початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2275323

СПОСІБ І АПАРАТ ДЛЯ ОТРИМАННЯ ВОДНЮ

Ім'я винахідника: Стюарт Альберт Е. (US)
Ім'я патентовласника: дзе БОЇНГ КОМПАНІ (US)
Адреса для листування: 101000, Москва, Малий Златоустінскій пров., 10, кв.15, "Євромаркпат", пат.пов. М.Б.Веселіцкому
Дата початку дії патенту: 2003.10.14

Винахід відноситься до отримання молекулярного водню. Апарат являє собою по суті закритий реактор, робота якого не супроводжується шкідливими викидами і забрудненням атмосфери. Реактор має першу і другу реакційні камери, в яких при істотно різних температурах створюється по суті одне і те ж тиск. Для збільшення кількості одержуваного водню і його чистоти в реакторі використовують роздільник реакції. Спосіб включає конверсію легкозаймисті речовини в реакторі, що має першу і другу камери з використанням роздільника продуктів реакції. У реакційному шарі першої камери проводять реакцію конверсії з отриманням водню і, щонайменше, одного побічного продукту, а й реакцію взаємодії між побічним продуктом і роздільником продуктів реакції, переміщують роздільник продуктів реакції в реакційний шар другої камери, що знаходиться над реакційним шаром першої камери. Винахід дозволяє збільшити кількість і чистоту отримуваного водню.

ОПИС ВИНАХОДИ

Винахід відноситься до отримання молекулярного водню, зокрема до способу і апарату для отримання по суті чистого потоку молекулярного водню, що вимагає в подальшому мінімальної очищення.

Молекулярний і атомарний водень широко використовуються в комерційних і промислових цілях. Водень, зокрема, можна використовувати для переробки сирої нафти в різні цінніші продукти. Водень, крім того, широко використовують при проведенні багатьох хімічних реакцій, пов'язаних, наприклад, з відновленням або синтезом різних з'єднань. Водень, зокрема, використовують в якості основного хімічного реагенту при промисловому виробництві таких широко поширених продуктів, як циклогексан, аміак і метанол. Крім того, останнім часом водень знаходить все більш широке поширення в якості палива, що дозволяє зменшити викиди в атмосферу створюють парниковий ефект газів. Водень можна і використовувати в паливних елементах або в інших подібних цілях для створення екологічно чистих джерел електричної енергії, які можна використовувати для приводу різних промислових машин і в автомобілях.

В даний час відомі різні способи виділення або отримання водню з вуглець або углеводородсодержащих матеріалів. З усіх видів углеводородсодержащих сировини для отримання водню в даний час зазвичай використовують метан або природний газ. Газ легко проходить через різні механічні пристрої та апарати і може використовуватися в якості палива в процесах конверсії (риформінгу) і промислового виробництва різних хімічних сполук. В даний час існують різні способи виробництва хімічних сполук з використанням в якості сировини углеводородсодержащих матеріалу, до яких, зокрема, відносяться високотемпературна конверсія з водяною парою, низькотемпературна конверсія і абсорбція при змінному тиску. Абсорбцію при змінному тиску і використовують для очищення отриманих продуктів. Абсорбція при змінному тиску дозволяє отримувати водородсодержащие продукти, в яких міститься близько 99% чистого водню. До інших способів виробництва водню відносяться різні промислові способи, в яких водень отримують як побічний продукт і приелектрохімічному розкладанні води.

Що працюють за принципом періодичного зміни (коливання) тиску абсорбери (АПД), які можна використовувати для подальшого очищення потоку водню, вимагають попереднього отримання водню. Зазвичай для промислового отримання великих кількостей водню, який потім обробляється в АПД, використовують установки для конверсії (риформінгу) метану з водяною парою (КМВП). При КМВП зазвичай отримують потік водню, зміст в якому молекул чистого водню не перевищує 90%. Крім чистого водню в одержуваному при КМВП потоці водню містяться діоксид вуглецю, метан та інші побічні продукти, які забруднюють водень. Крім того, при КМВП водень зазвичай отримують при високих температурах і тисках. Робоча температура при цьому становить як мінімум 800 ° С (близько 1470 ° F). Для створення таких високих температур в реакційних камерах доводиться додатково спалювати велику кількість палива. Крім того, для отримання водню шляхом КМВП в реакційних камерах потрібно створювати тиск понад 20 атм. Створення такого високого тиску і вимагає, як очевидно, використання додаткових джерел енергії. Іншими словами, отримання водню в таких системах пов'язано з виключно високими витратами енергії.

Існуючі в даний час установки, в яких водень отримують шляхом КМВП, хоча і придатні для отримання великих кількостей водню, не тільки відрізняються високими витратами енергії і тому недостатньо ефективні, але і повинні працювати спільно з АПД. Необхідність у використанні АПД для додаткового очищення водню пов'язана з тим, що вміст чистого водню в вихідному шляхом КМВП потоці водню зазвичай не перевищує 90%. Хоча основні принципи роботи АПД досить добре відомі фахівцям в даній області техніки, проте вони ще раз розглянуті нижче в найзагальніших рисах.

