Установка для получения водорода из раствора соли гидрида металла

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА ИЗ РАСТВОРА СОЛИ ГИДРИДА МЕТАЛЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Минкина Валентина Григорьевна Калинин Владимир Иванович Шабуня Станислав Иванович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена имени А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Устройство для получения водорода из раствора соли гидрида металла, содержащее проточный реактор с каталитическим блоком, контейнер-смеситель для раствора соли гидрида металла, насос для подачи раствора соли гидрида металла в реактор, дефлегматор, емкость для отработанного раствора, связанные трубопроводами, отличающееся тем,что снабжено нагревателем для предварительного подогрева раствора соли гидрида металла и дополнительно введенным насосом для циркуляции рабочего раствора, последовательно соединенными трубопроводом с реактором, при этом реактор содержит установленную внутри него термопару ресивером, связанным с одной стороны с дополнительно введенной емкостью для осушения водорода, а с другой стороны - с реактором контейнером для сухой соли гидрида металла, который присоединен к контейнерусмесителю и снабжен установленным в нем датчиком уровня. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что емкость для отработанного раствора выполнена со съемным дном.(56) 1..,.,..10 -//. - 2004. - . 125. - . 22-26. 2.,,. 2-//. - 2007. . 15. - . 181-187. 3. Заявка 2004/018352, МПК 01 7/02,01 8/08,01 3/06, 2004 (прототип). Предлагаемое техническое решение относится к устройствам для генерирования газов,в частности к устройствам для получения водорода на основе гидролиза раствора соли гидрида металла, а именно борогидрида натрия, и может быть использовано в микроэлектронике, энергетике и как альтернативный источник энергии для транспортных средств,например, в автомобилестроении. Известно устройство для получения водорода, описанное в 1. Известное устройство для получения водорода из раствора соли гидрида металла (борогидрид натрия) представляет собой однопроходную систему для производства водорода из растворов борогидрида натрия, содержащую проточный реактор с каталитическим блоком, насос для подачи рабочего раствора в реактор с каталитическим блоком, емкость для отработанного раствора(метаборат натрия) и газожидкостный сепаратор. Данное устройство работает следующим образом. Раствор борогидрида натрия поступает в реактор с каталитическим блоком, скорость потока контролируется насосом. При контакте с каталитическим блоком раствор борогидрида натрия превращается в газообразный водород и раствор конечного продукта гидролиза солей металлов - метаборат натрия - с повышением температуры в реакторе. Температура на выходе из реактора измеряется термопарой. Водород и раствор метабората натрия разделяются в сепараторе, который также является небольшим промежуточным накопителем хранения водорода. Водный раствор борогидрида натрия содержит 4 вес.щелочи натрия для стабилизации раствора, используется платиновый катализатор на носителе 2 - 1,5/2. Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет многократно использовать платиновый катализатор 1,5/2. Известно из описания 2, что активность платинового катализатора на носителе 2 - 1,5/2 в растворе борогидрида натрия падает от опыта к опыту и уже через десять циклов уменьшается более чем в три раза. Таким образом, многократное использование такого катализатора в устройстве, приводящее к полной выработке соли гидрида металла за один проход, приводит к необходимости часто менять каталитический блок для поддержания условия полной выработки соли гидрида металла. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, выбранным в качестве прототипа является устройство для получения водорода 3. Устройство для получения водорода из раствора соли гидрида металла представляет собой однопроходный реактор для получения водорода и содержит проточный однопроходный реактор с каталитическим блоком, контейнер для суспензии соли гидрида металла, систему подачи суспензии, контейнер-смеситель для водного раствора соли гидрида металла (зона смешивания), насос для подачи раствора соли гидрида металла по трубопроводу в реактор с каталитическим блоком, газожидкостный сепаратор, дефлегматор, трубопроводы для выхода водорода и отработанного раствора (соли металлов конечного продукта) емкость для отработанного раствора. Указанное устройство работает следующим образом. Водный раствор соли гидрида металла извлекается из контейнера-смесителя с помощью насоса и подается по трубопроводу в реактор с каталитическим блоком, где идет ре 2 78542011.12.30 акция с