жесткими и закреплены относительно верхней поперечины портала, причем трубопровод выпуска водорода снабжен вмонтированным в него инфракрасным датчиком, сигнализирующим об окончании реакции в колбах, а трубопровод подачи щелочной воды - клапаном, препятствующим попаданию водорода в его насос.
Совокупность приведенных существенных признаков полезной модели, составляющих ее сущность, обеспечивает:
1) Повышение эксплуатационной безопасности предлагаемой установки за счет использования оптимального для повышения безопасности процесса экзотермической реакции рабочего объема (до 1500 мл, а не 6-7 литров, как в прототипе) и обеспечения эффективного охлаждения зон реакции, а также снижения доли ручного труда обслуживающего персонала. Достигнутое повышение эффективности охлаждения поверхности колб к тому же позволяет поддерживать постоянной скорость выделения водорода.
2) Минимизацию схемы сбора суспензии сложного гидроксида алюминия, что способствует упрощению алгоритма управления устройством.
На представленных чертежах: на фиг. 1 дан общий вид предлагаемого устройства (со снятой условно передней стенкой бака, пример); на фиг. 2 - схема реечного механизма.
Реактор 1 устройства размещен внутри портала 2, состоящего из двух боковых стоек 3, связанных верхней поперечиной 4, и представляет собой группу стеклянных колб 5, например, в соответствии с конкретным примером исполнения (фиг. 1) из трех колб, которые неподвижно закреплены в баке 6 с проточной холодной водой.
Подача холодной воды в бак 6, к примеру, от водопроводной сети, осуществляется через штуцер 7, причем с источником холодной воды этот штуцер связан гибким, свободно провисающим шлангом (не показан). Вода, нагретая за счет тепла, выделяемого при протекании экзотермических реакций в колбах 5, выводится из бака 6 через штуцер 8 и далее может быть использована по разнообразному назначению: для гидролизации суспензии, обогрева помещения и др.
Колбы 5 имеют нижние конусообразные части с рабочим объемом (не более 1500 мл) и открытые горловины 9, в рабочем положении устройства закрытые резиновыми пробками 10, и установлены в баке 6 таким образом, чтобы при протекании в рабочих объемах процесса окисления алюминия их нижние части постоянно находились под слоем проточной воды, что обеспечивает эффективное охлаждение зоны реакции в каждой из колб в полном объеме.
Устройство содержит трубопровод 11 подачи щелочного раствора с насосом 12 и трубопровод 13 для вывода водорода из зоны реакции. По месту расположения колб 5 в трубопроводах 11 и 13 имеются отводы, соответственно 14 и 15, свободные концы которых вмонтированы в резиновые пробки 10. Трубопроводы и их отводы, выполненные из твердого пластика или какого - либо другого аналогичного материала, имеют жесткую форму, при этом трубопроводы с помощью промежуточных элементов закреплены на поперечине 4 портала 2. На выходе трубопровода 13 вмонтирован инфракрасный датчик 16, сигнализирующий об окончании реакции в колбах 5 путем определения наличия водорода, а в трубопроводе 11 имеется клапан 17, препятствующий попаданию водорода в его насос 12.
1
Бак 6 подвешен на стойках 3 портала 2 с помощью закрепленных одним концом в его торцевых стенках опорных стержней 18, другие концы которых располагаются внутри труб 19, жестко связанных с реечными механизмами, состоящими из реек 20, закрепленных на стойках 3, и взаимодействующих с ними звездочек 21 (фиг. 2). Привод каждого реечного механизма осуществляется от электродвигателя: левого 22 и правого 22.
В стержень 18 вмонтирована звездочка 23, которая через цепь 24, связана с электродвигателем 25, обеспечивающим поворот бака 6 относительно горизонтальной оси.
Для сбора получаемой в результате реакции в колбах 5 суспензии сложного гидроксида алюминия в устройстве предусмотрена емкость 26.
Работа устройства.
В исходном положении бак 6 находится в предусмотренном для него крайнем нижнем положении. Соответственно пробки 10 находятся вверху над колбами 5 на своем постоянном месте по высоте устройства, где они удерживаются за счет жесткой связи «пробки 10 - отводы 14 и 15 - трубопроводы 11 и 13 - поперечина 4 портала 2». Горловины 9 колб открыты.
1
Через горловины 9 оператором, обслуживающим устройство, загружается внутрь колб 5 исходное сырье - отходы алюминия и/или его сплавов в виде стружки, кусочков различной конфигурации и т.п. Контроллером (не показан) подается команда на электродвигатели 22 и 22, перемещающие бак 6 вверх на определенную высоту, достаточную для закрытия горловин 9 резиновыми пробками 10.
Бак 6 через штуцер 7 наполняется проточной холодной водой.
4
2
В колбы 5 по трубопроводу 11 с помощью насоса 12 через отводы 14 подается заранее приготовленный щелочной раствор, после чего в них происходит экзотермическая реакция окисления алюминия с выделением тепла и водорода. Водород по отводам 15 проходит в трубопровод 13, и далее выводится к месту его потребления и/или хранения. Полученное по окончании реакции во всех колбах 5 содержимое представляет собой комплексное соединение Na[Al(OH)]+НO в виде суспензии.
Инфракрасный датчик 16, установленный в трубопроводе 13, сигнализирует об отсутствии выхода водорода. Сигнал подается на контроллер, он в свою очередь посредством отсечного клапана отключает подачу холодной воды в бак 6. Нагретая вода из бака самотеком через штуцер 8 сливается в любую из перечисленных систем: отмывки суспензии, отопления помещений и т.д.
1
После чего электродвигатели 22 и 22 по команде контроллера и заданному им алгоритму перемещений возвращают бак 6 в исходное нижнее положение. При этом горловины 9 освобождаются от пробок 10, которые не меняют своего положения. По алгоритму, заданному контроллером, цепь 24 перемещается электродвигателем 25 и, взаимодействуя с звездочкой 23, осуществляет поворот бака 6 относительно горизонтальной оси на 180°, обеспечивая переворот колб 5 открытой горловиной 9 вниз. Содержащаяся в колбах суспензия выливается в емкость 26 и для возвращения бака 6 в исходное положение электродвигателем 25 цепь 24 перемещается в обратную сторону на тоже расстояние, после чего описанный выше цикл повторяется.
Реализация полезной модели не требует вложения значительных капитальных вложений. Установка может быть изготовлена в условиях действующего производства с использованием широкодоступных материалов и комплектующих и обеспечивает экономически выгодный процесс получения гидроксидов алюминия и водорода за счет использования в качестве исходного сырья отходов различных производств, содержащих алюминий или его сплавы, и сниженного потребления энергорессурсов.
Дальнейшее повышение производительности установки может быть достигнуто простым увеличением количества колб.