Зазвичай в АПД потік водню проходить через фільтр або фільтруючий шар. Фільтруючий шар може складатися з різних матеріалів, які вибирають в залежності від вловлюються їм домішок. При очищенні потоку водню зазвичай використовують фільтруючі шари з углеродсодержащими матеріалами або молекулярні сита. Різні фільтри абсорбують молекули різних забруднюючих потік водню домішок. Повністю забиті або насичені різними домішками фільтри починають виділяти конкретний побічний продукт. У цей момент тиск в абсорбере змінюється або потік водню направляється в інший АПД, а забиті домішками фільтри першого АПД, через які водень не проходить, відповідно очищаються. Очищення фільтрів, як очевидно, супроводжується втратою певної частини очищаемого в АПД водню. Використовувані в даний час для отримання водню з углеводородсодержащих горючого газу, зокрема з метану, КМВП-установки і АПД хоча і дозволяють отримати порівняно чистий водень, проте вони не дозволяють довести чистоту водню до теоретично можливої ​​і рівною приблизно 99%. Зазвичай ефективність установок, в яких водень отримують з метану шляхом КМВП і за допомогою АПД, становить всього близько 75%.

Відомо і, що для більш ефективного видалення з потоку водню побічних продуктів, таких як діоксид і монооксид вуглецю, можна використовувати вміщені в реакційну камеру каталізатори. У цих випадках, однак, як каталітичних шарів зазвичай використовують тверді шари, які вимагають спеціального обслуговування і повинні відповідати спеціальним вимогам. Крім того, такі способи, один з яких описаний в роботі В.balasubramanian і ін., "Hydrogen From Methane in A Single-Step Process", Chemical Engineering Science, 54, 1999, cc.3543-3552, взагалі не придатні для промислового виробництва водню в великих кількостях.

З огляду на сказане вище, існує необхідність, особливо в світлі існуючих в даний час і прогнозованих на найближче майбутнє потреб у водні, в розробці оптимального за своєю ефективністю способу отримання потоку по суті чистого водню і відповідної системи для здійснення цього способу. Такий спосіб, зокрема, повинен забезпечувати отримання потоку водню, максимально чистого до його подальшого очищення. Вирішення цієї проблеми дозволило б збільшити кількість водню, одержуваного на одиницю палива, і зменшити витрату енергії на одиницю отриманого водню. Підвищення чистоти одержуваного в реакторі водню дозволило б скоротити витрати на його подальше очищення. При очищенні водню за допомогою АПД зменшення кількості домішок, що містяться в неочищеному водні, дозволило б зменшити розміри АПД і відповідно зменшити втрати водню в процесі його очищення.

Даний винахід пропонується апарат для отримання водню конверсією легкозаймистої речовини з водяною парою. Зазвичай в якості таких легкозаймистих речовин використовують вуглеводні, з яких шляхом конверсії (риформінгу) можна отримати водень. Пропонований у винаході апарат містить першу реакційну камеру з перебувають в ній реакційним шаром, в якому протікає реакція конверсії, другу реакційну камеру з перебувають в ній реакційним шаром і випускне пристрій для відбору з апарату одержуваного водню. До складу реакційного шару першої реакційної камери входить допоміжний учасник реакції - роздільник продуктів реакції, що видаляє з першої реакційної камери побічний продукт конверсії і переміщуваний в реакційний шар другий реакційної камери. Реакційний шар другий реакційної камери, в якому відбувається обробка роздільник продуктів реакції для його повторного використання в першій камері з виділенням побічного продукту з роздільник продуктів реакції, розташований над реакційним шаром першої реакційної камери.

Розміщення реакційного шару другий реакційної камери над реакційним шаром першої реакційної камери дає ряд переваг. Виконаний таким чином апарат може мати тільки механічний транспортер для примусового переміщення матеріалу з першої реакційної камери в другу. Оскільки матеріал реакційного шару першої камери має нижчу температуру в порівнянні з матеріалом реакційного шару другої камери, переміщення механічним транспортером лише щодо холодного матеріалу знижує знос такого транспортера і підвищує його довговічність. Крім того, розміщення реакційного шару другий реакційної камери над реакційним шаром першої реакційної камери дозволяє більш ефективно і повно використовувати теплову енергію, що більш детально обговорюється нижче.

У кращому варіанті пропонований у винаході апарат містить згаданий вище механічний транспортер для переміщення частини роздільник продуктів реакції в другу реакційну камеру, пристрій для подачі в апарат легкозаймистої речовини в необхідному обсязі, конверсія якого відбувається в першій реакційній камері. При цьому утворюється в результаті конверсії відмінний від водню побічний продукт переміщається роздільником продуктів реакції з першої реакційної камери в другу реакційну камеру, а отриманий водень відбирається з апарату.

Апарат переважно виконувати у вигляді єдиного реактора, в якому розташовані перша і друга реакційні камери. У цьому випадку бажано, щоб по суті всі елементи апарату знаходилися всередині реактора, який повинен бути виконаний герметичним і повинен перешкоджати, зокрема, викиду в атмосферу утворюються в реакторі газів або істотно знижувати втрати теплової енергії реакції конверсії з водяною парою.

До складу роздільник продуктів реакції переважно включити речовину, зокрема кальцій, яке утримує побічний продукт реакції конверсії.