образованием продуктов гидролиза водорода, соли металлов конечного продукта(например, метаборат натрия) и воды. Поток продуктов гидролиза поступает по трубопроводу в газожидкостный сепаратор, где соль металлов конечного продукта отводится в виде раствора по трубопроводу в емкость для отработанного раствора. Газообразный водород отводится по трубопроводу в дефлегматор, где происходит его охлаждение. Затем водород поступает по трубопроводу в газожидкостный сепаратор, где водород с некоторыми остатками паров воды отделяется от жидкой воды и удаляется через трубопровод. Восстановленная вода поступает на блок управления, а затем по трубопроводу поступает в контейнер-смеситель для водного раствора соли гидрида металла (зона смешивания), где она смешивается с входящей в виде суспензии солью гидрида металла с образованием водно-щелочного раствора, который насосом подается в реактор с каталитическим блоком. Водный раствор соли гидрида металла дополнительно содержит достаточное количество щелочных стабилизирующих агентов, обеспечивающих ихне менее 7. Данное устройство позволяет сводить к минимуму затраты воды. Недостатком известного устройства является тот факт, что водно-щелочные суспензии соли гидрида металла генерируют водород даже при комнатной температуре, вследствие чего образуется конечный продукт гидролиза соли металла (например, метаборат натрия) как в контейнере для суспензии соли гидрида металла, так и в системе подачи суспензии,что приводит при длительной эксплуатации устройства к забиванию конечным продуктом гидролиза системы подачи суспензии. В однопроходном реакторе необходимым условием является полная выработка соли гидрида металла за один проход, что предъявляет высокие требования к катализаторам, их эффективности и количеству. Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности за счет создания устройства многопроходного действия, а также упрощение производства получения водорода. Задача решается следующим образом. Известное устройство для получения водорода из раствора соли гидрида металла, содержащее проточный реактор с каталитическим блоком, контейнер-смеситель для раствора соли гидрида металла, насос для подачи раствора соли гидрида металла в реактор,дефлегматор, емкость для отработанного раствора, связанные трубопроводами, согласно предлагаемому техническому решению, снабжено нагревателем для предварительного подогрева раствора соли гидрида металла и дополнительно введенным насосом для циркуляции рабочего раствора, последовательно соединенными трубопроводом с реактором,при этом реактор содержит установленную внутри него термопару для фиксирования температуры раствора ресивером, связанным с одной стороны с дополнительно введенной емкостью для осушения водорода, а с другой стороны - с реактором контейнером для сухой соли гидрида металла, который присоединен к контейнеру-смесителю и снабжен установленным в нем датчиком уровня. Кроме того, емкость для отработанного раствора выполнена со съемным дном, что упрощает удаление из нее твердых продуктов гидролиза соли гидрида металла. На фигуре схематично изображен общий вид заявляемого устройства. Устройство содержит проточный циркуляционный реактор 3 с установленными внутри него каталитическим блоком 9 и термопарой 12, регистрирующей температуру раствора в реакторе 3, и насос 2 для подачи раствора соли гидрида металла в реактор 3,соединенный трубопроводами с одной стороны с контейнером-смесителем 1, а с другой с реактором 3. Контейнер 7 для сухой соли гидрида металла соединен с контейнеромсмесителем 1 для раствора соли гидрида металла (зона смешивания), снабженным установленным в нем датчиком 4 уровня раствора и мешалкой 8 для ускорения растворения сухой соли гидрида металла. Устройство также снабжено дополнительно введенным нагревателем 11 для предварительного подогрева раствора соли гидрида металла и насосом 78542011.12.30 10 для циркуляции рабочего раствора через каталитический блок 9 реактора 3, последовательно соединенными трубопроводом с реактором 3. С реактором 3 связан дефлегматор 13 для охлаждения газового потока и конденсации паров воды обратно в реактор 3. Емкость 5 для отработанного раствора со съемным дном 6 для удаления твердого осадка продукта гидролиза соединена трубопроводом с реактором 3 через кран 23 для слива отработанного раствора из реактора 3 в емкость 5. Реактор снабжен датчиком 15 давления, регистрирующим давление в реакторе 3. Ресивер 17 высокого давления для хранения газообразного водорода, снабженный краном 18 для слива конденсата воды из ресивера 17, связан с одной стороны с реактором 3, а с другой стороны - с дополнительно введенной емкостью 20 для осушения водорода перед