Переважно, щоб видалення утворюється в першій реакційній камері продукту конверсії, а саме водню, з першої камери, а й виділення побічного продукту в другій реакційній камері проходило по суті під час протікання в ній реакції конверсії. Температура в першій реакційній камері може підтримуватися в межах від 625 до 725 ° С, а в другій реакційній камері - в межах від 900 до 1000 ° С. Тиск в першій і другій реакційних камерах може бути по суті однаковим.

Механічний транспортер для переміщення роздільник продуктів реакції з першої реакційної камери в другу реакційну камеру може містити направляючий пристрій, що визначає шлях руху транспортера, що рухається цим шляхом пристрій для переміщення роздільник продуктів реакції і двигун, який приводить в рух по заданому шляху пристрій для переміщення роздільник продуктів реакції.

У складі пропонованого у винаході і може бути передбачено пристрій для переміщення роздільник продуктів реакції з другої реакційної камери назад в першу реакційну камеру, а й джерело подається в першу камеру легкозаймистої речовини, яким служить вуглеводень.

Реакційний шар, в якому протікає реакція конверсії, переважно підтримувати в псевдозрідженому стані.

Об'єктом винаходу є і спосіб отримання водню конверсією легкозаймистої речовини в реакторі, що має першу і другу камери, з використанням роздільника продуктів реакції, що збільшує продуктивність реактора і чистоту отримуваного водню. Пропонований у винаході спосіб полягає в тому, що в реакційному шарі першої камери з використанням відповідного агента конверсії проводять реакцію конверсії легкозаймистої речовини з отриманням водню і щонайменше одного побічного продукту або домішки, а й реакцію взаємодії між побічним продуктом і роздільником продуктів реакції, переміщають роздільник продуктів реакції в реакційний шар другої камери, що знаходиться над реакційним шаром першої камери, і виділяють з роздільник продуктів реакції побічний продукт.

При здійсненні пропонованого у винаході способу в якості агента конверсії переважно використовувати воду, переважно у вигляді пари, якою обробляють легкозаймиста речовина, з отриманням в результаті відбувається конверсії щонайменше водню.

Виділення побічного продукту з роздільник продуктів реакції можна проводити шляхом нагрівання останнього до температури, достатньої для виділення з нього побічний продукт, після чого роздільник продуктів реакції з другої камери може повертатися назад в першу камеру, що дозволяє істотно знизити теплові втрати, пов'язані з конверсією легкозаймистої речовини .

Інші особливості та можливі області застосування цього винаходу більш докладно розглянуті в подальшому описі. У зв'язку з цим необхідно підкреслити, що розглянуті в описі конкретні приклади лише ілюструють винахід, не обмежуючи його обсяг.

Нижче винахід більш докладно розглянуто з посиланням на прикладені креслення, на яких показано:

Фиг.1 - схема пропонованої в кращому варіанті винаходу установки для отримання водню і на фіг.2 - поперечний розріз призначеного для отримання водню реактора, який схематично показаний на фіг.1. Наведене нижче опис кращих варіантів можливого здійснення винаходу лише ілюструє його основні особливості і не обмежує не тільки його обсяг, а й області його можливого застосування.

На фіг.1 в спрощеному вигляді показана схема установки 10 для отримання водню, виконаної відповідно до кращим варіантом винаходу. Установка 10 має реактор 12 з нижньої - першої - реакційної камерою 14 (РК1) і верхньої - другий - реакційної камерою 16 (РК2). Реактор 12 має вхідний патрубок 18, через який в нижню камеру 14 від джерела 20 метану подається метан. Через вхідний патрубок 18 в реактор і подають від відповідного джерела 21 водяну пару. Під дією водяної пари в реакторі відбувається конверсія (реформінг) метану з утворенням водню або потоку водню, як це більш докладно описано нижче. На з'єднаних з реактором трубопроводах встановлені відповідні теплообмінники 25а, 25b, 25с і 25d (TО1, ТО2, ТО3, ТО4). Ці теплообмінники 25а, 25b, 25с і 25d або нагрівають, або при необхідності охолоджують протікають по трубопроводах матеріали.

Верхня камера 16 має з'єднаний з джерелом 24 метану і кисню патрубок 22 для подачі в реактор метану і кисню. Необхідно відзначити, що замість метану в другу камеру 16 реактора можна подавати і інше легкозаймиста речовина, наприклад утворюється на установці 10 відходить газ або отримується на ній водень. Аналогічним чином і як окислювач можна використовувати не тільки кисень, але і, наприклад, навколишнє повітря. Метан в даному випадку обрано просто в якості одного з можливих легкозаймистих речовин, а кисень - в якості одного з можливих окислювачів.

Реактор 12 має і патрубок 26 для відведення з верхньої камери утворюється в реакторі діоксиду вуглецю. Через цей патрубок 26 з реактора відбирають діоксид вуглецю, який утворюється в реакторі в якості побічного продукту, як це більш докладно описано нижче, і потім збирається у відповідному збірнику 28. Реактор 12 має і випускне пристрій 28, призначене для відбору водню, отриманого в реакторі в процесі риформінгу метану. Потік отриманого в реакторі водню відбирають з першої реакційної камери 14, розташованої в даному випадку в нижній частині реактора 12. В відбирає з реактора потоці водню може міститися не вступив в реакцію або надлишковий метан, який відокремлюють від водню в фільтрі або газоочисниками 30. Фільтр 30 метану, який встановлений на трубопроводі, з'єднаному з джерелом 20 метану, дозволяє повертати залишається в відбирає з реактора 12 потоці водню метан через патрубок 18 назад в реактор 12. Потік очищеного від метану водню збирають у збірнику 32 і направляють на подальшу обробку або безпосередньо споживачеві. При необхідності отриманий на установці водень можна до відправки споживачеві додатково очищати.

На установці 10 для отримання з метану водню, схематично показаної на фіг.1, використовують новий реактор 12. Як уже зазначалося вище, для отримання водню пропонованим у винаході способом в якості вихідної сировини можна використовувати не тільки метан, а й будь-яке інше легкозаймиста речовина. Установка 10 призначена і для отримання, і для збору водню. Принцип роботи пропонованої у винаході установки і пропонований у винаході спосіб отримання водню пояснюються на прикладі розглянутих нижче реакцій. Конверсія (реформінг) метану зазвичай протікає відповідно до наведеного нижче рівнянням:

реакція конверсії метану: CH ₄ + Н ₂ О ---> СО + 3Н _3.

В результаті такої реакції отримують першу частину водню і монооксид вуглецю.

Другий протікає в реакторі реакцією є реакція зсуву, в процесі якої в результаті взаємодії відповідно до наведеного нижче рівнянням утворюється при конверсії метану моноксиду вуглецю і водяної пари отримують другу частину водню:

реакція зсуву: СО + Н ₂ О ---> СО ₂ + H _2.

Отримання водню за пропонованим у винаході способу засноване на цих двох основних реакціях. Отриманий водень відбирають з реактора через випускний пристрій 28.

У реакторі 12, зокрема в його першій реакційній камері 14, знаходиться первинний реакційний шар (позначений на фіг.2 позицією 42), в якому міститься роздільник або допоміжний учасник реакції. Зазвичай первинний реакційний шар 42 складається з каталізатора і містить кальцій речовини або сполуки. Як приклад такого знаходиться в первинному реакційному шарі 42 разом з каталізатором містить кальцій речовини можна назвати оксид кальцію і карбонат кальцію. Наявність в реакційному шарі разом з каталізатором містить кальцій речовини сприяє видаленню з нього діоксиду вуглецю, що утворюється в процесі реакції зсуву. Видалення або виділення з утворюються в реакторі продуктів діоксиду вуглецю відбувається відповідно до реакцією виділення за наведеним нижче рівнянням:

реакція виділення: СаО + СО ₂ ---> СаСО _3.

На відміну від отриманого з метану газоподібного водню продукт, отриманий в процесі реакції виділення, являє собою тверду речовину. Тому відділення утворюється в процесі реакції виділення твердого містить кальцій продукту від газоподібного водню в пропонованому у винаході реакторі відбувається досить просто за рахунок сили тяжіння, під дією якої він зсипається вниз з що складається з каталізатора і містить кальцій речовини реакційного шару і збирається на нижній стінці нижньої, або першої, камери 14 реактора.

Описаним вище способом можна отримати теоретично чистий водень, який збирається в першій реакційній камері над реакційним шаром 42. Незважаючи на те, що чистота одержуваного в даному випадку водню менше теоретично можливої, проте вона істотно перевищує чистоту водню, одержуваного відомими в даний час способами .

Зазвичай при отриманні водню з метану містить кальцій речовина перемішують з відповідним каталізатором. В якості каталізатора при цьому можна використовувати найрізноманітніші каталізатори, наприклад нікель в кількості від 4 до 22 мас.% На оксиди алюмінію, перемішаному з містить кальцій речовиною.

Температура в першій реакційній камері 14 при отриманні водню пропонованим у винаході способом істотно нижче температури, при якій в даний час водень отримують з метану на КМВП-установках. При отриманні водню пропонованим у винаході способом температуру в першій реакційній камері 14 зазвичай підтримують на рівні від приблизно 625 ° С (1150 ° F) до приблизно 725 ° С (1340 ° F). При цьому тиск в першій реакційній камері 14 має становити всього від приблизно 4 до приблизно 6 атм. Температура у верхній - другий - реакційній камері 16 може бути вище температури в першій реакційній камері 14. Зазвичай температуру в другій реакційній камері 16 підтримують на рівні від приблизно 900 ° С (1650 ° F) до приблизно 1000 ° С (1840 ° F). Для створення в реакторі таких температур використовують в невеликих кількостях відповідне паливо і окислювач. Для цього, зокрема, в другу реакційну камеру 16 через вхідний патрубок 22 від джерела 24 подають необхідне для нагрівання камери кількість метану і кисню. При згорянні палива в другій камері 16 створюється досить висока температура, необхідна для виділення діоксиду вуглецю з містить кальцій речовини, яку немає необхідності підтримувати у всьому обсязі реактора 12. При порівняно високій температурі тиск у другій реакційній камері 16 по суті дорівнює тиску в першій реакційній камері 14. Величина цього тиску, як уже було зазначено вище, становить зазвичай від приблизно 4 до приблизно 6 атм.

У первинному реакційному шарі 42 відповідно до наведеного вище рівнянням реакції конверсії відбувається первинна конверсія метану в інші продукти. У первинному реакційному шарі 42, крім того, відбувається і реакція зсуву. В принципі ці реакції можуть протікати в будь-якому реакційному шарі 42, наприклад в псевдозрідженому шарі. Псевдозрідженим шар являє собою шар твердих тонкоподрібнених частинок невеликого розміру, які знаходяться в стані, схожому на рідину.