подачей его на автоматический регулятор 21 массового расхода газов для дозирования водорода на выходе из устройства. Датчик 16 давления регистрирует давление в ресивере 17. Датчик 22 давления регистрирует давление перед автоматическим регулятором 21 массового расхода газов. Кран 14 предназначен для разрыва связи между реактором 3 и ресивером 17. Редуктор 19 задает давление в контуре низкого давления - емкости 20 для осушения водорода. В приведенном описании в качестве раствора соли гидрида металла используют раствор борогидрида натрия. Устройство для получения водорода работает следующим образом. Из контейнера-смесителя 1 с раствором борогидрида натрия с помощью насоса 2 в реактор 3 подается раствор борогидрида натрия. Раствор борогидрида натрия готовится прямо перед запуском устройства для получения водорода. Приготавливают рабочий раствор по следующей схеме. В контейнер-смеситель 1 заливают водно-щелочной раствор. Установленный в контейнере-смесителе 1 датчик 4 уровня отключает подачу раствора при достижении раствором контакта датчика 4, залив прекращается, и подается сухой борогидрид натрия из контейнера 7. Мешалка 8 перемешивает сухой борогидрид натрия с раствором метабората натрия в контейнере-смесителе 1. После того как весь приготовленный раствор перекачался в реактор 3, цикл подачи сухого борогидрида натрия и приготовления раствора повторяется. Таким образом, имеется возможность работать с сухим борогидридом натрия в качестве исходного сырья. В емкости 5 для отработанного раствора накапливается раствор метабората натрия конечный продукт гидролиза. Излишки (сверх растворимости) образующегося метабората натрия скапливаются в емкости 5 в виде осадка. Дно 6 емкости 5 съемное, что позволяет удалить твердый осадок, накопившийся в емкости 5. Для реализации реакции гидролиза раствор борогидрида натрия прокачивается через каталитический блок 9, установленный в реакторе 3, с помощью насоса 10. После старта устройства из состояния, когда реактор 3 и раствор борогидрида натрия холодные, для разогрева системы включается электрический нагреватель 11, позволяющий запустить устройство даже в очень холодных условиях. Температура раствора в реакторе 3 регистрируется термопарой 12. После нагрева раствора нагреватель 11 выключается. Выделяющийся водород вместе с парами воды выходит из реактора 3 через дефлегматор 13,где происходит конденсация основной массы пара, и образовавшаяся вода стекает обратно в реактор 3. При отключении насоса 10 для циркуляции раствор из каталитического блока 9 стекает в объем реактора 3. Циркуляция раствора в реакторе 3 продолжается до завершения гидролиза борогидрида натрия. Контроль окончания процесса осуществляется с помощью крана 14 и датчиков 15 и 16 давления. В рабочем состоянии кран 14 открыт, и водород из реактора 3 поступает в ресивер 17 для хранения газообразного водорода, при этом давление в реакторе 3 и ресивере одинаковое. При закрытом клапане 14 датчик 15 давления регистрирует давление в реакторе 3, которое не зависит от других элементов устройства. Если давление растет, это означает продолжение процесса гидролиза, если давление не растет, то гидролиз завер 4 78542011.12.30 шился. С помощью открытия крана 18 сливают конденсат из цилиндра ресивера 17. Редуктор 19 задает давление в контуре низкого давления. Для осушения потока водорода используют емкость 20 низкого давления с силикагелем, и на автоматический регулятор 21 массового расхода газов поступает осушенный для дозирования водород. Датчик 22 давления регистрирует давление перед автоматическим регулятором 21 массового расхода газов. Понижение и стабилизация давления перед автоматическим регулятором 21 массового расхода газов являются условиями корректной эксплуатации данного устройства. После завершения гидролиза в реакторе 3 раствор продуктов гидролиза сливается в емкость 5. Для совершения слива открывают кран 23. Емкость 5 находится в контуре низкого давления водорода, и перелив раствора из реактора 3 в емкость 5 происходит за счет разности давления в реакторе 3 и емкости 5. Проведенные тесты показали устойчивую работу устройства для получения водорода на заданной производительности. Данное устройство обеспечивает достижение полной выработки соли гидрида металла, хранение и использование соли гидрида металла в сухом виде, что позволяет использовать ее меньше без ущерба для продолжительного генерирования водорода между заправками устройства для получения водорода. Устройство также позволяет уменьшить объем каталитического блока, использовать недорогой катализатор, а также упростить управление производительностью водорода. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5