При проходженні через первинний реакційний шар 42 водяної пари і метану в ньому відбуваються реакції конверсії і зсуву. Утворений при цьому діоксид вуглецю вступає в первинному реакційному шарі 42 у взаємодію з допоміжним учасником реакції. В результаті такої взаємодії утворюється продукт реакції виділення, наприклад карбонат кальцію (в тому випадку, коли допоміжним учасником реакції є кальцій). Утворений в результаті реакції виділення продукт, наприклад карбонат кальцію, в насипному вигляді переміщують в другу реакційну камеру 16. У другій реакційній камері 16 карбонат кальцію нагрівається до більш високої температури. З нагрітого до високої температури карбонату кальцію виділяється діоксид вуглецю, і він знову перетворюється в вихідне містить кальцій речовина, яка знаходилася в реакційному шарі 42. Утворений в другій камері 16 діоксид вуглецю виводиться з неї в газоподібному стані. Необхідно відзначити, що при використанні іншого легкозаймистої речовини та іншого допоміжного учасника реакції в результаті реакції виділення утворюються інші продукти.

Використання пропонованого у винаході реактора 12 дозволяє отримувати водень в замкнутому просторі. Такий реактор 12 можна виконати у вигляді одного апарату, в якому можуть одночасно відбуватися процеси горіння і конверсії. В цьому випадку всі пов'язані з отриманням водню процеси будуть протікати в надійно ізольованому від навколишнього атмосфери замкнутому просторі усередині одного реактора 12. Використання такого реактора дозволяє істотно зменшити або фактично повністю уникнути забруднення атмосфери шкідливими викидами, зокрема продуктами згоряння, що утворюються при отриманні водню відомими способами .

На фіг.2 як приклад показана конструкція пропонованого в цьому винаході реактора 38 для отримання водню конверсією метану з водяною парою. Реактор 38 має першу реакційну камеру 14 і другу реакційну камеру 16. Реактор 38 має один загальний корпус 39, всередині якого розташовані перша і друга реакційні камери 14, 16. Таке виконання реактора знижує ймовірність витоку в навколишній простір знаходяться в реакторі реагентів. По суті виконаний таким чином реактор являє собою повністю закриту і герметично ізольовану від навколишнього простору систему для отримання водню. У такій системі відсутні розташовані поза реактора 38 камери згоряння, робота яких зазвичай супроводжується забрудненням атмосфери різними продуктами згоряння.

Метан і водяну пару подають у першу реакційну камеру 14 через вхідний патрубок 18. Проходив через вхідний патрубок метан і водяна пара потрапляють в нижню частину 40 першої реакційної камери 14. Спочатку метан і водяна пара проходять через первинний реакційний шар 42. Первинний реакційний шар 42 складається з пасажирів зрідженому стані містить кальцій речовини і відповідного каталізатора. Первинний реакційний шар 42 може складатися не тільки з псевдоожиженного матеріалу, а й барботируемого матеріалу або матеріалу, що знаходиться в будь-якому іншому рухомому стані. Необхідно і відзначити, що первинним реакційним шаром 42 може служити і суцільний шар матеріалу, через який проходять метан і водяна пара. При проходженні метану і водяної пари через первинний реакційний шар 42 в ньому відбуваються всі три згадані вище реакції конверсії, зсуву і виділення.

Над первинним реакційним шаром 42 в першій камері знаходиться вільна зона 44. У цій зоні виходить з первинного реакційного шару 42 газ піднімається вгору. Піднімається вгору газ по суті складається з водню. Крім водню в отриманому з метану і водяної пари газі можуть і міститися побічні продукти. Минулий через вільну зону газ фільтрується першим, або основним, фільтром 46. Основною фільтр 46, фільтруючий потрапляє в нього з вільної зони газ, очищає водень від побічних продуктів і від твердих частинок, які потрапляють в нього з шару, що містить кальцій речовини і каталізатора. Потік пройшов через основний фільтр 46 очищеного водню виводиться з реактора через випускний пристрій 28. Виходить з реактора через випускний пристрій 28 водень можна зібрати як готовий продукт у відповідній ємності (див. Фіг.1).

У першій реакційній камері 14 розташований і механізм 48 переміщення матеріалу реакційного шару. Механізм 48 переміщення матеріалу реакційного шару переміщує утворює шар матеріал з первинного реакційного шару 42 у вторинний реакційний шар 50, який знаходиться в другій реакційній камері 16. Утворюючий шар матеріал в насипному вигляді переміщається з первинного реакційного шару 42 механізмом 48 переміщення шару в розташовану над вторинним реакційним шаром 50 зону другий реакційної камери, в якій матеріал зсипається з механізму 48 вниз в розташований в другій реакційній камері вторинний реакційний шар 50. в зв'язку з цим необхідно відзначити, що за допомогою механізму 48 утворює реакційний шар матеріал можна перемістити з первинного реакційного шару відразу ж під вторинний реакційний шар 50. Механізм 48 переміщення матеріалу реакційного шару можна виконати у вигляді підйомника або безперервного ланцюгового транспортера, що переміщає частина містить кальцій і каталізатор матеріалу з первинного реакційного шару 42 в розташовану над вторинним реакційним шаром 50 зону 52 другий реакційної камери, в якій утворює реакційний шар матеріал зсипається з транспортера під дією сили тяжіння вниз в розташований в другій реакційній камері вторинний реакційний шар 50.

У матеріалі, переміщуваний з первинного реакційного шару у вторинний, міститься карбонат кальцію, який є продуктом реакції виділення, що протікає в першій реакційній камері. Цей матеріал у вторинному реакційному шарі 50 нагрівається до температури, вищої, ніж в первинному реакційному шарі. Нагрівання вторинного реакційного шару 50 здійснюється за рахунок тепла, що виділяється в процесі згоряння палива (легкозаймистої речовини) і окислювача. Для нагрівання вторинного реакційного шару можна використовувати будь-яке паливо, проте переважно для цієї мети використовувати метан, що дозволяє зменшити кількість різних елементів технологічного обладнання, необхідного для роботи пропонованої у винаході установки 10 для отримання водню.

Згоряють в камері згоряння 54 метан і кисень нагрівають вторинний реакційний шар 50. При нагріванні вторинного реакційного шару 50 з знаходиться в ньому матеріалу виділяється діоксид вуглецю, який в газоподібному стані піднімається в розташоване над вторинним реакційним шаром вільний простір 56 другий реакційної камери. Утворює вторинний реакційний шар 50 матеріал так само, як і в первинному реакційному шарі, знаходиться в русі, але не обов'язково в псевдозрідженому стані. При цьому, однак, не виключається можливість і скраплення вторинного реакційного шару 50.

Вторинний реакційний шар 50 з'єднаний з первинним реакційним шаром 42 трубою 58. На трубі 58 встановлений клапан 60. Клапан 60 призначений для регулювання і вимірювання кількості матеріалу, зсипали вниз з вторинного реакційного шару 50 в первинний реакційний шар 42. Рух матеріалу по трубі 58 з вторинного реакційного шару 50 в первинний реакційний шар 42 відбувається під дією сили тяжіння. Замість пасивної гравітаційної системи повернення матеріалу з вторинного реакційного шару в первинний можна використовувати і активну систему переміщення матеріалу. Таку систему можна виконати, наприклад, у вигляді другого транспортера, що переміщає матеріал з вторинного реакційного шару 50 в первинний реакційний шар 42. Оброблений у вторинному реакційному шарі 50 матеріал можна безперервно зсипати назад в первинний реакційний шар 42. В виконаному таким чином реакторі відбувається безперервне оновлення матеріалу шару в його першій і другій реакційних камерах. Крім того, отримання водню в такому реакторі відбувається фактично без будь-якого витрачання каталізатора і містить кальцій речовини.

У реакторі, в якому вторинний реакційний шар 50 розташований над первинним реакційним шаром 42, матеріал з вторинного реакційного шару 50 в первинний реакційний шар 42 зсипається по трубі 58 виключно під дією сили тяжіння. Виконаний таким чином реактор повинен мати тільки механічний транспортер 48, призначений для примусового переміщення матеріалу з первинного реакційного шару у вторинний. Матеріал, який перебуває в первинному реакційному шарі 42, має більш низьку температуру в порівнянні з матеріалом, які є при вторинному реакційному шарі 50. Як було зазначено вище, переміщення механічним транспортером 48 тільки щодо холодного матеріалу знижує його знос і підвищує його довговічність. У зв'язку з цим необхідно, однак, відзначити, що при необхідності механічний транспортер можна використовувати і для переміщення порівняно гарячого матеріалу з вторинного реакційного шару в первинний.

Регулювання витрати матеріалу реакційного шару клапаном 60 дозволяє регулювати температуру шарів. Регулюючи витрату матеріалу, слід враховувати, що первинний реакційний шар 42 повинен мати нижчу температуру, ніж вторинний реакційний шар 50. Тому надмірне збільшення кількості матеріалу, що потрапляє з гарячого вторинного реакційного шару 50 в порівняно холодний первинний реакційний шар 42, може порушити тепловий баланс в реакторі.

Діоксид вуглецю, який збирається у вільному просторі 56 другий реакційної зони, перед відбором з реактора через вихідний патрубок 26 можна пропустити через другий фільтр 62. Другий фільтр 62 зазвичай очищає діоксид вуглецю від твердих частинок матеріалу і перешкоджає їх уносу з реактора потоком газу. Виходить з вихідного патрубка реактора діоксид вуглецю збирається потім у відповідній ємності (див. Фіг.1).

Необхідно відзначити, що отриманий на пропонованої у винаході установці водень можна додатково очищати в спеціально призначених для цього, хоча і не показаних на схемі, системах вторинного очищення. Для більш глибокого очищення водню можна, зокрема, використовувати відповідні АПД. Такі абсорбери можна використовувати для очищення водню від додаткових домішок, наприклад діоксиду вуглецю та інших, які можуть міститися в потоці водню, отриманого пропонованим у винаході способом. Зазвичай, однак, чистота водню, отриманого в реакторі 12 і додатково не очищеного, становить щонайменше близько 93%. Така порівняно висока чистота водню, отриманого в реакторі 12 пропонованим у винаході способом, зводить до мінімуму необхідність у його подальшому очищенню. Висока чистота отриманого пропонованим у винаході способом водню дозволяє і істотно скоротити втрати водню, так чи інакше пов'язані з його додатковим очищенням.

Високий ступінь чистоти водню, одержуваного пропонованим у винаході способом, обумовлена ​​в першу чергу мінімальною кількістю що міститься в ньому діоксиду вуглецю, який є одним з основних побічних продуктів, що утворюються в результаті реакцій конверсії і зсуву. Наявність в первинному реакційному шарі 42 допоміжного учасника реакції, зокрема містить кальцій речовини, істотно сприяє виділенню діоксиду вуглецю з продуктів реакції конверсії і зсуву. Допоміжний учасник реакції не тільки істотно збільшує чистоту отримуваного водню, але і підвищує кількість водню, одержуваного з легкозаймистої речовини (палива). Збільшення кількості водню, одержуваного з легкозаймистої речовини, визначається принципом Шательє. Відповідно до принципу Шательє видалення із зони реакції одного з продуктів реакції порушує рівновагу реакції і супроводжується збільшенням кількості інших продуктів реакції.

У запропонованій у винаході установці монооксид вуглецю, що утворюється при конверсії метану з водяною парою, взаємодіє з водяною парою в процесі реакції зсуву, продуктами якої є діоксид вуглецю і додатково утворюється водень. В результаті реакції виділення, що полягає у взаємодії утворився в процесі реакції зсуву діоксиду вуглецю з містить кальцій речовиною, утворюється твердий карбонат кальцію. Представляє собою тверду речовину карбонат кальцію легко і практично повністю відділяється від решти є газами реагентів. Таким чином, при отриманні водню пропонованим у винаході способом все що призводять до утворення водню реакції, тобто реакция конверсии и реакция сдвига, сопровождаются реакцией, которая обеспечивает удаление из водорода нежелательных или загрязняющих его примесей (моноксида или диоксида углерода) и в конечном итоге увеличение количества получаемого чистого водорода.

В предлагаемом в изобретении реакторе 12 диоксид углерода легко удаляется из образующего реакционный слой материала, в котором происходит реакция выделения. Предлагаемый в изобретении реактор работает без расходования образующего реакционный слой материала, который после соответствующей обработки во второй реакционной камере снова используется в первой реакционной камере, в которой в процессе реакции выделения образуется диоксид углерода, непрерывно отбираемый из первой реакционной камеры 14 реактора. Таким образом происходит увеличение количества получаемого в реакторе по существу чистого водорода.

Расположение вторичного реакционного слоя 50 над первичным реакционным слоем 42 позволяет и более эффективно и полно использовать на предлагаемой в изобретении установке 10 тепловую энергию. Для удаления на установке 10 из продуктов реакции диоксида углерода, образующегося в процессе конверсии метана с водяным паром и реакции сдвига, вторичный реакционный слой 50 должен иметь определенную сравнительно высокую температуру. Поэтому материал, образующий вторичный реакционный слой 50, должен быть соответствующим образом нагрет до такой температуры. Наличие в предлагаемом в изобретении реакторе возвратной трубы 58 позволяет использовать нагретый до сравнительно высокой температуры во вторичном реакционном слое 50 материал для создания в первичном реакционном слое 42 условий, необходимых для смещения слабо протекающей в нем эндотермической реакции. Десорбция диоксида углерода из первичного реакционного слоя 42 сопровождается абсорбцией энергии материалом реакционного слоя и, как следствие этого, охлаждением первичного реакционного слоя 42. Кроме того, при получении водорода в первичном реакционном слое 42 в результате абсорбции энергии материалом слоя температура первичного реакционного слоя 42 снижается. Ссыпающийся (или перемещаемый) в первичный реакционный слой из более горячего вторичного реакционного слоя 50 материал смещает слегка эндотермическую реакцию, протекающую в первичном реакционном слое 42, и поддерживает предпочтительно на постоянном уровне его температуру. Таким образом, предлагаемое в настоящем изобретении решение, связанное с возвратом материала, состоящего из катализатора и содержащего кальций вещества, из вторичного реакционного слоя 50 в первичный реакционный слой 42 и использованием в первичном реакционном слое 42 содержащейся в нем тепловой энергии, позволяет существенно снизить потери тепла, связанные с получением на установке 10 практически чистого водорода.

Приведенное выше описание лишь иллюстрирует основные особенности изобретения, которое допускает возможность внесения в рассмотренные в качестве примера варианты его осуществления различных изменений и усовершенствований, которые, однако, не должны нарушать сущности изобретения. Все такие изменения и усовершенствования не должны выходить за рамки основной идеи изобретения и не должны сужать его объем.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Аппарат для получения водорода конверсией легковоспламеняющегося вещества с водяным паром, содержащий первую (14) реакционную камеру с находящимся в ней реакционным слоем (42), в котором протекает реакция конверсии, вторую реакционную камеру (16) с находящимся в ней реакционным слоем (50) и выпускное устройство (28) для отбора из аппарата получаемого водорода, причем в состав реакционного слоя (42) первой реакционной камеры (14) входит разделитель продуктов реакции, удаляющий из первой реакционной камеры побочный продукт конверсии и перемещаемый в реакционный слой (50) второй реакционной камеры (16), который расположен над реакционным слоем (42) первой реакционной камеры (14) и в котором происходит высвобождение побочного продукта из разделителя продуктов реакции.

2. Апарат по п.1, який містить механічний транспортер для переміщення частини роздільник продуктів реакції в другу реакційну камеру (16), пристрій для подачі в апарат (10) легкозаймистої речовини в необхідному обсязі, конверсія якого відбувається в першій реакційній камері (14) , причому утворюється в результаті конверсії відмінний від водню побічний продукт переміщається роздільником продуктів реакції з першої реакційної камери (14) у другу реакційну камеру (16), а отриманий водень відбирається з апарату (10).

3. Апарат по п.1 або 2, який має і реактор (12), в якому розташовані перша (14) і друга (16) реакційні камери.

4. Апарат за допомогою одного з пп.1-3, в якому, по суті, всі його елементи знаходяться всередині реактора (12), який виконаний герметичним і перешкоджає, зокрема, викиду в атмосферу утворюються в реакторі газів (12) або істотно знижує втрати теплової енергії реакції конверсії з водяною парою.

5. Апарат за допомогою одного з пп.1-4, в якому до складу роздільник продуктів реакції входить речовина, зокрема кальцій, яке утримує побічний продукт реакції конверсії.

6. Апарат за допомогою одного з пп.1-5, в якому утворюється в першій реакційній камері (14) продукт конверсії видаляється з неї, по суті, під час протікання в ній реакції конверсії.

7. Апарат за допомогою одного з пп.1-6, в якому температура в першій реакційній камері (14) підтримується в межах від 625 до 725 ° С, а в другій реакційній камері (16) - у межах від 900 до 1000 ° С.

8. Апарат за допомогою одного з пп.1-7, в якому в першій (14) і другий (16) реакційних камерах створюється, по суті, одне і те ж тиск.

9. Апарат за допомогою одного з пп.1-8, в якому до складу роздільник продуктів реакції входить речовина, призначене для виділення з отриманого водню побічного продукту.

10. Апарат за допомогою одного з пп.1-9, в якому виділення побічного продукту в другій реакційній камері (16) відбувається, по суті, під час протікання реакції конверсії.

11. Апарат за допомогою одного з пп.1-10, що містить і механічний транспортер (48) для переміщення роздільник продуктів реакції з першої реакційної камери (14) у другу реакційну камеру (16).

12. Апарат по п.11, в якому механічний транспортер (48) містить направляючий пристрій, що визначає шлях руху транспортера, що рухається цим шляхом пристрій для переміщення роздільник продуктів реакції і двигун, який приводить в рух по заданому шляху пристрій для переміщення роздільник продуктів реакції .

13. Апарат по п.11 або 12, що містить і пристрій, призначений для переміщення роздільник продуктів реакції з другої реакційної камери (16) назад в першу реакційну камеру (14).

14. Апарат за допомогою одного з пп.1-13, в якому є джерело (24) подається в неї легкозаймистої речовини, яким служить вуглеводень.

15. Апарат за допомогою одного з пп.1-14, в якому реакційний шар (42), в якому протікає реакція конверсії, знаходиться в псевдозрідженому стані.

16. Спосіб отримання водню конверсією легкозаймистої речовини в реакторі (12), що має першу (14) і другу (16) камери, з використанням роздільника продуктів реакції, що збільшує продуктивність реактора і чистоту отримуваного водню, що полягає в тому, що в реакційному шарі (42 ) першої камери (14) з використанням відповідного агента конверсії проводять реакцію конверсії легкозаймистої речовини з отриманням водню і щонайменше одного побічного продукту, а й реакцію взаємодії між побічним продуктом і роздільником продуктів реакції, переміщують роздільник продуктів реакції в реакційний шар (50) другий камери (16), що знаходиться над реакційним шаром (42) першої камери (14), і виділяють з роздільник продуктів реакції побічний продукт.

17. Спосіб за п.16, в якому в якості агента конверсії використовують воду, якою обробляють легкозаймиста речовина, і в результаті відбувається при цьому конверсії отримують щонайменше водень.

18. Спосіб за п.17, в якому легкозаймиста речовина обробляють водяною парою.

19. Спосіб за п.17 або 18, в якому температуру в першій камері (14) підтримують в межах від 625 до 725 ° С.

20. Спосіб за п пп.16-19, в якому при взаємодії побічного продукту з роздільником продуктів реакції в якості останнього використовують містить кальцій речовина, яке при взаємодії з побічним продуктом відокремлює його від одержуваного водню.

21. Спосіб за п пп.16-20, в якому частина роздільник продуктів реакції переміщують з реакційного шару (42) першої камери (14) в реакційний шар (50) другий камери (16) за допомогою транспортера (48).

22. Спосіб за п пп.16-21, в якому побічний продукт виділяють з роздільник продуктів реакції шляхом нагрівання останнього до температури, достатньої для виділення з нього побічного продукту.

23. Спосіб за п пп.16-22, в якому роздільник продуктів реакції з другої камери (16) повертають назад в першу камеру (14).

24. Спосіб за п пп.16-23, в якому повернення роздільник продуктів реакції в першу камеру (14) використовують для істотного зниження теплових втрат, пов'язаних з конверсією легкозаймистої речовини.

Версія для друку
Дата публікації 02.03.2007гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів